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1、1 纳米表面工程的内涵纳米表面工程的内涵第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 纳米量级厚度的薄膜表面含有纳米颗粒与原子团族表面含有纳米碳管复合纳米表面13 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 在金属材料表面获得纳米结构表层主要途在金属材料表面获得纳米结构表层主要途径有三种：径有三种：（1）表面涂覆或沉积方法）表面涂覆或沉积方法 首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳米首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒通过表面技术固尺度的颗粒，再将这些颗粒通过表面技术固结在材料的表面，形成一个与基体化学成分结在材料的表面，形成一个与基体化学成分相同（或不同）的纳米结构表层。
2、相同（或不同）的纳米结构表层。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 23 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 这种材料的主要特征是：纳米结构表层内晶这种材料的主要特征是：纳米结构表层内晶粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制；表层与粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制；表层与基体之间存在着明显得界面；材料的外形尺寸基体之间存在着明显得界面；材料的外形尺寸较处理前有所增加。较处理前有所增加。许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发纳许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发纳米表面膜层的潜力，如米表面膜层的潜力，如PVD、CVD、电解沉积、电解沉积等。通过工艺参数的调节，可以控制纳米结构等。通过工艺
3、参数的调节，可以控制纳米结构表层的厚度和纳米晶粒的尺寸，整个工艺过程表层的厚度和纳米晶粒的尺寸，整个工艺过程的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗粒之间的牢固结合。粒之间的牢固结合。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 33 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 目前，这些技术经过不断地发展和完善，目前，这些技术经过不断地发展和完善，已比较成熟。已比较成熟。（2）表面自身纳米化方法）表面自身纳米化方法 对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，可以使粗晶组织逐渐细材料表面的自由能，可以使粗晶
4、组织逐渐细化至纳米量级。这种材料的主要特征是：晶化至纳米量级。这种材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大；纳米结构表层粒尺寸沿厚度方向逐渐增大；纳米结构表层与基体之间没有明显的界面；处理前后材料与基体之间没有明显的界面；处理前后材料的外形尺寸基本不变。的外形尺寸基本不变。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 43 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 由由非非平平衡衡实实现现表表面面纳纳米米化化主主要要有有两两种种方方法法，即即表表面面机机械械（加加工工）处处理理法法和和非非平平衡衡热热力力学学法法，不不同同方方法法所所采采用用的的工工艺艺和和由由其其导导致致纳米化的微观机
5、理均存在着较大的差异。纳米化的微观机理均存在着较大的差异。（3）混合纳米化方法）混合纳米化方法 在制备热喷涂层、电刷镀层、粘结层等表在制备热喷涂层、电刷镀层、粘结层等表面工程涂覆层时，在基质层中复合纳米颗粒面工程涂覆层时，在基质层中复合纳米颗粒以改变涂覆层本身的综合性能或制备出特殊以改变涂覆层本身的综合性能或制备出特殊的功能涂层。的功能涂层。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 53 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 目目前前，较较为为成成熟熟的的使使用用纳纳米米表表面面工工程程技技术术制备的表面涂覆层主要属于这种方式。制备的表面涂覆层主要属于这种方式。第九章第九章 纳米表面
