材料表面工程-概述详解
表面工程ppt教程文件
新技术的应用趋势
纳米技术
纳米技术在表面工程中应用广泛，如纳米涂层、纳米颗粒 增强等，可提高材料表面的耐磨、耐腐蚀和抗老化性能。
3D打印技术
3D打印技术可用于制造复杂形状的表面结构，可实现个性 化定制和快速原型制造，为表面工程提供更灵活的制造方 式。
激光技术
激光技术在表面工程中用于处理金属、非金属等各种材料， 具有高精度、高效率、环保等优点，可实现表面强化、改 性、熔覆等功能。
合成纤维
高分子复合材料
高分子复合材料是由两种或两种以上 材料组成的新型材料，具有优异的综 合性能，广泛应用于航空、航天和汽 车等领域。
合成纤维具有质轻、强度高和耐磨等 特点，广泛用于纺织、航空和军事等 领域。
04 表面工程的应用案例
汽车工业的应用
汽车发动机制造
表面工程技术在汽车发动机制造 中广泛应用，如气缸体、气缸盖 的耐磨和耐腐蚀表面处理，以提
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contents
目录
• 表面工程简介 • 表面工程的技术 • 表面工程材料 • 表面工程的应用案例 • 表面工程的未来发展
01 表面工程简介
表面工程的定义
01
表面工程是一门通过改变材料表 面的性质来提高材料耐腐蚀性、 耐磨性、装饰性和实现表面功能 特性的技术。
02
它涉及材料科学、物理学、化学 等多个学科领域，是材料保护和 表面技术的重要组成部分。
化学转化膜技术
化学转化膜技术是通过化学反应在金属表面形成一层 化合物膜的过程，以提高金属的耐腐蚀性和美观性。
输入 标题
详细描述
化学转化膜技术广泛应用于钢铁、铝和铜等金属的防 腐处理。形成的转化膜具有保护基体、提高耐腐蚀性 和抗氧化的作用。
材料表面工程课件
跨学科交叉与合作可以促进 材料表面工程的发展和创新
。
国内外学术交流与合作有助 于推动材料表面工程的发展 。
环保与可持续发展的问题
01
材料表面工程需要考虑环保和 可持续发展的问题。
02
环保和可持续发展的需求推动 材料表面工程向绿色、低碳方 向发展。
03
材料表面工程中需要考虑资源 节约、能源消耗降低、废弃物 减少等问题。
要点二
详细描述
不锈钢是一种具有优异耐腐蚀性和美观性的金属材料，广 泛应用于建筑、装饰、医疗器械等领域。然而，在某些腐 蚀环境下，不锈钢的耐腐蚀性仍需提高。通过表面处理技 术，如氮化处理、钝化处理等，可以增强不锈钢的耐腐蚀 性和抗疲劳性，提高其使用寿命。
铝合金的硬质表面处理
总结词
提高铝合金的硬度和耐磨性。
硬质涂层
通过电子束加热和蒸发金属或非金属材料，在金属表面形成一层具有高硬度和耐磨性的涂层。
纳米结构涂层
通过电子束加热和蒸发金属或非金属材料，在金属表面形成一层具有纳米尺度的涂层，提高表面性能和耐腐蚀性 。
04
材料表面工程的应用案例
高温合金的表面强化
总结词
提高高温合金的耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀 性。
科植入物等。然而，钛合金的表面性质直接影响到其与人体组织的相容性和生物活性。通过表面处理技术，如 涂层技术、等离子处理等，可以改善钛合金的表面性质，提高其在生物医学领域的适用性。例如，通过涂层技 术可以在钛合金表面形成一层生物活性陶瓷涂层，提高其与人体组织的相容性和生物活性；通过等离子处理可 以改变钛合金表面的化学性质和微观结构，提高其抗细菌粘附和抗炎性能。
实践环节与操作技巧
实践环节注意事项
在实践环节中需要注意的事项和细节，包括安全操作、 设备维护和环境保护等。
表面工程文档
表面工程1. 简介表面工程是一种应用于工业生产中的技术，通过对材料表面进行改性或处理，可以改变材料的性质和表面特征，从而提供更好的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能，并增加材料的美观度和装饰性。
表面工程广泛应用于汽车工业、航空航天、电子设备制造、医疗器械、建筑等领域。
2. 表面工程的分类2.1 表面涂覆表面涂覆是将一层或多层涂料、漆膜、涂层等材料均匀地涂覆在材料表面上，形成一层保护层或功能层的处理方法。
常见的表面涂覆技术包括电镀、喷涂、浸镀等。
