现代表面工程技术

表面分析和性能测试

第一节表面分析

一．表面形貌和显微组织的结构分析

材料、构件、零部件和元器件在经历各种加工处理后或在外界条件下使用一段时间之后，其表面或表层的几何轮廓及显微组织会有一定的变化，可以用肉眼、放大镜和显微镜来观察分析加工处理的质量以及失效原因。显微镜发展迅速，种类很多，如透射电子显微镜、扫描电子显微镜、离子显微镜、扫描隧道显微镜，用各种显微镜可在宽广的范围内观察表面形貌和显微组织。

二．表面成分分析

目前已有许多物理，化学和物理化学分析方法法可以测定材料的成分。例如利用各种物质特征吸收光谱的吸收光谱分析，以及利用各种物质特征发射光谱的发射光谱分析，都正确，快速分析材料的成分的策划你过分，尤其是微量元素。又如X射线荧光分析，是利用X射线的能量轰击样品，产生波长大于入射线波长的特征X射线，再经分光作为定量和定性分析的数据。这种分析方法速度快，准确，对样品没有破坏，适宜与分析含量和较高的元素。但是，这些方法一般不能用来分析材料量少、尺寸小而不宜作破坏性分析的样品，因此通常也难于作表面成分分析。

如果分析的表层厚度为1微米的数量级，那么这种分析称为微区分析。电子探针微区分析（EPMA）是经常采用的微区分析方法之一。它是一种X射线发射光谱分析，用高速运动的电子直接轰击被分析的样品，而不像X射线荧光分析那样是用一次X射线轰击样品。高速电子轰击到原子的内层，使各种元素产生相应的特征X射线，经分光后根据波长及其强度作定性和定量分析。电子探针可与扫描电子显微镜结合起来，即在获得高分辨率图像的同时，进行微区成分分析对于一个或几个原子厚度的表面成分分析。需要更先进的分析谱仪，即利用各种探针激发源（入射粒子）与材料表面物质相互作用以产生各种发射谱（出射粒子），然后进行记录。处理和分析。

目前各种分析谱仪的入射粒子或激发源主要有电子、离子、光子、中性粒子、热、电场、磁场和声波等八种，而能接收自表面出射、带有表面信息的粒子（发射谱）有电子、离子、中子和光子四种，因此总共有32种基本分析方法。如果考虑激发源能量、进入表面深度以及伴生的物理效应等不同，那么又可派生出多种方法，加起来1000种。

用分析谱仪检测出射粒子的能量、动量、荷质比、束流强度等特征，或出射波的频率、方向、强度、以及偏振等情况，就可以得到表面的信息。这些信息除了能用来分析表面元素组成、化学态以及元素在表面的横向分布和纵向分布等表面成分的数据外，还有分析表面原子排列结构、表面原子动态和受激态、表面电子结构等功能。

三．表面原子排列结构分析

表面原子或分子的排列情况与体内不一。如前所述，晶体表面大约要经过4-6个原子层后，原子排列才与体内基本相似。晶体表面除重构和弛豫等之外，还有台阶、扭着、吸附原子、空位等缺陷。这是晶体清洁表面的情况。实际表面有更复杂的表面结构。表面吸附、偏析、化学反应以及经过加工处理，都会引起表面结构的变化。

测定表面结构，对于阐明许多表面现象和材料表面性质是最重要的。目前经常采用X射线衍射和中子衍射等方法来测定晶体结构。X射线和中子穿透材料的能力较强，分别达几百微米和毫米的数量级，并且他们是中性的，不能用电磁场来聚焦，分析区域为毫米数量级，难以获得来自表面的信息。电子与X射线、中子不同，他与表面物质相互作用强，而穿透材料的能力叫弱，一般为0.1微米数量级，而且可以用电磁场进行聚焦，因此电子衍射法经常用于围观表面结构分析，例如对材料表面氧化、吸附、以及其他各种反应产物进行鉴定和结构分析。利用电子衍射效应进行表面结构分析的谱仪较多，如低能电子衍射（LEED）和反射式高能电子衍射（RHEED），还有未在该表所列的反射电子衍射（RED）、电子通道花样（ECP）、电子背射花样、X/射线柯塞尔花样（XKP）等

除了利用电子衍射效应，其他一些谱仪如谱仪如离子散射谱、卢瑟福背散射谱、表面灵敏扩张X射线吸收细微结构，角分解光电子普、分子束散射谱等，都可直接或间接用来分析表面结构。

现在已经使用一些先进的显微镜来直接观察材料表面原子排列和缺陷情况，如高压电子显微镜、分析电子显微镜、场离子显微镜和扫描隧道显微镜等。

四．表面原子动态和受激态

这方面主要包括表面原子在吸附（或脱附）、振动、扩散、等过程中能量或势态的测量，由此可获得许多重要的信息

例如用热脱附谱，通过对已吸附的表面加热，加速已吸附的分子脱附，然后测量脱附率在升温过程中的变化，由此可获得有关吸附状态、吸附热、脱附动力学等信息。其他分析谱仪如电子诱导脱附谱、光子诱导脱附谱等也可用来研究表面原子吸附态。

又如表面原子振动与体内原子振动有差异。在完整晶体中，一个振动模式常扩展到整个晶体。若是实际晶体，则在缺陷附近有可能存在局域的震动模式。对材料表面而言，由于晶格的周期在此发生中断，因而也肯能存在局域于表面附近的振动模式，在距表面远处其振幅趋于零。这种表面振动影响着表面的光学、热学、电学性质，以及对电子或其他粒子的散射等。电子能量损失谱、红外光谱、拉曼散射谱等分析谱仪可用来分析表面原子振动。

五．表面的电子结构分析

表面电子所处的势场与体内不同，因而表面电子能及分布和空间分布与体内有区别。特别是表面几个原子层内存在一些局域的电子附加能态（称为表面态）对材料的电学、磁学、光学等性质以及催化剂和化学反应中都起着重要的作用。

表面态有两种。一种是本证表面态，它是由晶体内部的周期性势场至表面附近时突然中断而产生的电子附加能态。另一种是外来表面态，他是由表面附近的杂质原子和缺陷引起的原子附加能态。因为晶体的周期性势场至杂质原子和缺陷附

近时也会突然中断，而表面处的杂质原子和缺陷比体内多得多，所以表面的这种电子附加能态也是很重要的。

目前半导体制备技术已经达到很高的水平，可以制备出纯度和完整性非常高的半导体材料，体内杂质和缺陷极少，因此半导体的表面态是较为容易检测的。玻璃、金属氧化物和一些卤化物由于禁带中有电子、空穴和各种色心等引起的附加能及，所以表面态不容易从这些附加的能及中区分开来。金属没有禁带，而体电子在费米能级出的能及密度很高，表面态也难于区分。虽然金属和绝缘体材料的表面态检测有困难，但是随着分析谱仪的发展，这些困难将逐步得到克服。

研究表明电子结构的分析谱仪主要有紫外光电子普、角分解光电子谱、离子中和谱等。

第二节表面分析仪器和测试技术简介

一、电子显微镜

1.透射式电子显微镜（TEM）

电子被加速到100keV时，其波长仅为0.37nm，为可见光的1/105左右，因此电子束用来成像，分辨本领打打提高。现在电子显微镜的分辨本领可高达0.2nm 左右。

