董瑞學-材料表面工程.doc

《董瑞學-材料表面工程.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《董瑞學-材料表面工程.doc（6頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

研究生課程（論文類）試卷 2 014 /2 015 學年第 1 學期 課程名稱： 材料表面工程 課程代碼： 27000013 論文題目： 納米表面工程 學生姓名： 董瑞學 專業(yè)﹑學號： 機電功能材料、142312114 學院： 材料工程學院 課程（論文）成績： 課程（論文）評分依據(jù)（必填）： 任課教師簽字： 日期： 年 月 日 課程（論文）題目：納米表面工程 1 引言 表面工程技術是表面處理、表面涂鍍層及表面改性的總稱。表面工程技術是運用各種物理、化學和機械工藝過程來改變基材表面的形態(tài)、化學成分組織結構或應力狀態(tài)而使其具有某種特殊性能，從而滿足特定的使用要求。 隨著納米科技的發(fā)展,微機電系統(tǒng)的設計、制造日益增多,制造技術與加工技術已由亞微米層次進入到原子、分子級的納米層次。如日本已研制成功直徑只有1mm～2mm的靜電發(fā)動機、米粒大小的汽車。美國已研制成功微型光調(diào)器,并計劃研制微電機化坦克、納米航天飛機、微型機器人。在光電子領域,日本NEC公司在GaAs基體表面上,利用分子外延技術,把所需的原子噴射到一塊半導體表面上,形成特定的島狀晶體而成功制作出具有開關功能的量子點陣列。美國已制造出可容納單個電子的量子點,而量子點小到可在一個針尖上容納幾億個。這些技術都是在特定表面上實現(xiàn)的,屬表面工程范疇。但隨著尺度的減少,表面積與體積之比相對增大,表面效應增強,表面影響加大,傳統(tǒng)的表面設計和加工方法已不再適用。為適應納米科技發(fā)展帶來的變化,需建立與之相適應的表面工程——納米表面工程。 納米粒子的表面效應使雜質(zhì)在界面的濃度大大降低,從而改善了材料的力學性能。同一材料,當尺寸減小到納米級時,由于位錯的滑動受到限制,表現(xiàn)出比基體相材料高得多的硬度,其強度和硬度可提高4一5倍。如n一Fe晶斷裂強度比普通鐵高12倍;納米碳管密度僅為鋼的1/6,但其強度比鋼高100倍,楊氏模量估計可高達5TPa,這是目前可制備的最高比強度的材料12,3]。研究發(fā)現(xiàn),骨、牙、珍珠和貝殼之所以具有很高的強度,是因它們由納米輕基磷酸鈣、納米磷酸三鈣與少量的生物高分子復合組合而成。納米材料界面量大,界面原子排列混亂,原子受外力作用產(chǎn)生變形時,很容易遷移、擴散,表現(xiàn)出甚佳的塑性、韌性、延展性,比粗晶高1016-1019倍的擴散系數(shù)。如28nm的n一20Ni一P在280oC時的伸長極限比257nm的高3.7倍,n-euFZ和n-TIOZ室溫下的塑性變形也有類似現(xiàn)象。具有高強度、高塑性甚至超塑性的納米材料,對材料的表面改性具有特殊意義。小尺寸效應使納米材料的熱容和散射率比同類其它材料大,其熔點和燒結溫度顯著下降,在常溫和次溫條件下加工陶瓷和合金成為可能。另外,納米材料電磁性能的改變及極高的光吸收率(夕99%),可用于制作紅外敏感元件、雷達波吸收材料等J軍事上有特殊的應用前景。納米材料在力電聲光熱磁等方面的許多特性,對加工具有特殊表面功能的材料提供了前所未有的機遇。 