表面工程学01

于撼江
表面工程学的作用
第二代隐形飞机，整个机体是由曲面组成，为了减少雷达波 的反射，B2上面涂了一种能够产生等离子体的涂料，在飞行 中，该涂料把周围的空气电离，形成一层等离子体蒙在飞机 的周围。使射来的雷达波或者被散射或者被吸收。但由于此 涂料是靠它的辐射来产生电离，因而对人体有害，一般用在 无人机上。 有人驾驶的B2上的人造等离子体是用高压、高温产生的。它 的机翼前缘加有高电压，尾喷流里面加有负离子，因而它的 机翼前缘到机翼后缘之间能产生几十万伏甚至是上千万伏的 电位差，使它机翼的表面气流电离，产生等离子体。
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表面工程学的作用
概念的提出： 伯明翰大学(University of Birmingham) Thomas Bell教授于1983年首 次提出，现已发展成为跨学科的边缘性、综合性、复合型学 科。 表面工程将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利 用表面改性技术、薄膜技术和涂镀技术，使材料表面获得材 料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。 在材料表面上所发生的各种技术都是表面工程的一部分。
表面工程学简介
辽宁大学 物理学院 于撼江
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表面工程学的作用
隐形飞机的隐身原理： 要缩小雷达反射截面，就要设计多棱折面的外形。 如第一代隐形飞机F117，它有一个奇怪的外形—— 多棱折面。当雷达波到达折面后，会向其他方向反 射。 利用折面的设计，实现对雷达波的反射，达到隐形 的目的，这种技术反映了较早的隐形思想。但是对 于飞机来说，平面的设计会使飞机的阻力增大，升 力减少，机动性变差。
主盐：是指镀液中能在阴极上沉积出所要求镀层金属的盐
，用于提供金属离子。 络合剂：能络合主盐中的金属离子形成络合物的物质。络 合物是一种由简单化合物相互作用而形成的“分子化合物 ”。 附加盐：附加盐是电镀液中除主盐外的某些碱金属或碱土 金属盐类，主要用于提高电镀液的导电性，对主盐中的金 属离子不起络合作用。
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表面工程学的作用
先进表面工程技术作为现代工业发展的关键 技术之一，已成为先进制造技术的前沿技术 和赶超国际先进水平的重要前沿阵地。不仅 可以为先进制造业发展提供技术支撑，而且 也可为传统工业改造及升级换代提供技术支 持。 社会可持续发展对表面工程的需求，呼唤我 们对表面工程的发展进行更深层次的战略思 考。
击
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应用实例3
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，并与大气层摩擦，即所谓气动 加热，其温度高达4000～5000℃： 问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的 温度。
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解决问题的方法：依靠各种形式的隔热涂层、 防火涂层和烧蚀涂层。 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。 烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维 或碳纤维。
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表面工程的功能
修复性： 工件因腐蚀、磨损或其他原因造成工件表面 基体材料或表面处理层失效后，可通过单一 或复合表面工程技术的应用，恢复其表面应 有的尺寸精度，兼或重新赋予与新品相当， 甚至超过新品的表面性能及功能，实现工件 、总成或产品的再制造。
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表面工程的功能
功能性： 表面工程技术除了具有以上主要作用外，还 可赋予材料表面耐高温或耐低温、导电或绝 缘、导磁或磁屏蔽、增光或反光、润湿或憎 水、生物相容性或生物排他性等新的功能， 发挥新的作用。
氮 的
的 组
(2) 耐磨性
钢铁件渗氮后耐磨性提高，而离子渗氮的效果又大于气体渗 氮。
(3) 疲劳强度
离子渗氮后试件的疲劳强度与一般气体渗氮相近。疲劳强度随扩 散层的深度及含氮量的增加而增大，离子渗氮后再经固溶处理，可使 疲劳强度提高。
本章完
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0.005

