表面工程学第一章-绪论.pptx

主讲人主讲人：刘刘艳丽艳丽材料学院材料学院 院楼院楼 506室室刘艳丽刘艳丽 副教授副教授2005.7，湖湖南南大大学学化化学学生生物物传传感感与与计计量量国国家家重重点点实实验验室室获获博士学位；博士学位；刘艳丽刘艳丽 副教授副教授2009.32009.12，美国密西根州立大学化学系，研究助理；，美国密西根州立大学化学系，研究助理；刘艳丽刘艳丽 副教授副教授2010.10-2012.10，北北京京大大学学化化学学与与分分子子工工程程学学院院稀稀土土材材料料化学与应用国家重点实验室，博士后。化学与应用国家重点实验室，博士后。刘艳丽刘艳丽 副教授副教授Tel：13117314499Email:与与北北京京大大学学、上上海海硅硅酸酸盐盐研研究究所所、上上海海交交通通大大学学、上上海海大大学等有长期合作，欢迎大家报考！学等有长期合作，欢迎大家报考！总学时总学时:32 h,其中其中 课堂教学课堂教学:26-28 h，报告：，报告：2 h-4 h，复习复习:2 h1.1.概述概述、绪论、绪论 （2h）2.表面技术的基础理论（表面技术的基础理论（4h）3.表面工程的预处理工艺表面工程的预处理工艺 (2h)4.热喷涂热喷涂(4h)5.堆焊堆焊(2h)6.电镀和化学镀（电镀和化学镀（4h）7.金属转化膜技术金属转化膜技术（2h）8.气相沉积技术气相沉积技术（2h）9.高能束表面改性技术高能束表面改性技术（2h）10.热扩渗（热扩渗（2h）11.涂装技术（涂装技术（2h）总成绩总成绩=平时成绩（平时成绩（30%）+专题综述（专题综述（20%）+笔试（笔试（50%）平时成绩平时成绩=出勤出勤 出勤出勤:每迟到一次或早退一次扣每迟到一次或早退一次扣 5 分分(百分制百分制)每旷课一次扣每旷课一次扣 10 分，超过分，超过 3 次次 不能参加不能参加考试考试 作业作业:1.以小组为单位，完成一份专题综述。以小组为单位，完成一份专题综述。2.每人翻译一篇英文专业论文每人翻译一篇英文专业论文 (至少要包括题目、摘要、简介、结论四部分至少要包括题目、摘要、简介、结论四部分)课程基本要求课程基本要求关于专业综述关于专业综述Group Project:1.Prepare a Report reviewing one of the hot topics relevant to surface engineering;2.Make an Oral Presentation in 15 minutes(PPT).备选题目：备选题目：1.表面表面工程技术在汽车行业的应用工程技术在汽车行业的应用(Suspension Plasma Spraying)2.自自洁净涂层及其制备技术洁净涂层及其制备技术(self cleaning coating)3.运动装备中的表面工程技术（运动装备中的表面工程技术（sports equipment,surface treatment)4.非晶、纳米晶涂层的制备技术及其应用非晶、纳米晶涂层的制备技术及其应用（amorphous,nano-crystalline,coating）5.其它（题目可自拟，但需老师确认）其它（题目可自拟，但需老师确认）一些有用的资源教学用书教学用书l 表面科学与工程表面科学与工程l 主编：主编：高志高志 潘红良潘红良l 华东理工大学出版社华东理工大学出版社 Internet表面科学与技术表面科学与技术姚寿山，李戈扬，胡文彬姚寿山，李戈扬，胡文彬 编，编，机械工业出版社，机械工业出版社，20052005表面工程学表面工程学曾晓雁，吴懿平曾晓雁，吴懿平 主编，机械工业出主编，机械工业出版社，版社，20012001材料表面工程材料表面工程徐滨士，朱绍华，刘世参编著，徐滨士，朱绍华，刘世参编著，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨工业大学出版社，20052005表面工程表面工程徐滨士，刘世参，机械工业出版社徐滨士，刘世参，机械工业出版社参考教材参考教材1.1 表面工程学表面工程学的意义的意义1.2 表面工程学的定义表面工程学的定义与内涵与内涵1.3 表面工程的表面工程的特点特点1.4 表面工程技术的分类表面工程技术的分类1.1 1.1 表面工程的意义：金属腐蚀表面工程的意义：金属腐蚀的危害的危害 专家专家说，有关数据统计显示：说，有关数据统计显示：1吨吨/天；天；5000亿元亿元人民币人民币/年；年；6%四川省宜宾市城区的南门四川省宜宾市城区的南门大桥大桥断裂断裂1.1 1.1 表面工程的意义表面工程的意义：断裂：断裂的危害的危害 16仅仅四个月时间，丰田公司接连仅仅四个月时间，丰田公司接连爆出油门踏板、刹车等部件缺陷，爆出油门踏板、刹车等部件缺陷，先后宣布在全球范围内召回多款先后宣布在全球范围内召回多款车辆合计车辆合计 850 万辆。