6、工程纳米表面工程 64.实用纳米表面技术实用纳米表面技术 围绕以上途径开展研究，当前已经开发出围绕以上途径开展研究，当前已经开发出多种实用的纳米表面工程技术。多种实用的纳米表面工程技术。（1）纳米薄膜制备技术）纳米薄膜制备技术 薄膜技术是通过某些特定工艺（常用溅射薄膜技术是通过某些特定工艺（常用溅射法），在物体表面沉积附着一层或者多层与法），在物体表面沉积附着一层或者多层与基体材料材质不同的薄膜，使物体表面具有基体材料材质不同的薄膜，使物体表面具有与基体材料不同性能的技术。与基体材料不同性能的技术。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 74.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备
7、技术）纳米薄膜制备技术 按薄膜的用途，可以将其分为按薄膜的用途，可以将其分为功能性薄膜功能性薄膜和和保护性薄膜保护性薄膜两大类。两大类中又有纳米多两大类。两大类中又有纳米多层膜和纳米复合膜之分。纳米多层膜一般是层膜和纳米复合膜之分。纳米多层膜一般是由两种厚度在纳米尺度上的不同材料层交替由两种厚度在纳米尺度上的不同材料层交替排列而成的涂层体系。排列而成的涂层体系。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 84.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术）纳米薄膜制备技术 由于膜层在纳米量级上排列的周期性，两由于膜层在纳米量级上排列的周期性，两种材料具有一个基本固定的超点阵周期，双种材料
8、具有一个基本固定的超点阵周期，双层厚度为层厚度为510nm，一些涂层在，一些涂层在X射线衍射图射线衍射图上产生了附加的超点阵峰，对这些涂层又称上产生了附加的超点阵峰，对这些涂层又称之为纳米超点阵涂层。纳米复合膜是由两相之为纳米超点阵涂层。纳米复合膜是由两相或两相以上的固态物质组成的薄膜材料，其或两相以上的固态物质组成的薄膜材料，其中至少有一相是纳米晶，其他相可以是纳米中至少有一相是纳米晶，其他相可以是纳米晶，也可以是非晶态。晶，也可以是非晶态。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 94.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术）纳米薄膜制备技术 众所周知，镀锌经常作为钢铁材料表
9、面的有效众所周知，镀锌经常作为钢铁材料表面的有效保护涂层，它的耐腐蚀性决定了镀层的使用寿保护涂层，它的耐腐蚀性决定了镀层的使用寿命。命。HE Jian-ping等在电镀液中添加等在电镀液中添加CeO2纳米纳米颗粒后，所得镀层中颗粒后，所得镀层中CeO2的含量为的含量为O.22,此时此时镀锌层的耐蚀性比纯锌镀层的提高了镀锌层的耐蚀性比纯锌镀层的提高了40 60，分析其原因，认为这是由于，分析其原因，认为这是由于CeO 2纳米颗粒纳米颗粒的存在使得电镀层的微观结构更加均匀、细密，的存在使得电镀层的微观结构更加均匀、细密，并使得晶面生长的择优取向由纯锌的并使得晶面生长的择优取向由纯锌的(101)和和
10、(103)变为单一的变为单一的(101)所致。所致。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 104.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术）纳米薄膜制备技术 利用气相沉积法制备纳米结构的超硬复利用气相沉积法制备纳米结构的超硬复合薄膜是由合薄膜是由Veprek等人于等人于1995年提出的，年提出的，从此，与此相似的许多硬质薄膜被开发出从此，与此相似的许多硬质薄膜被开发出来。西安交通大学的马胜利等人利用等离来。西安交通大学的马胜利等人利用等离子体增强化学气相沉积技术子体增强化学气相沉积技术(PECVD)，通，通过合理控制电压、电流密度、压强和沉积过合理控制电压、电流密度、压强和沉积
11、温度等参数，在不锈钢基底上成功制备出温度等参数，在不锈钢基底上成功制备出纳米复合膜纳米复合膜Ti1-xAIxN-Si3N4。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 114.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术）纳米薄膜制备技术 这种纳米结构复合薄膜有着很高的红硬这种纳米结构复合薄膜有着很高的红硬性，在性，在1000时仍能保持高硬度。分析表时仍能保持高硬度。分析表明，薄膜的这一优异特性主要是由纳米结明，薄膜的这一优异特性主要是由纳米结构相形成的。构相形成的。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 124.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术）纳米薄膜制备技术
