《表面工程》PPT課件

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1、1,上 課 了 ！,2,,汽車輕量化鋁合金表面耐磨問題突出,表面耐磨涂層,問題：,3,飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿：由于具有幾十倍的音速，并與大氣層摩擦，即所謂氣動(dòng)加熱，其溫度高達(dá)4000-5000。,問題：,問題：絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。,依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。,解決問題的方法：,隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。 燒蝕涂層：有機(jī)材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。,4,“表面”要面對(duì)的很多！,你要我防腐蝕?。?！ 你要我防磨損?。?！ 你要我美觀好看，吸引眼球?。。?你要我隔熱！??！ 你要我吸熱?。。?你要我..,難道就因

2、為我是表面？,5,材料成型與控制：,表 面 工 程 學(xué),6,系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術(shù)的基本原理； 能合理選擇并應(yīng)用這些新的表面工程技術(shù)； 解決材料表面硬度、強(qiáng)度、耐磨性與心部強(qiáng)韌性之間的矛盾； 充分發(fā)揮材料性能的潛力； 延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量。,學(xué)習(xí)目的：,通過本課程學(xué)習(xí),7,表面工程學(xué)：,第一章 緒 論,第一節(jié) 表面工程學(xué)的定義和內(nèi)涵 第二節(jié) 表面工程學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)與意義 第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類,8,第一章 緒 論,第一節(jié) 表面工程學(xué)的定義和內(nèi)涵,為滿足特定的工程需求，使材料或零件表面具有特殊的成分、結(jié)構(gòu)和性能（或功能）的化學(xué)、物理方法與工藝。,表面工程技術(shù)：,表面工程學(xué)的內(nèi)涵：

3、,1、表面改性技術(shù)：即能夠提高零部件或器件表面的耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性能，或裝飾零部件表面，或使材料表面具有各種特殊功能的有關(guān)工程技術(shù)。,2、表面加工技術(shù)：即能夠在材料表面加工或制作各種功能元器件的有管技術(shù)，如能夠在單晶硅表面制作大規(guī)模集成電路、離子刻蝕技術(shù)等。,9,第一章 緒 論,第一節(jié) 表面工程學(xué)的定義和內(nèi)涵,表面工程學(xué)的內(nèi)涵：,3、表面合成材料技術(shù)：即借助各種手段在材料表面合成新材料的技術(shù)，如納米粒子制備過程中工程技術(shù)、離子注入設(shè)備或合成進(jìn)材料等。,4、表面加工三維合成技術(shù)：即將二維表面加工累計(jì)成三維零件的快速原型制造技術(shù)。,5、上述幾個(gè)要點(diǎn)的組合或綜合：,單純表面改性,,表面加工

4、和合成新材料,實(shí)施對(duì)象由“結(jié)構(gòu)材料”,,功能材料,表面工程學(xué)： 研究表面工程技術(shù)原理和特點(diǎn)、應(yīng)用和發(fā)展的學(xué)科。,10,第一章 緒 論,第二節(jié) 表面工程技術(shù)的特點(diǎn)與意義,1、主要作用在基材表面，對(duì)遠(yuǎn)離表面的基材內(nèi)部組織與性能影響不大； 2、采用表面涂覆、表面合金化技術(shù)取代整體合金化，使普通、廉價(jià)的材料表面具有特殊性能，不僅可以節(jié)約大量貴重金屬，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蝕性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本； 3、表面工程技術(shù)可以兼有裝飾和防護(hù)功能； 4、以化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、掩膜、光刻技術(shù)為代表的表面薄膜沉積技術(shù)和表面微細(xì)加工技術(shù)是制作大規(guī)模繼承電路、光導(dǎo)纖維和集成電路、太陽

5、能薄膜電池等元器件的基材技術(shù)。,11,第一章 緒 論,第二節(jié) 表面工程技術(shù)的特點(diǎn)與意義,5、計(jì)算機(jī)技術(shù)與材料科學(xué)、精密機(jī)械和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，使二維的表面處理技術(shù)發(fā)展成為三維零件制造技術(shù)，創(chuàng)造了全新的制造方法-生長(zhǎng)型制造法。 6、表面工程技術(shù)已成為裝備新材料的重要方法。,表面工程技術(shù)具有舉足輕重的作用！,世界各發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)表面工程高度重視：,如美國(guó)工程科學(xué)院早在幾年前為美國(guó)國(guó)會(huì)提供的2000年前集中力量加強(qiáng)發(fā)展的9項(xiàng)新科學(xué)技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料表面科學(xué)與表面技術(shù)的研究。,12,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類,根據(jù)表面工程技術(shù)的特點(diǎn)，將其分為：表面改性、表面加工、表面加工三維成

