第六章表面改性技术李汇总

表面热处理通过提高材料表面的 硬度，有效降低摩擦系数，从而
提高工件的耐磨性。
氧化层的形成
在表面热处理过程中，材料表面 会形成一层致密的氧化层，有助
于提高耐磨性。
抗疲劳性能的改善
通过表面热处理，工件的抗疲劳 性能得到显著改善，从而延长工
件的使用寿命。
表面热处理对工件疲劳强度的影响
表面质量的改善
01
表面热处理可以改善工件表面的粗糙度，降低应力集中效应，
表面改性技术的发展趋势
01
02
03
高能束表面改性
利用激光、等离子体等高 能束技术进行表面改性， 具有高效、环保等优点。
复合表面改性
结合多种表面改性技术进 行复合处理，以提高材料 表面的综合性能。
智能化表面改性
利用计算机技术实现表面 改性的智能化控制和优化， 提高表面改性的效率和效 果。
02
表面热处理技术
目的
表面改性的目的在于提高材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和使用寿命，以满 足各种工程应用的需求。
表面改性技术的分类
物理表面改性
利用物理方法改变材料表面的结 构和性质，如离子注入、激光熔
覆等。
化学表面改性
通过化学反应改变材料表面的组成 和性质，如氧化、还原、化学镀等。
机械表面改性
利用机械力对材料表面进行加工处 理，如喷丸强化、滚压加工等。
• 处理过程简单，成本较低。
表面热处理技术的优缺点
01
缺点
02
可能引起材料内部结构变化，影响材料整体性能。
03
对处理设备和环境要求较高，需要严格控制加热温 度和时间。
03
表面热处理技术的方法
火焰喷涂
火焰喷涂是一种传统的表面处理技术， 通过将熔融的金属雾化成微粒，并利 用火焰将微粒喷射到基材表面形成涂 层。

第6章 生物材料表面改性
精选2021版课件
1
材料表面改性方法包括化学和物理方
法，通常化学方法较为繁琐，应用大量有 毒化学试剂，对环境造成污染，对人体也 有极大危害。物理方法具有工艺简单、操 作方便、对环境无污染等优点，日益受到 重视。
本章主要介绍了材料表面接枝聚合物刷改 性、等离子体技术、离子束技术的表面改 性、电化学沉积技术、材料表面肝素化、 微相分离结构的形成、 材料表面生物化、
➢ 缺点：难于精确控制接枝链的结构和分子量，同
时体系中单体往往会发生均聚。
精选2021版课件
7
活性自由基聚合方法：引发转移终止剂法 (iniferters)、氮氧自由基法(TEMPO)、可逆加 成-裂解链转移聚合(RAFT)、原子转移自由基聚 合(ATRP)等，其中尤以原子转移自由基聚合的研 究最为活跃。
1462 1168 1720 1557 1253
720
0
4000
3000
2000
1000
Wave number/cm-1
接枝后的聚乙烯最重要的一个 基团是来自于丙烯酸的羧基。 羧酸中的羰基在缔合状态时由 于形成氢键而出现在1720cm1附近。接枝后的聚乙烯在 1720cm-1处有很强的吸收峰 ，该峰为羰基（C＝O）伸缩 振动的特征吸收峰。在 1253cm-1和1168cm-1处的弱 吸收峰则为羧基中的C-O单键 伸缩振动吸收峰，。而未接枝 的聚乙烯（a）没有这些峰。 说明光接枝后的聚乙烯上含有 羧基，进而说明聚乙烯接枝上 了AA链节。
自然关节软骨浅表层的刷状结构示意图：
关节软骨表面近视图（SCIENCE, 2009, 323 (2): 47-48 ）
Ø 自然关节摩擦表面软骨，刷状结构, 吸附滑液形成挤压液膜润滑