12、清华大学在利用清华大学在利用CNTs（碳纳米管）熔覆制备（碳纳米管）熔覆制备表面材料方面取得了卓有成效的研究结果。魏表面材料方面取得了卓有成效的研究结果。魏秉庆等用激光熔覆和后续淬火处理对以秉庆等用激光熔覆和后续淬火处理对以45钢为钢为基体的基体的CNTs涂层进行改性，在基体表面形成了涂层进行改性，在基体表面形成了CNTs-45钢复合材料。研究发现，用激光进行辐钢复合材料。研究发现，用激光进行辐照后，照后，CNTs与与Fe发生反应而生成发生反应而生成Fe3C，表面变，表面变成亚共晶合金化层，而成亚共晶合金化层，而CNTs的结构可保留下来，的结构可保留下来，保温一定时间淬火后表面硬度可达保温一定
13、时间淬火后表面硬度可达70 HRC，同，同时具有优异的耐磨性和表面耐腐蚀性。时具有优异的耐磨性和表面耐腐蚀性。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 134.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（2）纳米热喷涂技术）纳米热喷涂技术 热热喷喷涂涂是是表表面面工工程程领领域域中中应应用用十十分分广广泛泛的的技术，在各种新型热喷涂技术技术，在各种新型热喷涂技术-如超音速火如超音速火焰喷涂（焰喷涂（HVOF）、高速电弧喷涂、气体爆）、高速电弧喷涂、气体爆燃式喷涂、电熔爆炸喷涂、超音速等离子喷燃式喷涂、电熔爆炸喷涂、超音速等离子喷涂涂、真真空空等等离离子子喷喷涂涂等等不不断断涌涌现现的的同同时时，纳纳米米热
14、热喷喷涂涂技技术术已已成成为为热热喷喷涂涂技技术术新新的的发发展展方方向。向。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 144.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（2）纳米热喷涂技术）纳米热喷涂技术 热喷涂纳米涂层组成可分为三类：热喷涂纳米涂层组成可分为三类：单一纳米颗粒材料的复合体系，特别是陶单一纳米颗粒材料的复合体系，特别是陶瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系具有重要的作瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系具有重要的作用和意义。目前，完全的纳米材料涂层离普用和意义。目前，完全的纳米材料涂层离普及及应用还有相当距离。大部分的研究开发及及应用还有相当距离。大部分的研究开发工作集中在在传统涂覆层技术基础上，添加工作集
15、中在在传统涂覆层技术基础上，添加复合纳米材料，可在较低成本情况下，使涂复合纳米材料，可在较低成本情况下，使涂覆层功能得到显著提高。覆层功能得到显著提高。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 154.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（2）纳米热喷涂技术）纳米热喷涂技术 例如，美国纳米材料公司通过特殊粘结处例如，美国纳米材料公司通过特殊粘结处理制成专用热喷涂纳米粉，用等离子喷涂方理制成专用热喷涂纳米粉，用等离子喷涂方法获得了纳米结构的法获得了纳米结构的Al2O3/TiO2涂层，该涂涂层，该涂层致密度达层致密度达9598，结合强度比传统喷，结合强度比传统喷涂粉末涂层提高涂粉末涂层提高23倍，表明纳
16、米结构涂层倍，表明纳米结构涂层具有良好的性能。研究表明，采用热喷涂技具有良好的性能。研究表明，采用热喷涂技术制备的纳米结构涂层性能优异，在一些贵术制备的纳米结构涂层性能优异，在一些贵重、关键零件的应用方面具有良好前景。重、关键零件的应用方面具有良好前景。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 164.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（3）纳米颗粒复合电刷镀技术）纳米颗粒复合电刷镀技术 电刷技术是表面工程的重要组成部分，该电刷技术是表面工程的重要组成部分，该技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度快、镀层种类多等优点，被广泛应用于机械快、镀层种类多等优点，被广泛应
17、用于机械零件表面修复与强化，尤其适用于现场及野零件表面修复与强化，尤其适用于现场及野外抢修。近年来，纳米级颗粒材料在电刷镀外抢修。近年来，纳米级颗粒材料在电刷镀技术中的应用，使芾恶化电刷镀技术在高温技术中的应用，使芾恶化电刷镀技术在高温耐磨及抗接触疲劳载荷领域呈现出强大生命耐磨及抗接触疲劳载荷领域呈现出强大生命力。力。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 174.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（3）纳米颗粒复合电刷镀技术）纳米颗粒复合电刷镀技术 在电刷镀镀液中添加纳米颗粒时制备的复在电刷镀镀液中添加纳米颗粒时制备的复合镀层的摩擦性能有较大改善。在快速镍镀合镀层的摩擦性能有较大改善。在快速镍