表面涂覆可以提高材料的耐腐蚀性能、抗磨损性能等，同时也能增加材料的装饰性。
2.2 表面喷涂表面喷涂是将材料的颗粒或粉末喷射到待处理表面上，通过热熔或化学反应使其附着在表面上形成涂层。
表面喷涂常用于金属表面的防护和保护，可以防止氧化、腐蚀和高温等影响。
2.3 表面改性表面改性是通过物理或化学方法对材料表面进行处理，从而改变其物理、化学或机械性能。
常见的表面改性方法包括阳极氧化、磨削、抛光等。
表面改性可以提高材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
2.4 表面涂覆与改性的比较表面涂覆和表面改性是表面工程的两种主要方法，它们有各自的特点和适用范围。
表面涂覆主要应用于需要增加防护和装饰性的场合，例如汽车的喷漆，可以保护车身免受腐蚀和刮擦；而表面改性主要应用于需要改变材料性质和提升机械性能的场合，例如通过磨削和抛光改善金属表面的光洁度和平整度。
3. 表面工程的应用3.1 汽车工业在汽车制造过程中，表面工程技术可以使车身更加耐腐蚀、耐磨损，同时也增加了车身的装饰性。
例如，汽车车身经过喷漆和镀膜等表面涂覆技术可以防止腐蚀和刮擦，并提供车身的颜色和亮度；汽车发动机的表面经过热喷涂技术可以提高其耐磨损性和耐高温性能。
3.2 航空航天在航空航天领域，材料的轻量化和高强度是目前的发展趋势。
通过表面涂覆和改性可以增加材料的耐腐蚀性和抗磨损性，从而提高飞机和航天器材料的使用寿命和安全性。
3.3 电子设备制造表面工程在电子设备制造中起着至关重要的作用。
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。
材料表面工程
材料表面工程
材料表面工程是指对材料表面进行改性、处理或涂覆，以改善材料的性能和功
能的一种技术。
材料表面工程在工程领域中具有广泛的应用，可以有效地提高材料的耐磨性、耐腐蚀性、导热性、导电性等性能，从而满足不同工程领域对材料性能的需求。
首先，材料表面工程可以通过改变材料表面的化学成分和结构来实现。
例如，
通过表面氮化、碳化、氧化等处理，可以增强材料的硬度、耐磨性和耐蚀性。
此外，还可以通过表面涂覆金属、陶瓷、聚合物等材料来实现对材料表面性能的改善。
这些方法可以有效地提高材料的表面性能，从而延长材料的使用寿命。
其次，材料表面工程可以通过改变材料表面的形貌和结构来实现。
例如，通过
表面喷丸处理、激光熔覆、电镀等方法，可以改变材料表面的粗糙度、形貌和结构，从而提高材料的抗疲劳性、导热性和导电性。
这些方法可以有效地提高材料的表面性能，从而满足不同工程领域对材料性能的需求。
另外，材料表面工程还可以通过表面涂覆功能性薄膜来实现。
例如，通过表面
喷涂纳米材料、功能性陶瓷涂层、涂覆聚合物薄膜等方法，可以实现对材料表面功能的改善，如降低摩擦系数、提高表面光泽度、改善表面润湿性等。
这些方法可以有效地提高材料的表面性能，从而拓展材料的应用领域。
总的来说，材料表面工程是一种重要的技术手段，可以有效地改善材料的表面
性能，满足不同工程领域对材料性能的需求。
随着科技的不断进步，材料表面工程技术也在不断发展和完善，将为工程领域带来更多的创新和突破。
相信在不久的将来，材料表面工程将会得到更广泛的应用和推广。
材料表面工程
材料表面工程材料表面工程是一种用于改善材料表面性能的技术。
通过对材料表面进行物理或化学的处理，可以改变其表面的化学组成、形貌结构和物理性能，从而提高材料的耐磨、耐腐蚀、抗氧化、附着力等性能。
材料表面工程常用的处理方法有机械加工、化学处理、热处理和表面镀层等。
机械加工包括抛光、研磨、切削、喷砂等。
这些方法可以去除材料表面的氧化层、残留物和裂纹等，使表面平整光滑。
同时，机械加工还可以提高材料的表面硬度和强度，增加疲劳寿命。
化学处理包括酸洗、碱洗、电化学沉积等。
酸洗可以去除材料表面的氧化物和污染物，净化材料表面。
碱洗可以改变材料表面的化学组成，增加材料的抗腐蚀性能。
电化学沉积是一种通过电化学反应在材料表面沉积金属或合金的方法，可以提高材料的导电性、耐磨性和抗腐蚀性能。
热处理是一种通过加热材料到一定温度并保持一定时间，使材料发生相变或晶体结构改变的方法。
