现代表面技术概论
【材料课件】表面技术
现代表面技术第一章表面技术概论第一节表面技术的涵义19世纪工业革命以来，材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。
因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。
另外，磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料表面，通过对材料表面进行有效处理，可以极大地提高材料寿命。
因此，迫切需要开发出各种行之有效的表面技术，正是基于这样的背景，逐步形成了一门新兴学科——表面工程学。
表面工程技术的发展始于20世纪60年代末，近30年来发展尤为迅速。
在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时，又有科学技术逐渐渗透到该领域，各种表面技术相互融合，从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。
表面技术是一门博大精深、实用价值极高的技术。
材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。
除本文所提及的巨大作用外，用表面技术合成人工结构材料、复合材料及沉积非晶态涂层及制取复合涂层方面都显示了巨大的应用潜力。
表面技术是一项能使产品获得高附加值的技术。
英国产品每年靠表面技术估计增值100亿英镑，如果对表面技术进行全开发，有可能节省200。
万到400亿埃居(约200亿英镑)，可见表面技术对国民经济的巨大作用。
我国在湿法镀覆等方面取得了令人瞩目的成就，但在PVD和表面改性方面还有许多工作要做。
这一方面要靠广大科技人员的才智与努力，同时有关领导部门在设备资金投入上给予有力的支持也至关重要。
只有这样，我国的表面技术才能以新的面貌进入21世纪，全方位赶上和领先世界水平。
一、什么是表面技术从广义上讲，表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人类造福或被人们利用的技术。
任何表面在通常情况下实际上都是界面。
两种不同相之间的交界，称为界面，在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象，总称为表面现象。
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。
02-现代表面工程学导论-- 表面基本理论
表面吸附现象： 比较大的表面能有剩余吸引力，必然有通过原子迁 移或吸附外来物质以调整结构向低能态演变的趋势， 以晶态物质、表面有众多微孔和巨大表面积以及活 性大的物质尤甚。 表面化学特性： 处于界面上的原子其原子结构与内部的也存在区别， 表面原子周围的电子无论是能量或是空间分布都不 同于内部原子，这就在很大程度上决定了材料表面 的化学特性。
一层约20个分子层厚的氧化膜。
（5） 固体表面的润湿 润湿现象与机理 定义：液体在固体表面上 铺展的现象。 亲水物质、疏水物质： 润湿角：θ
润湿程度的定义：
机理： 润湿与否取决于液体分子间相互吸引力(内聚力)和液一固分子间吸 引力(粘附力)的相对大小。若液一固粘附力较大，则液体在固体表面 铺展，呈润湿；若液体内聚力占优势则不铺展，呈不润湿。
润湿理论在各种工程技术尤其是表面工程技术中应 用很广泛。 增强润湿程度： 表面活性物质－减小润湿角 表面适度粗化－增大铺展系数 中间层 成分优化…… 降低润湿程度： 表面惰性物质－增大润湿角 表面平滑－减小铺展系数 不粘涂层：炊具、洁具、防腐蚀等 成分优化……
第二章思考题
1.为什么会造成表面原子的重组？
机械结合界面
2.1.6 表面晶体结构
晶体表面具有低晶面指数的平台、一定密度的单分子 或原子高度的台阶、单分子或原子尺度的扭折以及表面吸 附的单原子及表面空位等。
除了台阶、扭折和吸附原子外，实际表面上还存在大量各 种类型的缺陷．如原子空位、位错露头和晶界痕迹等物理 缺陷、材料组分和杂质原子偏析等化学缺陷。它们对于固 体材料的表面状态和表面形成过程都有影响。
贝尔比层具有较高的耐磨耐蚀性，但也会感生出位 错、层错等缺陷而影响器件的性能。
残余应力： 材料经加工，就会存在着各种残余应力，对性能发
现代表面
1.电镀：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。
2.电刷镀：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。
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。
