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1、材料表面工程Materials Surface Engineering材料科学与工程学院马凤仓教材及参考资料教材及参考资料n首选教材：表面科学与技术，姚寿山，李戈扬，胡文彬编，首选教材：表面科学与技术，姚寿山，李戈扬，胡文彬编，机械工业出版社，机械工业出版社，2010年年1月第月第1版第版第4次印刷。次印刷。n二选教材：金属材料表面新技术，赵文珍，西安交通大学二选教材：金属材料表面新技术，赵文珍，西安交通大学出版社，出版社，1992n参考书目：参考书目：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
2、出版社，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，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，表面工程与维修，徐滨士，朱绍华等，北京：机械工业出版社，1996材料表面工程，哈尔滨大学出版社，徐滨士编著材料表面工程，哈尔滨大学出版社，徐滨士编著教学目的通过本课程学习:n系统地掌握现代表面处理技术的基本原理；n能合理选择并应用这些新的表面工程技术；n解决材料表面硬度、强度、耐磨性与心部强韧性之间的矛盾；n充分发挥材料性能的潜力；n延长产品使用寿命和提高产品质量。第一章：概论表面工
3、程简介表表面面工工程程是是改改善善机机械械零零件件、电电子子电电器器元元件件基基质质材材料表面性能的一门科学和技术。料表面性能的一门科学和技术。研究表面工程技术的意义： n1）材料的破坏往往都是从表面开始的，由此而造成的经济损失惊人；n2）产品的性能要求越来越高；n2）节约贵重材料，良好的节能、节材效果。n3）实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题；n4）促进了新兴工业的发展。应用实例1n汽车轻量化铝合金表面耐磨问题突出表面耐磨涂层 n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应用实例2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
4、层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达40005000：n问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。n解解决决问问题题的的方方法法：依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。n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。n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：n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航天飞机外壳需要防热材料和涂层：如美国洛克希德导弹与航天公司了一种LI-900全氧化硅绝热毡特性：n1）重量轻，整个体积的95%都是空的。n2）为防水、耐蚀以主散热，表面加涂了
5、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。n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%世界各发达国家均对表面工程高度重视：n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。 第一节：表面工程的内涵及功能n表表面面工工程程：经经表表面面预预处处理理后后，通通过过表表面面涂涂覆覆、表表面面改改性性或或多多种种表表面面技技术术复复合合处处理理，改改变变固
6、固体体金金属属表表面面或或非非金金属属表表面面的的形形态态、化化学学成成分分、组组织织结结构构和和应应力力状状况况，以获得所需要表面性能的系统工程。以获得所需要表面性能的系统工程。n材材料料表表面面工工程程是是材材料料科科学学的的分分学学科科，它它主主要要侧侧重重于于研研究究固固体体物物质质的的表表面面。它它在在化化学学、机机械械工工程程、电电气气工工程程（特别是对于（特别是对于半导体制造半导体制造）方面都有应用。）方面都有应用。一、表面工程的功能n（1）提高材料抵御环境作用能力。n（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。n（3）实施特定的表面
7、加工来制造构件、零部件和元器件等。表面技术n表表面面技技术术-主要通过表面涂覆和表面改性技术来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。表面涂覆：表面涂覆：主要采用各种涂层技术。表表面面改改性性技技术术：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、微观结构、缺陷状态或应力状态。表面工程技术的目的和作用n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。n表面工程技术
8、的作用作用：改善或赋予表面各种性能二、与表面现象有关的一些表面技术 n1）表面湿润和反湿润技术n2）表面催化技术n3）膜技术n4）表面化学技术第二节 表面工程技术的分类 n按学科特点将表面技术大致划分为三个方面： 1）表表面面合合金金化化：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。2）表表面面覆覆层层与与覆覆膜膜技技术术：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）表表面面组组织织转转化化技技术术：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。表面技术Matton分类法n按照作用原理，表面技术可以分为以下四种基本类型（Matton分类
9、法）：1）原子沉积原子沉积2）颗粒沉积颗粒沉积3）整体覆盖整体覆盖4）表面改性表面改性：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。：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。：如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。：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、微观结构、缺陷状态或应力状态。 材料表面工程技术按工艺特点分 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”改性以及表面热处理、形变强化和衬里等13类 表面技术的广泛的涵义，
10、包括：n1）表面技术的基础和应用理论。n2）表面处理技术。它又包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术三部分。n3）表面加工技术。n4）表面分析和测试技术n5）表面工程技术设计。三、 表面技术的应用-表面技术应用的广泛性和重要性n1、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-主要起：防护、耐磨、强化、修复、装饰等。n2、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、工能转换磁记录材料、双金属、防护涂层n3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, 生物医学材料，四、表面技术的发展n材料表面改性和强化问题引
11、起国内外材料科学界的极大关注，学术研究异常活跃，旧的工艺被不断革新，新的工艺技术相继问世，工程应用不断扩大。n表面技术的发展：（1）表面涂覆技术（涂料和涂装工艺、热喷涂等）。（2）金属材料表面强化技术的发展；（3）复合表面技术的发展；（4）表面加工技术的发展；（5）扩展表面技术的应用领域。材料表面工程是一门新兴的边缘学科n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，而且其本身也溶入了诸多学科的新技术。思考题n1 研究材料表面工程技术的意义？n2 按照Matton分类法，表面工程技术分为哪几类？n3 为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科？
