技能培训 材料表面工程学 表面工程技术概论.ppt

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1、材料表面工程,主要授课内容,第一章 表面工程技术概论（2学时） 知识点：表面技术的涵义、表面技术的目的、表 面技术的分类、表面技术的应用概况。 第二章 表面科学的某些基本概念和理论（2学时） 第三章 热喷涂技术（2学时） 知识点：热喷涂。 第四章 电镀和化学镀（2学时） 知识点：电镀、电刷镀、化学镀。 第五章 气相沉积技术（2学时） 知识点：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、化学气 相沉积。,主要授课内容,第六章 表面改性技术（6学时） 知识点：金属表面形变强化、表面热处理、金属 表面化学热处理、等离子体表面处理、激光表面 处理、 电子束表面处理、离子注入表面改性。 第七章 化学转化膜（2学时） 知

2、识点：氧化处理、铝及铝合金的阳极氧化。 第八章 表面分析和表面性能的检测（2学时） 知识点：表面分析、表面分析仪器、表面性能检 测。,1.1 表面技术的含义,第一章 表面技术概论,表面技术的含义： 表面技术是指通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能。,1.1 表面技术的含义,第一章 表面技术概论,表面技术的目的：,提高材料抵御环境作用的能力。 赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能。 实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。,1.1 表面技术的含义,第一

3、章 表面技术概论,表面技术的实施方法：,1.施加各种覆盖层 如各种涂层技术，包括电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、热浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延制膜和离子束合成薄膜技术等。此外，还有其他形式的覆盖层，例如各种金属经氧化和磷化处理后的膜层、包箔、贴片的整体覆盖层，缓蚀剂的暂时覆盖层。,1.1 表面技术的含义,第一章 表面技术概论,表面技术的实施方法：,2.表面改性：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，即采用各种表面改性技术。主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子

4、扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理和离子注入表面改性等。,1.1 表面技术的含义,第一章 表面技术概论,表面技术的实施方法：,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面技术的分类：,按照其作用原理，将其分为以下4种基本类型：,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料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积和化学气相沉积等。,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、搪瓷涂敷等。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面技术的分类：,按照其作用原理，将其分为以下4种基本类型：,整体覆盖。它

5、是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如堆焊、热浸涂、包箔、贴片和涂刷等。,表面改性。它是用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成和结构发生变化，从而改变性能，如等离子表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理和离子注入等。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,广义表面技术包括：,表面技术的基础和应用理论。 表面处理技术，它又包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术3部分。 表面加工技术。 表面分析和测试技术。 表面工程技术设计。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面技术的基础理论,表面技术的基础理论是表面科学，包括表面分析技术、表面物理和表面化学3个分

6、支。 （1）表面分析的基本方面有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。 （2）表面物理和表面化学分别是研究任何两相之间的界面上发生的物理和化学过程的科学。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面技术的基础理论,从理论体系来看，它们包括微观理论与宏观理论。微观理论：在原子、分子水平上研究表面的组成，原子排列结构及输运现象，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。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面技术的应用理论,包括： （1）表面失效分析 （2）摩擦与磨

7、损理论 （3）表面腐蚀与防护理论 （4）表面结合与复合理论,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面处理技术-表面覆盖技术 这项技术的种类很多，目前主要有下列22类：1.电镀；2.电刷镀；3.化学镀；4.涂装；5.粘结；6.堆焊；7.熔结；8.热喷涂；9. 电火花涂敷； 10.热浸镀；11. 搪瓷涂敷； 12.陶瓷涂敷； 13.真空蒸镀； 14.溅射镀； 15.离子镀； 16. 化学气相沉积； 17.分子束外延； 19. 化学转化膜； 21.溶胶-凝胶膜。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面处理技术-表面改性技术 目前大致可分为以下几类：1.喷丸强化；2.表面热处理；

8、3.化学热处理；4.等离子扩渗处理；5.激光表面处理；6.电子束表面处理；7. 离子注入表面改性。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面处理技术-复合表面处理技术 综合运用两种或更多种表面技术的复合表面处理。如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。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面加工技术,表面加工技术主要用于微电子器件的微细加工，是一种加工尺度从亚微米到毫微米量级的制造微小尺寸元器件或薄膜

