1、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。表面技术是直接与各种表面现象或过程相关的，能为人类造福或被人们利用的技术。,一、 使用表面技术的目的,1、提高材料抵御环境作用能力。2、赋予材料表面功能特性。3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。,二、 表面技术的分类,1、 按作用原理 原子沉积 颗粒沉积 整体覆盖 表面改性 2、 按使用方法 电化学法 化学法 真空法 热加工法 其它方法,三、表面技术的应用,1、 广泛性和重要性 （1）广泛性 内容广 基材广 种类多遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，
2、效益巨大,（2）重要性改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤 提高产品长期运行可靠性、稳定性 满足特殊要求 生产各种新材料、新器件,2、在结构材料及构件和零部件上的应用 表面技术作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰3、 在功能材料和元器件上的应用表面技术可制备或改进一系列功能材料及元器件。,4、在人类适应、保护和优化环境方面的应用 （ 1）净化大气 （2）净化水质 （3）抗菌灭菌 （4）生物医学 （5）优化环境5、在研究和生产新型材料中的应用,表面涂覆技术的发展 表面强化技术的发展,四、表面技术的发展,环保方面的应用:有机污染物的处理, 无机污染物的处理, 室内环境净化 卫生保健方面的应用:
3、灭杀细菌和病毒, 抗菌材料 防结雾和自清洁涂层 光催化化学合成,纳米TiO2光催化剂的应用,贵金属沉积 离子掺杂,提高TiO2光催化性能的主要途径,第二章 热喷涂,一、热喷涂技术原理及特点 （1） 原理 采用各种热源（氧-乙炔焰、电弧、等离子弧、爆炸波）使涂层材料（金属、陶瓷、金属-陶瓷复合材料、塑料）熔化，高速喷射到经过预处理（清洁粗糙）的工件表面形成涂层的表面加工技术。,喷涂层形成过程：,熔化、熔滴雾化、加速、碰撞、变形（扁平状）、凝固 凝固冷却的0.1s中，扁平状涂层继续受环境和热气流影响 隔0.1s 第二层薄片形成，逐渐成层状结构,层状结构（变形粒子互相交错呈波浪式堆叠） 孔隙或空洞（
4、孔隙率420），伴有氧化物夹杂,涂层结构：,涂层结合机理： 机械结合 化学（冶金）结合 物理结合,（2）特点可用于各种基体 取材范围广 基体温度低（30200 ） 工效高（110kg/h ） 工件大小不限,涂层厚度可控 可赋予普通材料以特殊表面性能 成本低(火焰、电弧）缺点：热效率、材料利用率低，涂层结合强度、致密性、均匀性待提高,二、热喷涂工艺方法1、火焰喷涂利用气体燃烧放出的热进行的热喷涂。 氧 燃料气体加热熔化喷涂材料（燃气：乙炔、丙烷、氢气或天然气等）。压缩气体雾化并加速熔融材料（喷嘴上通压缩空气，特殊场合惰性气体）。,火焰喷涂优势：设备投资少，操作容易，设备可携带到现场施工，无电力要
5、求，沉积效率高。 缺点：涂层氧含量较高，孔隙较多，结合强度偏低，质量不高。,最常用的火焰喷涂涂层材料及应用,将粉末注入喷枪的同时，引入氧-乙炔混合气体，将混合气体点火燃烧，造成气体膨胀而爆炸，释放出热能和冲击波。热能使粉末熔融，冲击波使熔融粉末高速（约500-700m/s）射向工件表面，形成高结合强度和高致密度的涂层。,2、爆炸喷涂,应用：,爆炸喷涂 Al2O3陶瓷梯度涂层 修复磨损部件 喷涂碳化物类金属陶瓷,喷涂碳化物类金属陶瓷 ：碳化物在高温易分解，用等离子喷涂很难防止分解，而火焰喷涂层质量差，结合强度低。爆炸喷涂的温度低，可抑制碳化物分解，同时其超音速的喷射速度可保证获得高密度、高结合强
