现代表面技术【作业】
现代表面技术
现代表面科学技术作业—热喷涂表面处理技术学号：姓名：日期：任课老师：摘要：本文重点介绍了热喷涂技术的作用原理、工艺特点、分类。
总结了热喷涂技术的应用状况。
探讨了新工艺在热喷涂技术中的应用前景。
关键词：热喷涂；表面处理技术；新工艺1 前言近30多年来人们对传统表面技术进行了一系列改进、复合和创新, 使大量的现代表面技术涌现出来,在各个工业部门、农业、生物、医药以及日常生活中有着广泛而重要的应用。
表面技术的应用所包含的内容十分广泛,可以用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等, 也可以是光、电、磁、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是金属材料,也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。
表面技术的种类很多,把这些技术恰当地应用于构件、零部件、元器件以及各种材料,可以获得巨大的效益。
现代高新技术的飞速发展对提高金属材料的性能、延长仪器设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。
而这两个方面的要求又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题。
近年来，表面工程的快速发展，尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展，为解决上述提供了一种新的方法。
热喷涂是一种通过专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上，形成一种特制薄层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的表面工程技术[1-2]。
由于热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，所以能制成具备各种性能的功能涂层，并且施工灵活，适应性强，应用面广，经济效益突出，尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源、节约贵重金属材料、提高工效、降低成本等方面都有重要作用。
随着工业和科技的发展，人们对热喷涂技术提出了越来越高的要求，在已有的热喷涂工艺不断得到改进的同时，一些新的工艺也应运而生。
目前，包括航空、航天、原子能设备、电子等尖端技术在内的很多领域内[3]热喷涂技术都得到了广泛的应用，并取得了良好的经济效益。
2 热喷涂工艺的原理热喷涂技术是通过某种热源将某些材料加热至熔融或半熔融状态，然后喷射到涂敷的基体表面，形成一层性能优于原来基体的涂层，从而使原工件具有更加优异的表面性能，或者是使工件获得一种或几种原来基体材料不具备的表面性能膜状组织[4]。
现代表面技术-表面
通过表面技术如化学气相沉积、物理气相沉积等， 可对电子元件的表面进行改性处理，提高其性能 和稳定性。
防静电保护
表面技术如导电涂层可用于电子元件的防静电保 护，防止静电对电子设备造成损害。
05 未来表面技术的发展趋势 与挑战
总结词
新材料表面技术的研发是未来表面 技术发展的关键，将推动表面技术 的不断创新和应用领域的拓展。
详细描述
随着环保意识的日益增强，表面技术的环保与可持续发展已成 为行业关注的焦点。表面处理过程中产生的废液、废气和废渣 等污染物对环境造成了严重的影响。因此，研发环保型的表面 技术，如水基表面处理技术、无铬表面处理技术等，能够有效 减少环境污染和资源消耗，同时降低生产成本，提高经济效益。
总结词
表面技术的智能化与自动化是未来发展的重要趋势，将提高表面处理的效率和质量，降低人工成本和操作风险。
02 现代表面技术简介
物理表面技术
离子束刻蚀
利用离子束轰击材料表面，通过 物理撞击和能量沉积改变表面形 貌和性质，实现表面纳米级加工。
激光表面处理
利用高能激光束对材料表面进行快 速加热和冷却，实现表面熔化、凝 固、相变等，改变表面结构和性能。
电子束蒸发镀膜
利用电子束蒸发源产生的高能电子 束将材料加热至熔融状态，并快速 冷却形成薄膜，实现表面镀膜和涂 层。
表面技术在环境能源领域的应用，如高效 催化剂、太阳能电池和燃料电池等方面， 为解决能源和环境问题提供了有效途径。
表面技术未来的发展前景
新材料和新技术的研发
随着科技的不断进步，表面技术将不断涌现出新的材料和 技术，如纳米材料、生物材料和复合材料等，为表面技术 的应用和发展提供更多可能性。
绿色环保
随着环保意识的不断提高，表面技术将更加注重绿色环保 ，发展低污染、低能耗的表面处理技术和绿色材料，减少 对环境的负面影响。
现代表面技术（缩减后+红色考卷内容）
现代表面技术（缩减后+红色考卷内容）《现代表面技术》复习思考题1.表面处理技术的最早应用是什么？其目的是什么？答：表面处理技术的最早应用是进行钢的淬火，其目的是使钢的表面获得坚硬层。
2.表面处理技术的主要目的是什么？答：（1）提高材料抵御环境作用能力。
（2）赋予材料表面某种功能特性。
（3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。
3.表面处理技术主要有哪二条途径进行实施？答：（1）施加各种覆盖层。
（2）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。
5．简述表面处理技术的四种基本类型。
答：（1）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、化学气相沉积等。
（2）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。
（3）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、热浸镀、涂刷、堆焊等。
（4）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，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。
7.试列举10种常用的表面覆盖技术。
答：常用的表面覆盖技术：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、电火花涂敷等。
8.试列举8种表面改性技术。
答：表面改性技术：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理（PDT）、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面改性。
13.固体可分为哪两类？材料按其特性可分为哪几类？按作用分为哪几类？答：固体大致分为晶体和非晶体两类。
按照材料特性，可将它分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三类。
固体材料按所起的作用可分为结构材料和功能材料两大类。
14.何谓界面？何谓清洁表面？何谓实际表面？答：界面：两种不同相之间的交界区称为界面。
现代表面技术复习题..
