现代表面技术

现代表面技术第一章表面技术概论第一节表面技术的涵义19世纪工业革命以来，材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。

因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。

另外，磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料表面，通过对材料表面进行有效处理，可以极大地提高材料寿命。

因此，迫切需要开发出各种行之有效的表面技术，正是基于这样的背景，逐步形成了一门新兴学科——表面工程学。

表面工程技术的发展始于20世纪60年代末，近30年来发展尤为迅速。

在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时，又有科学技术逐渐渗透到该领域，各种表面技术相互融合，从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。

表面技术是一门博大精深、实用价值极高的技术。

材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。

除本文所提及的巨大作用外，用表面技术合成人工结构材料、复合材料及沉积非晶态涂层及制取复合涂层方面都显示了巨大的应用潜力。

表面技术是一项能使产品获得高附加值的技术。

英国产品每年靠表面技术估计增值100亿英镑，如果对表面技术进行全开发，有可能节省200。

万到400亿埃居(约200亿英镑)，可见表面技术对国民经济的巨大作用。

我国在湿法镀覆等方面取得了令人瞩目的成就，但在PVD和表面改性方面还有许多工作要做。

这一方面要靠广大科技人员的才智与努力，同时有关领导部门在设备资金投入上给予有力的支持也至关重要。

只有这样，我国的表面技术才能以新的面貌进入21世纪，全方位赶上和领先世界水平。

一、什么是表面技术从广义上讲，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。

任何表面在通常情况下实际上都是界面。

两种不同相之间的交界，称为界面，在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象，总称为表面现象。

一、电镀（1）定义：电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。

（2）镀液组成：主盐：是指镀液中能在阴极上沉积出来所要求镀层金属的盐，用于提供金属离子。

络合剂：作用在于获得络合离子，起到阴极极化作用。

附加盐：用于提高电镀液的导电性。

缓冲剂：用来稳定溶液酸碱度的物质。

阳极活化剂：提高阳极开始钝化的电流密度，保证阳极处于活化状态而能正常地溶解。

添加剂：用以改善镀层性能性质的物质。

（3）电流效率：是指实际析出物质的质量与理论计算析出物质的质量之比。

（4）分散能力：是指电镀液所具有的使金属镀层厚度均匀分布的能力。

（5）改善分散能力方法：1在电镀液中加入一定量的强电解质，2采用络合物电解液，3加入适量的添加剂，4合理安排电极的位置及距离，5使用异形电极。

（6）覆盖能力：是指电镀液所具有的使镀件的深凹处沉积上金属镀层的能力。

（7）极化：指的是有电流通过电极时，电极电位偏离平衡电极电位的现象。

（8）电沉积过程：液相传质，电化学反应和电结晶。

液相传质的三种方式：电迁移、对流和扩散。

（9）金属共沉积的条件：两种金属中至少有一种金属能从其盐类的水溶液中沉积出来；两种金属的析出电位要十分接近。

（10）改变电位的方法：1改变镀液中金属离子的浓度；2采用络合剂；3采用适当的添加剂。

二、电刷镀(1)定义：是在被镀零件表面局部快速电沉积金属镀层的技术，其本质上是依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀需要的电解液的电镀。

（2）优缺点：与常规电镀比，优点：1设备简单，携带方便；2工艺简单，操作简单；镀层种类多，与基材结合力强，力学性能好；4沉积速度快。

缺点：劳动强度大，消耗镀液较多，消耗阳极包缠材料。

（3）设备：直流电源、镀笔及供液、集液装置。

（4）阳极包裹的作用：1贮存刷镀用的溶液，2防止阳极与被镀件直接接触，3过滤阳极表面所溶下的石墨粒子。

现代表面技术现代表面技术表面工程技术是表面处理表面涂镀层及表面改性的总称表面工程技术是运用各种物理化学和机械工艺过程来改变基材表面的形态化学成分组织结构或应力状态而使其具有某种特殊性能，从而满足特定的使用要求[3]徐晋勇,张健全,高清.现代先进表面技术的发展及应用[N].电子工艺技术.2006,27（3）表面技术的应用所包含的内容十分广泛,可以用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等。

也可以是在光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。

表面处理技术是用以改变材料表面特性，达到预防腐蚀目的的技术。

按具体表面技术方法分类:表面热处理、化学热处理、物理气相沉积、化学气相沉积、高能束强化、涂料与涂装、热喷涂与堆焊、电镀、化学镀、热浸镀、转化膜等表面工程技术的任务：1.提高金属材料抵御环境作用的能力2.根据需要，赋予材料及其制品表面力学性能、物理功能和多种特殊功能、声光磁电转换及存储记忆的功能；制造特殊新型材料及复层金属板材。

