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1、,第六章应用,由于材料表面工程技术是应用物理、化学、电子学、机械学、材料学等多学科的最新知识，对产品或材料表面进行处理，赋予材料表面减摩、耐磨、耐蚀、耐热、隔热、抗氧化、抗疲劳、防辐射以及声光电磁热等特殊功能的技术。不仅技术含量高，产品附加值高，综合收益大，投资见效快，而且节约材料资源，保护环境，降低能耗，所以它的应用及其广泛和重要。从当前工程应用量较大上看，表面工程技术主要是改善机械零部件、电子、电器元器件、人体生物医学植入体等部件基体材质表面性能的科学和技术。对机械零部件，主要通过表面技术处理提高机械零部件表面的耐磨、耐蚀、耐热性和抗疲劳强度等性能，使整个机器在高速、高温、高压、重载、强介
2、质腐蚀等恶劣工况下能持续、安全的运行；对电子电器元器件，主要通过表面处理提高元器件表面的电、磁、声、光等物理性能，使经表面处理的元器件产品容量大、传输快、体积小，具有高转换率、高可靠性、高稳定性；对于家电产品，主要通过表面处理提高家电产品表面的耐蚀、美观等性能；对于生物医学材料，主要通过表面处理提高人造骨骼等人体植人件的耐磨、耐蚀及与人体的生物相容性，以保证患者的健康，能正常生活。可以说，表面工程技术的应用，已成为2 1世纪工业发展的关键技术之一。下面对一些具有代表性，又十分重要的方面看一看它的应用。,6.1航空航天工业中的应用,表61 热喷涂耐磨涂层在国内航空上的应用,表6-2,抗热障、抗高
3、温氧化上常采用渗镀、磁控溅射、低压等离子喷涂(LPPS)和阴极多弧镀技术和渗镀技术。还有封严、耐磨、减摩、阻燃、润滑等涂层。如在叶片上早期渗镀Al-Cr，AlSi，A1-Ti，用PVD法在叶片上沉积.A1-Cr，.A1-Si，A1-Ti，20世纪80年代用PVD法沉积MCr.A1Y一和用LPPS法喷涂NiCoCrAlYTa，NiCoCrAIYHt，NiCoCrAlYHfSi，NiCoCrAlYTaHf超合金涂层。现今已用NiCoCrAlYTa六元超合金涂层装备了国产的战机，进一步提高了叶片的抗氧化性能和抗热腐蚀的能力。还研制成功适用于450钛合金叶片WCCo耐磨涂层；适用于840以下涡轮机叶片
4、、叶冠、涡轮后机匣的CoNiCrW耐磨涂层；适用于350-1600的聚苯脂铝封严涂层，镍包石墨封严涂层。根据不同使用环境特点，发动机部件涂覆大量的、类型各异的涂覆层，甚至在一个关键零部件上，采用多种涂层。如在钛合金压气机转子叶片、叶身上喷涂耐磨耐冲刷的涂层，而在榫头部位电镀防粘防啮合的银镀层，在叶尖上用防钛燃烧的阻燃涂层。又如在涡轮机叶片、叶身上用PVD法沉积MCr.A1Y。抗高温氧化粘结涂层，再沉积Y2O3稳定的ZnO2陶瓷涂层，而榫头仅允许沉积厚度较薄，对机械疲劳性不损伤的抗氧化涂层，叶尖则喷涂抗氧化的高温耐磨封严涂层等。今天波音飞机先进的起落架也已使用超音速火焰喷涂的WC涂层，军机上用的
5、钛合金传动轴花键、摩擦受力的关键部位都沉积有类金刚石膜层。,6.2汽车工业中的应用,当今的现代汽车工业，充分利用各种表面技术，已使汽车成为深受人们喜爱的、完美艺术的现代交通工具。在汽车车身、底盘、电气设备、发动机、塑料件都在涂装生产线上进行表面处理。在汽车钢构件的耐蚀与耐磨以及汽车的活塞环、连杆、齿轮、销轴与表面技术都已完全实用化。此外运用喷涂技术在轿车、载重汽车的变速箱从动齿轮表面喷金属钼涂层，使表面硬度HV可达700-1000，大大提高了齿轮使用的耐磨寿命。在汽车用铸模、铝模具上进行表面处理，不仅提高了脱模效果，还提高模具使用寿命50，且零部件的光洁度高。,车刀、铣刀、滚刀、发动机凸轮轴、