热处理可以改善材料的机械性能、热稳定性和耐腐蚀性能。
常用的热处理方法有淬火、回火、退火等。
表面镀层是一种在材料表面覆盖一层金属或合金的方法。
表面镀层可以增加材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和导热性。
常用的表面镀层方法有镀金、镀铬、镀镍、镀锌等。
材料表面工程的应用非常广泛。
在汽车制造业中，材料表面工程可以提高发动机零件和车身材料的耐磨性和抗腐蚀性，延长汽车的使用寿命。
在航空航天工业中，材料表面工程可以增加航空发动机和飞行器的高温抗氧化性能和高温强度，提高航空器的安全性。
在电子工业中，材料表面工程可以提高半导体材料和电子元器件的导电性和耐热性，增加电子设备的可靠性和稳定性。
此外，在船舶、化工、建筑等行业中也广泛应用了材料表面工程技术。
总之，材料表面工程是一种改善材料表面性能的重要技术。
通过适当的处理方法，我们可以改变材料表面的化学组成和形貌结构，提高材料的质量和性能，满足各种工业领域的需求。
材料表面工程课件
材料表面工程
31
② 氧化还原法热镀锌
该法取消了碱洗、酸洗和溶剂处理等表面预处理。 其工艺过程为先使钢件通过氧化性气氛的预热炉(炉内 加热温度为440～460℃)，再把工件送进还原性气氛 炉中把氧化皮还原并加热到规定的温度，接着将钢件浸 人约440～460℃温度的锌液中进行镀锌。
材料表面工程
32
3．热镀锌层的性能
材料表面工程
4
以NH4C1为例，加热时发生下列反应： NH4C1 NH3 + HCl 2NH3 3H2 + N2 2HCl + MF MC12 + H2
M是欲渗金属。卤化物分解生成的N2和H2会排除容器内 的空气造成还原气氛。
HCl与M反应生成MCl2，随着加热的进行，MCl2气化， 与基体金属A反应，生成活性原子[M]：
热渗镀的方法很多，按接触介质划分有：固渗、液渗、气 渗和等离子渗；按复合手段划分有：电泳渗、料浆渗、喷 涂渗、电镀渗和化学镀渗等。
材料表面工程
2
热渗镀方法分类详见下图：
材料表面工程
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1．固渗法
① 粉末包渗法 粉末包渗法是固渗中最普通的方法。 把工件埋人装有渗层金属粉末的容器里 进行加热扩散，在粉末中加入防粘结粉 末(如Al2O3)和活化剂。 活化剂一般为卤化物，如NH4C1，NH4Br， NH4I等。
镀锌层的防护性能表现在两个方面： 1、锌在大气中能在表面形成一层致密、坚固、耐蚀 的ZnCO3·3Zn(OH)3保护膜，保护了下面的Zn和 Fe免于腐蚀； 2、对于局部损坏处有阴极保护的作用。
材料表面工程
33
4．热镀锌的应用
热镀锌不仅适用于较小的工件(如螺母、螺栓、弹簧等标 准件)，而且还能用于镀锌钢管、钢板、钢丝的大批量生 产。
材料表面工程技术课件
功能材料表面改性实例
高分子材料表面改性
通过化学或物理方法，改变高分子材料的表面能、极性和 润湿性，提高其与其它材料的粘结性和相容性。
石墨烯表面修饰
通过化学反应，在石墨烯表面引入官能团或其它基团，改 变其物理和化学性质，实现其在传感器、电池等领域的应 用。
通过电解作用在材料表面附着一层金属膜的技术
详细描述
电镀技术利用电解原理，在材料表面附着一层金属膜，以提高材料的耐腐蚀性 、耐磨性和装饰性。电镀技术广泛应用于汽车、电子、建筑和航空航天等领域 。
化学镀技术
总结词
通过化学反应在材料表面沉积金属或合金的技术
详细描述
化学镀技术利用化学反应在材料表面沉积一层金属或合金，以提高材料的耐腐蚀 性、耐磨性和导电性。化学镀技术广泛应用于电子、生物医学和装饰等领域。
生物材料表面改性
通过物理或化学方法，改变生物材料的表面性质，使其具 有更好的生物相容性和功能性，如组织工程、药物传递和 生物检测等领域的应用。
05
材料表面工程技术展望
新材料表面工程技术的发展趋势
纳米表面工程技术
利用纳米技术提高材料表 面的耐磨、耐腐蚀和抗疲 劳等性能，满足高精度、 高性能的应用需求。
化学气相沉积技术
总结词
通过化学反应将气态物质转化为固态物质沉积在材料表面的技术
详细描述
化学气相沉积技术利用化学反应将气态物质转化为固态物质，并沉积在材料表面，形成一层薄膜。化 学气相沉积技术广泛应用于电子、光学和生物医学等领域。
