表面科学与技术第1章

第1章第1页第1章绪论1.1表面技术的意义、目的、途径与应用1.1.1表面技术的意义人们使用表面技术已有悠久的历史。我国早在战国时代已进行钢的淬火，使钢的表面获得坚硬层。欧洲使用类似的技术也有很长的历史。但是，表面技术的迅速发展还是从19世纪工业革命开始的，尤其是近几十年发展更为迅速，特别在以下方面显示出巨大的生命力。1)材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐照损伤等，一般都是从表面开始的，而它们带来的破坏和损失是十分惊人的。2)随着经济和科学技术的迅速发展，人们对各种产品抵御环境作用能力和长期运行的可靠性、稳定性等提出了越来越高的要求。3)许多产品的性能主要取决于表面的特性和状态，而表面(层)很薄，用材十分少，因此表面技术可节约材料、节约能源等，以最低的经济成本来生产优质产品。4)使用表面技术有可能在更广阔的领域中制备各种新材料和新器件。1.1.2表面技术的目的与途径1．对于固体材料来说，使用表面技术的主要目的1)提高材料抵御环境作用的能力。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。2．表面技术赋予材料表面某种功能特性的主要途径1)施加各种覆盖层，主要采用各种涂层技术。2)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，即采用各种表面改性技术。1.1.3表面技术的应用表面技术的应用遍及各行各业，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。把这些技术恰当地应用于构件、零部件和元器件，可以获得巨大的经济和社会效益。1.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结构材料主要用来制造工程建筑中的构件、机械装备中的零部件以及工模具等，在性能上以力学性能为主，同时在许多场合又要求兼有良好的耐蚀性和装饰性。表面技术在这方面主要起着表面防护、耐磨、强化、修复、装饰等重要作用。表面防护主要指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等能力。耐磨是指材料在一定摩擦条件下抵抗磨损(磨料磨损、粘着磨损、疲劳腐蚀、冲蚀、气蚀等)的能力。第1章第2页强化与防护一样，这里主要指通过各种表面强化处理来提高材料表面抵御除腐蚀和磨损之外的环境作用的能力。表面装饰主要包括光亮(镜面、全光亮、亚光、光亮缎状，无光亮缎状等)、色泽、花纹(各种平面花纹，刻花和浮雕等)、仿照(仿贵金属，仿大理石，仿花岗石等)多方面特性。2.表面技术在功能材料和元器件上的应用材料根据所起的作用大致可以分为结构材料和功能材料两大类。功能材料主要指那些具有优良的物理、化学和生物等功能及相互转化功能的材料。材料的许多性质和功能与表面组织结构密切相关，因而通过各种表面技术可制备或改进一系列功能材料及其元器件。表1-1是表面技术在功能材料和元器件上的部分应用概况。表l-1表面技术在功能材料和器件上的部分应用概况3.表面技术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用第1章第3页表面技术在人类适应、保护和优化环境方面有着一系列应用，并且其重要性日益突出。这里举例如下：(1)净化大气(2)净化水质(3)抗菌灭菌(4)吸附杂质(5)去除藻类污垢(6)活化功能(7)生物医学(8)治疗疾病(9)绿色能源(10)优化环境4.表面技术在研究和生产新型材料中的应用各种表面技术可以适当地复合起来，发挥更大的作用。材料经表面处理或加工后可以获得许多不寻常(远离平衡态)的结构形式，因此表面技术在研制和生产新型材料方面是十分重要的。表1-2列出了这方面的一些重要应用。表1-2表面技术在研制和生产新型材料中的应用举例第1章第4页(续)5.其他表面技术(1)表面湿润和反湿润技术湿润是一种重要的表面现象，人们有时要求液体在固体表面上有高度润湿性，而有的却要求有不润湿性，这就需要人们在各种条件下采用表面湿润和反湿润技术。(2)表面催化技术现在表面催化技术已经有了很大的发展，在工业上获得广泛而重要的应用。(3)膜技术这里所说的膜(Membrane)，是指选择渗透物质的二维材料。实际上生物体有许多这种膜，例如细胞膜、基膜、复膜和皮肤等，起着渗透、分离物质、保护机体和参与生命过程的作用。(4)表面化学技术这种表面技术涉及面很广，尤其是涉及到固-液界面的许多电现象或过程，如电解、电第1章第5页镀、电化学反应、腐蚀和防腐等，它们已为大家所熟悉。由此可见，表面技术具有非常广泛的涵义。广义地说，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。1.2表面技术的分类、技术内容及发展1.2.1表面技术的分类目前，表面技术还没有统一的分类方法，可以从不同的角度进行归纳、分类。例如按照作用原理，表面技术可以分为以下四种基本类型：(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、陶瓷和搪瓷涂敷等。(3)整体覆盖它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。(4)表面改性用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。实际上，表面技术有着更为广泛的涵义，综合来看，大致上可包括以下几个技术内容。1.表面技术的基础和应用理论现代表面技术的基础理论是表面科学，它包括表面分析技术、表面物理、表面化学三个分支。表面技术的应用理论，包括表面失效分析、摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面结合与复合理论等，它们对表面技术的发展和应用有着直接的、重要的影响。2.表面覆盖技术(1)电镀与电刷镀利用电解作用，使具有导电性能的工件表面作为阴极与电解质溶液接触，通过外电流的作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。电镀在工业上应用很广泛。(2)化学镀又称“不通电”镀，即在无外电流通过的情况下，利用还原剂将电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面，沉积出与基体牢固结合的镀覆层。