納米表面工程是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎,通過特定的加工技術或手段對固體表面進行強化、改性、超精細加工或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。簡言之,納米表面工程就是將納米材料和納米技術與表面工程交叉、復合、綜合并開發(fā)應用。因納米表面工程以具有許多特質(zhì)的低維非平衡材料為基礎,它的研究和發(fā)展將產(chǎn)生具有力、熱、聲、光、電、磁等性能的許多低維度、小尺寸、功能化表面。與傳統(tǒng)表面工程相比,納米表面工程取決于基體性能和功能的因素被弱化,表面處理、改性和加工的自由度擴大,表面加工技術的作用將更加突出。 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀： 2.1 納米結構電鍍層 眾所周知,鍍鋅經(jīng)常作為鋼鐵材料表面的有效保護涂層。它的耐腐蝕性決定了鍍層的使用壽命。HEjian-ping等在電鍍液中添加5g.dm3的CeO2納米顆粒后,所得鍍層中Ceo2的含量為0.22%,此時鍍鋅層的耐蝕性比純鋅鍍層的提了40%八60%。分析其原因,認為這是由于Ceo2納米顆粒的存在使得電鍍層的微觀結構更加均勻、細密,并使得晶面生長的擇優(yōu)取向由純鋅的(101)和(103)變?yōu)閱我坏?101)所致。 2.2 利用碳納米管制備復合涂層 納米碳管(CbaronNnoaubtes,簡稱CNTs)即管狀的納米級石墨晶體,是單層或多層石墨片圍繞中心軸,按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管。它具有特殊的力學、電學和化學性質(zhì)以及獨特的準一維管狀。在未來高科技領域中具有許多潛在的應用價值。清華大學在利用CNTs熔覆制備表面材料方面取得了卓有成效的研究結果。魏秉慶等用激光熔覆和后續(xù)淬火處理對以45鋼為基體的CNTs涂層進行改性,在基體表面形成了CNTs一45鋼復合材料。 2.3 金屬材料的表面自身納米化 眾所周知,大多數(shù)材料在服役時的失穩(wěn)始于其表面,因此只要在材料的表面制備出一定厚度的納米結構表層,即實現(xiàn)表面納米化,就能夠通過表面組織和性能的優(yōu)化提高材料的整體力學性能和環(huán)境服役行為。對于多晶材料,采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能,可以使粗晶組織細化達到納米量級,非平衡方法包括機械(加工)處理法和非平衡熱力學法。盧柯院士使用表面機械研磨處理(SMAT)技術,以及一些常規(guī)的表面處理技術如噴丸和沖擊等在純鐵、低碳鋼、不銹鋼和鋁基合金等常規(guī)金屬材料上制備出納米結構表層。 2.4 納米薄膜 2.4.1 單層納米薄膜(ZD)的制備 2D的制備常采用PVD和CVD和電沉積法。另外,有人用模仿動物牙齒和骨骼生長的方法制作超晶薄膜,也有人用激光剝蝕和真空氣量控制的方法制作2D。于淑芳等由沉積在單晶硅片上的聚酞亞胺LB薄真空熱解,也制得了β一SiC單晶超薄膜。在硬質(zhì)膜的開發(fā)中應提及的還有C3N4。自Liu和Choen首次用理論預測存在一種比金剛石還硬的碳氮化合物(β一C3N4)后,國內(nèi)外科學家采用各種方法合成它，并取得一定進展。在SiPt上合成的含有一定量α一C3N4的β一C3N4,其體積彈性模量可達349GPa。 