4．涂装：它是用一定的方法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5．粘结它是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，称为粘结或粘合。
粘结剂有天然胶粘剂和合成胶粘剂6．堆焊：它是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：它与堆焊相似，也是在材料或工件表面熔敷金属涂层，但用的涂敷金属是一些以铁、镍、钻为基，含有强脱氧元素珊和硅面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:它是将金属、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:利用塑料具有耐蚀、绝缘、美观等特点，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，牢固地徐敷在工件表面，主要起保护和装饰的作用。
10.电火花涂敷:这是一种直接利用电能的高密度能量对金属表面进行徐敷处理的工艺，即通过电极材料与金属零部件表而的火花放电作用，把作为火花放电极的导电材料(如WC、nC)熔渗于表面层，从而形成含电极材料的合金化涂层，提高工件表层的性能，面工件内部组织和性能不改变。
表面工程技术的总体概述
近于液化热 （1～10 KJ·MOL-1
）
范德华力 弱
近于反应热 （> 40 KJ·MOL-1）
化学键力 强
单分子层或多分子层仅单分子层无 Nhomakorabea有
快
慢
不需
需要、且很高
低温
较高温度
基本同吸附质分子结构
表面工程技术的总体概述
形成新的化合态
（2）固体表面对液体的吸附
固体表面对液体分子同样有吸附作用。一般是通过液体对固体表面的润湿和 铺展来实现的。
表面工程技术的总体概述
表面工程技术的总体概述
• ③ 润湿理论的应用
– 在表面重熔、表面合金化、表面覆层及涂装等技术 中，都希望得到大的铺展系数。
– 利用润湿现象的另一个典型范例是不粘锅的表面 “不粘”涂层。 不粘锅之所以不粘，全在于锅底的那一层叫
“特富龙”的涂层。这种物质是含氟树脂的总称，包括聚四氟乙烯、聚 全氟乙丙烯及各种含氟共聚物，由于水在该憎水涂层表面不能润湿，在 干燥后饭粒也不会与基体紧密黏附而形成锅巴。
能被水润湿的固体叫亲水性固体，如玻璃、 石英灯；
不能被水润湿的固体叫憎水性固体，如石蜡、 石墨、硫磺灯
表面工程技术的总体概述
图2-5 固体的润湿性与润湿角
润湿角与界面张力有关,其关系一般服从Young方程:
上述 分析可知： 润湿与否取决于液体分子间相互吸引力(内聚力)和液-固分子间吸引力(粘附力) 的相对大小。若液-固粘附力较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若液体 内聚力占优势则不铺展，呈不润湿。
表面工程技术的总体概述
• <3> 应力腐蚀开裂：材料在应力和腐蚀性环境介质共同作 用下发生的开裂及断裂失效现象称为应力腐蚀开裂。这是 一种最危险的腐蚀形态。由于多数机械产品均处于一定的 应力和环境介质的联合作用，故应力作用下的腐蚀较普遍， 且破坏具有突发性，是影响结构安全可靠性的重要隐患之 一。主要包括应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢脆、微动腐蚀、冲 击腐蚀和空泡腐蚀等。
现代表面工程技术课件 (一)
现代表面工程技术课件 (一)现代表面工程技术是一门近年来发展迅速的技术，它在各个领域的应用也越来越广泛。
现代表面工程技术课件则是这门技术的学习、研究必须要掌握的知识点。
在本文中，我们将全面地探讨现代表面工程技术课件。
一、现代表面工程技术的定义现代表面工程技术指的是运用各种化学、物理和机械手段，对材料表面进行处理和改性的技术。
其目的是改善材料表面的性能，如提高防腐、耐磨、抗氧化等性能，以及增加材料的功能性等。
二、现代表面工程技术的分类现代表面工程技术可以分为三类：化学表面处理技术、物理表面处理技术和机械表面处理技术。
1、化学表面处理技术：主要是利用各种化学反应来改变材料表面的组成和结构，以达到改善材料表面性能的目的。
常见的化学表面处理技术有镀金、镀银、镀铬、陶瓷涂层、涂料等。
2、物理表面处理技术：主要使用物理手段来改变材料表面的性质，如物理气相沉积、离子注入、热喷涂等。
这些技术可用于提高材料的耐热性、耐磨性等方面，也可以使材料表面具有光泽、颜色等多样化效果。
3、机械表面处理技术：利用机械力学原理，通过磨、打、滚、切、刻等手段对材料表面进行加工改变。