3.赋予金属或非金属制品表面光泽的色彩、图纹、优美外观。

4.实现特定的表面加工来制造构件、零件和元器件等。

5.修复磨损或腐蚀损坏的零件；挽救加工超差的产品，实现再制造工程。

6.开发新的表面工程技术，技术概念电镀：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，通过外电流作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。

该镀覆层主要是各种金属和合金。

化学镀：是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。

工件可以是金属也可以是非金属。

镀覆层主要是金属和合金。

涂装：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。

涂料为有机混合物，可涂装在各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃制品上。

气相沉积：在金属或非金属材料基体表面牢固沉积同类或异类金属或非金属及其化合物，以改善原材料基体的物理和化学性能或获得新材料的方法。

一、关于表面基础1.弛豫：表面上的原子相对于正常位置的上、下位移来降低体系能量，尤其是表面第一层原子与第二层之间位移（压缩或膨胀）最明显，越深入体内，此种位移迅速消失。

重构：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。

2.表面能的产生表面能是因物质表面原子和内部原子排列差别引起的一种物理表现。

面心立方晶体的（111）面是密排面，体心立方晶体的（110）面是密排面，密排面的表面能最低（密排面原子的断键数最少）。

3.固体表面的吸附力（1）固体表面对气体的吸附分物理吸附和化学吸附。

区别：物理吸附无电子转移、无化学键的生成与破坏，无原子重排。

物理吸附不需要活化能，其吸附速率也不随温度升高而变快；化学吸附相当于吸附剂表面分子与吸附质发生化学反应。

化学吸附需要活化能，其吸附速率随温度升高而变快。

（2）固体表面对溶液的吸附分为电解质吸附和非电解质吸附；溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同分为正吸附、负吸附。

（3）固体表面对液体的吸附力粘结力与液体表面张力计接触角的关系γs=γLcosθ+γsL当θ<90°时，为润湿。

θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力越强。

当θ=0 °时，为完全润湿。

液体在表面完全铺展开来当θ>90 °时，为不润湿。

θ越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球状。

当θ=180 °时，完全不润湿，为球状。

ISL=γL+γs-γsL=γL（1+cosθ）粘结力大小与液体表面张力γL及接触角θ有关。

θ愈小，则ISL越大，粘结越牢。

(钢与环氧树脂）4.实际晶体表面缺陷方式固体的实际表面是不规则和粗糙的，最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。

表面粗糙度：(1)使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性质也随之发生变化。

(2)直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相关的属性。

(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合强度有关。

第一章表面技术概论1.表面技术：通过对材料基体表面加涂层或改变表面形貌、化学组成、相组成、微观结构、缺陷状态，达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的工艺技术。

2.使用表面技术的目的：（1）提高材料抵御环境作用能力。

（2）赋予材料表面某种功能特性。

（3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。

3.理想表面：没有杂质的单晶，作为零级近似可将表面看作一个理想表面，从理论上看，它是结构完整的二位点阵平面。

（实际不存在）清洁界面：经过注入粒子轰击、高温脱附等特殊处理后保持在6-10Pa超高10~9-真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。

实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或经过一定加工处理，保持在常温常压下的表面。

4.①弛豫：表面最外层与次外层原子之间的距离不用于体内原子间距。

②重构：表面原子的平移对称性与体内显著不同，位置变动大。

③偏析：表面原子从体内分凝出来。

④化学吸附：外来原子以化学键结合吸附于表面。

⑤化合物：外来原子进入表面，并与表面原子键合成化合物。

⑥台阶：表面不是原子结构的平坦，形成了台阶。

5.物理/化学吸附：第三章电镀与化学镀1.电镀：指在含有预镀金属的盐类溶液中，以被镀金属为阴极，经电解作用，使镀液中预镀金属阳离子在基体表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。

2.镀层分类：①使用性能：防护性镀层、防护-装饰性镀层、装饰性镀层、耐磨和减磨镀层、电性能镀层。

②电化学性质：阳极性镀层、阴极性镀层。

③镀层组合：单层、多层、复合层镀层。

④镀层成分：单一金属、合金、复合。

3.金属电镀基本步骤：①液相传质： 镀液中的水化金属离子或络离子从溶液内部向阴极界面迁移，到达阴极的双电层溶液一侧。

②电化学反应：水化金属离子或络离子通过双电层，并去掉它周围的水化分子或配位体层，从阴极上得到电子生成金属原子(吸附原子)。

③电结晶：金属原子沿金属表面扩散到达结晶生长点，以金属原子态排列在晶格内，形成镀层。

1.★电镀:一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的金属覆层工艺。

2.★如何合理选用镀层：首先要了解镀层是否具有所要求的使用性能，然后按照零件的服役条件及使用性能要求，选用适当的镀层，还要按基材的种类和性质，选用相匹配的镀层。

另外要依据零件加工工艺选用适当的镀层。

3.电沉积的基本条件：金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时，原则上，只要电极电位足够负，任何金属离子都可能在阴极上还原，实现电沉积。

