一、概述
表面技術(shù)是表面處理、表面涂(鍍)層及表面改性的總稱,是通過運(yùn)用各種物理、化學(xué)或機(jī)械工藝過程來改變基材表面狀態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)或形成特殊覆層,使基體表面具有某種特殊性能,從而達(dá)到特定的使用要求的方法。
現(xiàn)在表面技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛??商岣卟牧系钟h(huán)境作用的能力,賦予材料表面某種功能特性,如光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等各種物理和化學(xué)性能,制造特殊構(gòu)件、零部件和元器件等。
表面技術(shù)主要通過兩種途徑來實(shí)現(xiàn):1、施加各種覆蓋層。采用各種涂層技術(shù),包括電鍍、化學(xué)鍍、涂裝、粘結(jié)、堆焊、熔結(jié)、熱噴涂、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、分子束外延制膜和離子束合成薄膜技術(shù)等實(shí)現(xiàn)。2、用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法,改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài),主要有噴丸強(qiáng)化、表面熱處理、化學(xué)熱處理、等離子擴(kuò)滲處理、激光表面處理、電子束表面處理和離子注入表面改性等方法。
二、表面技術(shù)的研究現(xiàn)狀
表面改性技術(shù)大致分為濕法、干法、激光表面處理三類。
濕法是利用在液相中發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)在材料表面進(jìn)行改性的方法。液相的種類有水溶液、熔融鹽、有機(jī)溶液。干法是在氣相中進(jìn)行各種反應(yīng),分為PVD(物理氣相法)、CVD(化學(xué)氣相法)和溶液噴射法。
1.濕法表面改性技術(shù)
?。?)用水溶液的方法
主要有陰極析出和陽極氧化法。陰極析出MZ++ze→M(M是金屬,MZ+是目的金屬離子,e是電子),在該法中必要的電子由電源提供,也稱為電鍍法,電子由還原劑提供的稱為化學(xué)鍍法,此技術(shù)以在基底金屬上形成膜為目的。
?。?)融鹽的方法
當(dāng)從水溶液中電解析出金屬困難或電流效率低,析出后擴(kuò)散性差的情況下可采用熔融鹽的方法。例如為提高鋼合金及銅表面的硬度,將銅及銅合金在含氟化鈹?shù)肉旣}熔融鹽中,在750℃電解處理,在銅及銅合金表面上形成Cu-2~4%Be膜,然后在350℃下熱處理,從過飽和固溶體Cu-Be膜中析出γ相從而達(dá)到表面硬化的目的。這種方法的工藝、裝置簡單并且適用性廣,在工業(yè)中有著極大的用途。
?。?)用有機(jī)溶液的方法及溶膠-凝膠法
有機(jī)溶液方法中有代表性的是AlCl3-醚液、AlCl3-NaCl-LiAlH4-THF液等的各種有機(jī)溶液劑中的Al陰極電鍍。溶膠-凝膠法是各種烴氧基金屬的加水分解引發(fā)的聚合反應(yīng)生成溶膠,隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行,溶膠變成凝膠,通過干燥、加熱得到最終產(chǎn)物。采用溶膠-凝膠法得到的無機(jī)材料形態(tài)可以是膜、粉末、纖維、整塊。用適當(dāng)?shù)幕撞牧喜捎萌苣z-凝膠法可在基底材料表面上獲得具有特殊機(jī)械性能、化學(xué)保護(hù)、光、電功能的膜從而達(dá)到功能化表面處理的目的。此法工藝簡單,且重復(fù)操作可獲得多層膜。
?。?)熱噴涂
熱噴涂是一種重要的表面工程技術(shù),在普通材料的表面噴涂保護(hù)層、強(qiáng)化層和裝飾層,可實(shí)現(xiàn)耐磨、耐蝕、耐高溫、絕緣、導(dǎo)光的功能特性。熱噴涂技術(shù)有許多工藝方法,目前應(yīng)用比較廣泛的主要有火焰噴涂(絲材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、爆炸噴涂、超音速火焰噴涂)、等離子噴涂和電弧噴涂。由于電弧性能不斷改善,電弧噴涂在20世紀(jì)80年代再次興起。其原理是通過送絲裝置將兩根絲狀金屬噴涂材料送進(jìn)噴極中兩導(dǎo)電嘴內(nèi),作為陰、陽極,利用其接觸短路生成電弧,熔化絲材,并用壓縮空氣霧化噴射到工件表面形成致密結(jié)合層。由于用電能作為能源,在節(jié)能和經(jīng)濟(jì)方面都優(yōu)于其它噴涂。
2.干法表面改性技術(shù)
化學(xué)氣相法是典型的干性表面改性技術(shù)。化學(xué)氣相法是利用基板上金屬與化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成薄膜的方法,可分為5類。
?。?)基板反應(yīng)法:基板自身發(fā)生反應(yīng)在表面上生成薄膜的方法。
如,Ti+2BCl3+3H2→TiB2+6HCl(1000℃)
?。?)分解法:通過反應(yīng)氣體中熱分解在基板上析出薄膜的方法。
如,CH3SiCl3→SiC+3HCl(1400℃)
?。?)氫還原法:以氫氣作為還原劑在表面上析出金屬的方法。
如,WF6+3H2→W+6HF(700℃)
?。?)反應(yīng)氣相法:在表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并析出反應(yīng)生成物。
如,2TiCl4+C2H2+3H2→2TiC+8HCl(700℃)
?。?)化學(xué)傳輸法:原料金屬作為反應(yīng)裝置的一部分,化學(xué)反應(yīng)在氣相中進(jìn)行,在基板上分解成目的金屬。
如,Ti+TiCl4→TiCl2(1000℃) 2TiCl2→Ti+TiCl4(600℃)
3.激光表面處理
