《表面工程学》PPT课件.ppt

表面工程学,表面工程学的定义和内涵,表面工程学是材料科学与工程中发展最为迅速的学科之一，在机械制造、冶金、电子、汽车与船舶制造、能源与动力、航空航天等工业领域中起着举足轻重的作用，因此越来越受到广大工程技术人员的重视。,表面工程技术分属于不同的学科,化学热处理、表面淬火技术曾属于金属材料学，电镀与电刷镀、涂装技术属应用化学或化工工程学，真空镀膜、离子镀等常归类于物理电子学等。,表面工程学的定义,根据表面工程学学科特点及发展规律，其定义是指为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。,表面工程学的内涵,表面改性技术：即能够提高零部件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能，或装饰零部件表面，或者使材料表面具有各种特殊功能(如电性能、磁性能和光电性能等)的有关工程技术。表面加工技术：即能够在材料表面加工或制作各种功能结构元器件的有关技术，如能够在单晶硅表面制作大规模集成电路的光刻技术、离子刻蚀技术等。,表面工程学的内涵,表面合成材料技术：即借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，如纳米粒子制备过程中的表面工程技术、离子注入制备或合成新材料等。表面加工三维合成技术：即将二维表面加工累积成三维零件的快速原型制造技术等。上述几个要点的组合或综合。,表面工程学的定义和内涵,表面工程技术的定义，由单纯表面改性(surface modification)扩展到表面加工和合成新材料，实施对象由“结构材料”扩展到“功能材料”，涵盖材料学、材料加工工程、物理、化学、冶金、机械、电子与生物领域的有关技术与科学，交叉学科的特征。,表面工程学的定义和内涵,表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料等，所涉及的工艺方法数以百计，各具特点。同样的工艺应用于不同的材料，或相同的材料采用不同的工艺，所得效果可能会相去甚远。,表面工程技术的特点与意义,第一，它主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。对于要求综合力学性能良好的零部件(如要求表面耐磨性好、内部韧性好)来说十分重要，有时甚至是制造这类零部件的唯一工艺手段。,表面工程技术的特点与意义,第二，采用表面涂(镀)、表面合金化技术取代整体合金化。表面工程技术被广泛应用于提高材料的耐磨、耐蚀、抗高温氧化性能，零部件的表面装饰以及各类零件的修复等方面。据统计，全世界各发达国家仅仅因磨损、腐蚀而造成的经济损失就占各国国民生产总值的35。,表面工程技术的特点与意义,第三，表面工程技术可以兼有装饰和防护功能，在人们的周围创造了一个五彩缤纷的世界，推动了产品的更新换代。采用表面工程技术还可以在大气与水质净化、抗菌灭菌和疾病治疗等方面发挥重要作用。,表面工程技术的特点与意义,第四，以化学气相沉积、物理气相沉积、掩膜、光刻技术为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。,表面工程技术的特点与意义,第五，计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使二维的表面处理技术发展成为三维零件制造技术，创造了全新的制造方法生长型制造法，不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。,表面工程技术的特点与意义,第六，表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，如可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。,表面工程技术的特点与意义,早在20世纪后期，美国就将表面工程技术列入影响21世纪人类生活的七大关键技术之一，与计算机科学、生命科学、新能源技术、新材料技术、信息技术和先进制造技术并列。我国也非常重视表面工程技术的发展、创新与应用。,表面工程技术的分类,按照表面工程技术的特点，可以将其分为表面改性、表面加工、表面加工三维成型、表面合成新材料等。,表面改性技术,指赋予材料表面以特定的物理、化学性能的表面工程技术。材料的表面性能包括高强度、高硬度、耐蚀性、导电性、磁性能、光敏、压敏、气敏特性等。按照工艺特点的不同，表面改性技术又可分为表面组织转化技术，表面涂层、镀层及堆焊技术和表面合金化技术等三大类。,表面组织转化技术,不改变材料的表面成分，只是通过改变表面组织结构特征或应力状况来改变材料性能，如激光表面淬火和退火技术，感应加热淬火技术和喷丸、滚压等表面加工硬化技术等。,表面涂镀技术,利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化，基材不参与或者很少参与涂层的反应。典型的表面涂镀技术包括：气相沉积技术(如物理气相沉积和化学气相沉积等)、化学溶液沉积法(如电镀、化学镀、电刷镀)、化学转化膜技术(如磷化、阳极氧化、金属表面彩色化技术、溶胶凝胶法等)、各种现代涂装技术、热喷涂和喷焊技术、堆焊技术等。,表面合金化和掺杂技术,利用外来材料与基材相混合，形成成分既不同于基材也不同于添加材料的表面合金化层，如热扩渗技术、离子注入技术、激光表面合金化技术等。当添加的元素含量很微量时，常称之为掺杂。,表面微细加工技术,表面微细加工技术主要指在材料表面(不大于100m)区域内进行各种形状或尺寸的精密、微细加工，使其成为具有各种功能的元器件(或零部件)的技术。,表面微细加工技术,在各种功能元器件的制备过程中，常常需要在特定性能的薄膜上加工、制作各种形状，如导电线路等。这些加工的特点是精度要求高，且主要集中于元器件的表面。光刻和腐蚀技术、离子束精密刻蚀技术和薄膜沉积技术一起，成为微电子工业中的基本制造工艺。,3表面加工三维成型技术快速原型制造,表面加工三维成型技术主要指通过计算机控制，在材料表面不断实现特定形状的涂镀加工与堆积，形成三维零部件(或元器件)的快速原型制造技术。,表面加工三维成型技术快速原型制造,现代表面工程技术与计算机、自动控制技术相结合，在三维零部件的原型制造方面正发挥越来越重要的作用。采用逐层堆积，计算机控制使每层形状与该零部件的相应剖面相同，最终形成产品成品。在单件或小批量原型制作时速度高，制造成本低。快速原型制造技术已成为近年来发展最快的表面工程技术或先进制造技术之一。,4表面合成新材料技术,主要指采用特定的表面工程技术，在材料表面合成常规工艺方法无法获得的新材料，或者利用材料的表面加工过程获得全新材料的工艺。由于表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点，如气相沉积技术可从气相原子直接凝固成固相，离子注入技术的粒子可强行注入基材，从而形成相图上无法得到的非平衡材料。,