6、度的涂层。所以爆炸喷涂是喷涂含碳化物金属陶瓷涂层的理想方法。,3、等离子喷涂,利用等离子焰流作热源，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子焰流引导下高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层。,喷枪，由铜阳极嘴和钨阴极头（掺12%钍或铈）组成。 引弧装置 电源 送粉器 供气系统 水冷系统 控制系统,设备：,特点： 焰流温度高（10000以上），喷涂材料适应面广，特适合高熔点材料； 涂层密度达理论密度的 8598% ，真空喷涂可达 9599.5% ； 结合强度高（3570MPa），涂层中夹杂较少，喷涂质量优于火焰喷涂。,应用：耐磨、固体自润滑涂层；耐蚀涂层；抗高温氧化
7、、高温气流冲刷涂层；导电、绝缘涂层；磁性涂层,（1）清洗、脱脂,碱洗法 有机溶剂洗涤法 蒸气清洗法 （2）氧化膜的处理 机械法 化学法,三、热喷涂工艺流程1、基体表面预处理,3、后处理,（1） 封孔（2） 机加工,2 、热喷涂,（3）粗化处理喷砂机械加工法 （4）预热处理,四、热喷涂用材,1、金属 2. 陶瓷 塑料 4. 复合材料,五、热喷涂涂层种类耐腐蚀涂层 耐磨涂层 耐高温涂层 4. 功能涂层,六、热喷涂技术的新进展工艺： 大功率等离子喷涂 反应喷涂 用材： 纳米涂层材料 非晶态涂层材料 监控系统： 在线测量装置，带自我诊断监控的智能热喷涂系统。,第三章 气相沉积技术,一、物理气相沉积（P
8、VD）,真空条件下，采用物理方法将成膜材料气化成原子、分子或离子化成离子，在工件表面形成覆盖层。,1、PVD的基本过程,（1） 气相物质的产生 成膜材料的气化（蒸发、升华、被溅射、分解）,（2）气相物质的输送,成膜原子、分子或离子从源到基片的迁移（粒子间碰撞、离化、复合、反应、能量变化、运动方向改变）,（3）气相物质的沉积,凝聚过程（成膜原子吸附、堆积、成核、长大）。,2、真空蒸镀,工艺流程:工件镀前处理装件抽真空烘烤离子轰击预熔蒸发沉积冷却取件后处理成品,用途:真空蒸镀铝膜制镜 塑料膜的金属化处理 塑料制品金属化,3、溅射镀膜在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积
9、的技术。,溅射: 用10010KeV或更高动能的荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相。靶：被轰击的材料。,溅射率：入射一个离子所溅射出的原子个数（原子个数/离子）。影响因素： 入射离子能量及种类 靶材种类,二极溅射 三极溅射 四极溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射,溅射类型：,优点：低温, 低损伤, 高速。缺点：靶材利用率不高，低于40%。,磁控溅射特点：,溅射用途：,耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜；电、磁、声、光等功能薄膜。,4、离子镀,在真空下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基底上。,离
