第八章-纳米表面工程
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表面工程表面工程——是表面经过预处理后,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,以获得表面所需性能的系统工程。
表面工程技术分类:表面改性、表面处理、表面涂覆、复合表面工程、纳米表面工程技术。
表面工程与人们的生产、生活息息相关。
表面工程技术的应用,带来了材料的节约和优化使用,减少了设备的腐蚀。
据估算,中国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所造成的损失在400亿元人民币以上,而通过表面技术改善润滑,降低磨损可能带来的经济效益约占国民经济总产值的2%以上。
表面工程技术在表面物理、表面化学理论的基础上,融汇了现代材料学、信息技术、工程物理、医学、农业、制造技术,显现出了边缘学科的强大生命力。
在知识经济占主导地位的21世纪,表面工程技术将更深地融入高新技术的各个领域。
生物技术将是表面工程技术研究最活跃的领域之一。
在基因图谱识别与地址图谱编制中,识别和分辨率的高低很大程度上取决于传感器的表面材料。
随着表面技术的发展,复制基因片断、肽链体和活性生物体将不会只是理想。
表面工程技术是微电子与信息技术发展的重要支柱。
计算机的集成电路、光盘读写头、显示器、存储器、接口,以及光缆、卫星,表面技术遍及信息网络的各个角落。
表面技术还将为人类探索外星宇宙、开采海底资源保驾护航。
专家们正在开发对太阳能进行选择性波断吸收的涂层材料,一旦获得突破太阳能将深入到各类建筑物,深入到家家户户。
大量能源利用设备采用表面合金涂层,提高了导热或绝热性能,大大降低了能耗。
表面工程技术通过各种装备渗透到社会生活的方方面面。
随着表面工程技术研究的深入,将来的表面材料不仅美观耐用,而且会向环保型、智能型、仿生型发展。
21世纪,表面技术将为提高人类生活质量,优化人类生活环境作出贡献。
不用擦拭的皮鞋、不用清洗的高楼玻璃幕墙、既美观又免于打扫的公路路标和隔离墙、防雨又透气的衣服鞋帽,这些听似异想天开的事物,将因为"表面工程技术"的不断进展最终实现。
纳米材料概论重点纳米材料概论重点纳米:纳米是一个长度单位,简写为nm。
1 nm=910 m=10 埃。
光子晶体是指具有光子带隙(简称PBG)特性的人造周期性电介质结构,有时也称为PBG光子晶体结原子团簇:由几个乃至上千个原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体(原子团簇尺寸一般小于20nm)。
水热法:水热反应是高温高压下在水(水溶液)或水蒸气等流体中进行有关化学反应的总称。
水热法是在高压釜里的高温(100~1000℃) 、高压(1~100 Mpa)反应环境中,采用水作为反应介质,使得通常难溶或不溶的物质溶解,在高压环境下制备纳米微粒的方纳米材料的定义:把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功的材料称为纳米材料.即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为1、人工纳米结构组装体系—按人类的意志,利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系2、纳米结构的自组装体系—指通过弱的和较小方向性的非共价键,如氢键、范德华键和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。
3、量子尺寸效应—是指当粒子尺寸下降到接近或小于某一值(激子玻尔半径)时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象。
当能级间距大于热能、电场能或磁场能时,纳米微粒就会出现一系列与宏观物质不同的反常特性。
4、宏观量子隧道效应—电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。
近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观量子隧道效应。
