纳米表面工程技术的应用

纳米表面工程技术的应用
班级：无机普0902 姓名：彭汝忠学号：2009440766
随着社会的不断进步，对材料方面提出了比较高的要求，纳米材料正是符合社会进步的条件下应运而生。

在一些行业中起着相当大的作用，提高了产品的性能。

正是由于纳米材料有许多优异的特性，因而使表面薄膜、表面涂层、表面改性层的功效和性能大大提高。

纳米技术在表面工程应用中发展较快的有两个领域：一个是纳米薄膜和迭层膜的制备，它使薄膜的电学性能、磁学性能、光电性能等成倍提高；另一个领域是将金属或非金属的纳米级颗粒应用到热喷涂、电刷镀、化学镀、涂装、润滑、粘结等各种传统、常用的表面技术中。

1.1纳米薄膜
纳米薄膜具有纳米材料的特殊结构，即晶粒和晶界都属于纳米尺寸数量级。

典型的纳米薄膜是以纳米粒子或原子团簇为基质的薄膜体，或者薄膜的厚度为纳米尺寸数量级，从而表现出显著的量子尺寸效应。

目前，对纳米薄膜的研究多集中在纳米复合薄膜，这是一类具有广泛应用前景的材料。

纳米复合薄膜按用途可将其分为两大类，即纳米复合功能薄膜和纳米复合结构薄膜。

前者主要利用纳米粒子所具有的光、电、磁等方面的特异功能，通过复合赋予基体所不具备的功能。

后者主要是通过纳米复合提高机械方面的性能。

由于纳米粒子组成、性能、工艺条件等参量的变化都对复合薄膜的特性有显著的影响，因此可以在较多自由度的情况人为地控制纳米复合薄膜的特性。

现在，纳米薄膜在许多领域得到了应用。

结果表明：各层膜的厚度非常薄，为20～60nm，多层自组装膜的润湿能力受到最外层电解质性质的影响；膜的厚度受基材表面化学环境的影响，并且受聚电解质溶液的离子强度的控制。

剥离测试表明：多层组装膜具有良好的机械完整性，层间以及层与基片间的结合力强。

1.2纳米热喷涂涂层
纳米热喷涂技术就是以现有热喷涂技术为基础，通过热喷涂材料而得到纳米涂层。

热喷涂纳米涂层可分三类：单一纳米材料涂层体系；两种（或多种）纳米材料构成的复合涂层体系；添加纳米颗粒材料的复合体系，其中添加陶瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系较容易实现。

目前，完全的纳米材料涂层由于技术繁杂、难度大，离应用还有相当距离。

大部分的研究开发工作集中在第三种，即在传统涂覆层技术基础上，添加复合纳米材料，可在较低成本下，使涂覆层功能得到显著提高。

与传统热喷涂涂层相比，纳米结构涂层的强度、韧性、抗蚀、耐磨和抗热疲劳性能等有显著改善。

比如，现在制作的一些名贵轿车，很多用的是纳米材料，表面看起来很光滑，外表明显比普通轿车漂亮。

研究表明：TiO2纳米结构涂层具有较小的电阻和较大的电容，具有较大的注入电流、抽出特性和良好的电化学稳定性。

等离子喷涂制备的氧化钛纳米涂层之所以表现出显著的离子注入特性，与其较大的比表面积和大量孔隙与晶界的存在有关。

LPPS制备的纳米结构氧化铝涂
层，结构致密，气孔率小于1%，涂层显微结构与介电强度大小密切相关，致密的结构使涂层具有较高的介电强度。

纳米结构氧化铝/氧化钛复合陶瓷涂层具有优良的抗磨损性能，显示良好的韧性和吸纳应力的能力，其粘结强度是传统涂层的2倍，抗磨损性是它的3～4倍，抗冲击性能也得到很大提高。