6、缸套等的强化其中涂层刀具在汽车机械加工中的应用效果十分明显。不仅减少了刀具的消耗，延长了刀具的使用寿命，更使机械加工切削速度加快，被加工的零件光洁度高。目前，汽车工业用的齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀、圆盘拉刀、圆形样板刀、钻头、丝锥大都采用物理化学气相沉积的现代表面技术，在刀具上沉积TiN，Ti(CN)，(TiAl)N，ZrN，HfN等。如经TiN沉积的剃齿滚刀、花键滚刀使用寿命分别提高22.5倍和34倍。在我国的成都、哈尔滨、上海、北京等地已建有专用的涂层刀具生产线，供应TiN的涂层刀具系列产品。在采用表面改性技术上，如用喷丸强化，使汽车的汽阀弹簧、变速箱的倒挡齿轮解决了断裂；用滚压强化，使球
7、铁曲轴抗变疲劳极限提高152；发动机用凸轮轴，用离子渗氮，使凸轮轴的表面硬度HV达到650720，其轴的耐磨性、抗擦伤性能显著提高；发动机的缸体、缸套采用激光表面淬火处理，在表面形成螺旋状分布的激光强化层硬度HV可达680750，不仅改善了缸套与活塞的润滑，还使摩擦系数降低，耐磨性提高2530，延寿2542。1998年国内已形成12条年产120万件汽车缸套的激光表面处理生产线。此外，用离子注入N，C的改性技术，也可大幅度提高金属成形刀具、模具的使用寿命，因其目前生产成本相对较高，离子注入没有普遍采用。,6.3城市建设中的应用,居民的住房越来越舒适漂亮；高级宾馆、文化娱乐大剧院、歌舞厅、音乐厅、
8、超级市场、购物中心、高层的摩天大厦等现代城市建筑，所用的各种玻璃幕墙、精美华丽的表面装饰，都是采用表面涂镀技术。电视机、收音机、移动通讯用的发射塔以及进人家庭的自来水、电话、暖气、煤气、天然气埋入的各种管线，用钢结构的都需要进行表面防护。为解决城市交通的拥挤，各种立交桥、钢缆斜拉桥、路灯杆、路标等都在设计上采用了表面防护技术。,6.4 家用电器工业中的应用,表面技术不仅制备出精美的家电产品，更重要的是提高和改善了家电产品的使用性能，创造出许多具有时代特征、美好形象和市场竞争力的质优产品。如含氟涂料具有的耐热、耐磨、防粘等优良特性，在家电中的电饭锅、抽油烟机、煎锅、电熨斗、烤炉上得到应用，大大地
9、提高了这类家电产品的使用性能。在空调器中的蒸发铝肋片中，因制冷过程中凝露水的腐蚀，使空调器的使用寿命大为降低，现今在铝肋片的表面涂敷上一层薄薄的疏水膜，就可使凝露水珠粗化，迅速从铝肋片上脱落，从而避免了对铝肋片的腐蚀，提高了空调器的整体使用性能，并延长了空调器的使用寿命。各种花色品种的闪光涂料、透明涂料、多彩涂料、无光涂料，在洗衣机、电冰箱、电饭锅、电风扇、空调器、电视机、收音机、VCD、DVD机都普遍得到应用，从而促进了家用电器的发展和档次的提升。目前看，用表面技术主要是提高家电产品的防护、装饰和使用性能。主要有涂料涂装、电镀、功能转化膜、表面抛光、表面着色等。在表面涂装上，广泛采用静电粉末
10、喷涂技术，就粉末涂料用量而言，1998年，年用量为8 t，其中70以上用于家用电器，不仅提高了外观品质，还提高了耐蚀性能。有的空调器设备外壳，先用阴极电泳底漆，再涂耐候粉末涂料，一些室内机的塑料外壳，用光固涂料，总体品质和外观装饰都可和国外同类产品外观相媲美，远销海外。塑料金属化、塑料镀膜、耐磨耐蚀塑料镀膜、无铬钝化、低温磷化、高红外(高强度红外辐射)快速凝固技术等一些表面工程技术，都会在我国家用电器的市场竞争中得到广泛的应用和发展。,6.5钢铁工业中大型部件的应用,在传统的钢铁工业中，解决大型部件耐磨、耐蚀的难题，大多以各种表面喷涂的技术为主。从西方发达国家各种“辊类”在钢铁工业中的应用上看