E3 E2
hv
E3 E2 E1
E1
图1-1 原子吸收示意图
如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存 在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外 来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。 且 hv E2 E1，其中：E2为原子的某一较高的 能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这一光子， 而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。 值得注意的是，只有外来光子的能量hv恰好等于原子 的某两能级之差时，光子才能被吸收。
输入 hv hv hv hv hv hv hv 输出
图1-4 光放大示意图
激光器知识 一、激光振荡器与激光放大器
1、激光振荡器(激光器) 产生并输出激光 2、激光放大器 对输入的弱激光进行放大
二、产生与放大激光的条件
形成粒子数反转(上能级粒子数>下能级粒子数)
三、激光器构造
(2)垂直腔面发光
P-GaAs GaAs n-GaAs
激光
五、能级系统
1、三能级(红宝石) W13:泵浦几率 S32:非辐射跃迁几率
S32 W13 A21 W21 W12
E3非稳态
E2亚稳态 (激光上能级) E1基态 (激光下能级)
2、四能级(He-Ne、YAG、CO2)
E4非稳态
S43
W14:泵浦几率 S43、S21:非辐射跃迁几率
自发辐射的特点是：
这种过程与外界作用无关。各原子的辐射 都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、 偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不 相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体， 在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们 从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的 光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都 有，初位相也各不相同。这正是普通光源的自 发辐射。

表面改性技术的实 例分析
热处理：通过加热和冷却，改变金属材料的表面性能 涂层：在金属表面涂覆一层保护层，提高耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性 电化学处理：通过电化学反应，改变金属表面的化学成分和结构 激光处理：利用激光束照射金属表面，改变其表面性能和微观结构
实例：聚四氟乙烯（PTFE）表面改性 目的：提高耐磨性、耐腐蚀性和耐热性 方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等 应用：航空航天、汽车、电子等领域
原理：利用高能粒子轰 击材料表面，使其发生 化学反应或物理变化， 形成新的表面层
特点：可以在低温 下进行，对材料表 面无破坏，可形成 多种表面层
应用：广泛应用于 金属、陶瓷、塑料 等材料的表面改性
优点：可以提高材 料的耐磨性、耐腐 蚀性、导电性等性 能
原理：利用电化学反应，在表 面形成一层具有特定性质的薄 膜
添加标题
表面改性：通过改变复合材料表面的物理、化学性质， 提高其性能
添加标题
表面改性方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化 学气相沉积（PECVD）、激光表面处理等
表面改性技术的发 展趋势和未来展望
环保型表面改性技 术：减少有害物质 排放，提高环保性 能
纳米表面改性技术： 提高表面性能，增 强表面功能
改性目的：提高材料的耐磨性、 耐腐蚀性、抗老化性等性能
改性方法：化学改性、物理改 性、复合改性等
改性效果：提高材料的表面性 能，延长使用寿命
应用领域：汽车、电子、建筑、 医疗等行业
添加标题
复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料组成的材 料
添加标题
实例：碳纤维增强复合材料（CFRP）
添加标题
表面改性效果：提高复合材料的耐磨性、耐腐蚀性、导 电性等性能

02
例如，对发动机气缸内壁进行表 面改性，可以提高其硬度和耐磨 损性，减少摩擦和磨损，降低油 耗和排放。
电子工业领域
电子工业中，表面改性技术主要用于 提高电子元件的导电、导热和抗氧化 性能，从而提高电子产品的性能和可 靠性。
例如，对铜基板进行表面改性，可以 提高其抗氧化性和耐腐蚀性，延长电 子元件的使用寿命。
表面改性技术
目 录
• 表面改性技术概述 • 表面改性技术的方法 • 表面改性技术的应用领域 • 表面改性技术的挑战与前景
01
表面改性技术概述
定义与分类
定义
表面改性技术是指通过物理、化学或 机械手段对材料表面进行改性，以改 变其表面性质和功能的一种技术。
分类
表面改性技术可以根据改性手段的不 同分为物理表面改性、化学表面改性 和机械表面改性等。
表面涂层技术
01
02
03
电镀
通过电解的方法在材料表 面沉积金属或合金，提高 表面的硬度和耐腐蚀性。
喷涂
利用喷枪将涂层材料喷涂 到材料表面，形成均匀的 涂层，提高表面的装饰性 和功能性。
热喷涂
通过加热将涂层材料熔化 或软化，然后喷射到材料 表面，形成耐磨损和耐腐 蚀的涂层。
03
表面改性技术的应用领 域
挑战1
表面改性技术的稳定性不足。
挑战2
表面改性技术的成本较高。
挑战3
表面改性技术的环保性能有待提 高。
解决方案3
研发环保型表面改性技术，减少 对环境的负面影响。
解决方案2
通过技术创新和规模化生产，降 低表面改性技术的成本。
解决方案1
加强科研投入，提高表面改性技 术的稳定性。
市场前景与发展趋势
市场前景