18、镀层中分别添加纳米层中分别添加纳米Al2O3、SiC、金刚石、金刚石粉，通过对纳米粉进行表面改性处理，有效粉，通过对纳米粉进行表面改性处理，有效地提高了纳米粉在镍基复合镀层中的共沉积地提高了纳米粉在镍基复合镀层中的共沉积量，显著的改善了纳米粉在镀层中的均匀程量，显著的改善了纳米粉在镀层中的均匀程度。度。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 184.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（3）纳米颗粒复合电刷镀技术）纳米颗粒复合电刷镀技术 在在不不同同的的加加热热温温度度下下，表表现现出出比比传传统统快快速速镍镍刷刷镀镀层层更更好好的的显显微微硬硬度度和和抗抗微微动动磨磨损损性性能能。其其中中添添加
19、加纳纳米米Al2O3复复合合镀镀层层的的使使用用温温度度达达400，且且在在此此温温度度下下复复合合镀镀层层的的显显微微值值为为HV600，抗抗接接触触疲疲劳劳循循环环次次数数由由传传统统镀镀层层的的2105提提 高高 到到2106，提提高高了了一一个个数数量量级级。纳纳米米电电刷刷镀镀技技术术可可用用于于设设备备贵贵重重零零部部件件的修复与再制造。的修复与再制造。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 194.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（3）纳米颗粒复合电刷镀技术）纳米颗粒复合电刷镀技术 在刷镀液中加入纳米颗粒，可以得到一在刷镀液中加入纳米颗粒，可以得到一种质量更佳的复合镀层。如把种质
20、量更佳的复合镀层。如把80-100 nm的的Al2O3，70-80 nm的的ZrO2 和和30-40 nm的的SiO2加入到电刷镀液中作为加强相，然后加入到电刷镀液中作为加强相，然后在在A3钢基体上刷镀。扫描电镜分析发现，钢基体上刷镀。扫描电镜分析发现，加入纳米颗粒后镀层中的晶粒更加均匀、加入纳米颗粒后镀层中的晶粒更加均匀、致密。致密。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 204.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（3）纳米颗粒复合电刷镀技术）纳米颗粒复合电刷镀技术 在性能测试中，含有一定纳米颗粒加强相在性能测试中，含有一定纳米颗粒加强相的镀层显微硬度明显提高，当纳米颗粒的的镀层显微硬度明显提
21、高，当纳米颗粒的浓度超过某一范围时，显微硬度的提高不浓度超过某一范围时，显微硬度的提高不再明显。在高温硬度测试中发现。刷镀层再明显。在高温硬度测试中发现。刷镀层中纳米颗粒的存在能够减缓硬度随温度升中纳米颗粒的存在能够减缓硬度随温度升高时的下降，尤其是在高时的下降，尤其是在300400 内。对内。对于提高刷镀层的耐磨性，纳米颗粒的加强于提高刷镀层的耐磨性，纳米颗粒的加强作用同样是明显的。作用同样是明显的。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 214.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（4）纳米减摩自修复添加剂技术）纳米减摩自修复添加剂技术 机械部件的磨损，主要发生在边界润滑和混机械部件的磨损，主
22、要发生在边界润滑和混合润滑状态下，而润滑油添加剂，特别是摩擦合润滑状态下，而润滑油添加剂，特别是摩擦改进剂是降低其摩擦磨损最有效的途径之一，改进剂是降低其摩擦磨损最有效的途径之一，也是国外表面工程中的重要发展方向。在一定也是国外表面工程中的重要发展方向。在一定温度、压力、摩擦力作用下，表面产生剧烈摩温度、压力、摩擦力作用下，表面产生剧烈摩擦和塑性变形，纳米颗粒在摩擦表面沉积，并擦和塑性变形，纳米颗粒在摩擦表面沉积，并与摩擦表面作用，填补表面微观沟谷，从而形与摩擦表面作用，填补表面微观沟谷，从而形成一层具有抗磨减摩作用的修复膜。成一层具有抗磨减摩作用的修复膜。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工
23、程 224.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（4）纳米减摩自修复添加剂技术）纳米减摩自修复添加剂技术 通过发动机台架试验，该技术可使整车的通过发动机台架试验，该技术可使整车的动力性、经济性以及尾气排放都得到改善，动力性、经济性以及尾气排放都得到改善，燃油消耗率也降低了燃油消耗率也降低了510。（5）纳米固体润滑干膜技术）纳米固体润滑干膜技术 固体润滑技术是将固体物质涂（镀）于摩固体润滑技术是将固体物质涂（镀）于摩擦界面，以降低摩擦，减少磨损的技术。与擦界面，以降低摩擦，减少磨损的技术。与常用的液体润滑相比，固体润滑技术不需要常用的液体润滑相比，固体润滑技术不需要相应的润滑设备和装置，不存在泄漏