6、型、表面合成新技術(shù)等。,一、表面改性技術(shù),表面改性技術(shù)主要指賦予材料表面以特定的物理、化學(xué)性能的表面工程技術(shù)。,根據(jù)工藝特點(diǎn)的不同分：,1、表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)：,不改變材料的表面成分，只通過改變表面組織結(jié)構(gòu)特征或應(yīng)力狀體來改變材料性能。,如：激光表面淬火和退火、感應(yīng)加熱淬火、噴丸、滾壓等表面加工硬化技術(shù),13,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類,一、表面改性技術(shù),2、表面涂鍍技術(shù),主要利用外加涂層或鍍層的性能使基材表面性能優(yōu)化、基材不參與或者很少參與涂層反應(yīng)。,如： 氣相沉積技術(shù)：物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積 化學(xué)溶液沉積：電鍍、化學(xué)鍍、電刷鍍 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)：磷化、陽極氧化、金屬表面彩色

7、化技術(shù) 現(xiàn)代涂裝技術(shù)、熱噴涂、噴焊技術(shù)、堆焊技術(shù)等,14,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類,一、表面改性技術(shù),3、表面合金化和摻雜技術(shù),主要利用外來材料與基材相混合，形成成分即不同于基材也不同于添加材料的表面合金化層。,如： 熱擴(kuò)滲技術(shù)、離子注入技術(shù)、激光表面合金化技術(shù)等,15,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類,二、表面微細(xì)加工技術(shù),主要指在材料表面（不大于100m）區(qū)域內(nèi)進(jìn)行各種形狀或尺寸的精密、微細(xì)加工，使其成為具有各種功能的零部件的技術(shù)。,如： 光刻和腐蝕技術(shù)、離子束精密刻蝕技術(shù)等,16,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類,三、表面三維成型技術(shù)-快速原型制造,

8、通過計(jì)算機(jī)控制，在材料表面不斷實(shí)現(xiàn)特定形狀的涂鍍加工與堆積，形成三維零部件的快速原型制造技術(shù)。,如： 各類模具的無?？焖僦圃?17,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類,四、表面合成新材料技術(shù),主要指采用特定的表面工程技術(shù)，在材料表面合成常規(guī)工藝方法無法獲得的新材料，或者利用材料的表面加工過程獲得全新材料的工藝。,如： 各類模具的無?？焖僦圃?18,第一章 緒 論,小結(jié)：,第一節(jié) 表面工程學(xué)的定義和內(nèi)涵 第二節(jié) 表面工程學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)與意義 第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類 表面改性、表面加工、表面加工三維成型、表面合成新技術(shù)等。,19,表面工程學(xué)：,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第

9、一節(jié) 固體的表面與界面 第二節(jié) 材料磨損原理及其耐蝕性 第三節(jié) 金屬腐蝕原理與防護(hù)技術(shù),20,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),為滿足特定的工程需求，使材料或零件表面具有特殊的成分、結(jié)構(gòu)和性能（或功能）的化學(xué)、物理方法與工藝。,表面工程技術(shù)：,了解表面 了解影響表面性能的主要原因,,21,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,表 面：固相和氣象之間的分界面 界 面：固相之間的分界面 相界面：不同凝聚相之間的分界面,一、典型固體表面,1、理想表面,無限晶體中插進(jìn)一個(gè)平面，將其分為兩部分后形成的表面。,具有和原來無限晶體相同的原子位置和電子密度。 表面原子的近鄰原

10、子數(shù)減少，使其擁有的能量大于晶體內(nèi)部原子的能量材料表面能。,只是“理想”，自然界中難以獲得。,22,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,一、典型固體表面,2、潔凈表面與清潔表面,潔凈表面：,材料表層原子結(jié)構(gòu)的周期性不同于體內(nèi)，但其化學(xué)成分仍與體內(nèi)相同的表面。,清潔表面：,零件經(jīng)過清洗以后的表面。,潔凈表面必須用特殊方式才能得到，例如高溫?zé)崽幚?、離子轟擊加熱退火、真空沉積、場(chǎng)致蒸發(fā)等；清潔表面在工業(yè)生產(chǎn)中較易得到，例如常規(guī)清洗。 一般涂鍍要求清潔表面就可以了，但在微電子工業(yè)中的氣相沉積和維系加工技術(shù)中一般需要潔凈表面甚至超過潔凈表面。,,23,第二章 表面工程技術(shù)

11、的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,一、典型固體表面,3、機(jī)械加工過的表面,機(jī)械加工過的表面是不可能絕對(duì)光滑的。我們用波紋度和粗糙度來評(píng)價(jià)零件表面微觀形貌。,4、一般表面,一般表面會(huì)吸附一層外來原子，金屬表面會(huì)有氧化層。,24,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,二、典型固體界面,界面：,兩個(gè)塊體相之間的過渡區(qū)。,其空間尺度度額定與原子間力的作用影響范圍的大小，其狀態(tài)決定于材料和環(huán)境條件特征。,按照界面形成過程與特點(diǎn)，常見界面類型有：,1、基于固相晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面,拋光金屬的表面組織,微晶層（比爾比層）：離表面5nm區(qū)域內(nèi)，點(diǎn)陣發(fā)生強(qiáng)烈畸變，

