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表面分析技术表面分析技术是一项涉及材料和表面特性研究的重要技术手段。
通过对材料表面的分析和测试，可以了解材料的化学成分、结构形态以及物理性质等重要信息。
这些信息对于材料科学、化学工程以及各种工业领域的研究和应用具有重要的指导意义。
本文将介绍常见的表面分析技术及其应用，并探讨其在材料研究领域中的重要性。
一、X射线衍射（XRD）X射线衍射技术是一种分析晶体结构和晶体取向的重要手段。
通过照射材料表面的X射线，利用倒转的原理，可以得到材料中晶体的信息，如晶体晶胞参数、晶面取向和结晶度等。
X射线衍射技术广泛应用于金属材料、无机晶体、聚合物材料以及生物材料等领域的研究中。
二、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种通过扫描材料表面的电子束来获取表面形貌和成分信息的技术。
通过SEM技术可以观察到材料的微观形貌、表面粗糙度以及颗粒分布情况。
此外，SEM还可以结合能谱分析，获取材料的元素成分信息，对于材料表面的成分分析具有重要意义。
扫描电子显微镜的高分辨率、高灵敏度和高成像质量使其成为材料科学研究中不可或缺的工具。
三、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种通过探针在材料表面扫描获取高分辨率表面形貌和力学性质的技术。
与扫描电子显微镜类似，原子力显微镜可以获得纳米级别的表面形貌信息。
此外，通过原子力显微镜还可以研究材料的力学性质，如力曲线、硬度和弹性模量等。
原子力显微镜在纳米材料研究、表面重构以及生物医学领域的研究具有重要应用价值。
四、拉曼光谱（Raman）拉曼光谱是一种通过激光照射材料表面，并测量散射光强度的技术。
拉曼光谱的原理是根据材料分子振动产生的震动频率差异来获取材料的化学成分和物理性质信息。
通过拉曼光谱可以研究材料的晶体结构、官能团成分以及分子结构的变化等。
应用于纳米材料、生物医学和化学合成等领域的研究中。
五、表面增强拉曼光谱（SERS）表面增强拉曼光谱是一种通过将材料置于金属纳米颗粒表面，使得拉曼信号得到大幅增强的技术。
表面工程1. 简介表面工程是一种应用于工业生产中的技术，通过对材料表面进行改性或处理，可以改变材料的性质和表面特征，从而提供更好的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能，并增加材料的美观度和装饰性。
表面工程广泛应用于汽车工业、航空航天、电子设备制造、医疗器械、建筑等领域。
2. 表面工程的分类2.1 表面涂覆表面涂覆是将一层或多层涂料、漆膜、涂层等材料均匀地涂覆在材料表面上，形成一层保护层或功能层的处理方法。
常见的表面涂覆技术包括电镀、喷涂、浸镀等。
表面涂覆可以提高材料的耐腐蚀性能、抗磨损性能等，同时也能增加材料的装饰性。
2.2 表面喷涂表面喷涂是将材料的颗粒或粉末喷射到待处理表面上，通过热熔或化学反应使其附着在表面上形成涂层。
表面喷涂常用于金属表面的防护和保护，可以防止氧化、腐蚀和高温等影响。
2.3 表面改性表面改性是通过物理或化学方法对材料表面进行处理，从而改变其物理、化学或机械性能。
常见的表面改性方法包括阳极氧化、磨削、抛光等。
表面改性可以提高材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
2.4 表面涂覆与改性的比较表面涂覆和表面改性是表面工程的两种主要方法，它们有各自的特点和适用范围。
表面涂覆主要应用于需要增加防护和装饰性的场合，例如汽车的喷漆，可以保护车身免受腐蚀和刮擦；而表面改性主要应用于需要改变材料性质和提升机械性能的场合，例如通过磨削和抛光改善金属表面的光洁度和平整度。
3. 表面工程的应用3.1 汽车工业在汽车制造过程中，表面工程技术可以使车身更加耐腐蚀、耐磨损，同时也增加了车身的装饰性。
例如，汽车车身经过喷漆和镀膜等表面涂覆技术可以防止腐蚀和刮擦，并提供车身的颜色和亮度；汽车发动机的表面经过热喷涂技术可以提高其耐磨损性和耐高温性能。
3.2 航空航天在航空航天领域，材料的轻量化和高强度是目前的发展趋势。
通过表面涂覆和改性可以增加材料的耐腐蚀性和抗磨损性，从而提高飞机和航天器材料的使用寿命和安全性。
3.3 电子设备制造表面工程在电子设备制造中起着至关重要的作用。
1.3 表面技术的分类材料表面工程是一门新兴学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。
该学科中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法。
从不同的角度进行归纳，就会有不同的分类。
如：按作用原理可分为：<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、搪瓷涂覆等。
<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、电子束表面处理、离子注入等。
按表面强化层材料可分为：<1>金属材料层；<2>陶瓷材料层；<3>高分子材料层。
按工艺特点可分为：<1>电镀，<2>化学镀，<3>热渗镀，<4>热喷涂，<5>堆焊，<6>化学转化膜，<7>涂装，<8>表面彩色，<9>气相沉积，<10>“三束”改性，<11>表面热处理，<12>形变强化，<13>衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。
图1-1 材料表面工程技术的分类该分类方法比较清晰地体现了工程技术的特点，而且与工程技术上的名称基本一致，容易记忆。