现代表面技术复习题答案第一章1课程的性质、特点“古老T实用T广泛T发展”。
2,课程的地位、重要性“重点发展的学科”。
1按照膜层形成方式及其作用原理，表面技术可以分为哪些类型?（1）原子沉积⑵ 颗粒沉积⑶ 整体覆盖⑷ 表面改性2、固体材料界面有哪三种？（1）表面--固体材料与气体或液体的分界面；（2）晶界（或亚晶界）--多晶材料内部成分、结构相同的界面。
而取向不同的晶粒（或亚晶）之间（3）相界--固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。
3、何谓清洁表面？何谓实际表面？清洁表面：经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10-6 Pa—10-9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。
实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洁等），保持在常温和常压（也可能在低真空或者高温）下的表面。
4、清洁表面为何存在各种类型的表面缺陷？从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态。
达到该稳定状态的方式有两种：一是自行调整，表面原子排列情况与材料内部明显不同；二是依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。
所以清洁表面必然存在各种类型的表面缺陷。
5、简述表面驰豫和表面重构并画出结构示意图。
表面弛豫：表面原子的上、下位移（压缩或膨胀）称为表面驰豫。
表面重构：在平行于基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整，这种表面结构称为重构（或再构）。
缺列型重构：是表面周期性地缺失原子列造成的超结构。
重组型重构：并不减少表面的原子数，但却显著地改变表面的原子排列方式。
6、什么是贝尔比层？它有什么特点？贝尔比（Beilby）层：金属在切割、研磨和抛光时，表面原子来不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸变，深度可达几十微米。
现代表面技术
作用：
装饰作用—— 给人以美感
保护作用—— 具有一定的耐水性、耐溶性、耐油性、耐化学腐蚀性
标志作用—— 由醒目涂料颜色制成标志牌、道路分离线、不同颜色
涂料区分管道、设备、槽车、容器等的作用及所装物质
1.材料表面技术为什么得到社会的重视而迅速发展？
1） 社会生产、生活的需要
2） 通过表面处理大幅度提高产品质量
3） 节约贵重材料
4） 实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题
5） 良好的节能、节材效果
6） 促进了新兴工业的发展
2.表面技术的目的和作用？
(1) 提高材料抵御环境作用能力。
4.磨损的定义和分类？
定义：物体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。
分类：按照磨损机理的分类方法为基础分为：
(a)粘着磨损：由于固相焊合作用使材料从一个表面转移到另外一个表面造成的磨损。
(b)磨粒磨损：由于硬颗粒或硬突起物体，使其中一个面的材料产生迁移而造成的磨损。
（2）．前置化学步骤：研究表明，直接参加阴极电化学还原反应的金属离子往往不是金属离子在电解液中的主要存在形式。在还原之前，离子在阴极附近或表面发生化学转化，然后才能放电还原为金属。
（3）．电荷转移步骤：反应粒子在阴极表面得到电子形成吸附原子或吸附离子的过程称为电荷转移步骤，又称为电化学步骤，这里主要发生电荷从阴极表面转移到反应粒子的过程，这是电沉积过程的重要步骤。
（4）．结晶步骤: 吸附原子通过表面扩散到达生长点而进入晶格，或吸附原子相互碰撞形成新的晶核并长大成晶体。
9.电镀的基本原理？
现代表面技术——表面3
讨论题
问题1:工件尺寸相同冷速快;热应 力引起的残余应力上升?下降?