这些机械处理手段可以用于改善材料表面的平整度、平滑度、粗糙度等性能。
三、现代表面工程技术的应用领域现代表面工程技术广泛应用于各个领域。
以汽车工业为例，现代汽车的车身、底盘、发动机等部位均采用了表面工程技术进行处理，以求提高汽车的耐用性、安全性等方面的性能。
另外，在航空、机械、建筑、家电等领域，现代表面工程技术的应用也越来越广泛。
四、现代表面工程技术课件的重要性现代表面工程技术课件是学习和研究现代表面工程技术必须要掌握的知识点。
由于这门技术的发展迅速，它的知识点也越来越多，难度也越来越大，因此，现代表面工程技术课件对于学习者的学习和研究都有着至关重要的作用。
总之，现代表面工程技术课件是现代表面工程技术的重要组成部分。
了解和掌握这门技术的课件可以帮助学习者更好地理解和掌握现代表面工程技术的相关知识，从而为更好地应用这门技术提供必要的支持。
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。
现代表面工程技术
同时，复合电镀、纳米电镀等新型电镀技术不断涌现，为电镀行业带来
新的发展机遇。
化学镀技术
原理
化学镀是一种无需外加电流，通过化学反应在基体表面沉积金属或合金层的过程。与电镀 相比，化学镀具有设备简单、操作方便、镀层均匀等优点。
应用
化学镀技术广泛应用于电子、航空、石油等领域。例如，化学镀镍可用于电子器件的电磁 屏蔽和耐磨涂层；化学镀铜可用于印刷电路板的导电层；化学镀金可用于精密仪器的装饰 和防腐等。
现代表面工程技术
• 表面工程概述 • 表面预处理技术 • 表面涂层技术 • 表面改性技术 • 表面复合处理技术 • 表面工程新技术展望
01
表面工程概述
表面工程定义与分类
表面工程定义
表面工程是一种通过改变材料表面性 质、组成、结构或形态，以获得所需 性能或功能的综合性技术。
表面工程分类
根据表面处理方式和目的的不同，表 面工程可分为表面改性、表面涂层、 表面合金化、表面复合处理等多种类 型。
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微粒选择
根据使用要求，选择不同材质、形状和大小的微粒，如陶瓷颗粒、 金刚石、碳纤维等。
工艺参数
控制电镀液成分、温度、电流密度等工艺参数，实现微粒与金属 离子的均匀共沉积。
复合化学镀技术
复合化学镀原理
利用化学反应在基体表面沉积金属或合金，同时 加入微粒形成复合镀层。
镀液成分
选择合适的还原剂、络合剂、稳定剂等，保证镀 液的稳定性和沉积速度。
应用
热喷涂技术广泛应用于航空航天、石油化工、机械制造等领域。例如，热喷涂陶瓷涂层可用于航空发动机的高温防护 ；热喷涂金属涂层可用于修复磨损的机械零件；热喷涂塑料涂层可用于管道的防腐等。
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涂层技术
涂层技术
表面相变强化
表面扩散渗入 表面改性技术
热浸镀技术
电化学沉积技术 无机涂层技术 热浸镀技术 防锈技术
化学转化
电化学转化 等离子表面强化 离子束、电子束 激光束表面改性
表面形变强化 －
喷丸强化
喷丸强化
喷丸强化过程是弹丸流不断冲 击金属材料表层并使表层材料发生 循环塑性变形 , 从而形成变形强化 层的过程。经受喷丸循环塑性变形 的表层 , 其材料的组织结构发生变 化, 亚晶粒极大细化, 位错密度增高, 晶格畸变增大 ; 形成很高的宏观残 余压应力 ; 表面粗糙度和表面形貌 也都发生变化。材料表层发生的各 种变化 , 将明显地提高材料的抗疲 劳和应力腐蚀性能 , 使材料表面性 能得到强化。
喷丸强化不仅用于汽车工业领域的弹簧、连杆、曲
轴、齿轮、摇臂、凸轮轴等承受交变载荷的部件，还广泛
用于其他工业领域。如喷丸强化可以提高电镀零件的疲劳 强度和结合力；各种合金钢经过任何一种电镀处理后，一 般均会导致疲劳强度下降10 %～60 % ，而喷丸强化则可 有效提高疲劳强度, 同时还可以增加电镀层的结合力， 防 止起泡。
喷丸覆盖率
覆盖率是指工件上每一个点被钢丸打到的次数。 影响覆盖率的因素有零件材料硬度、弹丸直径、 喷射角度和距离、喷丸时间等。 在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、 喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率 要求的时间就越短。喷丸强化时，应选择大小 合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和 覆盖率同时达到要求值。
工程技术(设计)
表面涂镀层 成分结构设计 表面复合 功能膜层设计 表面涂镀层 的选择和应用设计 施工设计 设备设计 车间生产线的设计
