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1、材料表面工程材料表面工程1材料学院材料学院 谈发堂谈发堂 Email:F 材料表面工程材料表面工程2课程简介课程简介 材料表面工程为材料科学与工程、材料加工等专业选修课。本课程按照表面工程的体系，较为全面系统地介绍了表面工程的理论与技术。分类讨论了应用广泛的有发展前景的各类现代表面技术的特点、适用范围、典型设备、工艺措施和应用实例，并介绍一些表面分析和检测技术的内容。本课程突出表面工程学科“综合、复合、交叉、系统”的特色，重视反映复合表面技术，调理论密切联系生产实际，着力提高学生分析和解决表面工程问题的能力。材料表面工程材料表面工程3 第一章：绪论第一章：绪论 第二章：热喷涂技术第二章：热喷涂
2、技术 第三章：电镀和化学镀第三章：电镀和化学镀 第四章：高能束表面改性技术第四章：高能束表面改性技术 第五章：气相沉积技术第五章：气相沉积技术 第六章：化学转化膜第六章：化学转化膜 第七章第七章 表面分析与测试表面分析与测试主主 要要 内内 容容材料表面工程材料表面工程4教学目的教学目的通过本课程学习:系统地掌握现代表面处理技术的基本原理；能合理选择并应用这些新的表面工程技术；解决材料表面硬度、强度、耐磨性与芯部强韧性之间的矛盾；充分发挥材料性能的潜力；延长产品使用寿命和提高产品质量。材料表面工程材料表面工程5教材及参考资料教材及参考资料WWW表面工程学表面工程学作者:曾晓雁,吴懿平主编出版社
3、:机械工业出版社材料表面工程材料表面工程6教学事项教学事项特点特点:内容多、叙述多、学时少。内容多、叙述多、学时少。环节：环节：教材教材 讲课讲课 作业作业 复习复习 辅导辅导 考核考核学习方法：学习方法：1.1.着重理解教学内容，尽量避免死记硬背；着重理解教学内容，尽量避免死记硬背；2.2.内容多，每章要及时跟上消化；内容多，每章要及时跟上消化；3.3.利用多媒体帮助加深理解；利用多媒体帮助加深理解；考试方式：闭卷统考。考试方式：闭卷统考。材料表面工程材料表面工程7材料：材料：是指经过某种加工，是指经过某种加工，具有一定结构、成分和性具有一定结构、成分和性能，并可应用于一定用途能，并可应用于
4、一定用途的物质。的物质。一般把来自采掘工业和一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为农业的劳动对象称为“原原料料”，把经过工业加工的，把经过工业加工的原料成为原料成为“材料材料”。哥哥哥哥伦伦伦伦比比比比亚亚亚亚号号号号航航航航天天天天飞飞飞飞机机机机材料表面工程材料表面工程8材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机材料表面工程材料表面工程92003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning材料科学材料科学是一个是一个跨物理、化学等跨物理、化学等的学科。材料科的学科
5、。材料科学的核心问题是学的核心问题是材料的成分材料的成分（Composition）、）、组织结构组织结构（Structure）、）、工艺工艺（Processing Technology）和）和性能性能（Property）以）以及它们之间的关及它们之间的关系。右图为材料系。右图为材料科学与工程四要科学与工程四要素。素。材料表面工程材料表面工程10第一章第一章 绪论绪论表面工程技术的定义定义：定义：表面工程是指利用各种表面处理、表面涂层和表面改性技术作用于材料或工件的表面以获得预想的性能。表面工程包含了从设计、选材、表面处理工艺、表层质量控制与检测、工程应用以及失效分析等，是一个系统工程。材料表面
6、工程材料表面工程11表面工程技术的目的表面工程技术的目的表面工程技术的主要目的目的：就是在于通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变。具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。材料表面工程材料表面工程12表面工程技术的重要性表面工程技术的重要性1.表面技术可以减缓和消除金属材料和零部件表面的变化和损伤在自然界和工程实践中，金属机器设备和零部件需要承受各种外界负荷，并产生形式多样、程度不一的表面变化及损伤。工程材料和零部件的表面往往存在微观缺陷或宏观缺陷。表面缺陷和损
