现代表面技术分类应用.ppt

《现代表面技术分类应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代表面技术分类应用.ppt（76页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、表面技术的分类,表面技术的基础和应用理论。表面处理技术：表面覆盖技术 表面改性技术 复合表面处理技术表面加工技术。表面分析和测试技术。表面工程技术设计。,表面科学包括,表面分析技术表面物理表面化学,表面分析技术,表面的原子排列结构、原子类型和电子能态结构等，是揭示表面现象的微观实质和各种动力学过程的必要手段。,表面物理和表面化学,微观理论：在原子、分子水平上研究表面的组成，原子结构及输运现象、电子结构与运动及其对表面宏观性质的影响；宏观理论：在宏观尺度上，从能量的角度研究各种表面现象。,表面技术的应用理论,表面失效分析摩擦与磨损理论表面腐蚀与防护理论表面结合与复合理论,表面覆盖技术,1电镀,它

2、是利用电解作用，即把具有导电性能的工件表面与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，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。单金属镀层有锌、镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种；合金镀层有锌一铜、镍一铁、锌一镍一铁等一百多种。电镀方式也有多种，有槽镀（如挂镀、吊镀）、滚镀、刷镀等。,2 电刷镀,它是电镀的一种特殊方法，又称接触镀、选择镀、涂镀、无槽电镀等。其设备主要由电源、刷镀工具（镀笔）和辅助设备（泵、旋转设备等）组成，是在阳极表面裹上棉花或涤纶棉絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。它不需将整个工件浸

3、人电镀溶液中，所以能完成许多槽镀不能完成或不容易完成的电镀工作。,3化学镀,又称“不通电”镀，即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，最常用的是镍和铜。,4涂装,将涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。涂料（或称漆）为有机混合物，一般由成膜物质、颜料、溶剂和助剂组成，可以涂装在各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃等制品上。涂膜具有保护、装饰或特殊性能（如绝缘、防腐标志等），应用十分广泛。,5粘结,用粘结剂将各种材料或制件连结成为一个牢固整体的方法，称为粘结

4、或粘合。粘结剂有天然胶粘剂和合成胶粘剂，目前高分子合成胶粘剂已获得广泛的应用。,6堆焊,在金属零件表面或边缘，熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不合格的金属零件及产品，提高使用寿命，降低生产成本，或者用它制造双金属零部件。,7熔结,在材料或工件表面熔敷金属涂层，涂敷金属是一些以铁、镍、钴为基，含有强脱氧元素硼和硅而具有自熔性和熔点低于基体的自熔性合金，所用的工艺是真空熔敷、激光熔敷和喷熔涂敷等。,8 热喷涂,将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。热喷涂的方法有多种，按热源可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂（超音速喷

5、涂）和爆炸喷涂等。经热喷涂的工件具有耐磨、耐热、耐蚀等功能。,9塑料粉末涂敷,将各种添加了防老化剂、流平剂、增韧剂、固化剂、颜料、填料等的粉末塑料，通过一定的方法，牢固地涂敷在工件表面，主要起保护和装饰的作用。塑料粉末是依靠熔融或静电引力等方式附着在被涂工件表面，然后依靠热熔融、流平、湿润和反应固化成膜。涂膜方法有喷涂、熔射、流化床浸渍、静电粉末喷涂、静电粉末云雾室、静电流化床浸渍、静电振荡法等等。,10电火花涂敷,利用电能的高密度能量对金属表面进行涂敷处理的工艺，即通过电极材料与金属零部件表面的火花放电作用，把作为火花放电极的导电材料（如 WC TiC）熔渗于表面层，从而形成含电极材料的合金

6、化涂层，提高工件表层的性能，而工件内部组织和性能不改变。,11热浸镀,将工件浸在熔融液态金属中，使工件表面发生一系列物理和化学反应，取出后表面形成金属镀层。工件金属的熔点必须高于镀层金属的熔点。常用镀层金属有锡、锌、铝、铅等。热浸镀的主要目的是提高工件防护能力，延长使用寿命。,12搪瓷涂敷,主要施于钢板、铸铁或铝制品表面的玻璃涂层，可起良好的防护和装饰作用。搪瓷涂料通常是精制玻璃料分散在水中的悬浮液，也可以是干粉状。涂敷方法有浸涂、淋涂、电沉积、喷涂、静电喷涂等。该涂层为无机物成分，并融结于基体，故与一般有机涂层不同。,13陶瓷涂敷,以氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氮化物、金属陶瓷和其他无机