但由于水溶液中有氢离子、水分子及多种其它离子，使得一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程。

所以金属离子在水溶液中能否还原，不仅决定于其本身的电化学性质，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小。

若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负，则电极上大量析氢，金属沉积极少。

4.电镀液的组成：主盐、配合剂、导电盐、缓冲剂、阳极活化剂、镀液稳定剂、特殊添加剂。

5.镀液对镀层质量有何影响：（1）配离子作用：配离子使阴极极化作用增强，所以镀层较致密，镀液分散能力较好，整平能力较高。

（2）主盐浓度的影响：浓度升高，浓差极化降低，导致结晶形核速率降低，所得组织粗大。

（3）附加盐的作用：可提高镀液电导性，还可增强阴极极化能力，有利于获得细晶镀层。

（4）添加剂作用：其一，形成胶体吸附在金属离子上，阻碍金属离子放电，增大阴极极化作用。

其二，吸附在阴极表面，阻碍金属离子在阴极表面放电或阻碍电离子扩散，影响沉积结晶过程，改善镀层组织表面形态、物化和力学性能。

6.电镀规范对镀层质量的影响：（1）电流密度的影响（2）电流波形的影响（3）周期换向电流的作用（4）温度的影响（5）搅拌的影响7.合金镀层：两种或两种以上的元素共沉积所形成的镀层。

8.电镀合金的特点：1）容易获得高熔点与低熔点金属组成的合金，如Sn-Ni合金。

2）可获得热熔相图没有的合金，如δ-铜锡合金。

3）容易获得组织致密、性能优异的非晶态合金，如Ni-P合金。

1.表面技术的广义含义1.表面技术的基础和应用理论；2.表面处理技术；3.表面加工技术；4.表面分析和测试技术；5.表面技术设计2.化学镀Ni还原剂是次磷酸钠、络合剂是琥珀酸、作用是与镍离子形成稳定的络合物，用来控制可供反应的游离镍离子含量控制沉积速度，改善镀层外观；化学镀Cu还原剂是甲醛、络合剂是酒石酸钾钠、作用是用于与铜离子形成络合物，防止Cu(OH)2沉淀生成。

3.钢铁上阳极镀层是，阴极镀层是当金属与镀层发生电化学腐蚀形成原电池时，镀层作为原电池的阴极，就是阴极镀层，作为阳极就是阳极镀层。

阳极镀层更有利于基体金属的保护。

4.电镀、化学镀试样阳、阴极5.电沉积、共沉积基本条件电沉积：1.电极电位足够负；2.不可以比H还负共沉积：1.电极电位足够负，但不能比H还要负；2.两种金属中至少有一种金属能从其水溶液中沉积出来；3.两种金属的电位要十分接近。

6.阳极氧化特点，微弧氧化特点及应用阳极氧化膜：1.氧化膜内部致密，外部疏松的双层结构；2.疏松多孔；3.很高的耐磨性；4.较好的耐蚀性；5.很高的电绝缘性；6.良好的绝热性；7.结合力很强用途：作为涂镀层的底层也可提高金属的装饰效果；提高金属表面的耐磨性；用作电解电器的绝缘层微弧氧化：1.内部致密、表层多孔的双层膜；2.厚度10～30微米；3.直接用耐磨加润滑，多孔结构又有利于减少摩擦压力，多孔结构可以做成润滑油；4.对于厚膜而言，可以将疏松层打磨掉，露出致密层进行防腐；5.表面微孔结构，一般是不穿透，致密层直达基体，因而具有耐磨性；6.微孔是等离子体放电通道，在高温高压下孔内组份发生溶化、熔融、汽化向外喷射类似火山口的形貌。

用途：1.阀金属的强度、耐磨、耐蚀；2.生物医用阀金属合金；3.功能应用，半导体氧化物TiO2。

7.按作用原理表面工程可以分为1.原子沉积：原子在基体上凝聚、生核、长大、成膜，如电镀、PVD、CVD2.颗粒沉积：熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体表面凝聚、沉积或烧结形成的表面涂层3.整体覆盖：将涂覆材料于同一时间施加于材料表明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，如表面热处理、化学热处理8.固体清洁表面类型1.表面弛豫：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内原子间距（缩小或增大；也可以有些原子间距增大，有些减小）2.表面重构：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整3.表面偏析：表面原子是从体内分凝出来的外来原子4.表面缺陷：化学吸附：外来原子（超高真空条件下主要是气体）吸附于表面，并以化学键合；化合物：外来原子进入表面，并与表面原子键合形成化合物；台阶：表面不是原子级的平坦，表面原子可以形成台阶结构9.电镀、化学镀的转化膜化学法：氧化处理，磷化处理，铬酸盐处理电化学法：阳极氧化，微弧氧化9.物理气相沉积概念，有哪些方法它是在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料汽化，直接沉积到基体表面上的方法。