7、伤处成为降低材料力学性能、耐蚀性能及耐磨性能的发源地。使用表面技术减缓材料表面变化及损伤，掩盖表面缺陷，可以提高材料及其零部件使用的可靠性，延长服役寿命。材料表面工程材料表面工程132.普通的廉价的材料经过表面技术处理后可以获得具有特殊功能的表面使用表面技术在普通的廉价的材料表面获得某些稀贵金属(如金、铂、钽等)和战略元素(如镍、钴、铬)具有的特殊功能，从而可以节约这些金属材料。比如在Cu中加入Cr可以提高铜的耐腐蚀性能。从Cr-Cu相图可知，用一般的冶金方法不可能产生出Cr浓度高于1%的单相铜合金。用激光表面合金化工艺可以在Cu表面获得原子浓度为8%、厚约240nm的表面合金层，使耐蚀性大大
8、提高。表面工程技术的重要性表面工程技术的重要性材料表面工程材料表面工程143.表面技术可用于节约能源，降低成本，改善环境在工件表面制备具有优良性能的涂层，可以达到提高热效率，降低能源消耗的目的。用先进的表面技术代替污染大的一些技术，可以改善作业环境质量。零件的磨损、腐蚀和疲劳现象发生在表面，通过表面的修复、强化，而不必整体改变材料，使材料物尽其用，可以显著地节约材料。表面工程技术可以补救加工超差废品，节约能源和材料表面工程技术的重要性表面工程技术的重要性材料表面工程材料表面工程154.表面技术是再制造工程不可缺少的手段再制造工程再制造工程：对因磨损、腐蚀、疲劳、断裂等原因造成的重要零部件的局部
9、失效部位，采用先进的表面工程技术，优质、高效、低成本、少污染地恢复其尺寸并改善其性能的系统性的技术工作。再制造工程可以大量地节省因购置新品、库存备件和管理以及停机等所造成的对能源、原材料和经费的浪费，并极大地减少了环境污染及废物的处理。表面工程技术的重要性表面工程技术的重要性材料表面工程材料表面工程165.表面技术在发展新兴技术和学术研究中起着不可忽视的作用发展新兴技术需要大量具有特殊功能的材料，包括薄膜材料和复合材料，如薄膜光电器件、导电涂层、光电探测器、液晶显示装置、超细粉末、高纯材料、高强高韧性的结构陶瓷等。在这些方面，现代表面技术可以发挥重大的作用。表面工程新技术的发展，不仅有重大的经
10、济意义，而且具有重大的学术价值。表面技术的开发与完善有力地促进了材料科学、冶金学、机械学、机械制造工艺学以及物理学、化学等基础学科的发展。表面工程技术的重要性表面工程技术的重要性材料表面工程材料表面工程17改善或赋予表面各种性能改善或赋予表面各种性能 表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和提高材料和产品的性能（耐蚀、耐磨、装饰性），确保产品使用的可靠性和安全性，延长使用寿命，节约资源和能源，减少环境污染；另一方面还可赋予材料和器件特殊的物理和化学性能。A:节约材料：黄金奖杯镀金镀TiN薄膜化学染黄 模具：
11、提高寿命整体合金化表面处理 B:难加工：纯陶瓷模具极难加工表面涂层 C:性能差：纯陶瓷模具韧性不足表面涂层 D:耐磨损：TiN,TiC燃气轮机叶片的高温微粒流磨损 E:耐腐蚀：NiP世界上钢铁腐蚀报废量惊人 F:耐高温、抗氧化：Al2O3、(Ti,Al)N，发电机组，600以 上每提高10 其热效率提高15-20%左右。G:太阳能吸热器：Co-Al2O3，吸收率达95%。H:氧传感器：TiO2、ZrO2，汽车尾气净化与发动机油-气控制。国外发展趋势：薄膜化、小型化。I:装饰：TiN系列：金黄桔红-粉红；茶色玻璃。其应用已经深入到我们的日常生活，无处不在。表面工程技术的作用表面工程技术的作用材料
12、表面工程材料表面工程18表面工程技术的分类表面工程技术的分类一、电化学方法一、电化学方法（一）电镀如镀铜、镀镍等。（二）氧化如钢铁的发蓝处理。二、化学方法二、化学方法（一）化学转化膜处理如金属表面的磷化、钝化、铬盐处理等。（二）化学镀如化学镀镍、化学镀铜等。三、热加工方法三、热加工方法（一）热浸镀如热镀锌、热镀铝等。（二）热喷涂如热喷涂锌、热喷涂涂铝等。（三）热烫印如热烫印铝箔等。（四）化学热处理如渗氮、渗碳等。（五）堆焊如堆焊耐磨合金等。四、真空法四、真空法（一）物理气相沉积（PVD）如蒸发镀、溅射镀、离子镀等。（二）离子注入如注硼等。（三）化学气相沉积（CVD）如气相沉积氧化硅、氮化硅等。
13、五、其它方法五、其它方法主要是机械的、化学的、电化学的、物理的方法。其中的主要方法是。（一）涂装（二）冲击镀（三）激光表面处理（四）超硬膜技术（五）电泳及静电喷涂电泳材料表面工程材料表面工程19按学科特点：按学科特点：1 1）表面合金化技术）表面合金化技术 u利用外来元素与基材元素相混合，形成成分不同于基材和添加利用外来元素与基材元素相混合，形成成分不同于基材和添加材料的表面新材料。材料的表面新材料。喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。2 2）表面覆盖和覆膜技术）表面覆盖和覆膜技术3）表面组织转化）表面组织转化u不改变基材的成分，利用外加涂层或镀不改