2.4.2 納米多層疊膜的制備 疊層膜是廣義上的金屬超晶格,因二維表面上形成的特殊納米界面結構的二元協(xié)同作用,表現(xiàn)出既不同于各組元也不同于均勻混合態(tài)薄膜的異常特性一超模量、超硬度現(xiàn)象、巨磁阻效應和其它獨特的機械、電、光及磁學性能等,在表面改J性、表面強化和表面功能化改造等領域極具潛力。現(xiàn)在通過PvD、CvD和電沉積技術已制備Cu/Ni、Cu/Pd、Cu/AI、Ni/MO、TiC/N、TiC/W和TiN/AlN等幾十種納米多層疊膜。 2.4.3 有序分子膜的制備 有序分子膜包括Langmuir一Blodgett(簡稱LB)膜和sel-AssembledMonolayers(簡稱SAMs)膜,即分子自組裝膜。LB膜是將氣液界面上的分子單層膜,通過物理機械過程,轉移到固體基片上來構筑有序單層或多層膜的。膜中分子與基片僅靠物理吸附發(fā)生作用,同層分子間靠范德華力相連J因此膜的穩(wěn)定性差。SA是讓液相中的活性分子,通過固液界面的化學吸附或化學反應,在基片上形成化學鍵連接的、取向緊密排列的二維有序單層膜或多層膜。SA膜比LB膜更穩(wěn)定,具有更好的摩擦學應用前景。 2.5 超高精度表面加工 用分布很窄的0-D作磨光材料,可加工表面粗糙度(Rmax)為0. 1 nm～1 nm的超光表面,如高級光學玻璃、晶體、寶石、金相表面等,其加工精度比傳統(tǒng)的磨光加工提高了一個數(shù)量級。使用的拋光液是含n-MoS2、n-A l2O3、n-SiO2、n-Cr2O5等納米微粒潤滑油。表面超精加工的另一方面是對材料表面進行納米尺度超微細圖形加工,這是制備納米結構和器件的關鍵。如Sohn等[24]用AFM針尖對PM-MA /MMA超薄膜進行機械刻蝕,制得40nm寬的金屬鉻線;M agno等[25]用AFM針尖直接在半導體上刻劃出溝槽,最細可達寬20 nm、深2 nm。最著名的例子是用SPM針尖在鎳金屬表面用35個原子擺出的IBM字樣。材料納米尺度表面加工通常采用電場誘導局域物理化學變化和機械刻劃等。 2.6 制備功能涂料 納米粒子添加的靜電屏蔽材料比碳黑添加的靜電屏蔽材料用于電器具有更好的靜電屏蔽作用。為了改善靜電屏蔽涂料性能,日本松下公司已用n-Fe2O3、n-TiO2、n-Cr2O3、n-ZnO等研制成功具有優(yōu)良靜電屏蔽作用的納米涂料,且不同粒度、不同種類的納米材料其顏色各不相同,因此可調(diào)配出不同顏色的靜電屏蔽涂層,不會像碳黑屏蔽涂層那樣顏色單一。 納米粒子的光反射率低,加之其電磁性能的改變,可用于制造紅外線吸收涂料和雷達波吸收涂料。美國花上億美元研制了一項頂極絕密技術——納米雷達吸波涂料,每輛坦克只需花5000美元就可獲得涂層薄、吸波率高、吸收波帶寬的隱身涂層,具有極高的軍事利用價值。采用金屬、鐵氧體等納米微粒與聚合物形成的0～3型復合涂層和采用多層結構的2～3型復合涂層,能吸收和衰減電磁波和聲波,從而達到電磁隱身和聲隱身的作用,這在潛艇等軍事領域有廣闊的應用前景。 2.7 制備抗磨減擦潤滑圖層 近年來,以零磨損、超滑[33]為目標的納米粒子在表面改性技術、表面分子工程也取得了進展。如DLC膜、N i-P非晶膜和非晶碳膜等作為磁盤表面保護膜,以及利用LB膜技術組裝有序分子潤滑膜,獲得了優(yōu)異的減磨抗磨性能,使軟磁盤表面每運行10 km～100 km的磨損量小于一層原子,硬磁盤磨損率為零。