透射式电子显微镜是应用较广的电子显微镜。电子穿过电磁透镜与光线穿过光学透镜有着相似的成像规律。如图10-1所示，在高真空密封体内装有电子枪、电磁透镜、样品室和观察屏等。电子枪由阴极、栅极和阳极组成。电子枪发出的高速电子经透光镜后平行射到试样上。试样要加工的很薄，也可被观察到实物的表面复制成的薄膜。穿过试样而被散射的电子束，经物镜、中间镜和投影镜三级放大，在荧光屏上成像。在物镜的后焦面处装有可控制的电子束的入射孔径角的物镜光阑，以便获得最佳的像衬度和分辨率。

2.扫描电子显微镜

究竟能看清多大的细节，这不仅和显微镜的分辨本领有关，而且还与物体本身的性质有关。例如对于羊毛纤维、金属断口等，用光学显微镜，因其景深短而无法观察样品的全貌。用透射电镜，因试样必须做的很薄，故也很难观察到凹凸如此不平的物体的细节。扫描电镜则利用一极细的电子束（7-10nm），在试样表面来回扫描，吧试样表面反射出来的二次电子作为信号，调制显像管荧光屏的亮度，和电视相似，就可逐点地显示出试样表面的像。扫描电镜的优点是景深长，视场调节范围宽。制样极为简单，可直接观察试样。对各种信息检测的适应性强，是一种实用的分析工具，扫描电镜的分辨本领可达7-10nm。

图10-2是扫描电镜的原理图。由电子枪发出的电子束，依次经两个或三个电磁透镜的聚焦，最后投射到试样表面的一小点上。末级透镜上面扫描线圈的作用是使电子束作光栅试扫描。在电子束的轰击下，试样表面被激发而产生各种信号：反射电子束、二次电子、阴极发光光子、电导试样电流、吸收试样电流、X射线光子、饿歇电子、透射电子。这些信号是分析研究试样表面状态和性能的重要依据。利用适当的探测器接受信号，经放大并转换为电压脉冲，再经放大，并用以调制同步扫描阴极射线管的光束亮度，于是在阴极射线管的荧光屏上构成了一副经放大的式样表面特征图像，以此来研究试样的形貌、成分及其他电子效应。

二.扫描隧道显微镜

它是利用导体尖针与样品之间的隧道电流并用精密压电晶体控制导体针尖沿样品表面扫描。从而能以原子尺寸记录样品表面形貌以及获得原子排列、电子结构等信息。STM的主体由三维扫描控制器、样品逼近装置、减震系统、电子控制系统、计算机系统控制数据采集和图像分析系统等组成。其工作原理是利用量子隧道效应图10-4为隧道电流原理图。先讨论金属M1-绝缘层-金属M2的情况【见图10-4】当绝缘厚度s减至0.1nm以下，并且M2相对于M1机上正偏压y时，他们之间就有电流通过。图10-4（b）为此结的位能图。由于在界面和绝缘层中出现势垒，经典理论不能解释这种电流，但量子力学理论可以解释，并将其称为量子隧道效应。图10-4c示出隧道电流集中在针尖附近。图10-5a为STM结构原理图，其中X、Y、Z为压电驱动杆，L为静电初调位置架，G为样品架。图10-5b 为针尖顶端与样品架放大10000倍后的示意图。图10-5c为图b放大10000倍后的示意图，圆圈代表原子，虚线代表电子云等密度线，箭头表示隧道电流的方向。如果在Z压电杆上加上可调节的直流电压，则可将隧道电流控制于1-10nA之间的任意值。在X压杆上加剧齿波电压，使针尖作类似于电视中的行扫描，在Y 压电杆上加另一台阶锯齿波电压，使针尖作帧扫描流保持不变，则针尖应随表面起伏而移动，即Z压杆上的电压要改变，其改变量与表面皱纹有关，这由电路自控完成。若在记录仪上画出行。帧扫描时按Z方向高度的变化，则可得到表面形貌图。

STM的纵向分辨率已经达到0.01nm，纵向分辨率优先于0.2nm，可用来研究各种金属、半导体生物样品的表面形貌，也可研究表面沉积，表面原子扩散和徙动、表面粒子的成核和生长、吸附和脱附等等。STM可在真空、大气、溶液、常温、低温等不同环境下工作。

二、原子力显微镜

原子力显微镜(AFM)是Binnig、QUme、Gelher在1986年发明的，它是将STM 的工作原理与针式轮廓曲线仪原理结合起来而形成的一种新型显微镜。如前所述STM是基于量子隧道效应工作的，当一个原子尺度的金属针尖非常接近的样品，在有外电场存在时，就有隧道电流It产生。Tt强烈的依赖于针尖与样品之间的距离，例如0.1nm距离的微小变化就能使It改变一个数量级，因而探测It就能得到具有原子分辨率的样品表面三维图像。STM能获得表面电子结构等信息，样品又可置于真空、大气、低温及液体覆盖下进行分析，因此STM得到了广泛的应用，但是STM因在操作中需要施加偏电压而只能用于导体和半导体。AFM是使用一个一端固定而另一端装有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下扫描时，同距离有关的针尖与样品之间微弱相互作用力，如范德瓦尔斯力、静电力等，就会引起微悬臂的形变，也就是说微悬臂的形变是对样品与针尖相互作用的直接测量。这种相互作用力是随样品表面形貌而变化的。如果用激光束探测微悬臂位移的方法来探测该原子力，就能得到原子分辨率的样品形貌图像。 AFM不需要加偏压，故适用于所有材料，应用更为广泛。同时，APM能够探测任何类型的力，于是派生出各种扫描力的显微镜，如磁力显微镜(MFM)、电力显微镜（EFM）、摩擦力显微镜（FFM）等。

AFM有三种不同操作方式：接触模式、非接触模式以及介于两者之间的轻敲模式。图10-6给出了各模式在针尖和样品相互作用力曲线中的工作区间。在接触模式中，针尖始终同样品接触，两者互相接触的原子中电子间存在库伦排斥力。虽然他可形成稳定、高分辨图像，但探针在样品表面上的移动以及针尖和表面的

粘附力，可能使样品产生相当大的变形并对针尖产生较大的损害，从而在图像数据中产生假象。非接触模式是控制探针在样品表面上方5-20nm距离处扫描，所检测的是范德瓦尔斯吸引力和静电力等对成像样品没有破坏的长城作用力，但分辨率教接触模式的低。实际上由于针尖容易被表面的粘附力所捕获，因而非接触模式的操作室很难的。在轻敲模式中，针尖同样品接触，分辨率几乎与接触模式的一样好，同时因接触很短暂而使剪切力引起对样品的破坏几乎完全消失。轻敲模式的针尖在接触样品时，有足够的振幅来克服针尖与样品之间的粘附力。目前轻敲模式不仅用于真空、大气，在野兔环境中的应用研究不断增多。

AFM能够探测各种类型的力。目前已经派生出磁力显微镜（MFM）、电力显微镜（EFM）、摩擦力显微镜（FFM）、化学力显微镜（CFM）等。例如MFM它的结构如图10-7所示，由纳米尺度的磁针尖加上纳米尺度的扫描高度使磁性材料表面磁结构的探测精细达到纳米尺度。

四、X射线衍射

目前电镜虽有很高的分辨本领，但是最多只能看到一些特殊制备的试样中原子与原子晶格平面，从而测定晶体结构等通常是采用X射线衍射和电子衍射的方法，即测定的依据是衍射数据。