14、变基材的成分，利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化。层的性能使基材表面性能优化。热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、金属染色。金属染色。u不改变材料的表面成分，只是通过改变其组织结构特性或应力不改变材料的表面成分，只是通过改变其组织结构特性或应力状况来改变材料的性能。状况来改变材料的性能。激光表面淬火、电子束热处理、喷丸、滚压。激光表面淬火、电子束热处理、喷丸、滚压。表面工程技术的分类表面工程技术的分类材料表面工程材料表面工程20按工艺特点分电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、“三束
15、”改性以及表面热处理、形变强化和衬里等13类 表面工程技术的分类表面工程技术的分类材料表面工程材料表面工程21基于技术特点的分类基于技术特点的分类材料表面工程材料表面工程22材料表面工程材料表面工程23金属金属金属金属陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷高分子高分子高分子高分子复合材料复合材料复合材料复合材料金属材料层；金属材料层；陶瓷材料层；陶瓷材料层；高分子材料层高分子材料层复合材料层复合材料层基于材料的分类基于材料的分类基于材料的分类基于材料的分类材料表面工程材料表面工程24表面工程技术发展概况表面工程技术发展概况材料表面工程材料表面工程2525“承旋承旋”，酒器，东汉建武年，酒器，东汉建武年间，现藏于北京
16、故宫博物院间，现藏于北京故宫博物院兽形盒砚，东汉制，出土于兽形盒砚，东汉制，出土于19801980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品，由石砚、盒身、盒盖三部分品，由石砚、盒身、盒盖三部分组成组成 中国古代的鎏金工艺中国古代的鎏金工艺 表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长材料表面工程材料表面工程26春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器 （出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓）长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利 锋能割断头发锋能割断头发 材料表面工程材料表面工程27越王勾践材料表面工程材料表面工程28春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身
17、及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯梯度度材材料料古古已已有有之之这这是是古古代代剑剑刃刃截截面面图图材料表面工程材料表面工程29日本刀的覆土烧刃日本刀的覆土烧刃 世界三大名刃之一世界三大名刃之一表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长材料表面工程材料表面工程301.古代的表面处理中国中心之国两千年前，秦兵马俑已应用了渗碳、镀铬技术。越王勾践，卧薪尝胆。其剑现仍锋利无比，表面处理？2.传统与现代固体渗碳气体渗碳可控气氛渗碳真空离子渗碳火焰淬火高频淬火激光淬火电子束淬火3.等离子技术1928年，郎缪尔(Langmirr)发现等离子体19
18、63年，离子镀膜技术得到应用表面工程技术发展概况表面工程技术发展概况材料表面工程材料表面工程3120世纪70年代开始使用激光和电子束进行表面淬火。激光和电子束加热，由于能量集中，加热层薄，靠自激冷却，因而淬火变形很小，无需淬火介质，有利于环境保护，便于实现自动化。激光、电子束用于表面加热后，使表面强化技术超出热处理范畴，可以通过熔化-结晶过程，熔融合金化-结晶过程，熔化-非晶态过程，使硬化层的结构与性能发生很大变化。激光和电子束表面淬火表面工程技术发展概况表面工程技术发展概况材料表面工程材料表面工程32PVD技术由最初的真空蒸镀，到1963年的离子镀技术的应用，70年代末由于磁控溅射的出现，使