万辆。丰田汽车上月在丰田汽车上月在美国召回美国召回的直的直接损失高达接损失高达20亿美金，有分析师亿美金，有分析师表示，丰田汽车公司需要承担几表示，丰田汽车公司需要承担几十起诉讼费用，未来一年其财务十起诉讼费用，未来一年其财务方面的损失总计可能超过方面的损失总计可能超过50亿美亿美元。元。丰田汽车的召回门丰田汽车的召回门1.1 1.1 表面工程的意义：磨损的危害表面工程的意义：磨损的危害 1828,000,000,000$-0.02$磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。数数 据据磨磨损损美国：美国国家材料政策委员会向美国国美国：美国国家材料政策委员会向美国国 会提出的一份报告：会提出的一份报告：摩擦磨损引起的损失摩擦磨损引起的损失10001000亿美元亿美元/年；年；德国：德国：19831983年，前联邦德国调查，摩擦磨年，前联邦德国调查，摩擦磨损损失损损失287287亿马克；亿马克；英国：摩擦磨损损失英国：摩擦磨损损失5150051500英镑英镑/年；年；腐腐蚀蚀美国：国家标准局美国：国家标准局19781978年调查：年调查：19751975年腐蚀损失达年腐蚀损失达820820亿美元，占亿美元，占国民生产总值的国民生产总值的4.9%4.9%；19951995年腐蚀损失达年腐蚀损失达30003000亿美元；亿美元；中国：中国：19831983年调查：腐蚀损失年调查：腐蚀损失400400亿元亿元/年年腐腐蚀蚀和和磨磨损损均均是是发发生生于于机机件件表表面面的的材材料料流流失失过过程程，其其他他形形式式的的失失效效过过程程有有许许多多也也是是从表面开始从表面开始延缓和延缓和控制表控制表面破坏面破坏的方法的方法促进促进了表了表面工面工程学程学的发的发展与展与形成形成表面工程有关的表面性能 分分 类类 项项 目目一般机械性能韧性、强度、塑性、抗疲劳性、硬度、疏松度（空隙度）、残余应力 可加工性精密加工性、可修补性、可焊接性、冷作硬化性 抗磨性抗磨料磨损性、抗粘着磨损性、抗腐蚀磨损性、抗冲蚀磨损性、抗微动磨损性、润滑性 保护性防锈性、耐各种水质腐蚀性、耐候性、耐药品性、抗酸碱盐腐蚀性、防污染性 热特性热特性热障性、导热性、高温氧化性、高温软化性、高温蠕变性、抗热冲击性 电特性电特性导电性、绝缘性、电阻特性、半导体特性 电磁性电磁性磁化性、电磁屏蔽性、磁记录光特性光特性反光性、选择吸收性、消光性 装饰性着色性、染色性、光泽性、可修饰性 1.1 1.1 表面工程的意义表面工程的意义1.1 1.1 表面工程的意义表面工程的意义10%与与6%的关系的关系典型的铸铁汽车发动机典型的铸铁汽车发动机典型的铸铝汽车发动机典型的铸铝汽车发动机？321.1 1.1 表面工程的意义表面工程的意义33（1）在保护、优化环境中的应用p 净化大气CVD、sol-gelp 净化水质CVD、阳极氧化、sol-gelp 绿色能源1.1 1.1 表面工程的意义表面工程的意义34（2）在结构材料中的应用 表面防护表面防护 耐磨性耐磨性35 表面强化表面强化 表面装饰表面装饰镜面涂层镜面涂层亚光涂层亚光涂层不同色彩涂层不同色彩涂层立体花纹涂层立体花纹涂层仿贵金属涂层仿贵金属涂层（3）在功能材料和元器件中的应用 41 电学特性电学特性 磁学特性磁学特性42 光学特性光学特性 声学特性声学特性 热学特性热学特性43 生物学特性生物学特性 各种各种转换转换功能功能44（4 4）在再制造工程中的应用在再制造工程中的应用 46（6 6）在研究开发新型材料中的）在研究开发新型材料中的应用应用.工程意义工程意义 提高材料和工件的可靠性，延长其使用寿命 制备具有特殊功能的表面 对节能降耗与再制造的特殊贡献 满足人们精神文化生活的需要 科学价值科学价值 材料制备与合成的新技术 为新技术发展提供工艺和材料支持 多学科交叉，促进新的学术研究课题“Surface Engineering is treatment of the surface and near-surface regions of a material to allow the surface to perform functions that are distinct from those functions demanded from the bulk of the material”-from ASM Metal Handbook“Solids are composed of a bulk material covered by a surface.The surface which bounds the bulk material is called the Surface phase.Surface engineering involves altering the properties of the Surface Phase in order to reduce the degradation over time.”