5、纳米表面工程-是通过特定的加工技术赋予材料以纳米表面、使表面纳米结构化,从而使材料的表面得以强化、改性或赋予表面新功能的系统工程。
基本单元构成的具有特殊功能的材料。
莲花效应(lotus effect),也称作荷叶效应,是指莲叶表面具有超疏水性以及自洁(self-cleaning)的特性。
表面工程分类表面工程是一门研究物体表面处理和改性的学科,它涉及到多个领域,如材料科学、化学、物理等。
表面工程的主要目的是改善物体表面的性能,提高其耐磨、耐腐蚀、耐高温等特性,同时也可以改善物体的外观和触感。
表面工程可以分为多个分类,下面将对其中的几个常见分类进行介绍。
1. 表面涂层表面涂层是一种常见的表面工程技术,它主要通过在物体表面涂覆一层薄膜来改变物体的性能。
常见的表面涂层包括防腐涂层、防划伤涂层、防反射涂层等。
这些涂层可以提高物体的耐腐蚀性、硬度、光学性能等。
2. 表面改性表面改性是通过物理、化学或机械手段对物体表面进行处理,从而改变其性质和性能。
常见的表面改性技术包括表面氮化、表面硬化、表面合金化等。
这些技术可以提高物体的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。
3. 表面涂装表面涂装是一种常见的表面工程技术,它主要是通过在物体表面涂装一层保护性膜来提高物体的耐久性和美观度。
常见的表面涂装技术包括喷涂、电泳涂装、粉末涂装等。
这些技术可以使物体具有防腐蚀、防划伤、防紫外线等功能。
4. 表面纳米结构表面纳米结构是一种将纳米材料应用于物体表面的技术,通过在物体表面形成纳米结构,可以改善物体的性能。
常见的表面纳米结构技术包括纳米涂层、纳米颗粒填充等。
这些技术可以使物体具有超疏水、超疏油、抗菌等特性。
5. 表面浸渍表面浸渍是一种将液体或气体渗透到物体表面的技术,通过浸渍可以改变物体表面的性质和性能。
常见的表面浸渍技术包括化学浸渍、电化学浸渍等。
这些技术可以使物体具有抗腐蚀、抗磨损、抗污染等特性。
表面工程的应用非常广泛,几乎涉及到所有行业。
例如,在汽车制造业中,表面工程可以提高汽车的耐腐蚀性和耐划伤性;在航空航天领域,表面工程可以提高航空器的耐高温性和防冰性能;在电子行业中,表面工程可以提高电子器件的导电性和耐腐蚀性。
表面工程是一门非常重要的学科,它可以通过对物体表面进行处理和改性,提高物体的性能和品质。
随着科技的不断发展,表面工程技术也在不断创新和进步,为各行各业带来了更多的应用和发展机遇。
纳米材料的表面、界面问题目录摘要 (2)1 纳米粒子和纳米固体的表面、界面问题 (3)1.1 纳米微粒的表面效应 (3)1.2 纳米固体的界面效应 (3)1.3 纳米材料尺度效应导致的热学性能问题 (4)1.4 纳米材料尺度效应导致的力学性能问题 (4)1.5 纳米材料尺度效应导致的相变问题 (4)2. 金属纳米材料的表面、界面问题 (5)2.1 高性能铜(银)合金中的高强高导机理问题 (5)2.2 金属复合材料的强化模型和物理机制问题 (5)2.3 原子尺度上的Cu/X界面研究 (6)3 纳米材料表面、界面效应的研究成果综述 (9)参考文献 (11)摘要纳米材料包含纳米微粒和纳米固体两部分,纳米微粒的粒子直径与电子的德布罗意波长相当,并且具有巨大的比表面;由纳米微粒构成的纳米固体又存在庞大的界面成分。
强大的表面和界面效应使纳米材料体现出许多异常的特性和新的规律,这些特性和规律使其展现出广阔的应用前景。
其中,在宏观尺度上制造出具有纳米结构和纳米效应的高性能金属材料,并揭示这些材料的组织演化特征以实现功能调控,是金属材料学科面临的重大科学问题和需要解决的核心关键技术。
本文将对纳米材料的表面、界面效应进行介绍并重点阐述金属纳米材料界面、尺度与材料塑变、强化关系的研究进展。
关键词:纳米材料;表面效应;复合材料、1 纳米粒子和纳米固体的表面、界面问题纳米粒子是指颗粒尺度在0.1-100nm范围的超细粒子,它的尺度小于通常的微粉,接近于原子簇。
是肉眼和一般显微镜看不见的微小粒子[1]。
只能用高倍的电子显微镜进行观察。
最早日本名古屋大学上田良二教授给纳米微粒下了一个定义:用电子显微镜能看到的微粒被称为纳米微粒[2]。
纳米固体是由纳米微粒压制活特殊加工而成的新型固体材料,它可以是单一材料,也可以是复合材料。
纳米固体最早是由联邦德国萨尔兰大学格莱特等人在80年代初首先制成的。
他们用气相冷凝发制得具有清洁表面的纳米级超级微粒子,在超高真空下加压形成固体材料。