19、溅射技术有了新的突破。磁控溅射得到迅速的推广应用。在环境保护方面，磁控溅射优于一些湿法电镀工艺。物理气相沉积表面工程技术发展概况表面工程技术发展概况材料表面工程材料表面工程33CVD技术用于金属表面硬化，始于20世纪50年代初，最早的应用是在钢上涂覆TiC，后来沉积在模具钢和高速钢上。由于CVD技术的化学反应温度过高，而使其应用范围受到了限制。后来相继开发了MTCVD法(中温化学气相沉积)、PCVD法(等离子体增强化学气相沉积)、LCVD法(激光化学气相沉积)等技术。化学气相沉积表面工程技术发展概况表面工程技术发展概况材料表面工程材料表面工程34 1983年年 表面工程的概念被首次提出表面工程
20、的概念被首次提出 1986年年 国际热处理联合会更名为国际热处理与国际热处理联合会更名为国际热处理与 表面工程联合会表面工程联合会 1987年年 中国机械工程学会表面工程研究所成立中国机械工程学会表面工程研究所成立 1988年年 表面工程表面工程杂志创刊，后更名为杂志创刊，后更名为中中国表面工程国表面工程 2000年年 全国焊接学会原全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委堆焊与热喷涂专业委员会员会”正式更名为正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会堆焊及表面工程专业委员会”。表面工程形成一门独立的学科表面工程形成一门独立的学科材料表面工程材料表面工程35材料表面工程是一门新兴的边缘学科材料表面工程是一
21、门新兴的边缘学科材料表面工程是一门很新的边缘学科，它不但涉及到诸如表面物理学表面物理学表面化学表面化学金属学金属学陶瓷、陶瓷、高分子学高分子学传热学传热学传质学传质学等多个学科的理论，而且其本身也融入了诸多学科的新技术。材料表面工程材料表面工程36表面工程技术的广泛应用表面工程技术的广泛应用材料表面工程材料表面工程37表面技术应用的重要性：表面技术应用的重要性：表面技术的应用所包含的内容十分广泛，可以用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等。也可以是在光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。表面技术所涉及的基体材料不仅有金属材料，也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。表面技术的种类很多
22、，把这些技术恰当地应用于构件、零部件和元器件，可以获得巨大的效益。材料表面工程材料表面工程38在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 在在防防护护上上常常用用涂涂镀镀技技术术，热热浸浸镀镀技技术术，物物理理和和化化学学气气相相沉沉积积技技术术（PVDPVD，CVDCVD）来来提提高高飞飞机机、运运载载火火箭箭、卫卫星星、宇宇宙宙飞飞船船、导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护。材料表面工程材料表面工程39在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 通通过过表表面面技技术术处处理理，提提高高材材料料性性能能，起起到到保保护护航航空
23、空航航天天飞飞行行器器免免遭遭环环境境影影响响而而失失效效，从从而而提提高高航航空空航航天天产产品的先品的先进进和使用的可靠性。和使用的可靠性。材料表面工程材料表面工程40在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 如第四代的飞机，在停飞和飞行过程中，可能遇到50的空气摩擦升温至200，因而在飞机蒙皮的表面涂上高聚物涂料免受环境介质侵蚀，减少阻力。材料表面工程材料表面工程41 飞机的蒙皮、雷达罩、发动飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层，机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达罩和尾喷管采用雷达罩和尾喷管采用SnOSnO2 2和和InIn2 2O O3 3等等掺杂半导体材料作填料和