添加CeO2或ZrO2到Al2O3/ TiO2纳米粉中进行热喷涂，在保持与传统涂层相同硬度的条件下，其抗磨损性能也将大大提高。

1.3纳米复合镀层
纳米复合镀层就是在镀液中加入纳米固体颗粒，通过与金属共沉积获得镀层。

把纳米颗粒应用在电镀、化学镀及电刷镀中来获得比普通复合镀层高的硬度、耐磨性、减摩性等已获得较大进展。

纳米量级的颗粒在理论上可大幅提高镀层中的化合物复合量，而且纳米颗粒的引入，会给镀层带来优异的功能特性。

目前开发较多的有镍基、锌基、铜基和银基等镀层。

按用途可分为耐磨减摩镀层、耐高温镀层、装饰防护性镀层等。

耐磨减摩复合镀层就是在基体中加入硬度较高的如SiC、Al2O3、纳米金刚石等硬质纳米颗粒,这些颗粒弥散分布在基体中时能有效地细化基质金属来提高基质金属的硬度。

纳米金刚石因其特异的性质和在镀液中的特有行为，在复合镀层中的应用日益广泛。

如化学镀NiP镀层的磁盘基板表面若采用含DPN的复合镀后，可减摩50%。

用来生产
磁头和磁性记忆储存器磁膜的CoP化学镀液中添加DNP形成复合镀层，其耐磨性提高2～3倍。

用于模具镀铬的DNP复合镀层，寿命提高，精密度持久不变，长时间使用镀层光滑无裂纹。

用于钻头镀铬的DNP复合镀层，使钻头寿命成倍提高。

汽车、摩托车汽缸体(套)的Ni 金刚石纳米复合镀层，可使汽缸体寿命提高数倍。

由于纳米陶瓷颗粒的耐高温特性和抗高温氧化性能受到人们的重视，所以将纳米陶瓷颗粒应用在耐高温复合镀层中能有效地提高镀层的
抗高温性能。

与微米粉相比，纳米粉的加入可显著改善镀层的微观组织，提高镀层的耐高温性能。

ZrO2具有良好的功能特性，在复合材料中得到广泛应用。

将纳米ZrO2颗粒与化学镀NiP非晶合金共沉积，再经适当的热处理使NiP非晶化成纳米颗粒，可获得纳米NiP/ZrO2功能涂层。

纳米NiP/ZrO2功能涂层由于纳米ZrO2颗粒的存在，复合镀层的纳米尺寸更加稳定，因而复合镀层具有更高的高温硬度和耐高温性能。

研究表明：NiWB非晶态复合镀层中纳米ZrO2的作用是提高镀层在550～850℃的抗高温氧化性能，可使镀层耐磨性提高2～3倍，同时镀层的耐磨性和硬度也明显提高。

航空航天和燃气轮机的某些部件工作温度在850℃以上，而镀Ni、NiP和Cr层只能在低于400℃以下工作，钴基复合镀层（如CoCr3C2、CoZrB2和CoSiC）的出现，大大提高了高温耐磨性能，但采用钴基纳米金刚石复合镀层更具有明显优势。

如用于发动机级间的密封圈、摩托车铝合金缸体的复合镀层，由于能承受500℃以上的高温，有更长的使用寿命；若在镀层中采用
短杆纳米金刚石微晶，由于同镀层的结合面积大，摩擦时不易剥落，效果更好。

1.4纳米涂料
纳米复合涂料是指将纳米微粒用于涂料中，得到一种具有抗幅射、耐老化且剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。

根据其功能与用途，纳米复合材料可分为纳米耐老化涂料、纳米隐身涂料、纳米抗菌涂料及纳米导电涂料等。

①耐老化涂料——纳米TiO2、SiO2、ZnO等材料是优良的抗老化剂，可以明显提高材料的耐老化性能，Stamatakis.P.认为50-120nm球状TiO2对衰减300～400nm的紫外线有明显效果，衰减长波、短波紫外线时，分别是散射和吸收起作用；纳米SiO2有极强的紫外反射能力，对波长400nm以内的紫外光反射率达 70％以上，是一种极好的抗老化添加剂；60nm的ZnO吸收300～400nm紫外线能力强，在聚合物膜中吸收起主要作用，另外ZnO对中波（ 280～320nm）、长波（320～400nm）都有屏蔽作用，可作为涂料的抗老化添加剂。

②隐身涂料——该涂料是指能有效地吸收入射雷达波，并使其散射衰减的一种功能涂料。

美国花上亿元研制了一项绝密技术——纳米雷达吸波涂料，每辆坦克只需花5000美元就可获得涂层薄、吸波率高的、吸收波带宽的隐身涂料。

③其它纳米材料TiO2、Cr2O3、Fe2O3、ZnO等加入树脂中有良好的静电屏蔽性能，可作为涂料的抗静电剂，纳米TiO2、SiO2、ZnO等加入涂料中，可使涂料具有很好的
抗菌性能。

纳米材料的应用将使涂料向着高性能、高品质、功能化方向发展。

1.5纳米润滑材料
将纳米微粒以适当方式分散在润滑油中，这样每升油中就含有数亿个纳米微粒，在摩擦过程中吸附在摩擦副表面，通过“微轴承”作用、形成一个光滑保护层、填充表面的微坑和损伤部位这3条途径来实现增加润滑，减少磨损。

这类纳米润滑材料有：n-Cu、、n-Ph、n-Ni、n-MoS2、n-W S2、n-PbS、n-Sb2O5、n-ZeO、n-TiO2、n-SiO2、纳米硼酸盐、DNP、纳米石墨和高分子纳米微球等。

它们的加入，对改善重载、低速、高温和振动条件下的摩擦学性能十分有益。

俄罗斯科学家将n-Cu或纳米铜合金粉末加入润滑油中，可使润滑性能提高10倍以上，并能显著降低部件磨损，提高燃料效率，改善动力性。

俄罗斯用DNP作添加剂生产了N-50A润滑磨合剂，使磨合时间缩短50％～90％；同时可提高磨合质量、节约燃料，延长发动机寿命。

目前人们对纳米材料的研究已经取得了不错的成绩，也很好的应用于一些重要的行业，但是由于研究纳米材料过程中遇到一些难以解决的问题，需要我们更加努力投入研究中，争取早日取得重大实质性的突破，发挥出纳米材料自身的功能性特点。