《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，即所謂氣動加熱，其溫度高達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率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。 燒蝕涂層：有機材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。,4,“表面”要面對的很多！,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,6,系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術的基本原理； 能合理選擇并應用這些新的表面工程技術； 解決材料表面硬度、強度、耐磨性與心部強韌性之間的矛盾； 充分發(fā)揮材料性能的潛力； 延長產品使用壽命和提高產品質量。,學習目的：,通過本課程學習,7,表面工程學：,第一章 緒 論,第一節(jié) 表面工程學的定義和內涵 第二節(jié) 表面工程學技術的特點與意義 第三節(jié) 表面工程技術的分類,8,第一章 緒 論,第一節(jié) 表面工程學的定義和內涵,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、結構和性能（或功能）的化學、物理方法與工藝。,表面工程技術：,表面工程學的內涵：

3、,1、表面改性技術：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工程技術。,2、表面加工技術：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，如能夠在單晶硅表面制作大規(guī)模集成電路、離子刻蝕技術等。,9,第一章 緒 論,第一節(jié) 表面工程學的定義和內涵,表面工程學的內涵：,3、表面合成材料技術：即借助各種手段在材料表面合成新材料的技術，如納米粒子制備過程中工程技術、離子注入設備或合成進材料等。,4、表面加工三維合成技術：即將二維表面加工累計成三維零件的快速原型制造技術。,5、上述幾個要點的組合或綜合：,單純表面改性,,表面加工

4、和合成新材料,實施對象由“結構材料”,,功能材料,表面工程學： 研究表面工程技術原理和特點、應用和發(fā)展的學科。,10,第一章 緒 論,第二節(jié) 表面工程技術的特點與意義,1、主要作用在基材表面，對遠離表面的基材內部組織與性能影響不大； 2、采用表面涂覆、表面合金化技術取代整體合金化，使普通、廉價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，提高勞動生產率、降低生產成本； 3、表面工程技術可以兼有裝飾和防護功能； 4、以化學氣相沉積、物理氣相沉積、掩膜、光刻技術為代表的表面薄膜沉積技術和表面微細加工技術是制作大規(guī)模繼承電路、光導纖維和集成電路、太陽

5、能薄膜電池等元器件的基材技術。,11,第一章 緒 論,第二節(jié) 表面工程技術的特點與意義,5、計算機技術與材料科學、精密機械和數(shù)控技術相結合，使二維的表面處理技術發(fā)展成為三維零件制造技術，創(chuàng)造了全新的制造方法-生長型制造法。 6、表面工程技術已成為裝備新材料的重要方法。,表面工程技術具有舉足輕重的作用！,世界各發(fā)達國家均對表面工程高度重視：,如美國工程科學院早在幾年前為美國國會提供的2000年前集中力量加強發(fā)展的9項新科學技術中，有關材料方面的僅有材料表面科學與表面技術的研究。,12,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術的分類,根據(jù)表面工程技術的特點，將其分為：表面改性、表面加工、表面加工三維成

6、型、表面合成新技術等。,一、表面改性技術,表面改性技術主要指賦予材料表面以特定的物理、化學性能的表面工程技術。,根據(jù)工藝特點的不同分：,1、表面組織轉化技術：,不改變材料的表面成分，只通過改變表面組織結構特征或應力狀體來改變材料性能。,如：激光表面淬火和退火、感應加熱淬火、噴丸、滾壓等表面加工硬化技術,13,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術的分類,一、表面改性技術,2、表面涂鍍技術,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。,如： 氣相沉積技術：物理氣相沉積和化學氣相沉積 化學溶液沉積：電鍍、化學鍍、電刷鍍 化學轉化膜技術：磷化、陽極氧化、金屬表面彩色

7、化技術 現(xiàn)代涂裝技術、熱噴涂、噴焊技術、堆焊技術等,14,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術的分類,一、表面改性技術,3、表面合金化和摻雜技術,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： 熱擴滲技術、離子注入技術、激光表面合金化技術等,15,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術的分類,二、表面微細加工技術,主要指在材料表面（不大于100m）區(qū)域內進行各種形狀或尺寸的精密、微細加工，使其成為具有各種功能的零部件的技術。,如： 光刻和腐蝕技術、離子束精密刻蝕技術等,16,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術的分類,三、表面三維成型技術-快速原型制造,