24、适当的载掺杂半导体材料作填料和适当的载流子浓度及迁移率以及等离子体频流子浓度及迁移率以及等离子体频率，使其具有兼容雷达和红外隐身。率，使其具有兼容雷达和红外隐身。美国的美国的TF39TF39发动机轴承，发动机轴承，离子注入离子注入铬磷，可解决点蚀、磨蚀，提高铬磷，可解决点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使用寿命。发动机轴承的使用寿命。在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用材料表面工程材料表面工程42 近近年年来来，航航空空表表面面工工程程技技术术已已经经取取得得了了飞飞速速的的发发展展，涌涌现现出出许许多多表表面面工工程程新新技技术术和和新新工工艺艺，如如激激光光强强化化技技术术、离离子子注注人人
25、技技术术、飞飞机机蒙蒙皮皮有有机机涂涂层层技技术术、薄薄膜膜减减阻阻技技术术等等已已经经投投人人应应用用或或正正在在研研究究之之中中。这这些些表表面面技技术术将将在航空领域中显示出更广阔的应用前景。在航空领域中显示出更广阔的应用前景。在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用材料表面工程材料表面工程43在汽车工业中的应用在汽车工业中的应用 1886年卡尔.奔驰在德国的斯图加特制造生产出世界上第一辆汽车。当时使用油漆作防锈和美化装饰，近代汽车工业充分利用了各种表面热处理技术，物理气相沉积技术，电镀技术热浸镀铝，镀锌技术，喷涂技术，涂装技术，油漆技术等技术，使汽车成为现代技术与艺术相结合。材料表面工
26、程材料表面工程44奔奔 驰驰 系系 列列在汽车工业中的应用在汽车工业中的应用 在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。汽车上一些钢构件采用单一的钝化处理，在散热器主片，吊耳汽车上一些钢构件采用单一的钝化处理，在散热器主片，吊耳总承，制动软轴支架等几十中零部件中应用。总承，制动软轴支架等几十中零部件中应用。材料表面工程材料表面工程45在汽车工业中的应用在汽车工业中的应用 奥迪系列奥迪系列宝马系列 人们对汽车的基本性能(驾驶性、
27、安全性及对环境的保护性等)不断的改进作了大量的工作。由于机械、电子和光学等各种技术的综合应用，导致了目前所制造的汽车更为安全和舒适。在这些技木之中，表面和薄膜技术是主要涉及的应用领域。材料表面工程材料表面工程46在先进制造业中的应用在先进制造业中的应用 现代意义上的制造业不断吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理等方面的最新成果追求高效、低耗、优质、清洁，并具有快速适应市场变化的能力。现代制造业的发展主要以集成电路技术为代表，制造和使用微小型电子元器件和电路，实现电子系统功能的微电子技术，是改变人们生产和生活面貌的先导技术。材料表面工程材料表面工程47表面工程技术基础表面工程技术基础材料表
28、面工程材料表面工程48表面工程技术实施的对象是固体材料的表面，表面工程技术实施的对象是固体材料的表面，因此掌握材料因此掌握材料表面表面与与界面界面的基础知识是正确选的基础知识是正确选择与运用表面工程技术的基础。择与运用表面工程技术的基础。成功运用表面工程技术的两个要素是：成功运用表面工程技术的两个要素是：掌握各种表面工程技术的特点。掌握各种表面工程技术的特点。了解和掌握影响材料表面性能的主要因素，其了解和掌握影响材料表面性能的主要因素，其中，材料的中，材料的耐磨性耐磨性和和抗蚀性抗蚀性影响因素众多，本影响因素众多，本章将重点进行介绍。章将重点进行介绍。材料表面工程材料表面工程49表面表面固相与
29、气相的分界面。固相与气相的分界面。界面界面固相之间的分界面。固相之间的分界面。相界面相界面不同凝聚相之间的分界面，不同凝聚相之间的分界面，如：如：A A与与M M，F F与与M M同相中晶粒之间的分界面称为晶界同相中晶粒之间的分界面称为晶界 微晶微晶 m m；非晶；非晶1nm1nm材料表面工程材料表面工程501 1 1 1 理想表面理想表面理想表面理想表面认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原无限晶体认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原无限晶体一样。显然自然界很难获得理想表面。一样。显然自然界很难获得理想表面。2 2 2 2 洁净表面洁净表面洁净表面洁净表面由于在垂直于表面方向上，晶
30、内原子排列呈周期性变化，而表由于在垂直于表面方向上，晶内原子排列呈周期性变化，而表面原子的近邻原子数减少，使得其拥有的能量大于晶体内部原面原子的近邻原子数减少，使得其拥有的能量大于晶体内部原子的能量，超出的能量正比于减少的键数，该部分能量即为材子的能量，超出的能量正比于减少的键数，该部分能量即为材料的表面能。料的表面能。表面能表面能允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处理、离子轰击加热退火等。理、离子轰击加热退火等。材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这种