问题2:冷速相同，工件尺寸增加 ;热应力引起的残余应力上升? 下降?
问题3:合金钢;碳钢(40CrNiMo;40) 尺寸与冷速 相同.哪种热应力大?
二 .组织应力
产生原因: 奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀，冷却时表面与心部 不同时膨胀引起应力. (热应力“热胀冷缩”不同时引起,组 织应力“热缩冷胀”不同时引起; ）
问题：相变强化中残余应 力预测或者控制？
1.3 相变强化时残余应力分析(定性;粗略) 一.热应力 产生原因:因为在淬火冷却过程中,工件内外“热 胀冷缩” 不同 时产生的应力
圆柱样品不发生M相变 哪条曲线表面？心部？ 表层冷速：先快后慢 心部冷速：先慢后快
热应力形成残余应力分析
冷却初期：表层收缩变形受 到心部抵制。 1）表面心部何种应力？ 2）是否会形成残余应力保 留 到室温？
冷却后期：表层不变形；心 部收缩受到表层抵制。 1）表面心部何种应力？ 2）是否会形成残余应力保 留 到室温？
热应力（写黑板与组织对比） 冷却初期 表层变型 心部变型 表面应力 心部应力 表层冷缩 基本不变 拉应力 压应力 冷却后期 基本不变 心部冷缩 压应力 拉应力
热应力形成残余应力特点： 1. 表面压应力、心部拉应力 2. 心部轴向拉应力最大 3. 内外温差越大，应力也越大
1.2 相变强化表面技术中两个重要问题：
课堂小实验： 相变强化表面,强化层用锯条代表, 淬火+低温回火处理; 测定硬度与韧性 原因分析: 方法?
断口粗细实质反映马氏体粗细;
问题1：决定马氏体粗细因素？
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结论： M的粗细由A晶粒粗细决定.
现代表面技术
一、关于表面基础1.弛豫：表面上的原子相对于正常位置的上、下位移来降低体系能量，尤其是表面第一层原子与第二层之间位移（压缩或膨胀）最明显，越深入体内，此种位移迅速消失。
重构：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。
2.表面能的产生表面能是因物质表面原子和内部原子排列差别引起的一种物理表现。
面心立方晶体的（111）面是密排面，体心立方晶体的（110）面是密排面，密排面的表面能最低（密排面原子的断键数最少）。
3.固体表面的吸附力（1）固体表面对气体的吸附分物理吸附和化学吸附。
区别：物理吸附无电子转移、无化学键的生成与破坏，无原子重排。
物理吸附不需要活化能，其吸附速率也不随温度升高而变快；化学吸附相当于吸附剂表面分子与吸附质发生化学反应。
化学吸附需要活化能，其吸附速率随温度升高而变快。
（2）固体表面对溶液的吸附分为电解质吸附和非电解质吸附；溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同分为正吸附、负吸附。
（3）固体表面对液体的吸附力粘结力与液体表面张力计接触角的关系γs=γLcosθ+γsL当θ<90°时，为润湿。
θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力越强。
当θ=0 °时，为完全润湿。
液体在表面完全铺展开来当θ>90 °时，为不润湿。
θ越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球状。
当θ=180 °时，完全不润湿，为球状。
ISL=γL+γs-γsL=γL（1+cosθ）粘结力大小与液体表面张力γL及接触角θ有关。
θ愈小，则ISL越大，粘结越牢。
(钢与环氧树脂）4.实际晶体表面缺陷方式固体的实际表面是不规则和粗糙的，最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。
表面粗糙度：(1)使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性质也随之发生变化。
(2)直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相关的属性。
(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合强度有关。
现代表面技术
(8)晶粒细化强化。离子轰击导致晶粒细化，引起晶界增加, 而晶界又是位错移动的障碍，使位错更加困难， 使材料表 面硬度明显提高。 (9)辐射相变强化、结构差异强化、溅射强化等机理都提高 了材料表面的耐磨性能。
20世纪70年代中期，发展了纯束流氮离子注入技术，并开始走向一
定规模的工业生产。用离子束混合研究出几十种亚稳态合金相和玻
璃金属(非晶态金属)，还提出了相应的模型。强束流脉冲注入，金 属蒸发真空弧离子源(MEVVA源)和其他离子源的问世，为离子束材 料的表面改性提供了强金属离子束技术，为基础研究和新材料及其 应用研究提供了先进的技术工具并取得了许多离子注入实际应用的