11、，取得显著应用实效的热喷涂辊类占各种辊类数的85以上。如CoWC喷涂的张紧辊，使用寿命由镀硬Cr的2.5年提高到5年；又如退火炉辊，过去平均每月需停机30 min进行检修，经热喷涂后，则可保持3年内不检修，还大幅提高了钢带的品质。在日本钢铁公司热喷涂的退火炉辊的比例，从1 982年的20上升到1989年的100，而带钢因辊面“结瘤”引起产品报废，由80下降到零。在热浸镀Zn、Al、Sn生产线上应用的沉浸辊，因受熔融液体对沉浸辊、稳定辊694800铝液和452570 C|C锌液的浸蚀，同时又因钢带内辊面带动，运动速度高达3540 ms，合金辊一般在铝液和锌液中的使用寿命分别为23天和10天，就在
12、辊面上产生很深的磨痕和蚀坑，并划伤钢带表面，使钢带次品率增加，采用等离子喷涂A12O3+TiO2、MgO一ZrO2、MoAl2O3与NiCrAlY形成梯度涂层，涂层总厚为1 mm；和用HVOF喷涂CoWC涂层，由于喷涂的涂层材料与Al、Zn液不润湿，不发生化学反应，上述两种喷涂工艺的涂层分别在热浸A1、Zn生产线上运作，其使用寿命提高34倍。表63是各种辊类经热喷涂在钢铁工业中的应用实例。,表6-3,在我国，钢铁工业巾的轧辊、炉底辊，通过表面耐磨热喷涂涂层技术处理，其使用寿命提高24倍。如在武钢硅钢片生产线上采用等离子喷涂NiCr一8Y2O3ZrO2涂层于硅钢片高温退火炉辊防积瘤，该炉辊长27
13、00 mm，工作部位长1500 mm，辊径20 mm，T作温度890920 CC，二作介质为氮氢还原性气氛，并具有不同露点，涂层后使用寿命超过6个月，最长达两年，抗积瘤效果明显，硅钢片品质达设计要求。又如，在宝钢轿车用薄板生产线上的大型退火炉辊(CAPL辊)，用HVOF喷涂工艺喷涂厂一层与铁的亲和力低、膨胀系数与炉辊基体材质相匹配，能耐高温磨损，能长期维持表面粗糙度的涂层，该涂层可使炉辊面减少积瘤的发生，使生产的轿车薄板获得了高的品质，使用寿命达4年以上。此外，高炉的渣口、风口、各种加热管、热偶保护管、连铸机的轧辊以及大型挤压机的柱塞等大型关键部件，都可通过喷涂耐高温氧化的复合陶瓷涂层加以解决
14、，大大减轻了连续生产过程中的检修、抢修，延长了大型部件的使用寿命，经济效益十分明显。,6.6 电力、石化、机械工业中的大型部件上的应用,电力工业中的锅炉“四管”通过喷涂耐磨、耐蚀的NiCr，FeCrA1，可使锅炉的使用寿命提高61 0倍。汽轮机汽缸结合面，由于气蚀造成漏气，致使汽缸结合面损坏。通过涂镀耐高温耐磨的镍基合金，完全可以得到修复，完好如新的使用，如我国大亚湾核电站用的汽轮机汽缸盖。又如火电厂用的磨煤机，火轮机的叶轮，吸排风机叶轮，喷涂耐磨耐蚀的镍基合金，WC，使排风吸风叶轮使用寿命提高3倍以上。在石化工业中，大量的石油贮罐，通过喷涂防腐铝，可使防腐年限达1 5年以上。化工中的容器、管
15、道、各种反应釜通过喷涂耐蚀的金属、陶瓷、塑料都可使使用寿命延长。化工厂大量的液泵、叶轮、耐磨环喷上耐蚀耐磨的Cr2 03。各种阀门喷上耐蚀耐磨的镍基不锈钢都十分见效。在机械工业中表面技术的用途更为宽广，一些大型的轴类、电机转子喷上镍基合金，高碳钢，在耐磨上已经很普遍。一些机械的密封环喷涂WC+Co十分耐磨，效果显著。还有在长江三峡工程用的挖泥船用的柴油机大型曲辊，磨损后采用电弧喷涂在现场施工，用铝青铜作底层，再喷3 Crl 3工作层，修复后使用寿命大大延长。,6.7功能材料和元器件中的应用,这里所指的功能材料主要是那些具有优异的物理、化学、生物功能，以及一些声、电、光、磁等互相转换的功能，并用