1
磨损率(mm3N-1m-1)
0.004 0.003 0.002 0.001
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表面冶金技术
基本过程： 首先将工件臵于含有渗入元素的活性介质中，加热到一定温度，使渗入 元素通过分解、吸附、扩散渗入金属表层，从而改变了表层的成分、组 织与性能。 作用： (1) 提高金属表面强度、硬度和耐磨性。如渗氮可使金属表面硬度达到 950 1200HV；渗硼可使金属表面硬度达到1400 2000HV等，因而工 件表面具有极高的耐磨性。 (2) 提高金属的疲劳强度。如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相变的比 容变化，导致表层产生很大的残余应力，从而提高疲劳强度。 (3) 使金属表面具有良好的抗粘性、抗咬合的能力和降低摩擦系数，如 渗硫等。 (4) 提高金属表面的耐蚀性能，如渗氮、渗铝、渗硅、渗铬等。
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缓冲剂：指用来稳定溶液酸碱度的物质。
阳极活化剂：镀液中能促进阳极活化的物质称阳极活 化剂。阳极活化剂的作用是提高阳极开始钝化的电 流密度，从而保证阳极处于活化状态而能正常地溶 解。 添加剂：添加剂是指不会明显改变镀层导电性，而 能显著改善镀层性能的物质。根据在镀液中所起的 作用，添加剂可分为：光亮剂、整平剂、润湿剂和 抑雾剂等。
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。 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%。
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表面工程的功能
装饰性： 表面工程技术的传统作用之一是赋予表面更 好的装饰性。不过对于金属的纯装饰性表面 处理不多，很多是在兼顾表面防护性能的前 提下赋予材料的装饰性，如在钢制工件上底 镀Ｃｕ、中镀Ｎｉ、表镀Ｃｒ，Ｃｕ层和Ｎ ｉ层起防护作用，而表镀的Ｃｒ层可长久保 持装饰性金属光泽。
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表面工程学的作用
表面工程是多学科交叉、综合，多技术融合、集成 的新兴学科，表面工程的最大优势是能够以低成本 、低能耗制备出优于本体材料性能、多于本体材料 功能，更加适宜于服役环境要求的新表面。 表面工程通过原子沉积、分子组装、颗粒喷涂、整 体覆盖和表面改性提升了材料性能、增加了材料功 能、提高了材料价值，拓展了材料应用领域，符合 可持续发展、低碳经济、循环经济、建设节约型社 会等多种社会发展先进理念，因此，这昭示着表面 工程具有强大生命力、巨大发展潜力、极富发展活 力和强劲发展动力。
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表面工程的功能
防护性：
据不完全统计，全世界每年因表面磨损、表面腐蚀 、表面摩擦、表面缺陷造成对金属、非金属损失约 ３．０万～３．５万亿美元，约占全世界ＧＤＰ的 １０％～１２％。 表面工程技术的主要作用是：经表面改性、表面处 理、表面涂覆或表面复合处理，解决材料表面磨损 、表面腐蚀、表面摩擦、表面缺陷造成的破坏，从 而延长材料的有效服役时间。这既是表面工程存在 的价值体现，也是表面工程发展的根本动力。
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表面工程的功能
表面工程技术除上述功能以外，还有其他功 能，如利用表面工程技术中的电沉积技术、 磁控溅射技术可以用来制备纳米粒子、纳米 膜，利用热喷涂技术制备纳米结构材料等。
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表面工程技术的分类
表面工程技术的应用和种类很多, 至今也没有 统一的分类方法。但一般可以从功能、工作 原理2 个方面考虑。
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气体渗碳 示意图
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离子渗 氮装置 示意图
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离子渗氮 离 子 渗 氮 的 特 点
(1) 可以得到高质量的渗氮层。 可以根据对性能的要求，调解渗氮层的组织成分，这 是离子渗氮的一个重要特点。
离子渗氮时，可以改变介质成分、压力、电参数，调节部件表面 附近的氮离子浓度，改变溅射与凝附过程，使渗氮层组织成分得 到控制。也易实现高韧性渗氮，
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表面工程学的作用
神奇的表面工程： 美国学者：“上帝创造了物质，魔鬼给了一个表面”，它说 明 物质的表面和内部差异很大，性能往往难以驾驭，而表面工 程是通过技术手段改变物质表面的形态、成分、结构或应力 状态，从而获得神奇的表面性能； 经过表面处理的地下管道可以防腐，磁带可以录下美妙的音 乐，而表面涂有氟树脂的饭锅则变成了不粘锅，甚至飞机也 可以隐形，这些都是神奇的表面工程为人类做出的贡献。
可在以下各方面改善渗氮层组织： 可以得到单相化合物或无化合物扩散层。 使化合物层的致密性提高。 减少分布于晶界的碳氮化合物，提高渗氮层的韧性。 渗氮层均匀。
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离子渗氮 离 子 渗 氮 的 特 点
(2) 渗氮速度高
离子渗氮速度比气体渗氮高的原因： 离子轰击与溅射具有良好的表面净化与活化作用。因为离子轰 击与溅射可去除表面钝化膜，增加表面反应活性点，能提高表面 反应速度。 渗氮介质被高度活化。渗氮介质在电场中被离子化和强烈加速， 成为具有高动能的活化状态，供氮能力很强。不仅可用氮作为渗 氮介质，而且可直接以氮气作为渗氮介质。 提高了氮在钢表面的扩散速度。从离子渗氮表面反应可知，离 子渗氮与气体渗氮相反，可首先在表面上形成高氮量氮化物，由 于离子轰击，在表面层0.05mm深度内能形成高密度的位错，使氮 的扩散速度加快。 离子溅射时碳原子比铁原子更容易逸出，在离子渗氮时伴随有 脱碳现象，致使分布于晶界上的碳氮化合物减少，因而减少了碳 氮化合物对扩散的阻力，并使在更低温度下(如400C)也能得到良 好的渗氮效果。
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应用实例4
航天飞机外壳要防热材料和涂层：如美国洛克希德导弹 与航天公司开发了一种LI-900全氧化硅绝热毡特性： 1） 重量轻，整个体积的95%都是空的。 2） 为防水、耐蚀以主散热，表面加涂了一种碳化硅涂层， 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。
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应用实例5
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源自2••



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0.31 0.61 0.94 1.37
1.96
2.8
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摩擦速度(ms-1)
38CrMoAlA钢的磨损率与 摩擦速度的关系
1. 未渗氮 3. 离子渗氮(N280%) 2. 气体渗氮 4. 离子渗氮(N225%)