X射线管的结构如图10-8所示。在抽真空的玻璃管的一端有阴极，通电加热后产生的电子经聚焦和加速，打倒阳极上，把阳极材料的内层电子轰击出来，当较高能态的电子去填补这些电子空位时，就形成了X射线。他从钹窗中射出，射到晶体试样上，晶体的每个原子或离子就成为一个小散射波的中心。由于结构分析用的X射线波长与晶体中原子间距是同一数量级以及晶体内质点排列的周期性，使这些小散射波互相干涉而产生衍射现象。可以证明，一束波长为λ的X 射线，入射到面间距为d的点阵平面上，当满足布拉格条件2dsinθ=nλ时就可能产生衍射线，如图所示10-9

为了达到发生衍射的目的，常采用以下三种方式：①劳埃法，即用一束连续X 射线以一定方向射入一个固定不动的单晶体。此时X射线的A值是连续变化的，许多具有不同入射角θ的X射线和不同的d的点阵平面都可能有一个相应的λ使之满足条件。②转晶法，即用单一波长的X射线射入一个单晶体，射线与一晶轴垂直，并使晶体绕此轴旋转或回摆。③粉末法，他用一束单色X射线射向块状或粉末状的多晶试样，因其中小晶粒的晶面满足布拉格条件而产生衍射。记录衍射线的方法主要有照相法和衍射仪法

五、电子探针

在X射线光谱中，除X射线荧光光谱义外，还有一种是X射线发射光谱分析。它是利用高速运动的电子直接打击被分析的样品，而不像X射线荧光分析那样是一次X射线打击样品的。高速电子攻击到原子内层，使各种元素产生对应的特征X射线，经过分光，根据波长进行定性分析，根据各种特征波长的强度作定量分析。但是在单纯的X射线分析仪器中这一类较少，主要是用在电子探针上。

电子探针又称作微区X射线光谱分析仪如电子显微镜这两种设备组合而成的。图10-10是电子探针的原理图，它主要是友我一个主要部分组成的：1电子光学系统，包括电子枪、两对电子透镜、电子束扫描线圈。2X射线光谱仪部分，包括分光晶体、计数器、X射线显示装置。3.光学显微镜目测系统，它供观察电子

束所处的位置和供调整样品与电子束的相对位置，以便对准所需分析的微区。4背散射电子图像显示系统。当高速电子轰击样品表面时，除发射特征X射线光谱外，还有一部分电子被样品表面的原子散射出来，称为背散射电子，把它给出的信号在荧光屏上显示出来，可研究样品表面的组织结构，并且可以说明样品表面各种原子序数的原子分布情况。5.吸收电子图像显示系统。电子束打倒样品上，有一部分电子被分布在表面的各种不同元素的原子所吸收。把他给出的信号显示出来，同样说明样品表面各种不同元素原子的分布状态。

电子探针具有分析区域小（一般为几立方微米），灵敏度高，可直接观察选区，制样方便，不损坏试样以及可作多种分析等特点，是一种有力的分析工具。电子探针可与扫描电镜结合起来，即在获得高分辨率图像的同时，进行微区成分分析。

六电子能谱仪

对表面成分的分析，有效的工具是20世纪70年代以来迅速发展起来的电子能谱仪，如光电子谱（PES）、俄歇电子谱（AES）、能量损失谱（ELS）、出现势谱（APS）和特征X射线谱等。他们对样品表面浅层元素的组成一般能给出比较准确的分析。同时他们能在动态条件下测量，例如对薄膜形成过程中成分的分布、变化给出较好的探测、使监测制备高质量的薄膜器件称为可能。

AES是以法国科学家俄歇发现的俄歇效应为基础而得名。他在1925年用威尔逊云室X射线电离稀有气体时，发现除光电子轨迹外，还有1-3条轨迹，根据轨迹的性质，断定他们是由原子内部发射的电子造成的，以后把这种电子发射现象称为俄歇效应。

图10-12是俄歇电子谱仪的原理图。电子枪用来发射电子束，以激发试样使之产生包含有俄歇电子的二次电子；电子倍增器用来接收饿歇电子，并将其送到俄歇能量分析器中进行分析；溅射离子枪用来对分析试样进行逐层剥离。、

俄歇电子能谱仪（AES）是高速电子打倒材料表面上，激发出饿歇电子对微小区域做成分分析的仪器。俄歇电子式一种可以表征元素种类及其化学价态的二次电子。由于俄歇电子的穿透能力很差，故可用来分析距离表面1nm深处，几个原子层的成分。如果配上溅射离子枪，则可对试样进行逐层分析，得出杂质成分的剖面分析。现在，扫描电镜上已可附加这种俄歇谱仪，以便有目的地对微小区域成分分析。俄歇谱仪几乎对所有元素都可分析，尤其对轻元素更为有效。因此俄歇谱仪对轻元素分析和表面科学研究有重大意义。

第三节表面检测

表面层检测大致包括以下内容：外观、厚度、耐蚀性、耐磨性、密度及孔隙率、硬度、结合强度、或附着力；涂层的特殊测试性能有耐热性、抗高温氧化性、亲水性、绝缘性、导电性、电磁屏蔽性、抗海洋生物吸附性、生物相容性、脆性、钎焊性等等。

1.涂层表面粗糙程度的检测

涂层表面粗糙度指涂层表面具有较小间隙和微观峰谷不平度的微观几何特性。涂层表面几何形状误差的特征是凹凸不平。凸起处为波峰，凹处为波谷。两相邻波峰或波谷的间距称为波距（L）。相邻波峰与波谷的一半差为波幅。表面几何形状误差很据涂层波幅与波距的比值大小可分为形状误差、波纹度和粗糙度三类。

一般来说，涂层表面粗糙度越低，光亮度越高，涂层外观质量也就越好。但是

粗糙度和光亮度是两个本质不同的概念，不能混为一谈，而且两者不总是一致的。有些涂层可能光亮度很好，但粗糙度可能并不低；有些涂层的光亮度差，但其粗糙度却很低。不仅是装饰涂层。即便是耐磨涂层或减磨涂层、粗糙度也是一个很重要的性能指标。

涂层表面粗糙度测量属于微观长度计量。目前采用的方法主要有比较法（样板对照法）、针描法（接触量法）、和光切法等几种、

（1）样板对照法样板对照法属于比较法，是粗擦度的一种定性的测量方法、即将待测涂层表面与标准样板进行比较。若受检涂层与模板一致，即可

认为此样板的粗糙度是此涂层的粗糙度。

（2）轮廓仪测量法轮廓测量仪发属于针描法，是一种表面粗糙度的定量测试方法。其类型有机械式、光电式及电动式等几种。常用电动式轮廓仪

工作原理是：传动感使测量传感器的金刚石针尖在被测涂层表面平稳移

动一段距离时，由金刚石针尖顺着被涂层表面在波峰与波谷之间产生位

移产生一定振动量。其振动量大小通过压电晶体转化为微弱电能，然后

经晶体管放大器放大并整流后，在仪表上直接读出被测涂层表面粗糙度

相应的表征参数Ra值。即被测涂层的粗糙度。

2.涂层表面光泽度的检测

涂层表面光泽度是指涂层表面在一定照度和一定角度入射光作用下的反射光比率或强度。涂层反射光的比率或强度越大，涂层光泽度较高。光泽度又称光亮度。

涂层表面光泽度的测量方法有三种：目测法、样板对照法、光度计法。前两种检测方法有一定性的主观性，往往因人而异，测量不够准确。第三种方法比较客观，尤其是对平面涂层检测效果较好，但也存在一定困难，主要是不能区分各种光亮涂层的差别。