(3)涂装它是用一定的方法将涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。(4)粘结它是用粘结剂将各种材料或制件连结成为一个牢固整体的方法，称为粘结或粘合。(5)堆焊和熔结堆焊是在金属零件表面或边缘熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不合格的金属零件及产品，提高使用寿命，降低生产成本，或者用它制造双金属零部件。(6)热喷涂它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。(7)塑料粉末涂敷利用塑料具有耐蚀、绝缘、美观等特点，将各种添加了防老化剂、流平剂、增韧剂、固化剂、颜料、填料等的粉末塑料，通过一定的方法牢固地涂敷在工件表面，主要起保护和装饰的作用。(8)电火花涂敷这是一种直接利用电能的高密度能量对金属表面进行涂敷处理的工艺，即通过电极材料与金属零部件表面间的火花放电作用，把作为火花放电极的导电材料(如WC、TiC)熔渗于零件表面层，从而形成含电极材料的合金化涂层，提高工件表层的性能，而工件内部组织和性能不改变。第1章第6页(9)热浸镀它是将工件浸在熔融的液态金属中，使工件表面发生一系列物理和化学反应，取出后表面形成金属镀层。(10)搪瓷和陶瓷涂敷搪瓷涂层是一种主要施于钢板、铸铁或铝制品表面的玻璃涂层，可起良好的防护和装饰作用。(11)真空蒸镀它是将工件放入真空室，并用一定方法加热镀膜材料，使其蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜。(12)溅射镀它是将工件放入真空室，并用正离子轰击作为阴极的靶(镀膜材料)，使靶材中的原子、分子逸出，飞至工件表面凝聚成膜。(13)离子镀它是将工件放人真空室，并利用气体放电原理将部分气体和蒸发源(镀膜材料)逸出的气相粒子电离，在离子轰击工件的同时，把蒸发物或其反应产物沉积在工件表面成膜。(14)化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，简称CVD)它是将工件放入密封室，加热到一定温度，同时通入反应气体，利用室内气相化学反应在工件表面沉积成膜。(15)分子束外延(Mo1ecularBeamEpitaxy，简称MBE)它虽是真空蒸镀的一种方法，但在超高真空条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流强度按照原子层生长的方式在基片上外延成膜。(16)离子束合成薄膜技术离子束合成薄膜有多种新技术，目前主要有两种。①离子束辅助沉积(IBAD)，②离子簇束(IonClus-terBeam,简称ICB)。(17)化学转化膜化学转化膜的实质是金属处在特定条件下人为控制的腐蚀产物，即金属与特定的腐蚀液接触并在一定条件下发生化学反应，形成能保护金属不易受水和其他腐蚀介质影响的膜层。(18)热烫印它是把各种金属箔在加热加压的条件下覆盖于工件表面。(19)暂时性覆盖处理它是把缓蚀剂配制的缓蚀材料，在工作需要防锈的情况下暂时性覆盖于表面。3.表面改性技术(1)喷丸强化它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸以很高速度撞击受喷工件表面而完成。(2)表面热处理它是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。(3)化学热处理它是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。(4)等离子扩渗处理(PDT)又称离子轰击热处理，是指在通常大气压力下的特定气氛中利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行热处理的工艺。(5)高能束表面处理它是主要利用激光、电子束和太阳光束作为能源，对材料表面进行各种处理，显著改善其组织结构和性能。(6)离子注入表面改性它是将所需的气体或固体蒸气在真空系统中电离，引出离子束后在数千电子伏至数十万电子伏加速下直接注入材料，达一定深度，从而改变材料表面的成分和结构，达到改善性能之目的。4.复合表面处理技术表面技术种类繁杂，新技术不断涌现出来，目前的一个重要趋势是综合运用两种或更多种表面技术的复合第1章第7页表面处理技术。5．表面加工技术表面加工技术也是表面技术的一个重要组成部分。例如对金属材料而言，有电铸、包覆、抛光、蚀刻等，它们在工业上获得了广泛的应用。目前高新技术不断涌现，层出不穷，大量先进的产品对加工技术的要求越来越高，在精细化上已从微米级、亚微米级发展到纳米级，其中半导体器件的发展是典型的实例。集成电路的制作，从晶片、掩模制备开始，经历多次氧化、光刻、腐蚀、外延掺杂(离子注入或扩散)、划片、引线焊接、封装、检测等一系列工序，最后得到成品。在这些繁杂的工序中，表面的微细加工起了核心作用。所谓的微细加工，是一种加工尺度从亚微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄膜图形的先进制造技术，主要包括：1)光子束、电子束和离子束的微细加工。2)化学气相沉积、等离子化学气相沉积、真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、分子束外延、热氧化的薄膜制造。3)湿法刻蚀、溅射刻蚀、等离子刻蚀等图形刻蚀。4)离子注人扩散等掺杂技术。还有其他一些微细加工技术，它们不仅是大规模和超大规模集成电路的发展基础，也是半导体微波技术、声表面波技术、光集成等许多先进技术的发展基础。6.表面分析和溅试技术各种表面分析仪器和测试技术的出现，不仅为揭示材料本性和发展新的表面技术提供了坚实的基础，而且为合理地使用或选择表面技术、分析和防止表面故障、改进工艺设备提供了有力的手段。7.表面工程技术设计随着研究的逐步深入和经验的不断积累，人们对材料表面技术的研究已经不满足于一般的试验、选择、使用和开发，而是要力争按预定的技术和经济指标进行严密的设计，逐步形成一种充分利用计算机技术，借助数据库、知识库、推理机等工具，通过演绎和归纳等科学方法而能获得最佳效益的设计系统。这类设计系统包括：1)材料表面镀涂层或处理层的成分、结构、厚度、结合强度以及各种要求