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1、现 代 表 面 工 程,材料科学与工程学院 王云龙 13776470556,课件,钱苗根 主编，机械工业出版社,现代表面技术,教材,参考资料,材料表面工程，哈尔滨大学出版社，徐滨士编著 金属材料表面新技术，赵文珍，西安交通大学出版社，1992 现代表面技术，机械工业出版社，钱苗根等编著表面工程手册，李国英主编，北京：机械工业出版社，1998 表面涂层技术，陈学定，韩文政，北京：机械工业出版社，1994 表面工程与维修，徐滨士，朱绍华等，北京：机械工业出版社，1996,课件,主要内容,主要内容,第一章、 表面工程的基本理论 1.1 表面技术和表面工程概述 1.2 表面技术的分类 1.3 表面技术
2、的应用与发展,11 表面技术和表面工程概述,表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人类造福或被人们利用的技术。,广义的说：,一、表面技术的涵义,现代材料表面技术，主要是综合采用最新的电子技术，真空 技术、冶金、物理、化学、材料等各学科的最新知识和等离子体、 离子束、电子束、激光束、微波的最新成果。把材料表面与基体 视作一个统一的系统进行设计与改性，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、应力状态和组织结 构，赋予其新的复合性能，从而获得许多新构思，新材料，新器 件以实现新的工程应用。我们把这种多功能综合化的，用于提高 材料表面性能的各种新技术，统称为现代材料表面
3、技术,表面技术的广义涵义,1） 表面技术的基础和应用理论理论基础：表面科学，表面物理、表面化学、表面分析技术；应用理论：除了材料科学外主要还包括表面失效分析，摩擦磨损理论，腐蚀与防护理论，表面结合、复合、界面理论、真空技术，气体放电与等离子体物理、离子溅射、薄膜生长、薄膜与涂层现代表面技术电磁理论、半导体物理、功能效应等等2） 表面处理技术表面覆盖技术表面改性技术复合表面处理技术 3） 表面加工技术 4） 表面分析和测试技术 5） 表面工程技术设计,二、表面工程的涵义,随着表面科学技术的迅速发展与工程应用，表面工程学也已逐渐形成正在发展中的新兴学科。目前，表面工程学科的体系，正在不断的进行探索
4、和完善。表面工程这一概念，在世纪年代初，最早由英格兰伯明翰大学教授提出。表面工程是把材料表面与基体视作一个系统进行设计，利用表面改性技术，薄膜技术和涂镀层技术，表面复合处理技术，材料表面纳米化工程技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。,表面工程的涵义,三、使用表面技术的目的,（1） 提高材料抵御环境作用能力:耐蚀性 （2） 赋予材料表面某种功能特性。包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等等各种物理和化学性能。（3） 实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等:电铸、电刷镀,表面工程技术的目的和作用,表面工程技术的主要目的：通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变
5、。 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。 表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性能,四 、表面工程技术日益得到重视,1） 社会生产、生活的需要- 腐蚀损失2-5% 2） 通过表面处理大幅度提高产品质量:耐蚀耐磨 3） 节约贵重材料 4） 实现材料表面复合化，解决单一材料无法解 决的问题 5） 良好的节能、节材效果 6） 促进了新兴工业的发展,应用实例,汽车轻量化铝合金表面耐磨问题突出表面耐磨涂层 火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室：需承受20003300温度和巨大的热焰流冲击
6、,应用实例2,问题：飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有音速数倍的速度，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达40005000,绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。 解决问题的方法：依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。 隔热防火涂层是热导率低的氧化物：氧化铝、氧化锆、氧化钍等。 烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维。,应用实例3,人造卫星在宇宙中的温度控制问题：卫星表面受太阳照射的一面温度可达+200，没有被太阳照射的一面温度可低到-200,应用实例4,航天飞机外壳的防热材料和涂层：如美国洛克希德导弹与航天公司开发了一种LI-900全氧化硅绝热毡,特性：重量
7、轻，整个体积的95%都是空的。 为防水、耐蚀以及散热，表面加涂了一种碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热反射掉，而剩下10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。,应用实例5,在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量。如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作为太阳能吸热器，使对太阳能的吸收率可达95%,汽 车 喷 漆,电 镀,镀 银 壶,喷 丸,抛 丸 后 的 铸 件,表面技术倍受重视的原因,材料物理、化学性能及其变化都从表面开始；随着器件的微型化，表面/体相的原子比增大，会出现许多新的特性；材料表面的研究是许多高新技术的理化基础等。,世界各发达国家均对表面工程高度重视,如美国工程科
8、学院在为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术的研究。,五、与表面现象有关的一些表面技术,1）表面湿润和反湿润技术 2）表面催化技术 3）膜技术 4）表面化学技术,按照作用原理分类（ Matton分类法 ）： 1）原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。 2)颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。 3）整体覆盖:涂层 4) 表面改性：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成
9、、微观结构、缺陷状态或应力状态。,12 表面技术的分类,原子沉积物 原子在基体上凝聚, 生核、长大、成膜. 如电镀、 PVD 、 CVD,CVD氮化钛刀具 TiCl4+H2+N2TiN(s)+HCl,粒状沉积物 熔化的液滴或细 小的固体颗粒在 外力作用下于基 体表面凝聚、沉 积或烧结,形成 的表面涂层.例 如,热喷涂、搪 瓷、喷漆等.,齿轮表面喷涂WC,整体沉积层欲涂敷的材 料于同一时间施 于基体表面.如, 涂漆、热浸渍等.,热镀锌,表面改性 用离子处理、热处 理、激光处理等方、 法改变材料表面的 组织和性能.如喷 丸、离子注入、激 光处理.,激光表面合金化,表面技术的分类,按学科特点分为：
10、1) 表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。 2）表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。 3）表面组织转化技术：包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。,按工艺特点分类：,电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面着色、气相沉积、“三束”改性以及表面热处理、形变强化和衬里类,表面技术的分类,1-3 表面技术的应用与发展,一、 表面技术应用的广泛性和重要性 腐蚀损失占国民经济的2-5% 作用：防护(Zn,Ni)、耐磨(硬Cr,复合镀层）、强化(复合镀层）、修复(Fe)、装饰（C
11、r)等。 二、 表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用 工具、模具（电铸）,三、表面技术在功能材料和元器件上的应用光学特性、电学特性、磁学特性、热学特性、化学特性、能量转换(太阳能电池材料）、磁记录材料（Co,Ni)、双金属、防护涂层四、表面技术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用抗菌灭菌TiO2（磷灰石）, 生物医学材料（人工骨）,材料表面工程是一门新兴的边缘学科,材料表面工程是一门新的边缘学科，它涉及到诸如表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论，而且其本身也溶入了诸多学科的新技术。,思考题,1 材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展？ 2 表面工程技术的目的和作用是什么？ 3 为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科？,