（1）目测法对涂层光亮度用目测法确定光亮级别的条件是；照度为300lx（相当于40W日光灯在500mm处的照度）

（2）样板对照法作为目测法的一种改进，可用标准光亮样板（不同级别）与待测涂层进行比较，标准样板分为4级

（3）光度计测量法光度计测涂层光泽在国内比较少应用，有待于进一步研究。目前很多涂层光泽度测试还是靠目测或比较法，这样做事不够客观

的。而广度计，例如用分光光度计平均波长为430-490微米时，将二氧

化钛反射率作为100表示“白度”。待测各种锌涂层的“白度”。

二、镀涂层或表面处理层厚度的测定

涂层的厚度检验包括局部厚度检验和平均厚度检验两个内容。其检测方法分为非破坏性检验及破坏性检验两种。无损法检验方法有：重量法、磁性法、涡流发法、机械量具法、X射线荧光测厚法、β射线反向散射法、光切显微镜法及能谱法等。破坏性检验法有：点滴法、液流法、化学溶解法、电量法、金相显微镜法、轮廓法及干涉显微镜法等。

1.金相显微镜法

将待测涂层试样制成涂层断面试样，然后用带有测微目镜的金相显微镜观察涂层横断面的放大图像，可直接测量涂层的局部厚度的平均厚度。所制备的供测量用

涂层试样应进行切割，边缘保护、镶嵌、研磨、抛光、浸渍，然后水洗吹干即可进行测量。对化学保护层经抛磨后不必进行侵蚀。这种方法适用于一般涂层的测厚。其特点是准确度高，判别直观。

2.气相沉积薄膜厚度的测定

采用各种物理气相沉积和化学气相沉积在基地表面得到的薄膜，厚度通常只有几微米或更薄，因此需要更精密的仪器来测定。例如多光束干涉、位相差显微镜、椭圆仪等光学法；触针式光洁测定器、空气测微器等机械法；石英晶体振荡仪、直流电阻测定仪、涡流电流测定仪等电学法；微量天平测定仪的称量法。实际上测定薄膜的方法还有很多，可以采用各种原理来灵活运用。但是，应当考虑到用气相沉积得到的薄膜，多是1-102nm的大量分子集合体在材料表面沉积和连成一体的，不仅密度和结晶性与块状材料未必一致，而且对同一膜层用不同测定方法得到的厚度也不一定相同。在测定薄膜厚度时需要考虑沉积量是以几何学的容积进行测量，还是以质量形式进行测量，如果选择不当，就会得到不一致的结果。反过来，在完成膜层厚度测定工作时。为了明确膜厚度测定结果表示什么意义上的膜厚，必须注明测定方法。

三、涂层的耐蚀性检验

涂层耐蚀性检验包括以下内容：大气暴露试验，即将待测涂层试样放在大气环境介质中进行各种大气环境下的腐蚀试验，定期观察腐蚀过程的特征，测定腐蚀的速度，其目的是评定涂层在大气环境下的耐蚀性；使用环境试验，即将待测涂层试样放在实际使用环境中，观察其腐蚀试验，即将待测涂层试样放入待定人工模拟介质中，观察腐蚀过程的特征，其目的是评定涂层耐蚀的性能

四、涂层的耐磨性试验

1.磨料磨损试验

磨料磨损试验一般有两种：一种是橡胶轮磨料磨损试验，另一种是销盘式磨料磨损试验

橡胶轮磨料磨损试验原理见图。磨料通过下料管以固定的速度落到旋转着的磨轮与方块试样之间，磨轮的轮缘为规定硬度的橡胶。试样借助杠杆系统，以一定的压力压在转动的方向应使接触面的运动方向与磨料流动方向一致。在磨料旋转过程中，磨料对试样产生低应力磨料磨损。经过一定的摩擦行程后，测定试样磨失矢量，即涂层的减少量。并以此评定涂层的耐蚀性。典型试样尺寸为50mm*75mm，厚度为10mm，在其平面上制备涂层，比用平面磨床将涂层磨平，磨削方向应平行于试样长度方向。涂层表面应无任何附着物或缺陷。

图10-16为销盘式磨料磨损试验示意图。将砂纸或纱布装在圆盘上，作为试验机的磨料。试样做小丁式，在一定负荷压力下压在圆盘砂纸上。试样的涂层表面

与圆盘砂纸相接触。圆盘转动，试样沿圆盘的径向作直线运动。经一定摩擦行程后测定失重，即涂层的磨损量，并以此来评价涂层的耐磨性。

2.摩擦磨损试验

环形样品与配附件形成摩擦副。形成摩擦副的配附件如图所示，共有四种。试验过程中，可采取干摩擦，也可以是润滑摩擦。摩擦速度亦可自由选取。试验后测定的失重，即涂层的减少量。根据各组摩擦副及其条件的实验结果，评价涂层的耐磨性。

3.喷砂试验

如图10-18所示，样品刚入橡胶保护板上并固定在电磁盘上，在喷砂室内，用射吸式喷砂枪喷砂，喷砂枪用夹具固定，其喷砂角几喷砂距离保持不变。喷砂速率恒定。砂料一般选用刚玉砂。在喷砂过程中，磨料对涂层产生冲蚀磨损，喷砂时间一般选为1min。试验后测定试样失重，即涂层质量减少量，用以评定涂层的耐冲蚀磨损性能。这种磨损试验特别适用于经受由气体或液体携带一定尖锐度的硬质颗粒冲刷造成的冲蚀磨损。

五、涂层的孔隙率试验

涂层的孔隙率是涂层材料制备前后的体积相对变化比率，或涂层材料在制备前后的密度相对变化率，孔隙率是表征涂层密实程度的度量。不同功能的涂层对孔隙率的要求不同。用不同方法制备的涂层的孔隙率也不尽相同。例如，用于防腐蚀的耐蚀涂层，严防有害介质通过涂层到达基体，故要求涂层的孔隙率越小越好。同样是热喷涂合金耐磨涂层，若用火焰线材喷涂，其涂层孔隙率必然大于用等离子喷涂的同类材料涂层。从防腐蚀角度看，涂层孔隙率越小，耐蚀性越好，故希望涂层孔隙率小。但是对于耐磨减磨涂层，涂层中孔隙多，则存储润滑油就越多，当然是孔隙率越大越好。故涂层孔隙率大小的评价有赖于其功能的追求。

涂层孔隙率测定方法很多，大致有浮力法、直接称量法、滤纸法、涂膏法、浸渍法、电解显像法、显微镜法。

六、涂层的硬度试验

涂层的硬度是涂层力学性能的重要指标。他关系到涂层的耐磨性、强度及寿命等多种功能。涂层的硬度试验有宏观硬度与显微硬度试验。

涂层的宏观硬度指用一般的布氏或洛氏硬度计，以涂层整体大范围压痕为测定对象所测得的硬度值。这里，由于涂层不用于基体，涂层中可能存在的气孔，氧化物等缺陷对所测得的宏观硬度值会产生一定影响。

涂层的显微硬度指用显微硬度计，以涂层中微粒为测定对象所得的硬度值。涂层的宏观硬度与显微硬度在本质上是不同的，涂层宏观硬度反映的是涂层的平均硬度，而涂层显微硬度反映的是涂层中颗粒的硬度。两者的意义是不同的。

涂层的宏观硬度与显微硬度在数值上也是不同的。一般来讲，对于厚度小于几十微米的涂层，为消除基体材料对涂层硬度的影响和涂层厚度压痕尺寸的限制，可用显微硬度。反之，若涂层较厚，则可用宏观硬度。