03
材料表面改性技术
表面合金化技术
表面合金化技术是通过在材料表面添加合金元素，改变材料表面的成分和结构，从 而提高材料表面的性能。
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3
偏析
表面原子是从体内分凝出来的外来原子
4
化学吸附
5
化合物
6
台阶
外来原子（超高真空条件下主要是气体）吸 附于表面，并以化学键合
外来原子进入表面，并与表面原子键合形成 化合物
表面不是原子级的平坦，表面原子可以形成 台阶结构
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2.1.1固体的理想表面和清洁表面
1.清洁表面的结构
Kossel和Stranski提出了单晶表面TLK模型，其中T表 示低晶面指数的平台（Terrace），L表示单分子或单原子高 度的台阶（Ledge），K表示单分子或单原子尺度的扭折外， 还有表面吸附的单原子（A）以及表面空位（V）。
外摩擦：摩擦仅与两物体接触部分的表面相互作用有关，而 与物体内部状态无关。
内摩擦：阻碍同一物体各部分之间相对移动的摩擦。
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3.1 摩擦
3.1.1摩擦的定义和分类
静摩擦
根据摩擦副的运动和表面情况分类： 摩擦
根据摩擦副的运动形式分类：摩擦
滑动摩擦
滚动摩擦
根据摩擦副表面的润滑状态分类：
摩擦
根据摩擦副所处的工作条件分类摩：擦
残余变形称为磨损。
目前较通用的分类方法是按照磨损机理的分类方法为基础，将磨损分为：
<1>粘着磨损：当摩擦面发生相对滑动时，由于固相焊合作用产生粘着点，该点在剪 切力作用下变形以致断裂，使材料从一个表面迁移到另一个表面造成的磨损。
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3.2 磨损
3.2.1磨损的定义和分类 <2>磨料磨损：由于一个表面硬的凸起部分和另一个表面接
④表面改性
7
第2章 固体表面的物理化学特征
8
2.1.1固体的理想表面和清洁表面
清洁表面
☆ 指在特殊环境中经过特殊处理后获得的表面，是不存在任 何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散 等物理、化学效应的表面。
☆ 清洁表面是相对于受环境污染的表面而言的。只有用特殊 的方法，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空 沉积、场致蒸发等才能得到清洁表面。
出现化学吸附和物理吸附同时存在的现象。而且，气体先进行物理吸附再发生化学
吸附要比先解离再发生化学吸附容易得多。
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第3章 表面摩擦与磨损
16
3.1 摩擦
3.1.1摩擦的定义和分类 两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有
相对运动趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一 阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。
触，或者在两个摩擦面之间存在着硬的颗粒，或者这些颗 粒嵌入两个摩擦面中的一个面里，在发生相对运动后，使 两个表面中的某一个面的材料发生位移而造成的磨损。
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3.2 磨损
3.2.1磨损的定义和分类 <3>表面疲劳磨损：在滚动接触过程中，由于交变接触应力
的作用而产生表面接触疲劳，使材料表面出现麻点或脱落 的现象。 <4>腐蚀磨损：摩擦表面与周围介质发生化学反应而生成腐 蚀产物，进一步摩擦后这些腐蚀产物会被磨去，如此重复 所造成的材料损伤称为腐蚀磨损。
材料表面工程
概述
第1章 绪 论
2
材料表面工程的定义
