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1、1,上 课 了 ！,2,汽车轻量化铝合金表面耐磨问题突出,表面耐磨涂层,问题：,3,飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达4000-5000。,问题：,问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。,依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。,解决问题的方法：,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。,4,“表面”要面对的很多！,你要我防腐蚀！ 你要我防磨损！ 你要我美观好看，吸引眼球！ 你要我隔热！ 你要我吸热！ 你要我,难道就因为我是表面？,5,材料成型与控
2、制：,表 面 工 程 学,6,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、耐磨性与心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。,学习目的：,通过本课程学习,7,表面工程学：,第一章 绪 论,第一节 表面工程学的定义和内涵 第二节 表面工程学技术的特点与意义 第三节 表面工程技术的分类,8,第一章 绪 论,第一节 表面工程学的定义和内涵,为满足特定的工程需求，使材料或零件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。,表面工程技术：,表面工程学的内涵：,1、表面改性技术：即能够提高
3、零部件或器件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能，或装饰零部件表面，或使材料表面具有各种特殊功能的有关工程技术。,2、表面加工技术：即能够在材料表面加工或制作各种功能元器件的有管技术，如能够在单晶硅表面制作大规模集成电路、离子刻蚀技术等。,9,第一章 绪 论,第一节 表面工程学的定义和内涵,表面工程学的内涵：,3、表面合成材料技术：即借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，如纳米粒子制备过程中工程技术、离子注入设备或合成进材料等。,4、表面加工三维合成技术：即将二维表面加工累计成三维零件的快速原型制造技术。,5、上述几个要点的组合或综合：,单纯表面改性,表面加工和合成新材料,实施对象由“结构材
4、料”,功能材料,表面工程学： 研究表面工程技术原理和特点、应用和发展的学科。,10,第一章 绪 论,第二节 表面工程技术的特点与意义,1、主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大； 2、采用表面涂覆、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率、降低生产成本； 3、表面工程技术可以兼有装饰和防护功能； 4、以化学气相沉积、物理气相沉积、掩膜、光刻技术为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模继承电路、光导纤维和集成电路、太阳能薄膜电池等元器件的基材技术。,11,
5、第一章 绪 论,第二节 表面工程技术的特点与意义,5、计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使二维的表面处理技术发展成为三维零件制造技术，创造了全新的制造方法-生长型制造法。 6、表面工程技术已成为装备新材料的重要方法。,表面工程技术具有举足轻重的作用！,世界各发达国家均对表面工程高度重视：,如美国工程科学院早在几年前为美国国会提供的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。,12,第一章 绪 论,第三节 表面工程技术的分类,根据表面工程技术的特点，将其分为：表面改性、表面加工、表面加工三维成型、表面合成新技术等。,一、表面改性技
6、术,表面改性技术主要指赋予材料表面以特定的物理、化学性能的表面工程技术。,根据工艺特点的不同分：,1、表面组织转化技术：,不改变材料的表面成分，只通过改变表面组织结构特征或应力状体来改变材料性能。,如：激光表面淬火和退火、感应加热淬火、喷丸、滚压等表面加工硬化技术,13,第一章 绪 论,第三节 表面工程技术的分类,一、表面改性技术,2、表面涂镀技术,主要利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化、基材不参与或者很少参与涂层反应。,如： 气相沉积技术：物理气相沉积和化学气相沉积 化学溶液沉积：电镀、化学镀、电刷镀 化学转化膜技术：磷化、阳极氧化、金属表面彩色化技术 现代涂装技术、热喷涂、喷焊技术
7、、堆焊技术等,14,第一章 绪 论,第三节 表面工程技术的分类,一、表面改性技术,3、表面合金化和掺杂技术,主要利用外来材料与基材相混合，形成成分即不同于基材也不同于添加材料的表面合金化层。,如： 热扩渗技术、离子注入技术、激光表面合金化技术等,15,第一章 绪 论,第三节 表面工程技术的分类,二、表面微细加工技术,主要指在材料表面（不大于100m）区域内进行各种形状或尺寸的精密、微细加工，使其成为具有各种功能的零部件的技术。,如： 光刻和腐蚀技术、离子束精密刻蚀技术等,16,第一章 绪 论,第三节 表面工程技术的分类,三、表面三维成型技术-快速原型制造,通过计算机控制，在材料表面不断实现特定
8、形状的涂镀加工与堆积，形成三维零部件的快速原型制造技术。,如： 各类模具的无模快速制造,17,第一章 绪 论,第三节 表面工程技术的分类,四、表面合成新材料技术,主要指采用特定的表面工程技术，在材料表面合成常规工艺方法无法获得的新材料，或者利用材料的表面加工过程获得全新材料的工艺。,如： 各类模具的无模快速制造,18,第一章 绪 论,小结：,第一节 表面工程学的定义和内涵 第二节 表面工程学技术的特点与意义 第三节 表面工程技术的分类 表面改性、表面加工、表面加工三维成型、表面合成新技术等。,19,表面工程学：,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面 第二节 材料磨损原