31、表面称为洁净表面。相对于表面受污染程度和理想表面而言的。种表面称为洁净表面。相对于表面受污染程度和理想表面而言的。材料表面工程材料表面工程51驰豫；驰豫；指表面附近的点阵常数在垂直指表面附近的点阵常数在垂直方向上较晶体内部发生明显的方向上较晶体内部发生明显的变化。变化。重构重构；指表面原子在水平方向的周期性不指表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面同于体内的晶面。台阶化台阶化；台阶化是指实际晶体的外台阶化是指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶表面由许多密排面的台阶构成构成偏析和吸附偏析和吸附是指化学组分在表面是指化学组分在表面区的变化区的变化在获得的各种涂层或镀膜之前，常需采用各种预处理工
32、艺获得清洁表面；在获得的各种涂层或镀膜之前，常需采用各种预处理工艺获得清洁表面；微电子工业中气相沉积和微细加工则需要超洁净表面。微电子工业中气相沉积和微细加工则需要超洁净表面。在高洁净度的表面上可以发生多种与体内不同在高洁净度的表面上可以发生多种与体内不同的结构和成分的变化：的结构和成分的变化：3 3 3 3 清洁表面清洁表面清洁表面清洁表面指经过清洗（脱脂，浸湿）以指经过清洗（脱脂，浸湿）以 后的表面。后的表面。材料表面工程材料表面工程52波纹度：指在一段较长距离内出现一个峰和谷的波纹度：指在一段较长距离内出现一个峰和谷的 周期。周期。粗糙度：在较短距离内（粗糙度：在较短距离内（2800m）
33、出现的凹凸）出现的凹凸 不平（不平（0.03400m）的程度。）的程度。4 4 4 4 机械加工过的表面机械加工过的表面机械加工过的表面机械加工过的表面实际零件表面不可能绝对平滑光整，微观上实际零件表面不可能绝对平滑光整，微观上由不规则的起伏不平的峰谷组成。由不规则的起伏不平的峰谷组成。表面的不平整性包括表面的不平整性包括波纹度波纹度和和粗糙度粗糙度两个概念。两个概念。材料表面工程材料表面工程53材料表面粗糙度与加工方法相关，材料表面粗糙度与加工方法相关，最后一道加工工序起决定作用。最后一道加工工序起决定作用。粗糙度的表示方法：粗糙度的表示方法：轮廓的算术平均偏差轮廓的算术平均偏差RaRa：y
34、i为峰或谷的绝对值，为峰或谷的绝对值，n为测量个数。为测量个数。真实面积与投影面积的比值真实面积与投影面积的比值i i：Ai为真实面积，为真实面积，Al为为Ai的投影面积。的投影面积。材料表面工程材料表面工程54p除除Au以外，金属经机械加工后，在常温常压下会以外，金属经机械加工后，在常温常压下会发生氧化。因此，在固体表面会吸附一层外来原发生氧化。因此，在固体表面会吸附一层外来原子。子。氧化皮氧化皮p大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提高覆层与基材的结合强度。高覆
35、层与基材的结合强度。5 5 5 5 一般表面一般表面一般表面一般表面由于表面原子的能量处于非平衡状态，一般由于表面原子的能量处于非平衡状态，一般会在固体表面吸附一层外来原子。会在固体表面吸附一层外来原子。材料表面工程材料表面工程551 1 基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面；基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面；2 2 基于固相组织或晶体结构形成的界面；基于固相组织或晶体结构形成的界面；3 3 基于固相宏观成分差异形成的界面；基于固相宏观成分差异形成的界面；界面通常指两个块体之间的过渡区，其空间尺度界面通常指两个块体之间的过渡区，其空间尺度决定于原子间力作用影响范围的大小；其状态决决
36、定于原子间力作用影响范围的大小；其状态决定于材料和环境条件特性。定于材料和环境条件特性。最为常见的界面类型有：最为常见的界面类型有：材料表面工程材料表面工程56u600#SiC砂纸研磨黄铜砂纸研磨黄铜,深度可达深度可达1-10um;u单晶塑变层单晶塑变层多晶塑变层多晶塑变层抛光金属的表面组织：抛光金属的表面组织：微晶层微晶层具有粘性液体膜似的非晶具有粘性液体膜似的非晶态外观态外观,不仅能将表面覆盖不仅能将表面覆盖得很平滑得很平滑,而且能流入裂纹而且能流入裂纹划痕等表面不规则处划痕等表面不规则处;塑性流塑性流变层变层塑变程度与深度有关塑变程度与深度有关;与与硬度成反比硬度成反比;材料表面工程材料