8、通過計算機控制，在材料表面不斷實現(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。,如： 各類模具的無模快速制造,17,第一章 緒 論,第三節(jié) 表面工程技術的分類,四、表面合成新材料技術,主要指采用特定的表面工程技術，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： 各類模具的無模快速制造,18,第一章 緒 論,小結：,第一節(jié) 表面工程學的定義和內涵 第二節(jié) 表面工程學技術的特點與意義 第三節(jié) 表面工程技術的分類 表面改性、表面加工、表面加工三維成型、表面合成新技術等。,19,表面工程學：,第二章 表面工程技術的物理、化學基礎,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技術,20,第二章 表面工程技術的物理、化學基礎,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、結構和性能（或功能）的化學、物理方法與工藝。,表面工程技術：,了解表面 了解影響表面性能的主要原因,,21,第二章 表面工程技術的物理、化學基礎,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,無限晶體中插進一個平面，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 表面工程技術的物理、化學基礎,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：,材料表層原子結構的周期性不同于體內，但其化學成分仍與體內相同的表面。,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，例如高溫熱處理、離子轟擊加熱退火、真空沉積、場致蒸發(fā)等；清潔表面在工業(yè)生產中較易得到，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

11、的物理、化學基礎,第一節(jié) 固體的表面與界面,一、典型固體表面,3、機械加工過的表面,機械加工過的表面是不可能絕對光滑的。我們用波紋度和粗糙度來評價零件表面微觀形貌。,4、一般表面,一般表面會吸附一層外來原子，金屬表面會有氧化層。,24,第二章 表面工程技術的物理、化學基礎,第一節(jié) 固體的表面與界面,二、典型固體界面,界面：,兩個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，常見界面類型有：,1、基于固相晶粒尺寸和微觀結構差異形成的界面,拋光金屬的表面組織,微晶層（比爾比層）：離表面5nm區(qū)域內，點陣發(fā)生強烈畸變，

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。,25,第二章 表面工程技術的物理、化學基礎,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構差異形成的界面,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，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 表面工程技術的物理、化學基礎,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）冶金結合界面,當覆蓋層與基體材料之間的界面結合時通過處于熔融狀態(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晶而形成時，覆層與基材的結合形成的界面。結合的實質是金屬鍵結合。,例：激光熔覆、堆焊、噴焊等,前橋模具激光熔覆,27,第二章 表面工程技術的物理、化學基礎,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）擴散結合界面,兩個固相直接接觸，通過抽真空、加熱、加壓、界面擴散和反應等途徑鎖形成的結合界面。,例：熱擴滲技術,特點是：覆層與基材之間的成分梯度變化，并形成了原子級別的混合和合金化。,28,第二章 表面工程技術的物理、化學基礎,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）外延生長界面,當工藝條件合適時，在單晶襯底表面沿原來的結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：化學氣相沉積 液相外延：電鍍,特點是：覆層與基材之間的成分梯度變化，并形成了原子級別的混合和合金化。,29,第二章 表面工程技術的物理、化學基礎,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）化學鍵結合界面,當覆層材料與基材之間發(fā)生化學放映，形成成分固定的化合物時，兩只那個材料的界面。,例： 物理或化學氣相沉積、粒子注入、化學轉化膜等。,特點是：化學鍵結合強

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 表面工程技術的物理、化學基礎,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）化學鍵結合界面,涂鍍層與基材表面以范德華力結合的界面。,例：物理氣相沉積、涂裝等。,6）機械結合界面,覆層與基材的結合主要通過兩種材料相互鑲嵌的機械連接而形成界面。,例：熱噴涂、包鍍等。,純銅包鍍純銀,31,第二章 表面工程技術的物理、化學基礎,第一節(jié) 固體的表面與界面,三、表面晶體結構,溫度為0K： 表面原子結構呈靜態(tài)，表面是理想表面,溫度升為T：,原子高度的臺階、單分子或原子尺度的扭轉以及表面吸附

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