表面工程是将材料的表面与基体一起作为一 个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的 表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系 统工程。
3
1.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用
1.1.1 表面工程技术的意义
⑴ 避免和减少经济损失 ⑵ 赋予材料表面功能特性
9
2.1.1固体的理想表面和清洁表面
1.清洁表面的结构
几种清洁表面结构和特点
序号 名称
1
驰豫
2
重构
结构示意图
特点
表面最外层原子与第二层原子之间的距离不 同于体内原子间距（缩小或增大；也可以是 有些原子间距增大，有些减小）
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>化学吸附： 气体和固体之间发生了电子的转移，二者产 生了化学键力，其作用力和化合物中原子之间形成化学键 的力相似，较范德华力大的多。 但并不是任何气体在任 何表面上都可以发生化学吸附。
14
2.2.1 吸附现象
比较项 吸附热 吸附力 吸附层
吸附选择性 吸附速率
吸附活化能
吸附温度 吸附层结构
表2-2 物理吸附与化学吸附的区别
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1.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用
1.1.3 表面工程技术的途径
①施加各种覆盖层， ②采用各种表面改性技术。
6
1.2 表面工程技术的分类、技术内容及发展
1.2.1 表面工程技术的分类 表面工程技术可以从不同的角度进行归类、分类。例如
按照作用原理，表面工程技术可以分为以下4种基本类型： ①原子沉积 ②颗粒沉积 ③整体覆盖
11
2.1.2 固体的实际表面
12
2.1.3固体表面的成分偏聚
合金的表面成分不同于合金的整体平均成分。这种现 象称为表面偏聚。 表面偏聚： （1）溶质原子在表面偏聚（正偏聚）
（2）表面溶质原子减少（副偏聚） 表面偏聚： （1）平衡偏聚
（2）非平衡偏聚
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2.2.1 吸附现象
<1>物理吸附： 任何气体在其临界温度以下，都会在其和固 体表面之间的范德华力作用下，被固体吸附。但两者之间 没有电子转移，
正常摩擦
动摩擦
纯净摩擦 干摩擦 边界润滑摩擦 流体润滑摩擦 固体润滑摩擦
特殊工况条件下的摩擦
18Biblioteka 3.1 摩擦3.1.3影响摩擦的因素 1.材料性能：弹性模量，晶粒尺寸，强度和硬度等 2.接点长大：摩擦系数增加 3. 摩擦环境：载荷，速度，温度，表面膜等
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3.2 磨损
3.2.1磨损的定义和分类 磨损：物体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生
(3) 提高产品的可靠性、稳定性
⑷ 节约材料、节约能源
4
1.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用
1.1.2 表面工程技术的目的 现在表面工程技术的应用已经十分广泛。 对于固体材料来说，使用表面工程技术的主要目的是： ①提高材料抵御环境作用的能力； ②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； ③实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。
物理吸附 近于液化热（1～40KJ·MOL-1）
化学吸附 近于反应热（1～40KJ·MOL-1）
范德华力 弱 单分子层或多分子层
无 快 不需
化学键力 强 仅单分子层
有 慢 需要、且很高
低温 基本同吸附质分子结构
较高温度 形成新的化合态
虽然二者有明显的区别，但二者并不是孤立的、截然分开的，在固体表面上常常会