一、工程概述纳米陶瓷涂层工程施工是一项高科技、高难度、高要求的工程。
本工程采用先进的纳米陶瓷涂层技术,对设备、管道、容器等金属表面进行防腐、耐磨、隔热等处理,以提高设备的使用寿命和降低能耗。
以下是纳米陶瓷涂层工程施工方案。
二、施工准备1. 材料准备:纳米陶瓷涂层材料、专用喷涂设备、辅助材料(如稀释剂、清洗剂等)。
2. 施工人员:施工人员需具备相关施工经验和技能,熟悉纳米陶瓷涂层材料的性能和施工工艺。
3. 施工现场:施工现场需满足以下条件:(1)环境温度:5℃以上,相对湿度不大于80%;(2)施工现场无腐蚀性气体、粉尘等污染;(3)施工现场具备安全防护设施,如防护网、警示标志等。
三、施工工艺1. 施工前处理(1)表面处理:对施工表面进行彻底的清洗、去油、去锈、去尘等处理,确保表面无油污、锈迹、灰尘等杂质。
(2)粗化处理:采用喷砂、抛丸等方法对表面进行粗化处理,提高涂层与基材的附着力。
2. 涂层施工(1)喷涂:采用专用喷涂设备进行纳米陶瓷涂层材料的喷涂,喷涂压力控制在0.3-0.5MPa。
(2)涂层厚度:根据设计要求控制涂层厚度,一般厚度为0.1-0.3mm。
(3)涂层固化:喷涂完成后,将施工表面置于炉内进行固化,固化温度控制在150-200℃,固化时间根据涂层厚度和材料性能确定。
3. 施工后处理(1)检查:涂层固化后,对涂层进行外观检查,确保涂层均匀、无气泡、无裂纹等缺陷。
(2)验收:根据设计要求和施工规范,对施工质量进行验收。
四、施工注意事项1. 施工过程中,施工人员应穿戴防护用品,如防护服、防护眼镜、口罩等。
2. 施工现场应保持通风良好,避免涂层材料挥发对人体造成伤害。
3. 施工过程中,注意涂层材料的使用量,避免浪费。
4. 施工结束后,对施工现场进行清理,确保环境整洁。
五、施工进度安排根据工程实际情况,制定合理的施工进度计划,确保工程按期完成。
六、施工质量保证1. 施工过程中,严格执行施工规范和质量标准,确保施工质量。
表面工程学表面工程学概论表面工程是改善机械零件、电子电器元件基质材料表面性能的一门科学和技术。
对于机械零件,表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等力学性能,以保证现代机械在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀性介质工况下可靠而持续地运行;对于电子电器元件,表面工程主要用于提高元件表面的电、磁、声、光等特殊物理性能,以保证现代电子产品容量大、传输快、体积小、高转换率、高可靠性;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,以实现机电产品优异性能、艺术造型与绚丽外面的完美结合;对生物医学材料,表面工程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,以保证患者的健康并提高生活质量。
表面工程中的各项表面技术已应用于各类机电产品中,可以说,没有表面工程,就没有现代机电产品。
表面工程是现代制造技术的重要组成部分,是维修与再制造的基本手段。
表面工程对节能、节材、保护环境、支持社会可持续发展发挥重要的作用。
专家们语言,表面工程将成为21世纪工业发展的关键技术之一。
表面工程已成为从事机电产品设计、制造、维修、再制造工程技术人员必备的在知识,成为机电产品不断创新的知识源泉。
表面工程的内涵及功能“表面工程,是经表面预处理后,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。
”由此可见,表面工程的处理对象是金属或非金属的固态表面,获得所需表面性能的基本途径是改变固态表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况。
之所以称表面工程是一项系统工程是因为表面工程是以表面科学为理论基础,以表面和界面为研究对象,首先把相互依存、相互分工的零件基体与零件表面构成了一个系统,同时又综合了失效分析、表面技术、涂覆层性能、涂覆层材料、预处理和后加工、表面检测技术、表面质量控制、使用寿命评估、表面施工管理、技术经济分析、三废处理和重大工程实践等多项内容。