24、问题。相应的润滑设备和装置，不存在泄漏问题。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 234.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（5）纳米固体润滑干膜技术）纳米固体润滑干膜技术 固体润滑技术不仅扩充了润滑油、脂的应用固体润滑技术不仅扩充了润滑油、脂的应用范围，而且弥补了润滑油、脂的缺陷。例如，范围，而且弥补了润滑油、脂的缺陷。例如，加入纳米加入纳米Al2O3颗粒，使固体润滑干膜的摩擦颗粒，使固体润滑干膜的摩擦系数增大，耐磨性提高。某重载车辆平面弹子系数增大，耐磨性提高。某重载车辆平面弹子滚道部位，采用纳米固体润滑干膜对其进行处滚道部位，采用纳米固体润滑干膜对其进行处理后，涂层能有效地隔绝腐蚀介质，
25、同时涂层理后，涂层能有效地隔绝腐蚀介质，同时涂层起到较好的减摩润滑作用。该技术可用于特殊起到较好的减摩润滑作用。该技术可用于特殊情况下，贵重零部件的减摩、耐磨。情况下，贵重零部件的减摩、耐磨。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 244.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（6）纳米粘结剂技术）纳米粘结剂技术 表面粘涂与粘结技术是指以高分子聚合物表面粘涂与粘结技术是指以高分子聚合物与一些特殊功能填料（如石墨、二硫化钼、与一些特殊功能填料（如石墨、二硫化钼、金属粉末、陶瓷粉末和纤维）组成的复合材金属粉末、陶瓷粉末和纤维）组成的复合材料涂覆于零件表面实现特定用途（如耐磨、料涂覆于零件表面实现特定用途
26、（如耐磨、抗蚀、绝缘、导电、保温、防辐射等）的一抗蚀、绝缘、导电、保温、防辐射等）的一种表面工程技术。种表面工程技术。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 254.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（6）纳米粘结剂技术）纳米粘结剂技术 纳纳米米材材料料因因其其优优异异的的特特性性，在在表表面面粘粘涂涂与与粘粘结结技技术术领领域域显显示示出出广广阔阔的的应应用用前前景景。例例如如，含含金金刚刚石石的的纳纳米米胶胶粘粘剂剂具具有有优优异异的的耐耐磨磨性性和和很很高高的的粘粘结结强强度度。实实验验表表明明，随随着着纳纳米米级级金金刚刚石石粉粉在在胶胶粘粘剂剂中中加加入入量量的的增增加加，涂涂层层的的
27、耐耐磨磨性性提提高高，当当加加入入量量为为8时时，耐耐磨磨性性是是未未添添加加的的2.2倍倍，拉拉伸伸强强度度可可达达50MPa，比比未未添加的提高添加的提高27.5。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 264.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（7）纳米涂装技术）纳米涂装技术 纳纳米米复复合合涂涂料料是是指指将将纳纳米米颗颗粒粒用用于于涂涂料料中中所所得得到到的的一一类类具具有有抗抗辐辐射射、耐耐老老化化、剥剥离离强强度度高高或具有某些特殊功能的涂料。例如，或具有某些特殊功能的涂料。例如，50120nm球状球状TiO2对衰减对衰减300400nm的紫外线有明显效的紫外线有明显效果；纳米果；
28、纳米SiO2具有极强的紫外线反射能力，对具有极强的紫外线反射能力，对波长波长400nm以内的紫外线反射率达以内的紫外线反射率达70以上，是以上，是一种极好的抗老化添加剂；一种极好的抗老化添加剂；60nm的的ZnO吸收吸收300400nm紫外线能力强。尤其是纳米隐身涂紫外线能力强。尤其是纳米隐身涂料在军事上有重要的应用价值。料在军事上有重要的应用价值。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 274.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（8）金属表面纳米化）金属表面纳米化 大多数材料在服役时的失稳始于其表面。大多数材料在服役时的失稳始于其表面。因此只要在材料的表面制备出一定厚度的因此只要在材料的表面制
29、备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就能纳米结构表层，即实现表面纳米化，就能够通过表面组织和性能的优化提高材料的够通过表面组织和性能的优化提高材料的整体力学性能和环境服役行为。尤其是材整体力学性能和环境服役行为。尤其是材料表面的自身纳米化方法，使得晶粒尺寸料表面的自身纳米化方法，使得晶粒尺寸在厚度方向逐渐增大，并且纳米结构层与在厚度方向逐渐增大，并且纳米结构层与基体之间没有明显界面，处理前后材料外基体之间没有明显界面，处理前后材料外形尺寸基本不变。形尺寸基本不变。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 284.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（8）金属表面纳米化）金属表面纳米化 对于