七、涂层的结合强度试验

无论采用多么先进的技术，制造出多么优异的镀膜、涂层或者改性层，如果它和基体结合不好，容易剥落，或者容易碎裂，或者容易失效，它的性能再好，也没有使用价值。因此从力学的角度来看，膜基结合强度在表面工程技术中是极为重要的一个力学性能参量。

涂层的结合强度是指涂层与基体结合力的大小。即单位表面积的涂层从基体上剥落下来所需的力。涂层与基体的结合强度是涂层性能的一个重要指标。若结合强度小，轻则会引起涂层寿命降低，过早失效；重则易造成涂层局部引起鼓包，或涂层脱落无法使用。

检测镀、涂层或表面处理层结合强度的具体方法很多。例如用来测定电镀层结合强度有摩擦法、切割法、形变法、剥离法、加热法、阴极法、拉立法等。具体选择时，应综合考虑镀层特性、集体材质、镀层厚度、基体材料等因素。又如用各种气相沉积得到的硬质薄膜，通常有压痕法、划痕法、拉伸法、激光剥离法、等测量结合强度的方法可供选择、目前划痕法是最常用的一种标准方法。划痕法是以硬度大于膜的材料制成压片。令其在膜面以一定速度划过，同时作用在压头上的垂直压力不断增加，直至膜层与基体脱离接触，此时载荷为临界载荷，通过计算求出魔的结合强度.

1.弯曲试验

试验原理如图所示。对矩形试样做三点弯曲试验。涂层与基体受力不同，当两个力之分力大于涂层与基体之结合力时，涂层从基体起皮或剥落。最终以弯曲试验中涂层开裂、剥落情况来评定涂层与基体的结合力。

2.冲击试验

用锤击或落球对试样表面的涂层反复冲击，涂层在冲击力作用下局部变形

发热、振动疲劳以致最终导致涂层剥落。以锤击次数评价涂层与基体的结合强度冲击试验方法有下述两种1.锤击试验2.落球试验

3.垂直拉伸法

拉伸试验有两种形式，一种是作用力垂直于膜基界面，另一种是作用力平行于膜基界面，前者称为垂直拉伸法，后者称为平行拉伸法。

垂直拉伸法的原理见图10-21.试验时，只要测定拉力F和试件横截面积A即可。计算出试件的膜基结合强度P，P=F/S。用这种方法，Schmidbauer等人测定了陶瓷基上真空电弧沉积Cu膜，Pischow等人测定了不锈钢氧化膜上物理气相沉积TiN膜，测试的结果一般来讲是可信的。但是，该法的明显不足是受到粘结

剂与膜层间结合强度的限制，目前，环氧树脂的最大拉伸强度为70MPa，所以，用此粘结剂显然无法测出高于70MPa的结合强度。此外，该法易受材料缺陷、试件尺寸等因素的影响，测得的数值有不稳定现象。

4.压痕法

压痕法是实践中用的教为广泛的一种方法，它采用非应力参量才估算膜基间的界面结合强度。试验原理参见图10-23，与压痕发硬度测试试验类似，即对世间在不同载荷作用下对膜面进行压痕试验。当载荷不大时，膜层与基体一起变形；但在载荷足够大时，膜层和基体产生横向裂纹，裂纹扩展到一定的阶段就会使膜层脱落。能够管擦到膜层破坏的最小载荷称之为临界载荷记为Pcr。

压痕实验时，膜层与基体界面上产生应力，当压入载荷足够大时，这种应力就可以导致膜基分离，因此可以用压入载荷的大小来间接反映膜基间结合强度的大小或好坏。但由于压痕试验所用压入载荷不是连续的，且当数少；同时，薄膜的不同失效形式所对应的应力状态也不一样，显而易见，统统用临界载荷作为压痕试验的膜基结合强度也缺乏可靠性。

Jindal等在讨论他人的研究工作之后，提成了“厌恨载荷-径向裂纹长度的斜率AGli-1

K li=（Ec*G li/1-v c2）1/2

计算出K

li 并以K

li

作为膜基结合强度指标。试验表明：K

li

比P

cr

更可信，作为压

痕试验膜基结合强度更适合。

由于压痕法测量膜基结合强度可以再一般的硬度试验机或显微硬度计上进行，因此，显示了较大的优越性。它对实践的要求不太高，特别是用显微硬度计做实验时，甚至可以对一般实际零件的膜层与基体的结合力进行测试，并同时得到膜层的显微硬度值，而且试验时破坏性的。因此尽管该法有一定的缺陷但在工程实际中还常常被采用。

5.划痕法

划痕法是在上面压痕法的基础上发展起来的，是倒目前为止研究的比较广泛的测量膜基结合强度的方法。划痕法中，将半径已知金刚石圆锥压头垂直的放在薄膜表面上，在其上逐渐加大垂直载荷，并使其沿膜面运动，直到把薄膜划下来。力的加载方式有两种：步进式和连续式。一般把能将表面划下来的最小载荷称之为临界载荷，记为Lc，用来作为膜基结合强度的一种量度。

关于划痕实验最早的力学分析室Benjamin与Weaver用全塑性压痕理论，给出了膜层剥离的临界剪切力与划痕几何形状、基体性能几摩擦力的关系。Langier 认为，可以用表面剥离时应变能释放模型来研究结合力。在临界载荷作用时，膜层在压头前方压应力最大处剥离。通过从基体剥离，压头前方的膜层可以释放出弹性应变能，再应用能量平衡关系式将能得到涂层剥离时应力的大小。Burnett

和Rickerby又把压痕中造成膜层破坏的应力分成三部分，即压痕周围的弹性塑性应力场、内应力、切向摩擦力，首次将膜基分离时的临界载荷与薄膜的附着强度联系起来。

临界载荷Lc跟划头的摩擦有很大的关系，他不仅与加载速度、划痕速度、划头磨损等试验固有参数有关，而且还与基体性能、摩擦性能、测试环境、等非试验参数有关。如何准确地确定它，通常与膜层破坏的确定直接相关。目前的最小试验力为Lc。；声发测量法，用声发射监测，划痕时以出现第一个突发性信号时的试验力为Lc；电子探针法，用电子探针带对划痕沟槽进行化学分析，以最先测得基体成分处的试验力为Lc；切向摩擦力法，划痕时，随着试验力的增加，切向摩擦力明显增加处为Lc、

划痕法是目前唯一能够有效地测量硬质耐磨膜层界面结合力的一种方法而且有了商品化仪器，比如压痕法用得较多，也较为成熟。但是。一些根本性问题仍未解决，Lc也只能定性的反映膜基结合强度的大小。