但缺乏学术上的逻辑性，因为有些技术尽管工艺不一样，但基本的改质机理是相同或相似的。
按工艺特点分类方法示意图如图1-1所示。
按表面改质的目的或性质可分为：<1>表面耐磨和减磨技术，<2>表面耐蚀抗氧化技术，<3>表面强化（提高疲劳强度）技术，<4>表面装饰技术，<5>功能表面技术，<6>表面修复技术。
1.表面工程：经表面与处理后，通过表面涂覆，表面改性，表面加工或几种表面工程技术复合处理，改变固体材料表面的形态，化学成分，组织结构，应力状态等，以获得所需要各类表面性能的系统工程。
2.表面技术主要途径：1）表面覆盖：电镀，电镀刷，化学镀，涂装，粘贴，堆焊和熔结，热喷涂，塑料粉末涂敷，电火花涂敷，热浸镀，搪瓷和陶瓷涂敷，真空蒸镀，溅射镀，离子镀，化学气相沉积，分子束外延，离子束合成薄膜技术，化学转化度，热烫印，暂时性覆盖处理；2）表面改性：喷丸强化，表面热处理，化学热处理，等离子扩散处理，高能束表面处理，粒子注入表面改性；3）表面加工技术：电铸，包覆，抛光，蚀刻等。
3.表面防护：材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等能力。
4.耐磨：指材料在一定摩擦条件下抗磨损（磨料磨损，粘着磨损，疲劳腐蚀，冲蚀，气蚀等）的能力。
5.强化：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。
6.表面装饰：主要包括光亮，色泽，花纹，仿照等多方面特性。
7.表面技术在环境方面的应用：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。
8.表面技术的分类：1）原子沉积；2）颗粒沉积；3）整体覆盖；4）表面改性。
9.现代表面技术：表面清洗；预处理，表面功能化后处理。
包括表面分析技术，表面物理，表面化学。
10.电刷度：在阳极表面裹上棉花和面絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。
工件→机械处理→化学处理→电化学精处理→预镀→电镀→镀后处理。
11.化学镀：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，沉积出与基件牢固结合的镀覆层。
12.涂装：用一定的方法将图料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。
13.粘结：用粘结剂将各种材料或制件连接成为一个牢固整体的方法。
1.3 表面技术的分类材料表面工程是一门新兴学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。
该学科中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法。
从不同的角度进行归纳，就会有不同的分类。
如：按作用原理可分为：<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、搪瓷涂覆等。
<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、电子束表面处理、离子注入等。
按表面强化层材料可分为：<1>金属材料层；<2>陶瓷材料层；<3>高分子材料层。
按工艺特点可分为：<1>电镀，<2>化学镀，<3>热渗镀，<4>热喷涂，<5>堆焊，<6>化学转化膜，<7>涂装，<8>表面彩色，<9>气相沉积，<10>“三束”改性，<11>表面热处理，<12>形变强化，<13>衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。
图1-1 材料表面工程技术的分类该分类方法比较清晰地体现了工程技术的特点，而且与工程技术上的名称基本一致，容易记忆。
但缺乏学术上的逻辑性，因为有些技术尽管工艺不一样，但基本的改质机理是相同或相似的。
按工艺特点分类方法示意图如图1-1所示。
按表面改质的目的或性质可分为：<1>表面耐磨和减磨技术，<2>表面耐蚀抗氧化技术，<3>表面强化（提高疲劳强度）技术，<4>表面装饰技术，<5>功能表面技术，<6>表面修复技术。
《表面工程学》课程教学大纲课程代码：050241025课程英文名称：Surface engineering课程总学时：40 讲课：40 实验：0 上机：0适用专业：金属材料工程大纲编写（修订）时间：2017.11一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标1．课程地位：表面工程学是必修、专业学位课。
2．教学目标：通过本课程的学习使学生了解现代表面技术基本知识。
掌握有关材料表面的基本概念和某些重要理论，对现代表面技术的形成、分类、涵义和内容有一定深度的了解。
通过一些典型的表面技术来掌握其主要设备、技术路线、工艺实施、分析检验和具体应用等，从而使学生对现代表面技术的形成、现状和发展有基本的了解。
积极培养学生理论联系实际以及开拓创新的能力，为学习其它有关专业课程和将来从事生产技术工作奠定必要的理论基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.知识方面的基本要求：掌握表面工程学的定义和内涵、表面工程技术的特点与意义、表面工程技术的分类。
掌握典型固体表面与界面；掌握金属腐蚀原理和防护技术，材料磨损原理及其耐磨性。
掌握表面工程技术的预处理工艺。
掌握表面淬火技术的原理与特点；掌握感应加热淬火技术、火焰加热表面淬火技术、激光淬火、电阻加热表面淬火技术、表面形变强化技术的原理。
掌握热扩渗技术的基本原理；掌握热扩渗工艺的分类、等离子体热扩渗。