16、之于高新技术的材料。如电学特性的导电性、超导性、电阻特性、绝缘性、半导体性、波导性、低接触电阻特性、约瑟夫逊效应等。通过表面技术中的涂装技术，化学镀技术，气相沉积(物理、化学)技术，离子束表面改性技术，离子注入等技术来制备。如现今的液晶显示用的导电玻璃，表面扩散制成的NbSn线材，一些薄膜电阻材料，绝缘涂层，半导体薄膜材料，波导管，低接触电阻开关，约瑟夫逊器件等等。磁学特性的磁记录，存储记忆，电磁屏蔽和磁阻等，通过气相沉积技术，涂装等表面技术制备出磁记录介质、磁带、磁泡材料、电磁屏蔽材料、薄膜磁阻元件等等。光学特性的发光特性，反射性，防反射性，增透性，光选择透过性，分光性，光选择吸收性，偏光性
17、，光记忆等，通常通过电镀、化学转换处理，涂装，气相沉积等表面技术制备出发光材料，反射镜，防眩反射镜，激光材料增透膜，反射红外线，透过可见光的透明隔热膜，多层介质膜组成的分光镜，太阳能选择吸收膜，起偏器，薄膜光致变色材料以及各种镜头的保护膜等等。声学特性的高保真传声，声表面波，声反射和声吸收等。通常用气相沉积涂装等表面技术制备声学振膜装成高保真喇叭，声表面波器件及吸声涂层等等。化学特性的耐腐蚀、防玷污、杀菌，选择性过滤，活性等。通过大多数的表面技术制备出在多种介质和温度条件下的耐蚀防护涂层，各种医用器件的防沾性，餐具镀银杀菌，镀金刚石膜防菌以及各种分离膜材料、活性剂等等。热学特性的导热、耐热、蓄
18、热、热反射、热膨胀、保温绝缘、吸热等，大多用电镀、涂装，气相沉积等表面技术制备出散热材料、集热板、集热管、双金属温度计、保温材料、耐热涂层，高层建筑用的热反射镀膜幕墙玻璃、吸热材料等等。各种转换功能诸如光一电，电一光，热一电，电一热，光一热，力一热，力一电，磁一光，光一磁等转换功能。这类功能的转换往往通过涂装、粘结、气相沉积、等离子喷涂来制备薄膜太阳能电池，电致发光器件，电阻式温度传感器，薄膜加热器，选择性涂层，电容式压力传感器，磁光存贮器，光磁记录材料等等。,6.8 电子技术中的应用,电子技术的飞速发展，促成了电子产品不断推陈出新，日新月异。特别是个人计算机与高速计算机的发展，离不开集成电路
19、的技术支撑，正因为有了由大规模集成电路和超大规模集成电路所构成的微电子器件，才出现了近代的电子技术。这此大规模、超大规模的集成电路的材料基础，就是厚度为微米级到纳米级范围的薄膜。20世纪70年代中，所用离子注人对微电子电路实现的表面改性，用离子注人取代热扩散工艺进行的精细掺杂，定量掺杂，使芯片元件的集成度越来越高，存储能力越来越大，发展成为今天的超大规模集成电路。VC D.DVD光盘的出现与发展和今天的普及，也得益于真空表面蒸发镀膜技术的成熟与发展。镀制的膜层已经实现了反复使用的可擦光盘。现代薄膜技术的不断发展，促进了信息密度的大提高。一个信息密度为106 bitcm2的光盘(100 cm2)
20、可存30页的论文，同样大小的光盘，把信息密度提高到108 bitcm2，就能储存300页的书10本，若提高到1010 bitcm2和1012 bitcm2，分别能储存300页的书1000本和10万本，一块3.5英寸的软盘可存的书相当于一个省级图书馆。1012 bitcm2的超高信息存储密度，它比现行的微电子器件的密度高46个数量级，要达到1012 bitcm2的超高信息存储密度，是一种用真空沉积而得的“有机复合薄膜”。用真空热壁法沉积成的具有纳米尺度的inNBMNDAB复合膜(其中的IllNBMN为强有机电子受体，DAB为电子给体)用扫描隧道显微镜(AFM)和STM写入和读出。目前在国内，氧化
21、铟锡(ITO)靶材通过大面积磁控溅射的方法，镀制的ITO导电玻璃已广泛用于与大规模集成电路相匹配的液晶显示器。从手表、时钟、计算器发展到计算机终端显示，移动电话显示，各种仪器仪表，通讯等大面积的显示器，我国的ITO导电玻璃年生产规模已大于300万m2，远销西方发达国家和东南亚。随着数字技术现代化模拟技术的发展，液晶平面显示器必将取得更大的发展和更广泛的工业应用。,6.9保护、优化环境中的应用,大气净化 根据测算，人类造成的总的温室效应大约比人类所产生的CO2造成的温室效应大1.5倍，CO2是产生温室效应的主要气体，以及飞机、汽车等的废气排放治理方法中经常采用气相沉积和涂覆的表面技术，制成触媒载