9、图形的先进制造技术，主要包括： (1)光刻：光子束、电子束和离子束的微细加工； (2)镀膜：化学气相沉积、物理气相沉积、分子束外 延和热氧化的薄膜制造； (3)刻蚀：湿法刻蚀、溅射刻蚀和等离子刻蚀等图形 刻蚀； (4)掺杂：离子注入扩散等掺杂技术。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面分析和测试技术,利用各种表面分析仪器和测试技术对表面进行分析研究，包括： （1）表面形貌和显微组织结构分析：光学显微镜 （OM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子 显微镜（SEM） （2）表面成分分析：电子探针微区分析（EPMA） （3）表面原子排列结构分析：电子衍射仪 （LEED）、扫描隧道显微

10、镜（STM)、原子力 显微镜（AFM）。 （4）表面原子动态和受激态分析：红外光谱（IR)、 拉曼散射谱（RAMAN)。 （5）表面的电子结构分析：紫外光电子谱（UPS)。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面分析和测试技术,分析仪器和技术可大致分为显微镜和分析谱仪两大类。 显微镜有光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、高压电子显微镜、分析电子显微镜、场离子显微镜、场发射电子显微镜、声学显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面分析和测试技术,分析仪器和技术可大致分为显微镜和分析谱仪两大类。 分析谱仪是利用各种探针激发源（入

11、射粒子）与材料表面物质相互作用以产生各种发射谱（出射粒子），然后进行记录、处理和分析。如低能电子衍射、俄歇电子能谱、电子损失谱、电子能量损失谱、离子微探针质量分析、离子中和谱、X射线光电子谱、红外吸收谱和拉曼散射谱等。,1.2 表面技术的分类,第一章 表面技术概论,表面工程技术设计 利用计算机技术，借助数据库和知识库、推理机等工具，通过演绎和归纳等科学方法，而能获得最大效益的设计系统。包括： 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、工艺和检验等。 综合的管理、经济和环保等分析设计。,第一章 表面技术

12、概论,表面技术应用目的 （1）加强材料表面保护，降低材料表面的腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂，延长材料的使用寿命。 （2）节约材料。表面层薄，用材少，可以以最低的经济成本来生产优质产品。同时，实现表层与基体性能的最佳配合。 （3）制备新材料和新器件。生产金刚石薄膜、多层膜，各种功能器件。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,一、结构材料应用结构材料是用于制造建筑工程构件、机械零部件以及工具、模具等的材料，要求具有高的强度、硬度及耐磨性等力学性能，在许多场合又要求有良好的耐蚀性和装饰性。 表面技术用于结构材料主要起防护、耐磨、强化、修复、装饰等重要作用。,1.3 表面技术的应用,第一章 表

13、面技术概论,1材料防护主要指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀的能力。采用各种表面技术，如改变材料表面的成分和结构以及施加各种覆盖层来显著提高材料的防护能力。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,2 提高材料耐磨性耐磨性是指材料在一定的摩擦条件下抵抗磨损（磨料、粘着、疲劳腐蚀、冲蚀、气蚀）的能力。磨损是材料3种主要失效形式之一。磨损与材料特性以及载荷、速度、温度等外界条件有关。 磨损是从材料表面开始的，表面技术是提高材料耐磨性的有效途径之一。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,3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以外的环境作用的能力。如抗疲劳破坏的

14、能力。 疲劳破坏也是从材料表面开始的。在最大应力低于屈服应力条件下疲劳裂纹也能成核和扩展，从而导致灾难性断裂事故。 采用表面热处理、化学热处理、喷丸、滚压、激光表面处理等表面技术，可以显著提高材料的疲劳强度。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,4表面修复许多机器的零部件因表面强度、硬度、耐磨性、耐蚀性等不足而逐渐磨损、剥落、锈蚀，最后失效。利用堆焊、电刷镀、热喷涂、电镀、粘结等表面技术，往往不仅能修复尺寸精度，而且能恢复或提高表面性能，保证生产运行，延长设备使用寿命，由此带来的经济效益也是十分可观的。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,5表面装饰表面装饰主要包括光亮（镜

15、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，浮雕等）、仿照（仿贵金属，仿大理石，仿花岗石等）等多方面特性。用恰当的表面技术可装饰各种材料表面，不仅方便、高效，而且美观、经济，故应用广泛，并形成了很大的产业。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,二、功能材料应用功能材料主要指那些具有优良的物理、化学和生物等功能，而被用于非结构目的的高技术材料。 这类材料常用来制造各种装备中具有独特功能的核心部件，并往往与元器件“一体化”，即常以元器件形式对其性能进行评价。 所用的表面技术主要有气相沉积、涂装、电镀、化学镀、化学转化处理等。,1.3 表

