第八章-纳米表面工程

第八章
纳米表面工程
4. 实用纳米表面技术 （5）纳米固体润滑干膜技术
固体润滑技术不仅扩充了润滑油、脂的应用 范围，而且弥补了润滑油、脂的缺陷。例如， 加入纳米AL2O3颗粒，使固体润滑干膜的摩擦 系数增大，耐磨性提高。某重载车辆平面弹子 滚道部位，采用纳米固体润滑干膜对其进行处 理后，涂层能有效地隔绝腐蚀介质，同时涂层 起到较好的减摩润滑作用。该技术可用于特殊 情况下，贵重零部件的减摩、耐磨。
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第八章
纳米表面工程
1 纳米表面工程的内涵 与传统的表面工程相比，其特点是：取决 于基体性能的因素被弱化，表面处理、改性
和功能化的自由度扩大，表面加工技术的作
用更加突出，产品的附加值更高。
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纳米表面工程
1 纳米表面工程的内涵
什么是“纳米表面”
纳米量级厚度的薄膜 表面含有纳米颗粒与原子团族 表面含有纳米碳管 复合纳米表面
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纳米表面工程
3 实现表面纳米化的三种途径 目前，这些技术经过不断地发展和完善， 已比较成熟。 （2）表面自身纳米化方法 对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加 材料表面的自由能，可以使粗晶组织逐渐细 化至纳米量级。这种材料的主要特征是：晶 粒尺寸沿厚度方向逐渐增大；纳米结构表层 与基体之间没有明显的界面；处理前后材料 的外形尺寸基本不变。 11
NC组装
高速氧-燃气喷涂（HVOF）
3 4 5 6 3结构
O2 (H2, C3H6, C3H8)
1-燃烧室，2-粉末入口，3-燃气通道， 4-送粉通道，5-冷却水道，6-喷嘴。 23
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纳米表面工程
4. 实用纳米表面技术 （2）纳米热喷涂技术 例如，美国纳米材料公司通过特殊粘结处 理制成专用热喷涂纳米粉，用等离子喷涂方 法获得了纳米结构的Al2O3/TiO2涂层，该涂 层致密度达95％～98％，结合强度比传统喷 涂粉末涂层提高2～3倍，表明纳米结构涂层 具有良好的性能。研究表明，采用热喷涂技 术制备的纳米结构涂层性能优异，在一些贵 重、关键零件的应用方面具有良好前景。 24
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纳米表面工程
4. 实用纳米表面技术 （1）纳米薄膜制备技术 按薄膜的用途，可以将其分为功能性薄膜 和保护性薄膜两大类。两大类中又有纳米多 层膜和纳米复合膜之分。纳米多层膜一般是 由两种厚度在纳米尺度上的不同材料层交替 排列而成的涂层体系。
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纳米表面工程
4. 实用纳米表面技术 （1）纳米薄膜制备技术 由于膜层在纳米量级上排列的周期性，两 种材料具有一个基本固定的超点阵周期，双 层厚度为5～10nm，一些涂层在X射线衍射图 上产生了附加的超点阵峰，对这些涂层又称 之为纳米超点阵涂层。纳米复合膜是由两相 或两相以上的固态物质组成的薄膜材料，其 中至少有一相是纳米晶，其他相可以是纳米 晶，也可以是非晶态。 16
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水溶性粘结 剂
含纳米颗粒 的糊状材料
纳米喂料
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热喷涂法制备NC
原位生成喷雾合成法
按液相合成法在液相中先生成纳米粒子， 通过过滤、渗透、反渗透及超离心等手段除 出纳米粒子以外的组分，再加入液相介质何 其它组分，用液相喷雾分散法获得NF。
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热喷涂法制备NC
机械研磨合成法 通过机械研磨、机械合金、高能球磨等方法直 接将微米粉或非晶金属箔加工成NF。具体为：在干 燥的高真空料机内通入保护气体（Ar, N2）；或在 CH3OH和液氮介质中通过对磨球/粉体比、磨球数量 和尺寸、球磨能量、球磨温度、介质等参数的控制， 对粉末粒子反复进行熔结、断裂过程，使晶粒不断 细化，达到纳米尺寸。除去CH3OH和液氮介质后， 0D-n会因自身的静电引力自行团聚成微米级的纳米 结构喂料。 22
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4. 实用纳米表面技术 （3）纳米颗粒复合电刷镀技术 在不同的加热温度下，表现出比传统快速 镍刷镀层 更好的 显微硬度 和抗微动磨损性 能。其中添加纳米AL2O3复合镀层的使用温 度达400℃，且在此温度下复合镀层的显微值 为 HV600 ，抗接触疲劳循环次数由传统镀层 的 2 × 105 提高到 2 × 106 ，提高了一个数量 级。纳米电刷镀技术可用于设备贵重零部件 的修复与再制造。 27
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纳米表面工程
1 纳米表面工程的内涵
在开展相关理论研究与实践应用的基础上， “纳米表面工程”这一新的概念和领域应运而 生。2000年，徐滨士等人在《中国机械工程》 杂志上首先提出了“纳米表面工程”的概念。 2002年国际表面工程学科创始人、中国工 程院外籍院士、英国伯明翰大学T. Bell教授 访华时对纳米表面工程的提法给予充分的肯 定，并确定与中国学者联合开展纳米表面工 程的研究工作。
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1 纳米表面工程的内涵 纳米技术是 20 世纪 80 年代末期诞生并正在 崛起的新技术。1990年7月，在美国巴尔的摩 召开了国际首届纳米科学技术会议（ NanoST）。纳米科技研究范围是过去人类很少涉 及的非宏观、非微观的中间领域（ 10 -9 ~10 7 m ），它的研究开辟了人类认识世界的新层 次。纳米材料与技术的发展得到了世界各国 的高度重视。
