表面工程期末復(fù)習(xí)及實(shí)驗(yàn)

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1、回 顧,,在表面預(yù)處理工藝中，采取電化學(xué)脫脂之所以比采用化學(xué)脫脂效果好，其原因在于電極上產(chǎn)生的起泡對(duì)油膜存在撕裂作用和攪拌作用； 在印刷線路板的制造中，每年需要銅箔幾百萬平方米，銅箔的制備一般采用什么工藝？； 磷化可分為厚膜磷化和薄膜磷化，厚膜磷化膜厚可達(dá)20um以上，膜重可達(dá)60g/m2。一般用作防護(hù)膜層；稍薄的磷化膜（5.0g/m2以上）常用于冷作、耐磨、潤(rùn)滑和電絕緣等。薄膜磷化膜厚15um，膜重范圍<3.0g/m2，通常作為涂裝底層。 依照表面反應(yīng)速度及氧化膜的致密程度不同，金屬氧化物的動(dòng)力學(xué)過程有三種典型情況：直線生長(zhǎng)型，拋物線生長(zhǎng)型，對(duì)數(shù)生長(zhǎng)型。提高材料抗氧化能力的重要途徑就是改變材

2、料的表面成分，使其氧化動(dòng)力學(xué)曲線呈對(duì)數(shù)變化（y=ln(kt)）。 下列鍍膜技術(shù)中，哪一項(xiàng)不屬于PVD鍍膜技術(shù)： 蒸鍍？濺射鍍膜？離子鍍？SiH4Si+2H2,6. 主要的著色方法包括：自然顯色法、吸附著色法和電解著色法。與吸附著色法相比，采用電解著色法著色后比較穩(wěn)定，這與金屬著色體的沉積部位有關(guān)，因?yàn)殡娊庵ǖ慕饘侔l(fā)色體沉積在多孔層下部。,非金屬材料不能進(jìn)行電鍍，因?yàn)榉墙饘俨牧喜粚?dǎo)電； 熱噴涂層典型的結(jié)構(gòu)特征為：大小不一的扁平顆粒、未熔化的球形顆粒、夾雜和孔隙。因?yàn)橛锌紫兜拇嬖?，因此，熱噴涂層往往要進(jìn)行封孔處理； 液體的表面自由能和表面張力在數(shù)學(xué)上是相等的，而固體則不一樣，因?yàn)楣腆w的原子幾

3、乎不可移動(dòng)，其表面不像液體那樣易于伸縮或變形，拉伸或壓縮固體表面時(shí)，僅僅能改變其表面原子的間距，而不能改變表面原子的數(shù)目； 脈沖激光沉積（PLD）存在兩個(gè)問題：（1）由于激光與靶材是“點(diǎn)接觸”，因此如果在薄膜沉積過程中，靶材或者光束靜止不動(dòng)，則獲得的薄膜厚度分布不均勻；（2）脈沖激光過程中很難避免較大尺寸（微米級(jí)別）液滴的產(chǎn)生，使膜層的均勻性變差。 鋼鐵的化學(xué)氧化俗稱發(fā)藍(lán)處理，其目的是通過化學(xué)氧化在鋼鐵表面形成一層Fe3O4，起一定的防護(hù)作用。,固體表面的吸附作用，是由于物體表面的原子或分子力場(chǎng)不飽和引起的，可分為物理吸附和化學(xué)吸附，其中物理吸附是不可逆的，化學(xué)吸附是可逆的。 萊賓杰爾效應(yīng)的本

4、質(zhì)，是金屬對(duì)活性介質(zhì)的吸附，使表面原子的不飽和鍵得到補(bǔ)償，表面能降低，改變了表面原子間的相互作用，使金屬的表面強(qiáng)度降低。萊賓杰爾效應(yīng)是不可逆的。 流體潤(rùn)滑摩擦中，對(duì)磨表面完全被油膜隔開，靠油膜的壓力平衡外載荷。在流體潤(rùn)滑中，摩擦力決定于潤(rùn)滑油的內(nèi)摩擦系數(shù)（粘度）。流體潤(rùn)滑摩擦具有最小的摩擦系數(shù)，從節(jié)能、延長(zhǎng)使用壽命和減少磨損的觀點(diǎn)考慮，都是最理想的條件。P20 在熱噴涂工藝中，涂層與基體的結(jié)合主要是冶金結(jié)合，其次是機(jī)械結(jié)合或稱拋錨作用，這決定了熱噴涂涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度相當(dāng)高； 對(duì)鐵基體表面鍍銅，可以同時(shí)起到機(jī)械防護(hù)作用和電化學(xué)防護(hù)作用。另外，在滲碳工藝中，同鍍層也可以用來保護(hù)不需要滲碳的部位