-from Wikipedia“材料表面工程是材料表面处理技术的总称”-赵文轸1.2 表面工程表面工程（Surface Engineering）表面工程技术源远流长49“承旋承旋”，酒器，东汉建武年，酒器，东汉建武年间，现藏于北京故宫博物院间，现藏于北京故宫博物院兽形盒砚，东汉制，出土于兽形盒砚，东汉制，出土于19801980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品，由石砚、盒身、盒盖三部分品，由石砚、盒身、盒盖三部分组成组成 中国古代的鎏金工艺中国古代的鎏金工艺 日本刀的覆土烧刃日本刀的覆土烧刃 世界三大名刃之一世界三大名刃之一表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长表面工程形成一门独立的学科是近表面工程形成一门独立的学科是近 20 来年的事：来年的事：1983年年 表面工程的概念被首次提出表面工程的概念被首次提出 1986年年 国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会合会 1987年年 中国机械工程学会表面工程研究所成立中国机械工程学会表面工程研究所成立 1988年年表面工程表面工程杂志创刊，后更名为杂志创刊，后更名为中国表面工程中国表面工程 2000年年 全国焊接学会原全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委员会堆焊与热喷涂专业委员会”正式正式更名为更名为“堆焊及堆焊及 表面工程专业委员会表面工程专业委员会”。目目前前，全全世世界界范范围围内内，表表面面工工程程的的应应用用已已取取得得巨巨大大的的经经济济效效益益，而而且且也也逐逐渐渐发发展展成成为为横横跨跨多多个个学学科科的的边边缘缘性性、综综合合性性、复合型学科复合型学科.1.2 表面工程1.2、表面工程学的定义、表面工程学的定义表面工程学围绕表面工程学围绕腐蚀腐蚀、摩擦与磨损摩擦与磨损和和功能功能特性特性（声，光，磁，电的转换（声，光，磁，电的转换）等等因素，因素，是多学科交叉、综合，以复合系统为特色，是多学科交叉、综合，以复合系统为特色，逐步发展的新兴学科，以逐步发展的新兴学科，以“表面表面”“”“界界面面”为研究核心。为研究核心。定义定义为满足特定的工程需求，使材料表面或为满足特定的工程需求，使材料表面或零部件表面具有特殊的成分，结构和性零部件表面具有特殊的成分，结构和性能能(或功能或功能)的化学，物理方法与工艺。的化学，物理方法与工艺。1.2 表面工程Raw materialenergyProductProductSurface EngineeringGood product+1.3 材料表面工程技术的功能与分类表面工程技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可表面工程技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分为以下几个部分分为以下几个部分：表面工程技术的表面工程技术的 基础基础 和和 应用应用 理论理论表面处理技术，主要包括表面处理技术，主要包括 表面涂层制备表面涂层制备 技术、技术、表面表面改性改性技术和技术和表面复合表面复合技术三部分技术三部分 表面表面 分析分析 和和 测试测试 技术技术 表面工程表面工程技术设计技术设计 基于工艺的分类基于工艺的分类1.3 