10、子镀类型：,空心阴极离子镀离子束辅助沉积,二、化学气相沉积（ CVD）,借助空间气相化学反应在基材表面沉积固态薄膜。,1、CVD的反应类型,热分解反应 还原反应 氧化反应 化学输送 水解反应 与氨反应 等离子体激发反应 激光激发反应,PCVD：,工件置于阴极，利用辉光放电或外热源使工件升到一定温度后，通入反应气，经过等离子体化学反应生成沉积薄膜。LCVD： 在CVD中利用激光束的光子能量激发和促进化学反应, 沉积薄膜。,2CVD的特点,（1）中温或高温下，通过气态初始化合物沉积固体。（2）在常压或低压沉积。低压效果好。（3）采用等离子和激光辅助技术可在较低温度下沉积。,（4）镀层化学成分可改变
11、，可得梯度或混合镀层。（5）镀层密度和纯度可控。（6）绕镀性好。（7）可形成多种金属、合金、化合物镀层。,3. CVD的应用,耐磨、抗氧化、抗腐蚀及电学、光学膜 （耐磨硬镀层: TiC，TiN，Al2O3，TaC，HfN，TiB2)。难熔材料粉末和晶须,三、PVD和CVD工艺对比,CVD工艺温度比PVD高。CVD对工件的清洁要求比PVD低，且高温下所得镀层结合强度更好。,CVD镀层表面略比基体粗糙。CVD绕镀性好，PVD绕镀性差。,工艺成本：最初设备投资PVD是CVD的34倍，而PVD的生产周期是CVD的1/10。PVD完全无污染， “绿色工程”。CVD的反应气体、反应尾气都有一定腐蚀性、可燃
12、性及毒性。,第四章、化学镀,1、定义 没有外电流通过，利用化学方法使溶液中金属离子还原为金属，并沉积在基体表面形成镀层。Mn+ + ne M,2、化学镀的条件（1）还原剂的还原电位要显著低于沉积金属的电位。 （2）镀液不自分解，与催化表面接触时，才发生金属沉积。 （3）调节pH值、温度，可控制金属的还原速率。 （4）被还原析出的金属也具有催化活性，氧化还原沉积才能持续。 （5）反应生成物不妨碍镀覆过程的正常进行。,3、化学镀的特点, 不需外电源驱动； 均镀能力好（形状复杂、有内孔、内腔镀件）； 孔隙率低； 可在金属、无机非金属及有机物上沉积。,（1）金属盐：镀层金属的供体 （2）还原剂：化学镀
13、的驱动力，使金属离子还原。Ni用次磷酸钠，Cu用甲醛 （3）络合剂：络合游离金属离子，防止产生金属氢氧化物沉淀，在酸性镀液中还能控制反应速度，防止镀液自然分解,4、化学镀液的组成,（4）pH值调节剂：调节pH值，控制反应速度 （5）缓冲剂： 防止pH值波动 （6）稳定剂：防止镀液自然分解，延长镀液使用寿命 （7）改善剂：改善镀层质量,5、塑料电镀在塑料表面先产生活化中心, 采用化学镀形成导电膜, 然后用常规电镀加厚。,第五章 电刷镀,1、定义不用镀槽，不断供应电解液的条件下，镀笔在工件表面擦试，获得电镀层。,2、原理、特点与用途,工作时零件为阴极，欲镀的金属（或不溶性导电材料）为阳极，阳极外面
14、包有吸水性好的纤维材料，当阳极与零件表面接触并不断相对运动的时候，电流通过阳极与零件表面的纤维材料所吸附的镀液，金属则沉积在零件表面而形成镀层。,特点：（1）设备简单，不需镀槽，便于携带。 （2）工艺简单，操作灵活。 （3）阴极与阳极有相对运动，允许高电流密度。 （4）镀液中金属离子含量高，沉积速度快，。,（5）溶液种类多。 （6）溶液性能稳定。 （7）修复周期短，维修质量高，费用低。 （8）镀层氢脆小、硬度高、孔隙率低。,用途： （1）修复槽镀产品缺陷 （2）修复加工超差、磨损零件 （3）修复零件表面划伤、沟槽 （4）制作和修复印刷电路 （5）镀覆和修复电气触头、电子元件 （6）改善材料钎焊性、导电性、导磁性,（7）在金属表面沉积金属图案 （8）装饰和修复文物、雕塑、珠宝 （9）完成槽镀难完成的作业局限：不适于大面积、高厚度、大批量生产,3、阳极材料（1）不溶性阳极：石墨阳极铂-铱合金阳极不锈钢阳极 （2）可溶性阳极,4、阳极形状 线状沟槽、凹坑 圆柱形内径或小平面 半圆形内径或平面 月牙形外径 平板形平面 带状平面或印刷电路板,