22、体就是其中的一种有效治理的技术途径。水质净化 水质净化过滤膜材可通过表面沉积、喷涂、涂覆技术进行制备。杂质吸附 经表面技术制备成吸附剂，可使空气、水、溶液中的有害成分被吸附，还可去湿、除臭。如冰箱、厕所、厨房中用的除臭剂，就是在氨基甲酸乙酰泡沫上涂覆铁粉，经烧结制成具有除臭功能的除臭剂。抗菌灭菌 目前Ti02光催化剂引人注目，它可以把一些污染的物质分解，同时又凶这种催化剂有粉状、粒状、薄膜状而易利用。若在Ti02光催化剂中加入银、铜、锌、铂等元素，不仅可增强TiO，的光催化作用，更具抗菌、灭菌之作用。又如在医院的病房门手柄表面沉积上一层“类金刚石”薄膜不仅具有防霉的干净功效，更可以防止因细菌的
23、粘附而引起细菌性疾病的传染。活化功能，在水的净化器装置中涂覆上远红外的陶瓷涂层，使水具有活化作用，有利于人的饮水健康。,生物医学上，使用的医用涂层仍可保持基体材料性质的基础上增加生物活性，保证基体表面生物学性质，阻止基体材质离子向周围组织溶出扩散，并大幅度提高基体材质表面的耐磨性、绝缘性和生物相容性。用等离子喷涂、气相沉积、离子注入等先进表面技术，在不锈钢的高频手术刀表面上沉积类金刚石膜，利用类金刚石膜表面能小、不润湿等特点，通电开刀时不发出难闻臭味，不粘肉，十分锋利。明显地改善了医务人员的工作条件。在人工心脏瓣膜的不锈钢和钛上，先表面沉积非晶硅，然后改变条件，使沉积层从富硅逐渐变成富碳，最后
24、再表面沉积类金刚石膜，进一步改善了膜基结合，也满足了人工机械心脏瓣膜的生物相容性。又如人工关节中的凸球，关节的转动部分的接触面因长期摩擦产生磨屑与肉体接触会使肌肉变质、坏死，导致关节失效。利用类金刚石膜无毒、不受液体浸蚀，沉积在人工关节转动部位上不会凶摩擦产生磨屑，更不会和肌肉发生反应，可大幅度延长人工关节的使用寿命。另外，还有在金属材料上涂覆或沉积生物陶瓷用作人造骨、人造牙等医学用植人体。绿色能源中太阳能电池，热电半导体，制冷磁流体发电，风能发电，海浪发电，太阳能热水器等。在这些能源装置中都采用着表面的沉积、涂镀技术。又如人们现今利用自然光的洁净能源，通过涂敷、沉积镀膜的表面技术方法，研究能
25、调光、调温的“智慧窗”，用涂层和膜层使洁净的自然光为人的舒适服务。马路上行驶的汽车、飞机的起降、城市建设的施工所产生的噪声污染一直是城市居民十分关心的问题。其中降噪的一种有效办法是在一些关键部位和周围环境中使用表面技术涂覆一种表面降噪吸音材料，可减小噪声造成的污染。,6.10研究和制备先进新材料中的应用,先进的高新技术发展很大程度依赖于先进新型材料优异性能的发现和应用。许多材料经表面技术的处理或加工，可以获得许多远离平衡态往往又具有一些特殊性能的新材料。特别在薄膜的微结构、晶粒演变、超晶格结构，配制二元、三元、多元合金，各种化合物膜、多层膜，多相材料等方面展示出十分丰富新颖的研究成果。特别是等离子体、电子束、离子束、激光束、微波等离子的一些最新成果的应用和一些先进的化学气相沉积、物理气相沉积、离子注人和离子辅助沉积、高速火焰喷涂、低压等离子喷涂、液体喷涂、冷喷涂等先进表面工艺技术的涌现，对现代材料表面工程起到了巨大的促进作用，引发了材料表面技术的新进展，导致材料表面技术的新进步。表64列举了一些通过材料表面技术在研制新材料中的应用实例。,表6-4,考试题,简述等离子喷涂涂层形成原理？（500字左右）等离子喷涂涂层的性能有哪些方面？如何检测？（2000字左右）,要求：1月3日前发送至，请写清学号及姓名。（12月31日的课不在教室上，用于同学开卷考试）有事，,