7、物为基底的高温涂层，用于金属表面主要在室温和高温起耐蚀、耐磨等作用。主要涂敷方法有刷涂、浸涂、喷涂、电泳涂和各种热喷涂等等。有的陶瓷涂层有光、电、生物等功能。,14真空蒸镀,将工件放人真空室，并加热镀膜材料，使其蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜。工件材料可以是金属、半导体、绝缘体乃至塑料、纸张、织物等；而镀膜材料也很广泛，包括金属、合金、化合物、半导体和一些有机聚合物等。加热方式有电阻、高频感应、电子束、激光、电弧加热等。,15溅射镀,将工件放人真空室，并用正离子轰击作为阴极的靶（镀膜材料），使靶材中的原子、分子逸出，飞至工件表面凝聚成膜。溅射粒子的动能约10eV左右，为热蒸发粒子的100倍。

8、按入射离子来源不同，可分为直流溅射、射频溅射和离子束溅射。入射离子的能量还可用电磁场调节，常用值为10eV量级。溅射镀膜的致密性和结合强度较好，基片温度较低，但成本较高。,16离子镀,将工件放入真空室，并利用气体放电原理将部分气体和蒸发源（镀膜材料）逸出的气相粒子电离，在离子轰击的同时，把蒸发物或其反应产物沉积在工件表面成膜。该技术是一种等离子体增强的物理气相沉积，镀膜致密，结合牢固，可在工件温度低于550时得到良好的镀层，绕镀性也较好。常用的方法有阴极电弧离子镀、热电子增强电子束离子镀、空心阴极放电离子镀。,17化学气相沉积,将工件放人密封室，加热到一定温度，同时通入反应气体，利用室内气相化

9、学反应在工件表面沉积成膜。所采用的化学反应有多种类型，如热分解、氢还原、金属还原、化学输运反应、等离子体激发反应、光激发反应等等。主要方法有热化学气相沉积、低压化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、金属有机化合物气相沉积、激光诱导化学气相沉积等。,18分子束外延,它虽是真空蒸镀的一种方法，但在超高真空条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流强度按照原子层生长的方式在基片上外延成膜。主要设备有超高真空系统、蒸发源、监控系统和分析测试系统。,19离子束辅助沉积,将离子注入与镀膜结合在一起，即在镀膜的同时，通过一定功率的大流强宽束离子源，使具有一定能量的轰击（注入）离子不断地射到膜与基体的界面，借助于

10、级联碰撞导致界面原子混合，在初始界面附近形成原子混合过渡区，提高膜与基底间的结合力，然后在原子混合区上，再在离子束参与下继续外延生长出所要求厚度和特性的薄膜。,20.离子簇束（Ion Cluster Beam，简称ICB）,离子簇束的产生有多种方法，常用的是将固体加热形成过饱和蒸气，再经喷管喷出形成超声速气体喷流，在绝热膨胀过程中由冷却至凝聚，生成包含5002000个原子的团粒。,21化学转化膜,化学转化膜的实质是金属处在特定条件下人为控制的腐蚀产物，即金属与特定的腐蚀液接触并在一定条件下发生化学反应，形成能保护金属不易受水和其他腐蚀介质影响的膜层。它是由金属基底直接参与成膜反应而生成的，因而

11、膜与基底的结合力比电镀层要好得多。目前工业上常用的有铝和铝合金的阳极氧化、铝和铝合金的化学氧化、钢铁氧化处理、钢铁磷化处理、铜的化学氧化和电化学氧化、锌的铬酸盐钝化等等。,22热烫印,它是把各种金属箔在加热加压的条件下覆盖于工件表面。,23暂时性覆盖处理,它是把缓蚀剂配制的缓蚀材料，在工作需要防锈的情况下，暂时性覆盖于表面。,表面改性技术,1喷丸强化,它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸校形、喷丸强化等。其中喷丸强化不同于一般的喷丸工艺，它要求喷丸过程中严格控制工艺参数，使工件在受喷后具有预期的