37、表面工程57钢中珠光体钢中珠光体:F:F和渗和渗C C体体;钢表面淬火钢表面淬火:表面为表面为M,M,心部仍为原始组织心部仍为原始组织,存在过渡区。它存在过渡区。它由部分马氏体和部分铁素体、珠光体混合而成。由部分马氏体和部分铁素体、珠光体混合而成。典型特征典型特征典型特征典型特征:两相之间微观成分和组织存在很大两相之间微观成分和组织存在很大差异差异;无宏观成分的明显区别无宏观成分的明显区别.典型例子典型例子典型例子典型例子:这种相界面虽然在微观尺度的晶体结构上有明显的突变，但这种相界面虽然在微观尺度的晶体结构上有明显的突变，但从宏观来看，组织的变化存在一个渐变区域。因此，材料在从宏观来看，组织
38、的变化存在一个渐变区域。因此，材料在服役过程中不存在表面层剥落等情况。服役过程中不存在表面层剥落等情况。材料表面工程材料表面工程58冶金结合界面冶金结合界面冶金结合界面冶金结合界面覆层与基材是通过处于熔融状态的覆层材料沿半熔覆层与基材是通过处于熔融状态的覆层材料沿半熔化状态的基材表面向外凝固结晶而形成的。化状态的基材表面向外凝固结晶而形成的。特点特点结合强度高，金属键结合，承结合强度高，金属键结合，承载大，不易剥落载大，不易剥落典型工艺典型工艺堆焊；喷焊；激光熔覆等技术堆焊；喷焊；激光熔覆等技术材料表面工程材料表面工程59扩散结合界面扩散结合界面扩散结合界面扩散结合界面两个固体直接接触，通过抽
39、真空、加热、加压、界两个固体直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。面扩散和反应等途径所形成的结合界面。特点特点覆层与基材之间成分梯度变化。覆层与基材之间成分梯度变化。典型工艺典型工艺扩散焊，热扩渗等工艺扩散焊，热扩渗等工艺 材料表面工程材料表面工程60外延生长界面外延生长界面外延生长界面外延生长界面在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的新单晶层的工艺过程，称为外延生长。整的新单晶层的工艺过程，称为外延生长。特点特点外延的程度取决于基体与外延层的晶外延的程度取决于基体与外延层的晶格类型和常数。具体的结合强度取
40、决于格类型和常数。具体的结合强度取决于结合键的类型，如分子键、共价键、离结合键的类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。子键或金属键等。典型工艺典型工艺气相外延，如化学气相沉积技术；气相外延，如化学气相沉积技术；液相外延，如电化学等。液相外延，如电化学等。材料表面工程材料表面工程61化学键结合界面化学键结合界面化学键结合界面化学键结合界面覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界面。如面。如Ti合金表面气相沉积形成合金表面气相沉积形成TiN和和TiC薄膜。薄膜
41、。特点特点结合强度较高，但界面的韧性较差，结合强度较高，但界面的韧性较差，易发生脆性断裂或剥落。易发生脆性断裂或剥落。典型工艺典型工艺物理和化学气相沉积、离子注入、物理和化学气相沉积、离子注入、化学转化膜等技术化学转化膜等技术 材料表面工程材料表面工程62分子键结合界面分子键结合界面分子键结合界面分子键结合界面以范德华力结合的覆层与基体的界面以范德华力结合的覆层与基体的界面特点特点界面特征为未发生扩散和化学作用。界面特征为未发生扩散和化学作用。典型工艺典型工艺部分物理气相沉积层、涂装技术中有部分物理气相沉积层、涂装技术中有机粘结涂层机粘结涂层机械结合界面机械结合界面机械结合界面机械结合界面两种
42、材料相互镶嵌的机械连接作用形成的界面两种材料相互镶嵌的机械连接作用形成的界面典型工艺典型工艺热喷涂，包镀，钎焊热喷涂，包镀，钎焊材料表面工程材料表面工程63扩散扩散物质中原子（分子）的迁移现象称为物质中原子（分子）的迁移现象称为物质中原子（分子）的迁移现象称为物质中原子（分子）的迁移现象称为扩散扩散扩散扩散扩散过程中原子平均扩散距离为扩散过程中原子平均扩散距离为扩散过程中原子平均扩散距离为扩散过程中原子平均扩散距离为:材料表面工程材料表面工程64扩散激活能扩散激活能扩散激活能扩散激活能Q Q Q Q与扩散途径有关与扩散途径有关与扩散途径有关与扩散途径有关体体扩散扩散表面扩散表面扩散晶界扩散晶界