分析与检测
表面涂镀层的材料 加工技术 表面分析与检测 试验方法与标准 表面质量的评估 与工艺控制 表面工程的管理 与经济分析 工程化、规模生产的 成套表面工程技术
测评强化丸质量有三 个基本参数： 强度 覆盖率 表面粗糙度。
喷丸强度
影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、 弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径 越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大， 喷丸的强度就越大。喷丸形成的残余压应力可 以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压应力 层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为 1mm左右。喷丸强度需要一定的喷丸时间来保 证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再 延长喷丸时间，强度不再明显增加。
完善。表面工程这一概念，在20世纪80年代初，最早
由英格兰伯明翰大学Tom Bell教授提出。表面工程是 把材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用
表面改性技术，薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面
获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。
1.2 表面工程内容
现代表面工程
基础理论
腐蚀与防护理论 表面摩擦与磨损理论 表面界面理论 表面强化与失效理论 表面结合与复合理论 多层表面与界面结合 表面膜层的电迁移 低维材料结构理论
1.1 表面技术分类
表面技术
涂镀技术
物理气相沉积(PVD) 化学气相沉积(CVD) 电镀及阳极氧化 化学镀 热喷涂喷焊 电刷镀 电泳镀层 涂镀(喷塑油漆)
表面改性处理
活性气体离子处理 气体扩渗 液体扩渗 固体扩渗 机械强化 激光表面处理 电子束表面改性 离子束表面改性
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
器件和新应用。这种多功能综合化的用于提高材料表 面性能的各种现代表面新技术称为现代表面技术。
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
1.2 表面工程学涵义
现代表面工程学
表面工程基础理论
表面工程技术
表面检测技术
表面工程技术设计
表面工程应用
腐蚀与防护理论 表面摩擦与磨损理论 表面完整性与界面理论 表面物理化学 表面微观结构分析 表面化学分析 表面物理性能测试 表面力学性能测试 表面几何特性测试 表面无损检测 表面层成分结构设计 表面复合功能层设计 表面选择与应用设计 表面工程施工设计 表面工程设备与工艺 流程设计 表面工程车间设计 表面层特性及其综合利用 表面层材料及加工技术 表面层标准及检验 表面界面维修与再造 表面质量与工艺过程控制 表面工程管理与经济分析 ’
表面检测和评估
表面分析技术 表面物化特征 表面几何特征 表面力学特征
质量标准与质量评估
随着表面科学技术的迅速发展与工程应用，表面工程 学也已逐渐形成，成为正在发展中的新兴学科。在国 外和国内的有关高等院校，相继设立了 “表面工程’’ 专
业。
目前，表面工程学科的体系，正在不断的进行探索和
表面粗糙度
由于钢丸的喷射，对工件表面的粗糙度产生一 定的变化。影响表面粗糙度的因素有零件材料 的强度和硬度、弹丸直径、喷射的角度和速度、 零件的原始表面粗糙度。在其他条件相同的情 况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑 性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小； 弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表 面粗糙度值就变小；
表面工程基础理论
表面装饰与美学 表面机/力/热/光/声/电/ 磁等功能膜层设计理论 表面功能特性间耦合 转换复合性能理论 表面失效理论 低维材料的结构理论
表面工程技术
表面改性技术
表面形变强化
薄膜技术
电子学薄膜沉积技术 光电子薄膜沉积技术 集成光学薄膜沉积技术 传感器用薄膜沉积技术 金刚石薄膜沉积技术 耐蚀，耐磨， 抗高温氧化、防潮、 高强高硬、装饰 薄膜沉积技术 光学薄膜沉积技术