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纳米表面工程
3 实现表面纳米化的三种途径 在金属材料表面获得纳米结构表层主要途 径有三种：表面涂覆或沉积方法、表面自身 纳米化方法和混合纳米化方法。 （1）表面涂覆或沉积方法 首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳米 尺度的颗粒，再将这些颗粒通过表面技术固 结在材料的表面，形成一个与基体化学成分 相同（或不同）的纳米结构表层。
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纳米表面工程
3 实现表面纳米化的三种途径 由 非平 衡 实 现 表 面 纳 米 化 主 要 有 两 种方 法，即表面机械（加工）处理法和非平衡热 力学法，不同方法所采用的工艺和由其导致 纳米化的微观机理均存在着较大的差异。 （3）混合纳米化方法 在制备热喷涂层、电刷镀层、粘结层等表 面工程涂覆层时，在基质层中复合纳米颗粒 以改变涂覆层本身的综合性能或制备出特殊 的功能涂层。 12
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4. 实用纳米表面技术 （3）纳米颗粒复合电刷镀技术 电刷技术是表面工程的重要组成部分，该 技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度 快、镀层种类多等优点，被广泛应用于机械 零件表面修复与强化，尤其适用于现场及野 外抢修。近年来，纳米级颗粒材料在电刷镀 技术中的应用，使芾恶化电刷镀技术在高温 耐磨及抗接触疲劳载荷领域呈现出强大生命 力。 25
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纳米表面工程
3 实现表面纳米化的三种途径 这种材料的主要特征是：纳米结构表层内晶 粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制；表层与 基体之间存在着明显得界面；材料的外形尺寸 较处理前有所增加。 许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发纳 米表面膜层的潜力，如PVD、CVD、电解沉积 等。通过工艺参数的调节，可以控制纳米结构 表层的厚度和纳米晶粒的尺寸，整个工艺过程 的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗 10 粒之间的牢固结合。
4. 实用纳米表面技术 （6）纳米粘结剂技术 纳米材料因其优异的特性，在表面粘涂与 粘结技术 领域显 示出广阔 的应用前景 。例 如，含金刚石的纳米胶粘剂具有优异的耐磨 性和很高的粘结强度。实验表明，随着纳米 级金刚石粉在胶粘剂中加入量的增加，涂层 的耐磨性提高，当加入量为8％时，耐磨性是 未添加的2.2倍，拉伸强度可达50MPa，比未 添加的提高27.5％。 32
热喷涂法制备NC
纳米粒子（0D-n）：质量太小，不能直接 喷涂；喷涂过程中被烧结。
纳米结构喂料 ( Nanostrucyured Feedstock, NF )
纳米结构喂料的制备 液相分散喷雾合成法，原位生成喷雾合成法，机 械研磨合成法。
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热喷涂法制备NC
液相分散喷雾合成法
超音速分散
纳米颗粒
热空气吹干
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2 纳米表面工程产生的背景 随着纳米科技的发展，微机电系统的设 计、制造日益增多，制造技术以由亚微米层 次进入到原子、分子级的纳米层次。纳米机 器人、纳米钳、纳米电机、……，此类机电 系统涉及到大量的表面科学表面技术问题， 且随着尺寸减小和表面效应的出现，传统的 的表面设计和加工方法以不再适应。
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3 实现表面纳米化的三种途径 目前，较为成熟的使用纳米表面工程技术 制备的表面涂覆层主要属于这种方式。
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4. 实用纳米表面技术 围绕以上途径开展研究，当前已经开发出 多种实用的纳米表面工程技术。 （1）纳米薄膜制备技术 薄膜技术是通过某些特定工艺（常用溅射 法），在物体表面沉积附着一层或者多层与 基体材料材质不同的薄膜，使物体表面具有 与基体材料不同性能的技术。
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4. 实用纳米表面技术 （2）纳米热喷涂技术 热喷涂纳米涂层组成可分为三类： 单一纳米颗粒材料的复合体系，特别是陶 瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系具有重要的作 用和意义。目前，完全的纳米材料涂层离普 及及应用还有相当距离。大部分的研究开发 工作集中在在传统涂覆层技术基础上，添加 复合纳米材料，可在较低成本情况下，使涂 覆层功能得到显著提高。 18
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4. 实用纳米表面技术 （3）纳米颗粒复合电刷镀技术 在电刷镀镀液中添加纳米颗粒时制备的复 合镀层的摩擦性能有较大改善。在快速镍镀 层中分别添加纳米AL2O3、SiC、金刚石 粉，通过对纳米粉进行表面改性处理，有效 地提高了纳米粉在镍基复合镀层中的共沉积 量，显著的改善了纳米粉在镀层中的均匀程 度。
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电阻加热
纳米固体薄膜制备技术
溶胶-凝胶法 物理气相沉积 （PVD） 电镀法 气相沉积 分子束外延 （MBE）
真空 蒸发
感应加热 电子束加热 激光加热 直流溅射