通過研究納米薄膜微觀磨損特性,了解材料表面的物理化學狀態(tài)[34],優(yōu)化薄膜設計、完善膜的制備方法,則納米超薄膜,特別是具有硬度高、耐磨能力強的BN、A l2O3、TiN、Si3N4膜和具有超模量、超硬度的納米疊層膜,以及SA膜、MD膜等在摩擦學領域將有更大的實用價值。 2.8 制作功能復合鍍層 在電鍍或化學鍍時,加入納米粒子,可形成復合鍍層。如化學鍍Ti一P鍍層的磁盤基板表面若采用含納米金剛石(DNP)的復合鍍后可減摩50%。用來生產(chǎn)磁頭和磁性記憶儲存器磁膜的Co一P化學鍍液中添加DNP形成復合鍍層,其耐磨性提高2~3倍。用于模具鍍鉻的DNP復合鍍層,壽命提高、精密度持久不變,長時間使用鍍層光滑無裂紋。用于鉆頭鍍鉻的DNP復合鍍層,壽命成倍提高。汽車摩托車汽缸體(套)的Ni一金剛石納米復合鍍,可使汽缸體壽命提高數(shù)倍。 3 納米表面工程的科學問題 納米表面工程的科學問題主要有3個：①材料的表面改性、界面及非平衡條件下低維材料的結構和行為，如納米等低維非平衡材料結構的形成演化及表征，以及對結構、物理性能、化學性能、力學性能等基本問題進行深入研究，有助于達到表面的優(yōu)化設計和有效控制；②觀、介觀和微觀的一體化研究，從而揭示出兩個新的科學問題：一是“尺度問題”，即怎么進行不同尺度層次－宏觀、介觀及微觀下的過渡及其相應的內(nèi)在聯(lián)系，如體相材料表面原子排布對單晶格、超晶格和納米超薄膜的生長、力學性能等有何影響；二是“群體演化問題”，即如何描述介觀、微觀結構和缺陷作為群體所體現(xiàn)的交互作用和演化問題；③“環(huán)境問題”，即宏觀環(huán)境中介觀材料的行為和作用，介觀環(huán)境中微觀粒子的行為和作用。 4 納米表面工程的前景展望 納米表面工程是表面工程技術發(fā)展的一個新階段,是納米科學技術與材料科學技術和表面工程的有機結合及應用。納米表面工程使得表面工程技術更加高效、優(yōu)異,同時進一步促進了納米科學技術的研究與發(fā)展。納米表面工程主要依賴介觀材料、介觀結構、介觀尺度來實現(xiàn)其加工與改性的目的。利用納米表面工程技術得到的表面不僅在各項物理、化學、力學性能上得到改善提高,而且更加節(jié)省資源降低污染。雖然納米表面工程的提出僅有幾年時間,它的廣闊前景已開始被人們接受和認識,有些納米表面工程技術已經(jīng)得到實際應用,隨著納米科技的發(fā)展和在其它學科對其需要產(chǎn)生的動力推動下,納米表面工程一定會更加發(fā)展壯大。 參考文獻： [1]周永強,李午申,馮靈芝,等.表面工程技術的發(fā)展與應用.Welding Tecnology,Vol.30 No.4 Aug.2001 [2]徐濱士,歐忠文,馬世寧,等.納米表面工程.中國機械工程,2000,11(6):707. [3]徐龍?zhí)?徐濱士,周美玲,等.含納米粉鍍液的電刷鍍復合鍍層試驗研究.中國表面工程,1999,12(3):7. [4]何峰,張正義,肖耀福,等.新一代潤滑劑;超細金屬粉固體潤滑劑.潤滑與密封,1997,50:65. [5]徐濱士.納米表面工程閱.北京:化學工業(yè)出版社,2003.13一1.5. [6]田偉,王軸,王典亮.納米表面工程的研究進展及展望.熱加工工藝,2006,35,6. [7]徐濱士,歐忠文,馬世寧.納米表面工程基本問題及其進展.中國表面工程,2001,3. [8]歐忠文,徐濱士,馬世寧,張偉,等,納米材料在表面工程中應用的研究進展.中國表面工程,2000,2.