涂装工程安全设计规范中国表面工程协会涂装分会

《涂装工程安全设计规范》 喷涂系统 1 编制范围 本标准适用于使用涂料及有关化学品在金属或非金属表面喷涂而使用的喷涂系统，规定了喷涂系统工程在保障劳动者的生命安全和职业健康、防止事故发生和财产损失、保护环境方面的设计要求。喷涂系统主要包括喷涂设备和供给设备，喷涂设备按操作方式可分为手工喷涂和自动喷涂（如机器人、往复机等）；供给设备按动力源种类分为气动、液压、电动等，可适应于溶剂型、水性油漆、胶、蜡等涂装用液体材料供给。 本标准适用于喷涂系统工程在规划、设计、安装、调试、生产时，对危险、有害因素的预防和控制，也适用于伤亡事故的统计分析管理，及涂装职业健康安全信息的处理和交换。 2 提供本章节的规范性引用文件 GB 14773 涂装作业安全规程静电喷枪机其辅助装置安全技术要求 GB 7691 涂装作业安全规程安全管理通则 GB 12367 涂装作业安全规程静电喷漆工艺安全 GB 25286 爆炸性环境用非电气设备 GB 11291 工业环境用机器人 GBT 16855 机械安全控制系统有关安全部件 GB 50016 建筑设计防火规范 GB 50515 导（静）电地面设计规范 GB 50073 洁净厂房设计规范 GBT 20801 压力管道规范-工业管道 GB 50058 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范 SH 3097 石油化工静电接地规范 GB 3836 爆炸性气体环境用电气设备 AQ 3009 危险场所电气防爆安全规范 GB 50140 建筑灭火器配置设计规范 GB 12158 防止静电事故通用导则 GB 4385 防静电鞋、导电鞋技术要求 GBZ 158工作场所职业病危害警示标识 GB 2894安全标志及其使用导则 GB/T 11651 个体防护装备选用规范 GB/T 18664 呼吸防护用品的选择、使用与维护 3 术语和定义 静电喷涂 electrostatic spray painting 在高压电场的作用下利用电晕放电原理使喷出的涂料滴或粉末涂料粒子荷负电荷，进而吸附于荷正电荷接地的被涂物，放电后附着在被涂物上的喷涂方法。 高固体分涂料high-solid coating 固体分（不挥发物）含量超过60%（体积分数）的涂料。 喷涂机器人 painting robot

材料表面工程技术期中测试题

材料表面工程技术期中测试题 姓名： 一、名词解释 1.溅射镀膜： 2.分子束外延： 3.激光合金化技术： 4.物理气相沉积： 5.真空蒸镀： 6.热喷涂工艺： 7.气相沉积： 8.合金电镀： 9.腐蚀：10.电镀：11.堆焊：12.化学转化膜：13.表面工程技术： 14.磨损：15.极化：16.钝化：17.表面淬火：18.喷丸强化：19.热扩渗：20.热喷涂：21.热喷焊：22.电镀：23.化学镀： 二、填空题 1.钢件渗碳后，表面为（）钢，心部仍保持（）状态。再通过（）及（）工艺，可使渗碳件具有表面硬度高，耐磨损，心部硬度低，塑性和韧性好的特点。 2.感应加热表面淬火的原理是利用感应电流的（），（）和（）。 3. （）、（）和（）是衡量气体渗碳件是否合格的三大主要性能指标，它们基本决定了渗碳件的综合力学性能。 4.热喷涂时，熔滴撞击基材后扩展成（），撞击时的高能量有助于熔滴的扩展，但会因为（）和（）而停止扩展，并凝固成一种（）结构。 5.热扩渗时，渗剂元素原子扩散的机理主要有（）、（）和（）三种。 6.腐蚀按材料腐蚀原理分为（）和（）两种。 7.热喷涂时，当熔滴撞击基体并快速冷却凝固时，颗粒内部会产生（），而在基体表面产生（）。喷涂完成后，涂层内部残余应力大小与 （）成正比。 8.磨损分为（）、（）、（）、（）微动磨损、冲蚀（包括气蚀）磨损高温磨损。 9.离子镀膜是（）与（）相结合的一种镀膜工艺。 10.常用的热喷涂工艺方法有（）、（）和（）。

三、简答题 1．表面淬火技术与常规淬火技术有何区别？ 2．简述复合镀的原理和需要满足的基本条件？ 3．最基本的金属腐蚀的主要形式和金属材料腐蚀控制及防护方法？4．简述热喷涂涂层的形成过程。 5.简述离子镀膜的特点？ 7．简述CVD的沉积条件？ 8．简述等离子体热扩渗与普通气体热扩渗技术相比都有哪些基本特点？ 9.简述离子镀膜的特点？ 10.简述形成热扩渗层的基本条件？ 11.简述热扩渗层的形成机理？ 12.简述化学镀的原理与特点. 四、论述题 1.试述常用的热喷涂工艺方法及其基本特点? 2.试述热喷涂涂层结合的三种机理? 3.试述表面淬火和化学热处理的概念及区别？ 4.试述什么是堆焊？堆焊层有哪些特点？ 5.试述堆焊与一般焊接的区别及特性？ 6.试述物理与化学气相沉积原理，特点及分类? 7.试述几种典型表面淬火工艺及特点？

材料表面工程技术练习题(答案)

材料表面工程技术练习题（答案） 一、解释名词 1.喷丸强化技术:利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗压力腐蚀能力的表面工程技术。 2.干法热浸渗:先将经常规方法脱脂除锈清洗后的清洁工件或钢材进行溶剂处理，干燥后再将工件浸入欲渗金属溶液中，保温数分钟后抽出，水冷。 3.粘结底层:某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有良好的粘结作用。 4.溅射镀膜:用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。(在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。) 5.分子束外延:在超高真空环境中，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适的条件下就能沉积出所需要的外延层。 6.激光合金化技术:激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。 7.物理气相沉积:在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其粒子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。 8.真空蒸镀:在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。

9.热喷涂工艺:热喷涂是用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化,加速喷射到机件表面,形成一特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺方法。 10.气相沉积:气相沉积技术也是一种在基体上形成一层功能膜的技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。 气相沉积技术一般可分为两大类:物理气相沉积(pvd)和化学气相沉积(cvd)。 11.合金电镀:在一个镀槽中，同时沉积含有两种或两种以上金属元素镀层称为合金电镀。 12.腐蚀:材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。 13.电镀:在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。 14.堆焊:在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。 15.离子镀膜:真空蒸发镀膜:在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(基片/基板/衬底、工件)表面，凝结形成固态薄膜的方法。 16.化学转化膜:通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观(形状及几何尺寸)的一类技术。 17.表面工程技术:为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。 18.表面能:严格意义上指材料表面的内能，包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能等。

现代表面工程与技术概述

现代表面工程与技术 Modern Surface Engineering and Technology 什么是表面工程？ 表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。 第一章表面技术概论 表面技术是直接与各种表面现象或过程相关的，能为人类造福或被人们利用的技术----宽广的技术领域。 一、使用表面技术的目的 1、提高材料抵御环境作用能力。 2、赋予材料表面功能特性。 3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。 途径： 表面涂覆：各种涂层技术（电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、气相沉积、包箔、贴片）。 表面改性：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理。 二、表面技术的分类 1、按作用原理 (1)原子沉积 电镀、化学镀、物理、化学气相沉积 (2)颗粒沉积 热喷涂、搪瓷涂敷 (3)整体覆盖 包箔、贴片 (4)表面改性 2、按使用方法 (1)电化学法 电镀、电化学氧化（阳极氧化） (2)化学法 化学转化膜、化学镀 (3)真空法 物理、化学气相沉积、离子注入 (4)热加工法 热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊 (5)其它方法 涂装、机械镀、激光表面处理

三、表面技术的应用 1、广泛性和重要性 (1)广泛性 内容广 基材广 种类多 遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，效益巨大 (2)重要性 ?改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤 ?提高产品长期运行可靠性、稳定性 ?满足特殊要求（必不可少或唯一途径）