5、；,一、鉻酸鹽膜的形成過程？鉻酸鹽鈍化膜為什么具有自修復(fù)功能？,金屬與六價(jià)鉻之間的氧化-還原反應(yīng)，金屬表面溶解，金屬離子進(jìn)入溶液，六價(jià)鉻被還原成三價(jià)； 上述反應(yīng)消耗了氫，金屬表面pH值升高，使凝膠狀的Cr(OH)3等在表面沉積，形成鈍化膜； 上述凝膠狀沉淀物吸附其它成分，如六價(jià)鉻、水、金屬離子等，構(gòu)成成分復(fù)雜的鉻酸鹽鈍化膜。,鉻酸鹽膜的形成過程如下：,鈍化膜是無定形的膜，主要由不溶性的三價(jià)鉻化合物和可溶性的六價(jià)鉻化合物兩部分組成。不溶性部分具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，形成莫的骨架，可溶性部分填充在骨架內(nèi)部，當(dāng)鈍化膜收到輕度損傷時(shí)，露出的基體與膜中的可溶性部分相互作用，使膜自動(dòng)修復(fù)。所以說，鉻酸鹽鈍

6、化膜具有自修復(fù)功能，這是鉻酸鹽鈍化膜耐蝕性特別好的根本原因。,陽極氧化的電極反應(yīng)如下：,硫酸對(duì)金屬鋁和氧化膜的溶解作用為：,電化學(xué)過程產(chǎn)生的氧并與鋁作用生成Al2O3,化學(xué)過程，生成的Al2O3膜被電解溶液溶解成多孔層,沒有電化學(xué)過程，氧化鋁薄膜就不能生成； 沒有溶解過程，沒有孔隙出現(xiàn)，氧化鋁膜層不能導(dǎo)電，電化學(xué)過程不能繼續(xù)； 氧化膜的生長(zhǎng)速度必須 溶解速度；,二、鋁陽極氧化膜的形成原理與過程？,定量分析氧化膜的生長(zhǎng)過程,（1） AB段，數(shù)秒鐘的時(shí)間，電壓急劇上升。鋁表面形成連續(xù)、無孔的氧化鋁膜。無孔膜電阻大，阻礙反應(yīng)進(jìn)行，膜層厚度的增加主要依賴于外加電壓的高低。,（2） BC段，電壓上升達(dá)

7、到的最大值B主要取決于電解液的性質(zhì)和溫度，溶解作用越大，電壓峰值就越低。電壓達(dá)到一定數(shù)值后，膜層局部被溶解或被擊穿，產(chǎn)生孔隙，氧化膜電阻下降，電壓隨之下降（大約1015）。,（3） CD段，電壓下降到C點(diǎn)后趨于平穩(wěn)，阻擋層厚度不再變化，氧化膜Al2O3H2O的生成和溶解速度在一個(gè)基本恒定的比值下進(jìn)行，膜層孔穴的底部向金屬內(nèi)部移動(dòng)，隨著時(shí)間的延,長(zhǎng)，孔穴加深變成孔隙，孔隙間膜層加厚，成為孔壁，孔壁與電解液接觸部分不僅溶解，而且被水化成為Al2O3H2O ，氧化膜變成導(dǎo)電的多孔結(jié)構(gòu)，可達(dá)100um甚至更高。當(dāng)膜的化學(xué)溶解速率膜的生成速率時(shí)，膜層達(dá)到極限厚度。,,三、萊賓杰爾效應(yīng)？其顯著特征是什么？

8、,由于環(huán)境介質(zhì)的影響，及表面自由能減少導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、塑性、耐磨性降低的現(xiàn)象，即萊賓杰爾效應(yīng)。,依靠直流電場(chǎng)引起放電，陽極兼作蒸發(fā)源，基片放在陰極板上。真空室中在真空度為1e-31e-4Pa情況下，充入氬氣使真空度達(dá)到1e-21Pa范圍。在基片和蒸發(fā)源之間加上數(shù)百至數(shù)千的直流電壓，引起氬氣的電離，形成低壓氣體放電的等離子區(qū)。處于負(fù)高壓的基片被等離子體包圍，不斷遭到氬離子的高速轟擊而濺射清洗并活化。然后接通交流電，使蒸發(fā)源中的膜料加熱蒸發(fā)，蒸發(fā)出的粒子通過輝光放電的等離子區(qū)時(shí)部分被電離成正離子，通過電場(chǎng)與擴(kuò)散作用，高速打在基片表面。此外，大部分仍處于激發(fā)態(tài)的中性蒸發(fā)粒子，在慣性作用下到達(dá)基片表面

