表面工程技术-绪论

表面工程技术---绪论HarbinEngineeringUniversity材料科学与化学工程学院孟国哲教学目的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。1表面工程技术概论定义：表面工程是经过表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程。（对象、途径、目的）Thedesignofsurfaceandsubstratetogetherasafunctionallygradedsystemtogiveacosteffectiveperformanceenhancementofwhichneitheriscapableonitsown.Scopeoftopicsformingtheconceptofsurfaceengineering应用领域对于机械零件而言，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等性能，以保证现代机械在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况下可靠、持续运行；对于电子电器元件，表面工程主要用于提高元器件的电、光、声、磁等特殊物理性能，以满足现代电子产品容量大、传输快、体积小、转换率高、可靠性高的要求；对于机电产品的包装及工艺品，表面工程主要用于提高表面的耐腐蚀性和美观性，以实现机电产品的优异性能、艺术造型与绚丽外表的完美结合；对生物材料，主要用于提高人造骨骼等人体植入物的耐磨性、耐蚀性，尤其是生物相容性，以保证患者的健康，提高生活质量。1.2表面工程技术的特点获得优良的表面力学性能(高硬、耐磨、抗疲劳、抗冲蚀、低摩擦系数、自润滑等)；获得优良的表面物理功能(吸波、导波、超导、软磁、硬磁、电磁屏蔽、光-电转换、压电陶瓷薄膜、低膨胀系数等)；获得优良的表面化学性能(防锈、耐蚀、杀菌、仿生物污染、自洁净等)；获得优良的表面热性能(耐热、吸热、导热、阻热及热反射等)。“表面工程技术”课程，主要包括两部分内容表面工程原理:主要包括表面晶体学、表面动力学、表面热力学和薄膜物理。主要讨论固体材料的表面与界面,涉及到固态的自由表面,固-气界面、固-固界面等,并以晶态物质的表面与界面为主要研究对象。从理论体系来看，表面工程原理的研究内容，包括微观理论与宏观理论。微观理论主要指在原子、分子水平上运用经典理论和原子理论研究固体表面的组成，原子结构及输送现象、电子结构与电子运动及其对表面宏观性质的影响;另一方面在宏观尺度上,从能量的角度研究一系列的表面现象,在实验的基础上建立相应的基本方程。表面工程技术(工艺):主要研究1)表面涂层材料的制备与合成技术；2)表面涂层材料的成分、组织及结构分析；3)表面涂层材料的性能测试与评价；4)表面涂层材料的质量控制与循环再利用。表面工程技术有着悠久的历史，例如人们熟知的渗碳、氮化、碳氮共渗，以及镀铬、表面涂装等技术，对改善工件的使用性能、提高工件的使用寿命和可靠性起到重要作用。近二三十年来，由于多种高新技术的交叉与渗透以及表面工程技术自身的不断完善与发展，使表面工程技术在材料科学与工程领域中迅速崛起，成为国民经济发展和国防建设中最为重要的工程技术之一。表面工程技术几乎可以制备、合成能够满足各种特殊需求的表面材料，改善和提高材料表面性能。获得优良的表面力学性能(高硬、耐磨、抗疲劳、抗冲蚀、低摩擦系数、自润滑等)；获得优良的表面物理功能(吸波、导波、超导、软磁、硬磁、电磁屏蔽、光-电转换、压电陶瓷薄膜、低膨胀系数等)；获得优良的表面化学性能(防锈、耐蚀、杀菌、仿生物污染、自洁净等)；获得优良的表面热性能(耐热、吸热、导热、阻热及热反射等)。新趋势：表面工程技术还在金刚石薄膜、薄膜半导体、化合物超导薄膜、肌体相容性人造骨骼表面处理等方面显示了极大的优越性。表面工程技术不仅明显提高了产品质量，延长了使用寿命，而且可以节省大量昂贵稀缺的材料资源，降低了产品的造价。表面工程技术之所以受到广泛重视并得到迅速发展，除了具有较大的工程应用价值和经济意义，更重要的是表面工程技术在支撑现代文明的“信息科学、生物科学和材料科学”三大技术领域中，起到了块体材料不可替代的作用。地位：由于航天航空工程、海洋与船舶工程、电子工程和生物工程对高新材料的迫切需求，推动了表面工程技术的长足发展，从而在20世纪80年代使表面工程技术成为世界十大关键制造技术之一。表面工程技术是当今科学研究、高新技术发展和机械工程应用中新材料制备的主要方法，因此了解表面工程技术的基本原理及其应用，对全面了解和掌握材料科学知识有重要意义。1.3分类按介质形态分类，最一般的分类方法是按介质形态分为湿法工艺(WetProcess)和干法工艺(DryProcess)：湿法工艺包括水溶液、熔盐和有机溶液的表面处理。干法工艺则包括气相和固相介质的表面处理，例如PVD(PhysicalVaporDeposition)、CVD(ChemicalVaporDeposition)，热喷涂，各种气相、固相的表面扩散，高能束(激光束、离子束、电子束)表面处理，自蔓燃表面涂层合成等。按沉积物尺寸分类离子镀的创始人托马克斯(D.M.Mattox)，按沉积物尺寸将表面工程技术分为四大类：原子沉积物(电镀，PVD、CVD，等离子体聚合，分子束外延等)；粒状沉积物(各种热喷涂，激光熔覆等)；整体涂装(表面涂装，浸渍涂层，金属包覆等)；表面改性(化学转换膜，金属、合金热扩散涂层，离子注入，高能束表面改性等)。举例：