激光表面處理技術(shù)是把傳統(tǒng)的表面熱處理與焊接技術(shù)相結(jié)合的一門新技術(shù),其突出特點(diǎn)在于能夠得到其它表面技術(shù)很難達(dá)到或不能達(dá)到的效果,在航空航天、石油、汽車等行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。 用于表面處理的激光主要有三種類型:CO2激光、Nd激光和YAG激光和激元激光。
(1)激光相變硬化
用高能激光束掃過可硬化材料表面,使表面溫度達(dá)到相變點(diǎn)以上,當(dāng)激光束移開后,表面由于快速冷卻而硬化。對(duì)一選定鋼種,激光加熱區(qū)域的組織主要取決于該區(qū)域達(dá)到的最高溫度和此溫度停留時(shí)間。有研究表明:該工藝是改善高碳鋼和鑄鐵耐磨性的有效方法。
(2)激光沖擊硬化
高功率、短脈沖強(qiáng)激光和材料相互作用,在表面形成高壓應(yīng)力--沖擊波,當(dāng)沖擊波峰值壓力超過被沖擊區(qū)金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí),金屬材料表層發(fā)生塑性變形,形成殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力的冷硬層,其微觀上表現(xiàn)為高密度位錯(cuò)和晶格細(xì)化等。該工藝能改善金屬材料的力學(xué)性能特別是抗疲勞斷裂性能,據(jù)報(bào)道:激光沖擊硬化可處理碳鋼、合金鋼、球墨鑄鐵、鋁合金材料,在提高抗疲勞斷裂性能方面,可完全取代噴丸處理。
(3)激光表面熔覆
用一定功率激光掃描工件表面涂覆材料,使其熔化形成功能結(jié)合層??色@得較厚的覆層,易實(shí)現(xiàn)選區(qū)熔覆,而且熱變形小,覆層成分及稀釋率可控,在經(jīng)濟(jì)上和覆層質(zhì)量上都優(yōu)于傳統(tǒng)的堆焊和熱噴涂工藝。適用于局部易磨損、沖擊、剝蝕、氧化腐蝕及要求特殊性能(局部光敏、熱敏等)的零部件。
?。?)激光表面合金化
與激光表面熔覆類似,不同的是激光功率更大一些,基體表面熔化與合金充分混合形成堆焊層。由于合金元素完全熔于表層,薄層成分均勻,對(duì)開裂和剝落等傾向不敏感。稀釋率比激光表面熔覆要高。
目前,表面技術(shù)的重要研究方向是綜合運(yùn)用兩種或更多種表面技術(shù)進(jìn)行復(fù)合表面處理。已開發(fā)出一些復(fù)合表面處理法,如等離子噴涂與激光輻照復(fù)合、熱噴涂與噴丸復(fù)合、化學(xué)熱處理與電鍍復(fù)合、激光淬火與化學(xué)熱處理復(fù)合、化學(xué)熱處理與氣相沉積復(fù)合等,已經(jīng)取得良好效果。
三、表面技術(shù)的展望
表面技術(shù)可用以提高材料耐磨性,使材料在一定的摩擦條件下有抵抗磨損的能力;可實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化,通過各種表面強(qiáng)化處理來提高材料表面抵御除腐蝕和磨損以外的環(huán)境作用的能力;可用以實(shí)現(xiàn)表面裝飾,不僅方便、高效,而且美觀、經(jīng)濟(jì)。
除此以外,表面技術(shù)在研制和生產(chǎn)新型材料方面也是十分重要的。如金剛石薄膜、類金剛石碳膜、立方氮化硼膜、超導(dǎo)薄膜、LB薄膜、超微顆粒型材料、納米固體材料、超微顆粒膜、材料非晶硅薄膜、纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料等。其中纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是以各種金屬、玻璃、陶瓷等纖維為增強(qiáng)體,以水泥、玻璃、陶瓷等為基體,構(gòu)成的復(fù)合材料,其中纖維往往必須通過一定的表面處理,使纖維與基體“相容”,并對(duì)纖維有保護(hù)作用。它具有高強(qiáng)度、高韌性和熱化學(xué)穩(wěn)定性,是未來材料的發(fā)展方向。
表面技術(shù)在微電子工業(yè)中也起著舉足輕重的作用。微電子技術(shù)是制造和使用微小型電子器件、元件和電路而能實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)功能的技術(shù)。它是以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。目前已從特大規(guī)模集成電路向吉規(guī)模集成電路進(jìn)軍。這樣巨大的變化首先應(yīng)歸功于高速發(fā)展的表面微細(xì)加工技術(shù)。這是一種加工尺度從微米、亞微米到毫微米量級(jí)制造微小元器件或薄膜圖形的先進(jìn)制造技術(shù)。
表面技術(shù)在環(huán)境保護(hù)和優(yōu)化方面的應(yīng)用也日益突出。如可凈化大氣、凈化水質(zhì)、吸附雜質(zhì)、除藻污垢、綠色能源,也可用于抗菌滅菌、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
由以上可見,表面技術(shù)廣博精深,在各個(gè)工業(yè)部門、農(nóng)業(yè)、生物、醫(yī)藥以及日常生活中有著廣泛而重要的應(yīng)用,隨著人們對(duì)傳統(tǒng)表面技術(shù)進(jìn)行一系列改進(jìn)、復(fù)合和創(chuàng)新而發(fā)展出來的現(xiàn)代表面技術(shù),不僅是光電子、微電子等許多先進(jìn)產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ),而且可以取得巨大的效益,可以說表面技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了整個(gè)社會(huì)的發(fā)展,開辟了一系列新的研究領(lǐng)域,在今后知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中將占有重要的地位。
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