9、，堆積成薄膜。 在成膜的同時(shí)，氬離子繼續(xù)轟擊基片，使膜層表面適中處于清潔與活化狀態(tài)，利于膜的繼續(xù)沉積和生長(zhǎng)。,1. 離子鍍膜的基本原理,四、離子鍍膜的基本原理？特點(diǎn)？,因?yàn)槌嗽?、分子外，還有部分能量可達(dá)幾百、甚至上千電子伏特的離子一起參與成膜，這些離子可以打入基材內(nèi)約幾個(gè)納米的深度，大大提高膜層與基材間的結(jié)合力。 （1）膜層與基材結(jié)合力高； （2）均鍍能力強(qiáng)； 惰性氣體原子在放電時(shí)撞擊蒸氣鍍膜離子，使之分散，提高其均鍍能力。 （3）基體材料與鍍膜材料可以廣泛搭配。 基材可以是金屬、陶瓷、玻璃、塑料等；鍍膜材料也可以是金屬和各類陶瓷材料。 離子鍍膜是真空蒸發(fā)和濺射

10、相結(jié)合的一種工藝。,2. 離子鍍膜的特點(diǎn),五、給出Young方程，并指出潤(rùn)濕角的變化對(duì)潤(rùn)濕現(xiàn)象的影響？鋪展指的是一種什么現(xiàn)象？,當(dāng)SL/S0時(shí)候，液體在固體表面自動(dòng)鋪開,或者說潤(rùn)濕角已經(jīng)不存在了。鋪展是潤(rùn)濕的最高標(biāo)準(zhǔn)。,當(dāng)SL/S<0時(shí)候，液體在固體表面不鋪展，負(fù)值越大表示越難鋪展。,鋪展系數(shù),1.簡(jiǎn)單了解表面預(yù)處理有哪些工藝，如何除脂； 2. 陽極氧化膜（AAO）的著色； 3.極化； 4.電鍍與電鑄的基本概念。 5.復(fù)合電鍍的概念； 6.合金電鍍； 7.熱噴涂、熱噴焊與堆焊的區(qū)別與聯(lián)系； 8.磨損有哪些類型？了解其基本特點(diǎn)？ 9.潤(rùn)滑油為什么能減小摩擦的？,實(shí)驗(yàn)類型：設(shè)計(jì)型,要求：根據(jù)表面工

11、程學(xué)所學(xué)的內(nèi)容，按照后面的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案。不一定要求寫出所有工序的具體工藝參數(shù)。,盼各位同學(xué)盡快完成交過來，以便考試完后能盡快登成績(jī)。（考試成績(jī)包含實(shí)驗(yàn)成績(jī)）,祝各位學(xué)習(xí)進(jìn)步！,實(shí)驗(yàn)（一） 金屬表面氧化實(shí)驗(yàn) （時(shí)間：2012.3.30，S1409） p30,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解金屬氧化物的生長(zhǎng)規(guī)律； 掌握抗氧化能力與金屬氧化動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。 二、實(shí)驗(yàn)方案 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備； 實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容（理論）； 三、分析討論,實(shí)驗(yàn)（二） 單金屬電鍍（鐵基鍍鋅） （時(shí)間：2012.4.1，G2302） P130131,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解電鍍工藝過程； 掌握電鍍?cè)怼?二、實(shí)驗(yàn)方案 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備； 實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容（理論）； 三、分析討論,實(shí)驗(yàn)（三） 薄膜制備及形貌分析 （電阻蒸發(fā)鍍Al） （時(shí)間：2012.4.6，S1409） p219,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握鍍膜前基片的預(yù)處理工藝； 掌握電阻加熱蒸發(fā)鍍膜原理； 二、實(shí)驗(yàn)方案（注：真空度5103Pa，Al膜料純度99.99%，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中關(guān)于蒸發(fā)鍍膜的其它參數(shù)不要求給出） 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備； 實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容（理論）； 三、分析討論,