装备再制造技术在装备再制造诸多技术中,每种技术各有优长,也各有应用的局限性,有些技术应用面很广,而且技术已经很成熟,如堆焊技术、普通镀液电刷镀技术、普通丝材高速电弧喷涂技术、修复热处理技术、自修复技术等;有些技术是近期发展的高新技术,如微纳米表面工程技术、材料制备与成形一体化技术、再制造快速成形技术等。
一、微纳米表面工程技术微纳米表面工程技术是在材料或零部件表面获得微纳米结构或微纳米复合结构膜层的各种表面技术的统称。
与传统表面工程技术相比,纳米工程技术具有以下几方面显著的优越性:1)赋予表面新的服役性能。
纳米材料的奇异特性保证了纳米表面工程涂覆层的优异性能。
包括:①涂覆层本身性能的提升,如涂覆层的硬度、强度、耐磨性和抗接触疲劳性能等大幅度提高;②涂覆层的功能提升,如高性能的声、光、电、磁等纳米结构功能膜及超硬膜的制备。
2)使零件设计时的选材发生重要变化。
纳米表面工程中,在许多情况下,传统意义上的基体材料只起载体作用,而纳米表面涂覆层成为实现其功能或性能的主体,如高速工具钢刀具可以改用强度、韧性高的传统材质,而通过在切削刃表面沉积纳米超硬膜来提高其切削性能,耐蚀材料和抗高温材料也可以选用普通材质,通过把与介质接触的表面进行纳米化处理而提高材料的耐蚀、抗高温性能。
3)为表面技术的复合提供新途径。
纳米表面工程为表面工程技术的复合提供了一条全新的途径,具有广阔的应用前景。
例如,表面纳米化技术与离子渗氮技术相结合,使渗氮工艺由原来的500℃条件下处理24h转变为300℃条件下处理9h。
1.微纳米表面工程技术的分类微纳米表面工程技术可以在材料表面制备出纳米结构或纳米/微米复合结构的表层,根据获得表面微纳米膜层的途径不同,有微纳米表面工程纳米化和表面复合纳米化,当前已经开发出了多种实用的纳米表面工程技术。
(1)纳米颗粒复合电刷镀技术电刷镀技术是表面工程的重要组成部分,已被广泛应用于机械零件表面修复与强化。
近年来,纳米颗粒材料在电刷镀技术中的应用,产生了纳米颗粒复合电刷镀技术,促进了复合电刷镀技术在高温耐磨及抗接触疲劳载荷等更广阔领域中的应用。
洁净表面:大块晶体的三维周期结构与真空间的过渡区,它涉及所有不具有晶体内特性的原子层,为1个~几个原子层,厚度0.5~2nm污染表面:指被任何其他东西所污染,或吸附其他原子、分子的材料表面。
抱负表面:当一块无限大的无缺陷的晶体被提成两个半无限大的晶体时,假如在分割面附近区域中的原子排列、电子的密度分布都和分割前同样,并且晶体在分割时没有原子进入或跑出分割面,这个分割面就是抱负表面冶金结合:覆层与基体之间通过熔融过程实现结合扩散结合:覆层与基材之间通过原子扩散结合磨粒磨损:指由于硬颗粒或硬突起物使材料迁移而导致的磨损粘着磨损:指当接触表面作相对运动时,由于固相微凸体的焊合作用使材料从一个表面转移到另一个表面导致的磨损表面疲劳磨损:指由于在表面上反复滚动或滑动时所产生的循环交变应力引起疲劳而使材料脱落的磨损冲击磨损:两固体表面间反复冲击作用下材料损伤和脱落的磨损形式磨光:是普通的运用砂粒、刃口将M机械性切割下来的过程,重要目的是去除金属零件表面的毛刺/砂眼/氧化皮/锈迹/沟纹等,使其具有一定的平整度和粗糙度抛光:是机械、化学、电化学结合过程,重要目的是消除M零件表面的微观不平,使其具有镜面外观电化学抛光:指将工件作为阳极,浸于特定的抛光介质中并通以直流电进行抛光化学抛光:将工件浸于合适的的溶液中进行抛光.干法热镀锌:预解决干燥溶剂解决浸锌清洗氧化还原法:氧化/还原浸锌喷吹/冷却钝化解决涂油气体碳氮共渗:指在780~880℃同时渗入C/N原子,以渗碳为主的工艺氮碳共渗:指在520~580℃同时渗入C/N原子,以渗氮为主的工艺QPQ工艺:盐浴氮碳共渗+氧化盐浴冷却+抛光+氧化盐浴T.D工艺:通过将钢铁材料置于硼砂熔盐浴中进行渗M(铬/钒/铌)的工艺机械结合:表面凸凹不平,互相嵌合扩散结合:高温下发生原子扩散,接合面上形成固溶体或金属间化合物爆炸喷涂:将一定比例的氧和乙炔送入枪内,后将氮气与粉末混合输入,由火花塞点火,使混合气体燃烧爆炸,粉末被加热和加速,由枪口喷射到基体表面形成涂层的技术超音速喷涂:氧和乙炔(或煤油/丙稀/氢气)在燃烧室燃烧后被压缩/加速,喷向工件基体表面形成涂层的技术(实质是火焰喷涂+超音速)电镀:指运用电化学的方法在零件表面沉积一薄层M或合金的技术化学镀:在无外加电流时具有欲镀M离子的溶液在还原剂的作用下使M离子还原成M而沉积在制品表面的方法。