第29页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火 感应淬火类型：
根据频率不同，分为中频感应淬火，高频感应淬火， 此外还有超音频感应淬火、双频感应淬火。表6-9.
第30页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、 工频 5类。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火
感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁 场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电集肤效应 ，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方法。
集肤效应(skin effect)又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电
流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高 的电子在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的 截面积中。频率越高，趋肤效用越显著。
四、电解液加热表面淬火
第25页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火
第26页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火
电流频率愈高，电流透 入深度就愈小，硬化层深度 越厚薄。因此应根据零件所 要求的淬火层深度来选择频 率，从而选定设备。
第27页，共40页。
表面强化层的组织变 化：
第6页，共40页。
第六章 表面改性技术
表面强化层的组织：
6.1 金属表面形变强化
第7页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
强化后残余应力的分布规律 表面为残余压应力，心部为残余拉应力，最表面层由 于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲线上有“抬头 ”现象。

第四节 电子束表面处理 二. 电子束改性的特点
a) 加热、冷却速度快。金属材料表面经电子来加热，从室温加热到 奥氏体化温暖或熔化温度仅需几分之一秒到下分之一秒，其冷却 速度可达到108℃/s。 b) 成本低。电子束表面处理设备的一次性投资约为激光表面处理设 备的1／3，其实际使用成本也只有激光表面处理的1／2。 c) 设备结构简单。电子束靠磁偏转动、扫描，无需工件转动和光传 输机构。 d) 能量控制简便。电子束的能量控制比激光束方便。 e) 电子束与金属表面作用耦合性好，能量利用率高。电子束的能量 利用率可达95％，其与金属工件表面的耦合作用，电子束所射的 表面角除3o一4o特小角外，不受反射的影响，而且在电子束处理 前无需像激光束处理那样对工件表面涂吸收涂层。 f) 处理中工件不被污染，质量好。这是因电子束在真空条件下工 作，可保证被处理的工件不被氧化。 g) 电子束加热的深度和尺寸范围比激光束大。电于束加热熔化层的 厚度至少有数微米，而且加热时能量沉积的范围较宽，约有一半 的电子作用区几乎同时熔化。 电子束因易激发x射线，在使用中应注意防护。 24
16
第四节 激光束表面改性技术
2.激光束与金属作用的类型 激光束直接作用在金属材料表面时，可产生热作用、力作用及光作用。 <1>热作用 激光光子的能量向固体金属的传输的过程就是固体金属对激光光子的吸 收的过程。激光与金属材料交互作用而产生的加热效应取决于材料对激 光光子的吸收。 <2>力作用 当激光束强度远低于熔化门坎值时，由于金属表面高的温度梯度，在亚 表层区会产生严重的不均匀应变。当内应力超过屈服应力时，材料会发 生塑性变形。用激光照射金属表面，表面温度的迅速增加会使材料发生 膨胀，平行于表面的位移受到周围材料的约束，会产生很大的压应力。 如果超过了材料的弹性极限，就会发生塑性变形，使材料挤出自由表 面。在冷却时，材料发生收缩。如果拉应力超过屈服应力，冷至初始温 度时就会发生拉伸塑变。 (3)光作用 激光与金属材料的交互作用也可以通过光作用而实现，不过这种作用是 一种间接的作用。由于这种作用主要用来制备特殊的非金属材料和无机 材料，如金刚石薄膜、类金刚石薄膜等。 17

• 聚合物材料表面常常呈现出表面惰性和憎水性，比 如难于润湿和粘合。所以对聚合物表面常常需要进 行表面处理，以此来改变其表面化学组成，增加表 面能，改善结晶形态和表面形貌，除去污物，增加 弱边界层等，以提高聚合物表面的润湿性和黏结性 等。
4
汽车的前后保险杆
聚乙烯手提袋的印 刷
5
聚合物在表面改性后，其表面化学、物理结构发生了变 化，表面改性的效果往往由材料使用性能评估
15
火焰处理和热处理
• 聚合物中常常加有抗氧剂，抗氧剂对火焰氧化没有影响， 对热氧化却有很大影响。
• 热氧化是按自由基机理进行的，引发阶段是通过热活化慢 速产生高分子自由基：
RH 热活化 R H (或R1 R2)
• 抗氧剂可消除热氧化产生的聚合物自由基而使整个氧化反 应淬灭，因而阻止热氧化的进行
1
复习
• 表面张力与温度的关系 • 表面张力与分子量的关系
• 表面张力与表面形态的关系:晶态的表面张力高于非晶态;高聚
物熔体固化时，通常表面生成非晶态高聚物，本体富集晶态高聚物高聚物;熔 体在具有不同成核活性（或不同表面能）的表面上冷却，可得到结晶度不同的 表面。
• 表面张力与分子结构的关系 • 表面张力与内聚能密度
24
等离子体表面改性
2.极性基团的引入
等离子体处理可在聚合物表面引进各 种极性基团。如NH3等离子体或N2与O2 混合的等离子体处理可在高分子表面 引入胺基、亚胺基或腈基等； 氩等离子由于产生长寿命的自由基， 可与氧反应形成羰基、羧基和羟基等； 空气和氧的等离子体可引起大范围的 表面氧化，引入丰富的极性基团。
14
火焰处理和热处理
• 热处理是把聚合物暴露在热空气中进行氧化反应，使 其表面被引进羰基、羧基以及某些胺基和过氧化物， 从而获得可润湿性和粘结性。热处理的温度只有几百 度（<500℃），远低于火焰处理的温度，因而处理时 间较长。