9、理及其耐蚀性 第三节 金属腐蚀原理与防护技术,20,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,为满足特定的工程需求，使材料或零件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。,表面工程技术：,了解表面 了解影响表面性能的主要原因,21,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,表 面：固相和气象之间的分界面 界 面：固相之间的分界面 相界面：不同凝聚相之间的分界面,一、典型固体表面,1、理想表面,无限晶体中插进一个平面，将其分为两部分后形成的表面。,具有和原来无限晶体相同的原子位置和电子密度。 表面原子的近邻原子数减少，使其拥有的能量大于晶体内部原子的能量材
10、料表面能。,只是“理想”，自然界中难以获得。,22,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,一、典型固体表面,2、洁净表面与清洁表面,洁净表面：,材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。,清洁表面：,零件经过清洗以后的表面。,洁净表面必须用特殊方式才能得到，例如高温热处理、离子轰击加热退火、真空沉积、场致蒸发等；清洁表面在工业生产中较易得到，例如常规清洗。 一般涂镀要求清洁表面就可以了，但在微电子工业中的气相沉积和维系加工技术中一般需要洁净表面甚至超过洁净表面。,23,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,一、典型固
11、体表面,3、机械加工过的表面,机械加工过的表面是不可能绝对光滑的。我们用波纹度和粗糙度来评价零件表面微观形貌。,4、一般表面,一般表面会吸附一层外来原子，金属表面会有氧化层。,24,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,二、典型固体界面,界面：,两个块体相之间的过渡区。,其空间尺度度额定与原子间力的作用影响范围的大小，其状态决定于材料和环境条件特征。,按照界面形成过程与特点，常见界面类型有：,1、基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面,抛光金属的表面组织,微晶层（比尔比层）：离表面5nm区域内，点阵发生强烈畸变，形成晶粒极小的为微晶层。具有粘性液体膜似的非晶态外观，
12、不仅能将表面覆盖得很平滑，而其热能流入裂缝或划痕等表面不规则处。,塑性流变层：塑变程度与深度有关。,25,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,二、典型固体界面,2、基于固相组织或晶体结构差异形成的界面,典型特征：两相之间的微观成分与组织存在很大的差异，但无宏观成分上的明显差异。,例：,钢中的珠光体由铁素体和渗碳体组成； 钢表面淬火时，表层的显微组织以马氏体为主，而心部组织仍保持原来的状态。,26,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,二、典型固体界面,3、基于固相宏观成分差异形成的界面,1）冶金结合界面,当覆盖层与基体材料之间的界面结合时通
13、过处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基体表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合形成的界面。结合的实质是金属键结合。,例：激光熔覆、堆焊、喷焊等,前桥模具激光熔覆,27,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,二、典型固体界面,3、基于固相宏观成分差异形成的界面,2）扩散结合界面,两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径锁形成的结合界面。,例：热扩渗技术,特点是：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合和合金化。,28,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,二、典型固体界面,3、基于固相宏观成分差
14、异形成的界面,3）外延生长界面,当工艺条件合适时，在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的单晶层的工艺过程形成的界面。,例： 气相外延：化学气相沉积 液相外延：电镀,特点是：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合和合金化。,29,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,二、典型固体界面,3、基于固相宏观成分差异形成的界面,4）化学键结合界面,当覆层材料与基材之间发生化学放映，形成成分固定的化合物时，两只那个材料的界面。,例： 物理或化学气相沉积、粒子注入、化学转化膜等。,特点是：化学键结合强度高，但界面韧性较差，在冲击载荷下，容易发生脆性断裂或剥落
15、。,30,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,二、典型固体界面,3、基于固相宏观成分差异形成的界面,5）化学键结合界面,涂镀层与基材表面以范德华力结合的界面。,例：物理气相沉积、涂装等。,6）机械结合界面,覆层与基材的结合主要通过两种材料相互镶嵌的机械连接而形成界面。,例：热喷涂、包镀等。,纯铜包镀纯银,31,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,三、表面晶体结构,温度为0K： 表面原子结构呈静态，表面是理想表面,温度升为T：,原子高度的台阶、单分子或原子尺度的扭转以及表面吸附的点原子及表面空位等。,原子热运动，晶体表面将产生低晶面指数的平
16、台、一定密度的单分子或,实际表面还会出现大量各种类型的缺陷,32,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,四、表面的扩散,物质中原子或分子的迁移现象。物质的扩散过程遵循菲克扩散第一定律和扩散第二定律。,五、表面能及表面张力,六、固体表面的物理吸附和化学吸附,物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其他物质分子的能力。,吸附可分为：物理吸附和化学吸附,多数情况下，由于环境介质的作用，材料的亲故、塑性、耐磨性等力学性能大大降低。,七、固体表面的润湿,33,第二章 表面工程技术的物理、化学基础,第一节 固体的表面与界面,小结：,一、典型固体表面 二、典型固体界面 三、表面晶体结构 四、表面的扩散 五、表面能及表面张力 六、固体表面的物理吸附和化学吸附 七、固体表面的润湿,34,下 课,