12、表面形貌、表层组织结构和残余应力，从而大幅度地提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。,2表面热处理,它是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。主要方法有感应加热淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热淬火、电解液淬火、脉冲加热淬火、激光热处理和电子束加热处理等。,3化学热处理,它是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。按渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体，但都要经过介质中化学反应、外扩散、相界面化学反应（或表面反应）和工件中扩散四个过程，具体方法有许多种。,

13、4等离子扩渗处理（PDT）,又称离子轰击热处理，是指在通常大气压力下的特定气氛中利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行热处理的工艺。常见的有离子渗氮、离子渗碳、离子碳氮共渗等，尤以离子渗氮最普遍。等离子扩渗的优点是渗剂简单，无公害，渗层较深，脆性较小，工件变形小，对钢铁材料适用面广，工作周期短。,5激光表面处理,它是主要利用激光的高亮度、高方向性和高单色性的三大特点，对材料表面进行各种处理，显著改善其组织结构和性能。设备一般由激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统、软件编程系统等构成。主要工艺方法有激光相变非晶化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化。,6电子束表面处理

14、,通常由电子枪阴极灯丝加热后发射带负电的高能电子流，通过一个环状的阳极，经加速射向工件表面使其产生相变硬化、熔覆和合金化等作用，淬火后可获细晶组织等。,7高密度太阳能表面处理,太阳能取之不尽，无公害，可用来进行表面处理。例如对钢铁零部件的太阳能表面淬火，是利用聚焦的高密度太阳能对工件表面进行局部加热，约在0.5至几秒内使之达到相变温度以上，进行奥氏体化，然后急冷，使表面硬化。主要设备是太阳炉，由抛物面聚焦镜、镜座、机一电跟踪系统、工作台、对光器、温控系统和辐射测量仪等构成。,8离子注入表面改性,它是将所需的气体或固体蒸气在真空系统中电离，引出离子束后，用数千电子伏至数十万电子伏加速直接注入材料

15、，达一定深度，从而改变材料表面的成分和结构，达到改善性能之目的。其优点是注入元素不受材料固溶度限制，适用于各种材料，工艺和质量易控制，注入层与基体之间没有不连续界面。它的缺点是注入层不深，对复杂形状的工件注入有困难。,复合表面处理技术,等离子喷涂与激光辐照复合热喷涂与喷丸复合化学热处理与电镀复合激光淬火与化学热处理复合化学热处理与气相沉积复合等等,表面加工技术,微细加工,光子束、电子束和离子束的微细加工。化学气相沉积、等离子化学气相沉积、真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、分子束外延、热氧化的薄膜制造。湿法刻蚀、溅射刻蚀，等离子刻蚀等图形刻蚀。离子注入扩散等掺杂技术。,微细加工,不仅是大规模和超大

16、规模集成电路的发展基础，也是半导体微波技术、声表面波技术、光集成等许多先进技术的发展基础。,表面分析和测试技术,各种表面分析仪器和测试技术的出现，不仅为揭示材料本性和发展新的表面技术提供了坚实的基础，而且为生产上合理使用或选择合适的表面技术，分析和防止表面故障，改进工艺设备，提供了有力的手段。,表面工程技术设计,材料表面镀涂层或处理层的成分、结构、厚度、结合强度以及各种要求的性能。基体材料的成分、结构和状态等。实施表面处理或加工的流程、设备、工艺、检验等。综合的管理、经济、环保等分析设计。,表面技术应用的广泛性和重要性,表面技术应用的广泛性,用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等 可以是光、电、磁

17、、声、热、化学、生物等方面的应用。表面技术所涉及的基体材料不仅有金属材料，也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。,表面技术应用的重要性,材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐照损伤等，一般都是从表面开始的，而它们带来的破坏和损失是十分惊人的。例如仅腐蚀一项，全世界每年损耗金属达一亿吨以上，工业发达国家因腐蚀破坏造成的经济损失约占国民经济总产值的24，因此，采用各种表面技术，加强材料表面保护具有十分重要的意义。,表面技术应用的重要性,在许多情况下，构件、零部件和元器件的性能和质量，主要取决于材料表面的性能和质量。例如由于表面技术有了很大的改进，材料表面成分和结构可得到严格的控制，