30、多晶材料，采用非平衡处理方法增对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能。可以使粗晶组织细加材料表面的自由能。可以使粗晶组织细化达到纳米量级，非平衡方法包括机械化达到纳米量级，非平衡方法包括机械(加工加工)处理法和非平衡热力学法。卢柯院处理法和非平衡热力学法。卢柯院士使用表面机械研磨处理士使用表面机械研磨处理(SMAT)技术，技术，以及一些常规的表面处理技术如喷丸和冲以及一些常规的表面处理技术如喷丸和冲击等在纯铁、低碳钢、不锈钢和铝基合金击等在纯铁、低碳钢、不锈钢和铝基合金等常规金属材料上制备出纳米结构表层。等常规金属材料上制备出纳米结构表层。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程
31、294.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（8）金属表面纳米化）金属表面纳米化 例如，应用超声冲子冲击工艺，可在例如，应用超声冲子冲击工艺，可在Fe或不锈钢表面获得晶粒平均尺寸为或不锈钢表面获得晶粒平均尺寸为1020nm的表面层。超声冲子冲击的表面层。超声冲子冲击450s后纯后纯Fe表面层表面层的显微组织形成了结晶位向为任意取向的纳的显微组织形成了结晶位向为任意取向的纳米晶相，晶粒平均尺寸为米晶相，晶粒平均尺寸为10nm，而，而Fe的原始的原始晶粒尺寸约为晶粒尺寸约为50m。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 304.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（8）金属表面纳米化）金属表面纳米化 表面
32、纳米化改变了材料表面的组织和结表面纳米化改变了材料表面的组织和结构，这不仅有效地改进了材料的性能，而构，这不仅有效地改进了材料的性能，而且对材料整体的性能也产生了一定的影响。且对材料整体的性能也产生了一定的影响。以低碳钢为例，表面形成纳米组织后，硬以低碳钢为例，表面形成纳米组织后，硬度明显提高，与未发生变化的心部组织相度明显提高，与未发生变化的心部组织相比，表面硬度提高两倍以上。同时耐磨性比，表面硬度提高两倍以上。同时耐磨性能也明显提高。能也明显提高。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 314.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（8）金属表面纳米化）金属表面纳米化 把厚度为把厚度为1.5 m
33、m的低碳钢板材经过的低碳钢板材经过SMAT后，试验表明整体屈服强度明显提后，试验表明整体屈服强度明显提高高(约为约为35)，同时延伸率下降不大，同时延伸率下降不大(4)，说明表面纳米化能够明显提高材料的，说明表面纳米化能够明显提高材料的整体强度，同时又不降低材料韧性。由于整体强度，同时又不降低材料韧性。由于表面形成的纳米晶组织能有效地抑制裂纹表面形成的纳米晶组织能有效地抑制裂纹的萌生，而心部粗晶组织又可以阻止裂纹的萌生，而心部粗晶组织又可以阻止裂纹的扩展，因此这种特殊结构能提高材料的的扩展，因此这种特殊结构能提高材料的疲劳性能。疲劳性能。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 324.实用纳米
34、表面技术实用纳米表面技术（8）金属表面纳米化）金属表面纳米化 尤其对于材料的化学热处理等工艺，其尤其对于材料的化学热处理等工艺，其改进效果尤为明显。在钢铁材料常规渗氮改进效果尤为明显。在钢铁材料常规渗氮过程中，表面纳米化能使温度降低过程中，表面纳米化能使温度降低200250。时间缩短约。时间缩短约10 h。这不仅降。这不仅降低了化学处理的成本、提高效率，还能改低了化学处理的成本、提高效率，还能改善处理效果。善处理效果。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 334.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（8）金属表面纳米化）金属表面纳米化 该技术的优点之一是可以在复杂形状零部该技术的优点之一是可以在复杂形状零部件表面获得纳米晶表面层。该技术将为整体件表面获得纳米晶表面层。该技术将为整体材料的纳米晶化处理提供一个基本途径，此材料的纳米晶化处理提供一个基本途径，此项工作具有重大的创新意义。项工作具有重大的创新意义。以上以上8个方面虽然已进入实用化阶段，但仍个方面虽然已进入实用化阶段，但仍有广阔的研究空间，许多深层次的理论问题有广阔的研究空间，许多深层次的理论问题也有待探讨。也有待探讨。第九章第九章 纳米表面工程纳米表面工程 34