材料表面工程技术的功能与分类基于工艺的分类基于工艺的分类电镀，化学镀，热渗镀；电镀，化学镀，热渗镀；热喷涂，堆焊，化学转化膜，表面涂装，表面氧化着色；热喷涂，堆焊，化学转化膜，表面涂装，表面氧化着色；高能束表面改性，气相沉积，表面热处理，化学热处理，形变强化高能束表面改性，气相沉积，表面热处理，化学热处理，形变强化还有一些复合的表面处理技术，如：还有一些复合的表面处理技术，如：等离子喷涂与激光辐照复合；等离子喷涂与激光辐照复合；热喷涂与喷丸复合；热喷涂与喷丸复合；化学热处理与电镀复合；化学热处理与电镀复合；激光淬火与化学热处理复合；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化学热处理与气相沉积复合等等57基于学科特点的分类基于学科特点的分类“国家自然科学基金委国家自然科学基金委金属材料科学金属材料科学战略报告战略报告”1.3 材料表面工程技术的功能与分类l 表面处理技术表面处理技术l 表面改性技术表面改性技术l 表面涂覆技术表面涂覆技术原子沉积：原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。颗粒沉积：颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂覆等。搪瓷涂覆等。整体覆盖：整体覆盖：它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。镀、涂刷、堆焊等。表面改性：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，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。1.3 材料表面工程技术的功能与分类“由由Bunshah.FBunshah.F 和和 Mattox.DMattox.D提出提出”基于技术作用原理的分类基于技术作用原理的分类金属金属金属金属陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷高分子高分子高分子高分子复合材料复合材料复合材料复合材料1.3 材料表面工程技术的功能与分类金属材料层；金属材料层；陶瓷材料层；陶瓷材料层；高分子材料层高分子材料层复合材料层复合材料层基于材料的分类基于材料的分类1.4 表面工程技术的发展趋势表面工程技术的发展趋势631.4.1传统表面工程技术的创新 电弧喷涂：高速电弧喷涂：高速电弧喷涂，使喷涂质量大大电弧喷涂，使喷涂质量大大提高；提高；等离子喷涂：射频等离子喷涂：射频感应藕合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、用三感应藕合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、用三阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂；喷涂；电刷镀：摩擦电刷镀：摩擦电喷镀及复合电刷镀技术。电喷镀及复合电刷镀技术。涂涂装装技术：粉末技术：粉末涂料技术。涂料技术。粘结技术：高性能粘结技术：高性能环保型粘结技术、纳米胶粘结技术、微胶囊技术。环保型粘结技术、纳米胶粘结技术、微胶囊技术。高能高能束束应用：激光应用：激光或电子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表或电子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技术面熔凝等技术。离子注入：强流氮离子注入技术、强流金属离子注人技术和金属等离子注入：强流氮离子注入技术、强流金属离子注人技术和金属等离子体浸没注人技术。离子体浸没注人技术。64 复合表 面 工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合等。1.4.2 复合表面工程技术的研究 1.4.3 纳米表面工程 纳米表面工程是指充分利用纳米材料的优异特性提升和改善传统的表面工程，通过特定方法使材料表面纳米化、纳米结构或功能化，从而使材料表面性能提高或赋予其全新功能的系统工程。关键技术主要包括：纳米热喷涂技术、纳米电刷镀技术、纳米减摩自修复添加剂技术、金属材料表面自身纳米化、纳米表面粘结技术、纳米涂装、纳米薄膜气相沉积技术等。651.4.4 研究开发新型功能材料1.4.5 向自动化、智能化的方向迈进1.4.6 追求环保零排放1.4.7 大力发展绿色再制造工程 66思考题1.表面工程技术可以用来制造复合材料么？表面工程技术可以用来制造复合材料么？2.找找看，在我们身边有哪些使用了表面工程找找看，在我们身边有哪些使用了表面工程技术的物品？技术的物品？图行天下图行天下3.你认为哪一种表面工程技术分类法比较合理你认为哪一种表面工程技术分类法比较合理？为什么？为什么？