18、同时又能进行高精度的微细加工，因而许多电子元器件不仅可做得越来越小，大大缩小了产品的体积和减轻了重量，而且生产的重复性、成品率和产品的可靠性、稳定性都获得显著提高。,表面技术应用的重要性,许多产品的性能主要取决于表面的特性和状态，而表面（层）很薄，用材十分少，因此表面技术可实现以最低的经济成本来生产优质产品。同时，许多产品要求材料表面和内部具有不同的性能或者对材料提出其他一些棘手的难题，如“材料硬而不脆”、“耐磨而易切削”、“体积小而功能多”等等，此时表面技术就成了必不可少或唯一的途径。,表面技术应用的重要性,目前表面技术已在制备高Tc（临界温度）超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶

19、体材料、多孔硅、碳60等新型材料中起关键作用，同时又是许多光学、光电子、微电子、磁性、量子、热工、声学、化学、生物等功能器件的研究和生产上的最重要的基础之一。表面技术的应用使材料表面具有原来没有的性能，大幅度拓宽了材料的应用领域，充分发挥材料的潜力。,表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用 防护、耐磨、强化、修复、装饰等,表面防护,指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等能力。必须采用一些措施来防止或控制腐蚀，如改进工程构件的设计；构件金属中加入合金元素；尽可能减小或消除材料上的电化学不均匀因素；控制环境，采用阴极保护法等等。另一方面，许多表面技术通过改变材料表面的成分和结构以及施加覆

20、盖层都能显著提高材料或制件的防护能力。,表面耐磨,是指材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力。它与材料特性以及载荷、速度、温度等磨损条件有关。采用各种表面技术是提高材料或制件耐磨性的有效途径之一。由于不同类型的磨损与材料表面性能的关系不同，所以要合理选择表面技术和具体的工艺。,表面强化,指通过各种表面强化处理来提高材料表面抵御除腐蚀和磨损之外的环境作用的能力。例如疲劳破坏，它也是从材料表面开始的，通过表面处理，如化学热处理、喷丸、滚压、激光表面处理等，可以显著提高材料疲劳强度。又如许多制品要求表面强度和硬度高，而心部韧性好，以提高使用寿命，通过合理的选择材料和表面强化处理，能满足这个要求。,表面修

21、复,在工程上，许多零部件因表面强度、硬度、耐磨性等不足而逐渐磨损、剥落、锈蚀，使外形变小以致尺寸超差或强度降低，最后不能使用。不少表面技术如堆焊、电刷镀、热喷涂、电镀、粘结等，具有修复功能，不仅可修复尺寸精度，而且往往还可提高表面性能，延长使用寿命。,表面装饰,主要包括光亮（镜面、全光亮、亚光、光亮缎状，无光亮缎状等）、色泽（各种颜色和多彩等）、花纹（各种平面花纹，刻花和浮雕等）、仿照（仿贵金属。仿大理石、仿花岗石等）多方面特性。用恰当的表面技术，可对各种材料表面装饰，不仅方便、高效，而且美观、经济，故应用广泛。,表面技术在功能材料和元器件上的应用,功能材料,主要指那些具有优良的物理、化学和生

22、物等功能及其相互转化的功能，而被用于非结构目的之高技术材料功能材料，常用来制造各种装备中具有独特功能的核心部件，起着十分重要的作用。材料通常与元器件“一体化”，即功能材料常以元器件形式对其性能进行评价。,表面技术在功能材料和器件上的应用,光学特性（反射性、防反射性、增透性、光选择透过、分光性、.）电学特性（导电性、超导性、绝缘性、波导性、）磁学特性（存储记忆、磁记录、）,表面技术在功能材料和器件上的应用,声学特性（声反射、声吸收、.）热学特性（导热性、耐热性、吸热性、.）化学特性（活性、耐蚀性、.）功能转换（光-电、电-光、热-电、电-热、光-热、力-热、力-电、磁-光、光-磁）,表面技术在人