扩散是控制化学热处理过程的主要过程
第三节 金属表面化学热处理
二、化学热处理的分类：
根据渗入元素的介质所处状态不同，化学热处理可分以下几类： （1）固体法：包括粉末填充法、膏剂涂覆法、电热旋流法、覆盖层扩散
法等 （2）液体法：盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法 （3）气体法：固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。 （4）等离子法
2、升温速度快，保温时间极短。和一般淬火相比，淬火加热温度高，过 热度大，奥氏体形核多，又不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐 晶马氏体，故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高 HRC2～3。
3、工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表面产生 很大的残余压应力，可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。
一、感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理 利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之
迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。
第二节 表面热处理
当感应圈中通过一定频率交流电时， 在其内外将产生与电流变化频率相同 的交变磁场。将工件放入感应圈内， 在交变磁场作用下，工件内就会产生 与感应圈频率相同而方向相反的感应 电流。感应电流沿工件表面形成封闭 回路，通常称之为涡流。
第六章 表面改性技术
采用某种工艺手段使材料表面获得与基体材料的组织结构、性能不 同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料 表面获得各种特殊性能。
第一节 金属表面形变强化
一、表面形变强化原理 原理：通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形， 使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5mm~1.5mm。 形变硬化层中产生两种变化： （1）在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增 大。 （2）形成了高的宏观残余压应力。 作用：提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度

（3）不加敏化剂
先将聚合物表面氧化使生成一层过氧化物，随后 在不加敏化剂的情况下，再利用紫外光照射，利 用过氧化物分解出的自由基和单体加成聚合，将 希望的单体接枝到聚合物表面。
中国科学院化学研究所的胡兴洲等利用此方法把 光稳定剂甲基丙烯酸酯（MTMP）接枝到经表面 热氧化后的聚丙烯（PP） 和聚乙烯（PE）膜上， 改善了膜的稳定性。
其二：聚烯烃、氟塑料等均属于非极性高分子材 料，印墨、胶粘剂吸附在非极性高分子表面，只 能形成较弱的色散力，因而粘附性能较差。
其三：这些材料结晶度高，化学稳定性好，溶胀 和溶解都要比非结晶高分子困难，当溶剂性胶粘 剂（或油墨、溶剂）涂在难粘材料表面，很难发 生高聚物分子链成链或互相扩散、缠结，不能形 成较强的粘附力。
(2) C1s峰向低能方向移动。这说明表面处理的深 度达到5-10nm，在此范围内氟已完全被除去并 发生碳化作用，还引进了大量的C=C双键以及羰 基和羧基。
6.3.2 酸洗聚烯烃、ABS和其它聚合物 工业中用铬酸洗液作为清洗液。 还可以用：硫酸铵－硫酸银溶液；双氧水；高锰
酸钾－硝酸；氯磺酸；王水等。
铬酸洗液作用机理：
铬酸清洗液主要是清除无定形或胶态区，处理后 聚合物表面形成复杂的几何形状，使聚合物表面 的润湿性和粘合性均大大提高。
在ABS表面，铬酸主要腐蚀丁二烯橡胶粒子，在 表面产生许多空穴，造成大量的机械固着点，有 利于喷镀金属。
铬酸作用机理：
铬酸处理具体步骤：
重铬酸钠（钾）4.4份，蒸馏水7.1份，浓硫酸88.5 份，配置处理液。
20世纪50~60年代，射线或电子束高能辐射应 用较多；
目的：在纤维素、羊毛、橡胶等材料的表面接上 一层烯类单体的均聚物；