43、扩散位错扩散位错扩散其中，后三种扩散都比其中，后三种扩散都比其中，后三种扩散都比其中，后三种扩散都比第一种扩散快，又称短第一种扩散快，又称短第一种扩散快，又称短第一种扩散快，又称短路扩散。路扩散。路扩散。路扩散。表表表表界界界界位位位位体体体体；表表表表界界界界位位位位体体体体材料表面工程材料表面工程65物体表面上的原子或分子力场不饱物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸附周围其他物质分子的能和，有吸附周围其他物质分子的能力，即所谓吸附作用力，即所谓吸附作用有二类：有二类：物理吸附物理吸附-范德华力范德华力化学吸附化学吸附-化学键化学键材料表面工程材料表面工程66任何气体在其临界任何气体在其临
44、界下，都会吸附于固体表面，即下，都会吸附于固体表面，即发生物理吸附物理吸附不发生电子的转移，最多发生物理吸附物理吸附不发生电子的转移，最多只有电子云中心的变动只有电子云中心的变动物理吸附容易解吸，为可逆过程；物理吸附容易解吸，为可逆过程；化学吸附很难解吸，为不可逆过程；化学吸附很难解吸，为不可逆过程；并不是任何气体在任何表面都可以发生化学吸并不是任何气体在任何表面都可以发生化学吸附。如附。如H2可以在可以在Ni的表面发生化学吸附，而在的表面发生化学吸附，而在Al 上则不能。上则不能。材料表面工程材料表面工程67电解质吸附电解质吸附使固体表面带电使固体表面带电oror双电层的组双电层的组 织发生
45、变化，也可以产生离子交织发生变化，也可以产生离子交换。换。电镀电镀非电解质吸附非电解质吸附单分子层吸附，吸附层以外就单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。是本体相溶液。吸附热很小，相吸附热很小，相当于溶解热。当于溶解热。固体对液体的吸附也分为物理吸附和化学吸附。固体对液体的吸附也分为物理吸附和化学吸附。材料表面工程材料表面工程68普通润滑油，极化了普通润滑油，极化了的长链油分子与金属的长链油分子与金属表面发生较弱的分子表面发生较弱的分子引力结合形成物理吸引力结合形成物理吸附膜。附膜。16烷烷化学吸附往往是首先化学吸附往往是首先形成物理吸附，然后形成物理吸附，然后在界面发生化学反应在界面发生化
46、学反应转化成化学吸附。结转化成化学吸附。结合能高，不可逆。合能高，不可逆。硬酸脂与硬酸脂与FeO作用生作用生成硬脂酸铁皂膜成硬脂酸铁皂膜材料表面工程材料表面工程69两表面必须靠近到原子间距的范围内，才能产生两表面必须靠近到原子间距的范围内，才能产生固体表面吸附。固体表面吸附。用粘附功描述粘附程度：用粘附功描述粘附程度：表面污染影响很大。如铁若在水银中断裂，裂表面污染影响很大。如铁若在水银中断裂，裂开面可以再粘合起来，而在空气中就不行。开面可以再粘合起来，而在空气中就不行。材料表面工程材料表面工程70润湿润湿液体在固体表面铺展的现象液体在固体表面铺展的现象u水滴与玻璃，能被水润湿亲水，如玻璃、石
47、英、方解水滴与玻璃，能被水润湿亲水，如玻璃、石英、方解石、长石等。石、长石等。u水滴与石蜡，不能被水润湿疏水，如石蜡、石墨、硫水滴与石蜡，不能被水润湿疏水，如石蜡、石墨、硫磺等。磺等。(TiO2光致亲水光致亲水)材料表面工程材料表面工程71用润湿角用润湿角 来描述润湿程度来描述润湿程度q 90 90 为润湿，为润湿，越小，润湿越好；越小，润湿越好；q 9090 为不润湿；为不润湿；q=0=0 和和=180=180 时，则称为完全润湿和完全不润湿。时，则称为完全润湿和完全不润湿。材料表面工程材料表面工程72三力互相平衡，合力为三力互相平衡，合力为0 0，有：，有：的大小与界面张力有关的大小与界面
48、张力有关的大小与界面张力有关的大小与界面张力有关润湿的大小与分子间的作用力相关润湿的大小与分子间的作用力相关润湿的大小与分子间的作用力相关润湿的大小与分子间的作用力相关润湿与否取决于液体的内聚力和液润湿与否取决于液体的内聚力和液-固分子间的粘附固分子间的粘附力的相对大小。若后者大，则润湿；反之则不润湿。力的相对大小。若后者大，则润湿；反之则不润湿。材料表面工程材料表面工程73a.a.通过改变通过改变 来调整来调整 ，加入表面活性物质来减，加入表面活性物质来减 小小 ，使润湿程度增大；或加入表面惰性物质，使润湿程度增大；或加入表面惰性物质来增大来增大，使润湿程度降低。，使润湿程度降低。（透析膜）（透析膜）b.b.改变铺展系数来增加润湿性，如增加粗糙度或改变铺展系数来增加润湿性，如增加粗糙度或增加中间过渡层（自熔合金）增加中间过渡层（自熔合金）c.c.不粘锅，在最表面上涂覆一层憎水性的高分子不粘锅，在最表面上涂覆一层憎水性的高分子材料，如聚四氟乙烯等。材料，如聚四氟乙烯等。