23、类适应、保护和优化环境方面的一些应用,1净化大气,人类在生产和生活中，使用了各种燃料、原料，产生大量的 CO2、NO2、SO2等有害气体，引起温室效应和酸雨，严重危害了地球环境，因此要设法回收、分解和替代它们。用涂覆和气相沉积等表面技术制成的触媒载体等是其有效途径之一。,2净化水质,膜材料是重要的净化水质的材料，可用来处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化等等，这方面的表面技术正在迅速发展。,3抗菌灭菌,二氧化钛光催化剂可以将一些污染的物质分解掉，使之无害，同时又因有粉状、粒状和薄膜等形状而易于利用。研究发现，过渡金属 Ag、Pt、Cu、Zn等元素能增强 TiO2的光催化作用，而且有抗菌、灭菌

24、作用（特别是Ag和Cu）。据报导，日本已利用表面技术开发出一种把具有吸附蛋白质能力的磷灰石生长在二氧化钛表面而制成的高功能二氧化钛复合材料。它能够完全分解吸附的菌类物质，不仅可以半永久性使用，而且还可以制成纤维和纸，用作广泛的抗菌材料。,4吸附杂质,用一些表面技术制成的吸附剂，可以除去空气、水、溶液中的有害成分，以及具有除臭、吸湿等作用。例如在氨基甲酸乙酸泡沫上涂覆铁粉，经烧结后成为除臭剂，用于冰箱、厨房、厕所、汽车内。,5去除藻类污垢,运用表面化学原理，制成特定的组合电极例如 ClCu组合电极，用来除去发电厂沉淀池、热交换器、管道等内部的藻类污垢。,6活化功能,远红外光具有活化空气和水的功能

25、，而活化的空气和水有利于人的健康。例如在水净化器中加上能活化水的远红外陶瓷涂层装置，取得很好的效果，已经投人实际应用。,7生物医学,具有一定的理化性质和生物相容性的生物医学材料已受到人们的高度重视，而使用医用涂层可在保持基体材料特性的基础上，或增进基体表面的生物学性质，或阻隔基材离子向周围组织溶出扩散，或提高基体表面的耐磨性、绝缘性等，有力促进了生物医学材料的发展。例如在金属材料上涂以生物陶瓷、用作人造骨、人造牙、植人装置导线的绝缘层等等。目前制备医用涂层的表面技术有等离子喷涂、气相沉积、离子注入、电泳等。,8治疗疾病,用表面技术和其他技术制成的磁性涂层敷在人体的一定穴位，有治疗疼痛、高血压等

26、功能。涂敷驻极体膜，具有促进骨裂愈合等功能。有人认为，频谱仪、远红外仪等设备能发出一定的波与生物体细胞发生共振，促进血液循环，活化细胞，治疗某些疾病。,9绿色能源,目前大量使用的能源往往有严重的污染，因此今后要大力推广绿色能源，如太阳能电池、磁流体发电、热电半导体、海浪发电、风能发电等，以保护人类环境。表面技术是许多绿色能源装置如太阳能电池、太阳能集热管、半导体制冷器等制造的重要基础之一。,10优化环境,表面技术将在人类控制自然、优化环境上起很大的作用。例如人们正在积极研究能调光、调温的“智慧窗”，即通过涂敷或镀膜等方法，使窗可按人的意愿来调节光的透过率和光照温度。,表面技术在研究和生产新型材料中的应用举例,应用举例,金刚石薄膜 类金刚石碳膜 立方氮化硼薄膜 超导薄膜 LB薄膜 超微颗粒型材料 纳米固体材料,应用举例,超微颗粒膜材料 非晶硅薄膜 微米硅 多孔硅 碳60 纤维补强陶瓷基复合材料 梯度功能材料,表面技术的发展,表面涂敷技术的发展 金属材料表面强化技术的发展 表面加工技术的发展,表面技术的发展,表面技术是一门涉及面广而边缘性很强的技术，它的发展必然受到许多学科和技术的促进和制约，而近代科学和工业技术的迅速发展促使表面技术发生巨大的变革，并对社会的发展起着越来越重要的作用。,