12、形成晶粒極小的為微晶層。具有粘性液體膜似的非晶態(tài)外觀，不僅能將表面覆蓋得很平滑，而其熱能流入裂縫或劃痕等表面不規(guī)則處。,塑性流變層：塑變程度與深度有關(guān)。,25,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,二、典型固體界面,2、基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)差異形成的界面,典型特征：兩相之間的微觀成分與組織存在很大的差異，但無宏觀成分上的明顯差異。,例：,鋼中的珠光體由鐵素體和滲碳體組成； 鋼表面淬火時(shí)，表層的顯微組織以馬氏體為主，而心部組織仍保持原來的狀態(tài)。,26,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,二、典型固體界面,3、基于固相宏觀成分差異形成的界

13、面,1）冶金結(jié)合界面,當(dāng)覆蓋層與基體材料之間的界面結(jié)合時(shí)通過處于熔融狀態(tài)的覆層材料沿處于半熔化狀態(tài)下的固體基體表面向外凝固結(jié)晶而形成時(shí)，覆層與基材的結(jié)合形成的界面。結(jié)合的實(shí)質(zhì)是金屬鍵結(jié)合。,例：激光熔覆、堆焊、噴焊等,前橋模具激光熔覆,27,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,二、典型固體界面,3、基于固相宏觀成分差異形成的界面,2）擴(kuò)散結(jié)合界面,兩個(gè)固相直接接觸，通過抽真空、加熱、加壓、界面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑鎖形成的結(jié)合界面。,例：熱擴(kuò)滲技術(shù),特點(diǎn)是：覆層與基材之間的成分梯度變化，并形成了原子級(jí)別的混合和合金化。,28,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié)

14、固體的表面與界面,二、典型固體界面,3、基于固相宏觀成分差異形成的界面,3）外延生長(zhǎng)界面,當(dāng)工藝條件合適時(shí)，在單晶襯底表面沿原來的結(jié)晶軸向生成一層晶格完整的單晶層的工藝過程形成的界面。,例： 氣相外延：化學(xué)氣相沉積 液相外延：電鍍,特點(diǎn)是：覆層與基材之間的成分梯度變化，并形成了原子級(jí)別的混合和合金化。,29,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,二、典型固體界面,3、基于固相宏觀成分差異形成的界面,4）化學(xué)鍵結(jié)合界面,當(dāng)覆層材料與基材之間發(fā)生化學(xué)放映，形成成分固定的化合物時(shí)，兩只那個(gè)材料的界面。,例： 物理或化學(xué)氣相沉積、粒子注入、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜等。,特點(diǎn)是：化學(xué)鍵結(jié)合強(qiáng)

15、度高，但界面韌性較差，在沖擊載荷下，容易發(fā)生脆性斷裂或剝落。。,30,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,二、典型固體界面,3、基于固相宏觀成分差異形成的界面,5）化學(xué)鍵結(jié)合界面,涂鍍層與基材表面以范德華力結(jié)合的界面。,例：物理氣相沉積、涂裝等。,6）機(jī)械結(jié)合界面,覆層與基材的結(jié)合主要通過兩種材料相互鑲嵌的機(jī)械連接而形成界面。,例：熱噴涂、包鍍等。,純銅包鍍純銀,31,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,三、表面晶體結(jié)構(gòu),溫度為0K： 表面原子結(jié)構(gòu)呈靜態(tài)，表面是理想表面,溫度升為T：,原子高度的臺(tái)階、單分子或原子尺度的扭轉(zhuǎn)以及表面吸附

16、的點(diǎn)原子及表面空位等。,原子熱運(yùn)動(dòng)，晶體表面將產(chǎn)生低晶面指數(shù)的平臺(tái)、一定密度的單分子或,實(shí)際表面還會(huì)出現(xiàn)大量各種類型的缺陷,32,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,四、表面的擴(kuò)散,物質(zhì)中原子或分子的遷移現(xiàn)象。物質(zhì)的擴(kuò)散過程遵循菲克擴(kuò)散第一定律和擴(kuò)散第二定律。,五、表面能及表面張力,六、固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附,物體表面上的原子或分子力場(chǎng)不飽和，有吸引周圍其他物質(zhì)分子的能力。,吸附可分為：物理吸附和化學(xué)吸附,多數(shù)情況下，由于環(huán)境介質(zhì)的作用，材料的親故、塑性、耐磨性等力學(xué)性能大大降低。,七、固體表面的潤(rùn)濕,33,第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 固體的表面與界面,小結(jié)：,一、典型固體表面 二、典型固體界面 三、表面晶體結(jié)構(gòu) 四、表面的擴(kuò)散 五、表面能及表面張力 六、固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附 七、固體表面的潤(rùn)濕,34,,下 課,