?生产各种新材料、新器件（在制备临界温度超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅中起关键作用；又是许多光学、微电子、磁性、化学、生物等功能器件研究和生产的基础） 2、在结构材料及构件和零部件上的应用 表面技术作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰 3、在功能材料和元器件上的应用 制造装备中具独特功能的核心部件。 表面技术可制备或改进一系列功能材料及元器件 物理特性： ?光学 反射镜材料，防眩零件 ?热学 散热材料，耐热涂层，吸热材料 ?电学 表面导电玻璃，绝缘涂层 ?磁学 磁记录介质，电磁屏蔽材料，磁泡材料 化学特性： 分离膜材料 4、在人类适应、保护和优化环境方面的应用 (1)净化大气 原料、燃料→CO2、NO2、SO2 措施：回收、分解 方法：制备触媒载体（钯炭、铂炭、钌炭、铑炭） (2)净化水质 制备膜材料，处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化 (3)抗菌灭菌 TiO2（粉状、粒状、薄膜状）可将污染物分解 ?当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激发作用，只有能量E满足式(1)的光量子才能发挥作用。 ?光子波长 h-普朗克常数，4.138×10-15 eV·s； c-真空中光速，2.998×1017 nm/s 锐钛型TiO2的Eg = 3.2eV ?在TiO2粒子表面上，有还原作用；产生氧化作用。 在界面处的还原作用：

表面工程技术的作用

表面工程技术的作用 表面工程技术的作用是多种多样的，但其最重要的作用为提高金属机件的耐蚀性、耐磨 性及获得电、磁、光等功能性表面层。 1) 腐蚀保护性即可以提高基体材料的耐大气、海洋大气、天然水及某些酸碱盐的腐蚀作 用。例如若在钢构件上喷涂一层8515AI15合金，可使构件在海水中耐腐蚀20 - 40年。 2) 抗磨性包括抗磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损等。例如若在刀具表面镀上一层 TiC、TiN或Al 203薄膜，成为防止钢屑粘结的表面薄层，从而提高刀具寿命3 - 6倍。 3) 电性能包括绝缘性、导电性等。 4 ) 耐热性包括抗高温氧化、热疲劳等性能。 5) 光学特性包括反光性、光选择吸收性、吸光性等性能。 6) 电磁特性包括磁性、半导体性、电磁屏蔽性等性能。 7) 密封性。 8) 装饰性包括染色性、光泽性等性能。 9) 其它表面特性诸如耐疲劳性、保油性、可焊接性等性能。 表面技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度地拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。举例如下： 1) 可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质 量。 2) 可以把两种以上的材料复合，各取所长，解决单一材料解决不了的问题。 3) 延长在苛刻条件下服役机件的寿命。 4) 大幅度提高现有机件的寿命。 5) 赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术的发展。

6) 可成功地修复磨损、腐蚀的零件。 表面工程技术的分类 表面工程技术目前还没有统一的分类办法，但一般均认为表面工程技术包括表面涂镀技术、 表面扩渗技术和表面处理技术三个领域。表面涂镀技术是将液态涂料涂敷在材料表面，或者 将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂层或镀层，此类技术有有机涂装、热？镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等；表面扩渗技术是将原子渗入(或离子注入)基体材料的表面，改变基体表面的化学成分，从而达到改变其 性能，它主要包括化学热处理、阳极氧化、表面合金化和离子注入等；表面咫理技术是通过 加热或机械处理，在不改变材料表层化学成分的情况下，使其结构发生变化，从而改变其性 能，常用的表面处理技术包括表面淬火、激光重熔和喷丸等。可见，表面工程技术远远超出 了最初的化学热处理、电镀的范畴。 表面工程技术发展的主攻方向 目前，对新型金属表面技术主要集中力量开发的为以下三方面技术：

材料表面工程基础

《材料表面工程基础》课后习题目录及答案 1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展? 2.表面工程技术的目的和作用是什么? 3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科? 4.为什么会造成表面原子的重组？ 5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？ 6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？ 7.热喷涂技术有什么特点？ 8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？ 9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？ 10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？ 11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？ 12.镀层如何分类？怎样选择使用？ 13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。 14.电镀的基本原理？ 15.共沉积合金的相特点有几种类型？ 16.电刷镀的原理及特点是什么？ 17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。 18.与电镀相比，化学镀有何特点？ 19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？ 20.形成热浸镀层应满足什么条件？

21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。 22.热镀铝的优缺点怎样？ 23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。 24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。 25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。 26.喷丸强化技术原理、特点、应用围。 27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。 28.工件感应加热淬火的工艺流程。 29.各种表面淬火的特点和应用围。 30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？ 31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？ 32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。 33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？ 34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？ 35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？ 36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些？我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。一般的寿命要求30～50年。请

中华人民共和国国家环境保护标准-中国表面工程协会涂装分会

涂装行业 清洁生产评价指标体系 国家发展和改革委员会 发布环境保护部 工业和信息化部

目录 前言...................................................................................................................................................... I 1 适用范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 4 评价指标体系 (3) 5 评价方法 (24) 6 指标解释与数据来源 (25)

前言 为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国清洁生产促进法》，指导和推动涂装企业依法实施清洁生产，提高资源利用率，减少和避免污染物的产生，保护和改善环境，制定涂装行业清洁生产评价指标体系（以下简称“指标体系”）。 本指标体系依据综合评价所得分值将清洁生产等级划分为三级，Ⅰ级为国际清洁生产领先水平；Ⅱ级为国内清洁生产先进水平；Ⅲ级为国内清洁生产基本水平。随着技术的不断进步和发展，本评价指标体系将适时修订。 本清洁生产评价指标体系为首次发布。 本指标体系由国家发展改革委员会、环境保护部会同工业和信息化部组织制订。 本标准起草单位：中国表面工程协会涂装分会、上海市机电设计院有限公司、北京正丰易科环保科技研究中心有限公司、南昌航空大学。 本指标体系由国家环境保护部负责解释。 本指标体系自公布之日起试行。

1 适用范围 本指标体系规定了涂装行业清洁生产的技术要求。本指标体系将清洁生产指标分为五类，即生产工艺及设备要求、资源和能源消耗指标、资源综合利用指标、污染物产生指标和清洁生产管理指标。 本指标体系适用于涂装行业的清洁生产审核、清洁生产潜力与机会的判断以及清洁生产绩效评定和清洁生产绩效公告制度，也适用于新建或改扩建项目环境影响评价、环保核查、行业准入等管理制度。 2 规范性引用文件 本指标体系内容引用了下列文件中的条款。凡不注明日期的引用文件，其有效版本适用于指标体系。 《中华人民共和国清洁生产促进法》(中华人民共和国主席令第七十二号) 《清洁生产评价指标体系编制通则》（试行稿）（中华人民共和国国家发展和改革委员会、环境保护部、工业和信息化部2013年第33号） GB2589 综合能耗计算通则 GB6514 涂装作业安全规程涂漆工艺安全及其通风净化 GB7692 涂装作业安全规程涂漆前处理工艺安全及其通风净化 GB8264 涂装作业安全规程涂装技术术语 GB11893 总磷的测定钼酸铵分光光度法 GB11914 水质化学需氧量的测定重铬酸盐法 GB12348 工业企业厂界环境噪声排放标准 GB12367 涂装作业安全规程静电喷漆工艺安全 GB14443 涂装作业安全规程涂层烘干室安全技术规定 GB14444 涂装作业安全规程喷漆室安全技术规定 GB 14554 恶臭污染物排放标准 GB/T 15432 环境空气总悬浮颗粒物的测定重量法 GB/T 16157 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法 GB16297 大气污染物综合排放标准 GB/T17167 用能单位能源计量器具配备和管理导则 GB18597 危险废弃物贮存污染控制指标 GB18599 一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准 GB/T 24001 环境管理体系要求及使用指南 HJ/T 55 大气污染物无组织排放监测技术导则 HJ/T 75 固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行） HJ/T91 地表水和污水监测技术规范 HJ/T 194 环境空气质量手工监测技术规范 HJ/T 373 固定污染源监测质量保证与质量控制技术规范（试行） HJ/T 397 固定源废气监测技术规范 HJ 583 环境空气苯系物的测定固体吸附/热脱附-气相色谱法