掌握电镀、化学镀的基本原理与工艺；掌握常用单金属电镀、合金电镀、复合镀技术。
掌握磷化、铬酸盐钝化膜；掌握转化膜的基本特性及用途、化学氧化、草酸盐钝化、电化学氧化、着色技术。
掌握涂料的基本组成及其作用、涂料成膜机理、涂装材料；掌握涂装工艺。
掌握物理气相沉积方法中蒸发镀、溅射镀和离子镀的原理及特点；掌握各类化学气相沉积方法的原理及特点，分子束外延制膜方法。
了解常用工业激光器及激光加工系统，掌握激光表面改性技术；掌握离子束表面改性技术、电子束表面改性技术的特点及应用。
掌握常用微细加工技术、纳米工艺、生物芯片技术。
一、名词解释1表面工程(定义)：经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变材料表面的形态、化学成分和组织状态，在保证材料整体强度水平不降低的基础上，以获得所需表面性能的系统工程2表面定义：金属或合金与周维环境（气相、液相和真空）间的过渡区称为金属的表面。
因环境不同，过渡区的组成和深度不同。
3表面自由能：产生原因：液体（熔体金属）的表面原子受到向内的吸引力的作用。
欲使其内部原子转变为表面原子，即增大表面积，需要环境对体系作功，从而形成表面能。
定义增大(液体)表面积所需要的功(能量)就是(液体)表面自由能。
4纯净表面(洁净表面)：大块晶体的三维周期结构与真空间的过渡区域称为纯净表面5清洁表面：不存在有表面化合物，仅有气体和洗涤物的残留吸附层的金属表面称为清洁表面，也称为工业纯净表面。
6粗糙度：加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特征，粗糙度的波距与波深之比常常为150：1~5。
7莱宾杰尔效应：活性介质与金属接触后，使金属的表面自由能下降，导致金属材料强度和塑性发生变化的效应称为莱宾杰尔效应。
如Cu表面覆盖熔融薄膜后，使其高塑性丧失。
8磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损等七大类9腐蚀：腐蚀就是材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。
10钝化：由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。
(阳极反应受阻的现象) 。
钝化大大降低了金属的腐蚀速度，是提高金属耐蚀能力的主要方法。
11表面淬火：用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥氏体化)，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。
12喷丸强化：是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。
表面工程葵花宝典第一章：表面工程技术概论考点1：表面工程的概念：从材料的表面特性出发，利用表面改性技术、涂镀层技术和薄膜技术，使材料表面获得原来没有的新性能的系统工程。
考点2：润湿：固体表面与液体接触时原来的固相-气相界面消失，形成新的固相-液相界面的现象。
润湿是液体与固体表面接触时产生的一种表面现象，液体对固体表面的润湿程度可以用液滴在固体表面的散开程度来说明考点3：表面技术按作用原理分类：原子沉积、颗粒沉积、整体覆盖、表面改性。
第二章：材料表面工程技术基本理论考点4：在几个原子范围内的清洁表面其偏离三维周期性结构的主要特征是表面弛豫、表面重构和表面台阶结构、表面偏析、化合物、化学吸附考点5：表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度考点6：吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现考点7：按几何特征，晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类考点8：表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光(1)磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮(或带)的旋转，以磨削金属零件表面的过程(2)滚光是将成批零件与磨削介质一起在滚筒中作低速旋转，靠零件和磨料的相对运动进行光饰处理的过程(3)抛光是用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步轻微磨削以降低粗糙度，也可用于镀后的精加工(4)刷光是把刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝(钢丝、黄铜丝等)刷，同时用水或含某种盐类，表面活性剂的水溶液连续冲洗去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮及其他杂物(5)振动磨光是将零件与大量磨料和适量抛磨液置入容器中，在容器振动过程中使零件表面平整光洁考点9：基体表面清洁的目的是：(1)作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工(如电镀、热喷涂等)打基础(2)作为一项单独表面处理技术，可提高工件寿命或恢复工件原状态或节能需要(锅炉清除水垢，提高热效率)；(3)消除工件(设备)隐患，提高安全性(如传热设备局部过热可通过清洗来解决)，消毒、灭菌，除放射性污染，有利于人体健康考点10：喷砂是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程考点11：喷丸的原理和设备与喷砂相似，只是采用的磨料不同。