现代表面技术
20世纪80年代，被列入世界10项关键技术之一的表 面技术，经过30余年的发展，已成为一门新兴的，跨学 科的，综合性强的先进基础与工程技术， 形成支撑当今 技术革新与技术革命发展的重要因素。
1. 表面技术与工程
现代表面技术，综合采用了最新的电子技术、真
空技术、冶金、物理、化学、材料等各学科的最新知
激光喷丸强化
激光喷丸是用超短脉冲的激光束代替有 质弹丸,用它诱导的冲击波来强化金属零 件的表面其成形机理：短脉冲的强激光 透过透明约束层(水帘) 作用于覆盖在金 属板材表面的吸收层(黑漆层) 上。
激光喷丸示意图
汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波,
由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈
识和等离子体、离子束、电子束、激光束、微波研究 的最新成果。把材料表面与基体视作一个统一的系统 进行设计与改性，以最经济和最有效的方法改变材料 表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，赋予
其新的复合性能，从而获得许多新构思、新材料、新
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现代表面技术
第一章表面技术概论
（1）举例说明表面技术在研究和制备新材料中的应用；
第二章作业题
1、按照作用原理，表面技术可以分为哪些类型？
2、固体材料界面有哪三种？
3、何谓清洁表面？何谓实际表面？
4、清洁表面为何存在各种类型的表面缺陷？
5、简述表面驰豫和表面重构并画出结构示意图说明。
6、什么是贝尔比层？它有什么特点?
第三章电镀和化学镀
1. 何谓电极电位？何谓阳极极化？何谓阴极极化？
2. 简述阴极极化对金属电沉积过程的影响。
3. 简述法拉第一定律和第二定律;
4. Zinc metal is plated onto an iron nail by passing electricity through an external circuit. Calculate the current required to plate 25 g of zinc onto an iron spike during a 1.5 hour period.
5. Zinc metal is plated onto an iron nail by passing electricity through an external circuit. A current of 3.75 A is applied for a period of 2.0 hours. Calculate the mass of zinc that can be plated during this time.
第四章金属的化学处理
（1）铝合金电化学氧化方法有哪几种？其中硬度最高的氧化方法是什么方法？
（2）化学转化膜：氧化物膜；磷酸膜和铬酸盐膜是如何形成的？
第五章表面涂覆技术
（1）目前投入使用的激光器中，功率最大的是什么激光器？
（2）CO2激光器的波长为 μm.
（3）离子注入表面存在；热喷涂表面存在；喷丸表面存在；电火花强化表面存在；
A.零应力；B 残余压应力；C 残余拉应力
（4）热喷涂层与基体的结合方式为；；。
其中主要结合方式为。
（5）名词解释：堆焊；热喷涂；热浸镀；
第六章表面改性技术
（1）简述金属表面形变强化的原理与主要方法；
（2）简述表面热处理的原理与主要方法；
（3）金属表面化学热处理有哪些方法？请对比其工艺参数、渗层组织和渗层性能。
（4）离子渗氮比普通气体渗氮快得多，为什么？
（5）简述离子注入时产生辐照损伤的情况？
第七章气相沉积技术
1）薄膜的三种生长方式是；；。
2）简述溅射及溅射镀膜。
3）何谓分子束外延(molecule beam eptaxy,MBE)? 分子束外延的缺点是什么？
4）实现离子镀的两个必要条件是什么？
5）请画出真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀膜的原理简图并比较它们的异同点。
第九章表面微细加工技术
1.适用于所有材料的表面形貌分析设备是。
A. 扫描电子显微镜；
B. 透射电子显微镜；
C. 原子力显微镜；
D. 电子探针。
2. 可以分析表面几个原子层成分的仪器有（至少写一种）；可以分析表层（厚度μm级）成分的仪器有（至少写一种）？
3. 表面微细加工里的反应离子刻蚀是一种－－过程。
A. 物理；B. 化学；C. 物理＋化学
4. 化学气相沉积时的反应类型主要有反应，反应，反应，
反应
5. 何谓光刻加工？光刻加工通常包括几个步骤？请画出光刻加工的原理流程图加以说明。