16、面技术的应用,第一章 表面技术概论,三、生活环境应用 1）大气净化；2）水质净化；3）抗菌灭菌；4）吸附杂质；5）去除藻类污垢；6）活化功能；7）生物医学；8）治疗疾病；9）绿色能源；10）优化环境,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,四、新材料开发应用新型材料又称先进材料，为高技术的一个组成部分。它们是正在发展的、具有优异性能的材料，也是新技术发展中所必需的物质基础,对今后技术和经济的发展产生深远的影响。 表面技术在研制和生产新型材料方面是十分重要的。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,1金刚石薄膜（DiamondFilm）它可以用热化学气相沉积（TCVD）和等离子体化

17、学气相沉积（PCVD）等技术在低压或常压条件下制得。这种材料硬度高，室温导热性好，绝缘，稳定，在很宽的光波范围内透明，并有较宽的禁带宽度。在微电子技术、超大规模集成电路、光学、电子学等方面有良好的应用前景。还有可能是Ge、Si、GaAs之后的新一代半导体材料。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,2类金刚石碳膜（DiamondLikeCarbonFilm）它是一种具有非晶态和微晶结构的含氢碳膜，通常用低能量的碳氢化合物经等离子体分解或碳离子束沉积技术制得。这种材料的一些性能接近金刚石膜，具有良好的硬度、导热、绝缘、光透过性能。可用作光学器件保护膜和增透膜、工具的耐膜层、真空润滑层。,

18、1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,3立方氮化硼膜（CubicBoronNitrideFilm）它主要用气相沉积方法制得，硬度仅次于金刚石，而耐氧化、耐热性和化学稳定性比金刚石膜更好，并且具有高电阻率、高热导率，掺入某些杂质可成为半导体。可用于半导体、电路基板、光电开关，以及用于耐磨、耐蚀、耐热涂层。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,4超导薄膜（SuperconductingFilm）如YBaCuO膜等，主要用真空蒸发、溅射、分子束外延等方法制备，沉积后为非晶态，经高温氧化处理后转变为具有较高转变温度的晶态薄膜。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,5LB薄膜

19、（LangmuirBlodgettFilm）它是有机分子器件的主要材料，由羧酸及其盐、脂肪酸烷基族以及染料、蛋白质等有机物构成的分子薄膜。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,6超微颗粒型材料 它用气相沉积等方法来制备，颗粒尺寸大致为1nm10nm，称纳米微粒，在光、电、磁、热、力、化学等方面有着许多奇异的特性。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,7纳米固体材料（NanosiyedMaterials）它是由尺寸小于15nm的超微颗粒经高压制成，或再经一定热处理后形成具有超细组织构成的固体材料，在力、热、磁等性能方面与同成分普通材料往往有很大差异。,1.3 表面技术的应用,

20、第一章 表面技术概论,8超微颗粒膜材料（Ultra-micrograinedFilmMaterials）它是将超颗粒嵌于薄膜中构成的复合薄膜，在电子、能源、传感器等方面有良好的应用前景。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,9非晶硅薄膜（AmorphousSiliconFilm）它用气相沉积等方法制备，具有合适的禁带宽度，较高的光吸收系数和光电导率，便于大面积薄膜工艺生产。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,10碳60（BuckminsterFullerene）它是碳蒸气骤冷淬火时通过质谱图发现的，四周由12个正五边形碳环（碳-碳单键结构）和20个正六边形碳环（苯环式）构

21、成，宛如一个“足球”，即由60个碳原子组成的空心圆球状具有芳香性的分子。这种材料及其各种衍生物因具有一些独特性能（如超导性等）而备受重视.,1.3 表面技术的应用,又称“足球烯,巴基球”，主要用做超导材料、润滑剂等。,第一章 表面技术概论,11纤维增强陶瓷基复合材料它是以各种金属、玻璃、陶瓷等纤维为增强体，以水泥、玻璃、陶瓷等为基体，构成的复合材料，其中纤维往往必须通过一定的表面处理，使纤维与基体“相容”，并对纤维有保护作用。它具有高强度、高韧性和热化学稳定性。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,12梯度功能材料用等离子喷涂、离子镀、离子束合成薄膜技术、化学气相沉积、电镀等表面技术，使两种不同性质材料的组成和结构得到连续、平稳的变化。这种材料具有优异的耐热性、机械强度等性能。,1.3 表面技术的应用,第一章 表面技术概论,本章重点 （1）了解表面工程的目的、内容、分类、具体实施方法; （2）了解表面技术的应用及重要性。,