表面工程复习题及答案~

“材料表面工程”复习题 一、名词解释 表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。 表面能：严格意义上指材料表面的内能，包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能等。 洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。 清洁表面：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。 区别：洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净表面只有用特殊的方法才能得到。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。 吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(主要是气体、液体)分子的能力。 磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。 腐蚀：材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。 极化：腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)比初始电位差要小得多的现象。 钝化：由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。(阳极反应受阻的现象) 表面淬火：用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥氏体化)，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。 喷丸强化：利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。(喷丸强化技术) 热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层(或掺杂层)的工艺。(化学热处理技术) 热喷涂：采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。 热喷焊：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术。(喷焊) 堆焊：在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。

表面工程技术的开发和应用

表面工程技术的开发和应用 表面工程学是一门新兴的学科，发展迅速，应用前景广阔。文章阐述了开展表面工程学研究的目的和意义。评述了表面工程学在人类文明和生活、在先进制造技术、在设备仪器维修、在电子通讯技术、在高新技术以及在节约资源、保护环境中的作用和应用。 关键词表面工程学表面技术应用 1.前言 表面科学与工程以表面为研究对象。表面问题是一个古老的问题。然而，早在二十多年以前，所有固体物理的研究均假设材料是无穷大的，没有表面，抛开表面问题来研究材料，说明表面有其特殊的复杂性。美国材料界有“上帝创造了物质、魔鬼给了一个表面”之说，可见表面问题是比较困难的。 表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯明翰大学成立了Wolfson表面工程学院[1], 并在1985年创办了国际性杂志《表面工程》。认识到这一新兴学科的重要性，1986年在布达佩斯第5届国际材料热处理大会上，将国际热处理学会更名为国际热处理与表面工程学会。中国机械工程学会于1987年成立了表面工程研究所，1988年出版了中文版《表面工程》杂志，1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会。自1989年以来，我国先后多次召开全国性或国际性的表面工程学术会议和表面科学与工程学术会议。 2、表面工程学的研究意义和目的 物体的相互作用首先是通过物体表面进行的。表面及表面层的结构与性能在科学、技术和日常生活中的重要性是不言而喻的。如催化剂的催化行为是由表面成分和结构决定的；在半导体材料中，各种电性能通常是由材料的最外层微米数量级厚度的成分和结构控制的。工程中常见的三大失效形式—磨损、腐蚀和断裂，前两者是因表面破坏

而失效，即使是疲劳断裂，也往往是从受力最大的表面开始而逐渐向内部发展。失效破坏导致零部件报废，设备停产，给国民经济造成巨大的损失。表面工程学能直接针对许多贵重零部件的失效原因，实行局部表面强化或修复，对零部件进行预保护或重新恢复其使用价值，它的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，仅占工件整体厚度的几百分之一到几十分之一，但却赋于基体材料表面的原来没有的特殊性能，从而满足工程上对材料表面性能的要求。因此，开展表面工程学的研究，改善材料的表面性能，对于提高零件的使用寿命和可靠性；对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力；对于推动高新技术的发展；对于节约资源、美化人类生活，减少环境污染等方面都具有重要意义，其经济效益和社会效益是显而易见的。 开展表面工程学的研究，不仅在于其经济意义，还在于其具有重要的学术价值。美国工程科学院为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与技术的的研究[2]。在我国材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也列入国家自然科学基金“九五”优先资助领域。在国家的节能节材九五规划中建议将发展表面工程作为重大措施之一，并列出节能、节材示范项目[3]。表面科学的研究可为表面技术的研究提供一定的理论指导；表面新技术的开发和完善又提出许多新的学术课题，表面工程学的研究也有力地促进了相关学科的发展。 表面工程学研究的目的是赋于材料表面具有原来没有的特殊性能： 1)物理性能：包括电磁特性(导电性、绝缘性、半导体性、磁 性、电磁屏蔽性)，光学特性(吸光性、反光性、光导、光电 效应)，热特性(热传导性、耐热性)，声特性及防辐射等；

现代表面工程技术-主要内容

1．使用表面技术的目的？ （1）提高材料抵御环境作用能力。 （2）赋予材料表面某种功能特性。包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等等各种物理和化学性能。 （3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。 2 按学科特点将表面技术大致划分为三个方面 1）表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。 2）表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。 3）表面组织转化技术：包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。 3.表面技术:表面技术主要通过表面涂覆和表面改性技术来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。 表面涂覆：主要采用各种涂层技术。 表面改性技术：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。 4．表面粗糙度常采用如下方法表示，请用线段连接相应的采示符号。 轮廓算术平均偏差： R a 微观不平度+点高度R z 轮廓最大高度R y 5电镀的基本原理及其分类？ 电镀是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成有一定性能的金属镀层的过程。电解液主要是水溶液，也有有机溶液和熔融盐。从水溶液和有机溶液中电镀称为湿法电镀，从熔融盐中电镀称为熔融盐电镀。 6．电沉积的基本条件 金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时，原则上，只要电极电位足够负，任何金属离子都可能在阴极上还原，实现电沉积。但由于水溶液中有氢离子、水分子及多种其它离子，使得一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程。所以金属离子在水溶液中能否还原，不仅决定于其本身的电化学性质，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小。若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负，则电极上大量析氢，金属沉积极少。 7．合金共沉积的条件？ 两种金属离子共沉积除需具备单金属沉积的基本条件外，还应具备以下两个基本条件：①两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来。有些金属如W，Mo等不能从其盐的水溶液中沉积出来，但它可以借助诱导沉积与铁族金属共沉积。②共沉积的两种金属的沉积电位必须十分接近。如果相差太大，电位较正的金属优先沉积，甚至完全排斥电位较负的金属析出。

我对表面工程的认识

我对表面工程的认识 表面工程是表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需表面性能的系统工程。表面工程技术是表面工程的核心和实质。 1.表面工程的基本知识 表面工程的发展历史 ·1983年首次由Prof. 提出。英Birmingham大学成立澳福森表面工程研究所 · 1985年发行表面工程(Surface Engineering)杂志 · 1986年在布达佩斯国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会 · 1987年在英国，1988年在日本召开ICSE · 1987年12月在京成立中国机械工程学会表面工程研究所。88年创刊《表面工程》杂志。11月召开首届表工程研讨会。1998年表面工程杂志更名为《中国表面工程》(CSE) 表面工程学的现状 表面工程技术分类 ○1表面涂镀技术 将液态涂料涂覆在材料表面或将镀料原子沉积在材料表面形成涂层或镀层。常见手段有热喷涂、堆焊、电镀、化学镀、气相沉积和涂装技术。

○2表面改性技术 利用热处理、机械处理、离子处理和化学处理等方法，改变材料表面的成分及性能的技术。常见手段有热扩渗、转化膜、表面合金化、离子注入和喷丸强化。 ○3薄膜技术 采用各种方法在工件表面上沉积厚度为100nm至1um或数微米薄膜的技术。常见手段有气相沉积技术等。 表面工程的特点 表面工程技术最突出的技术特点是无需改变整体材质，就能获得本体材料所不具备的某些特殊性能。表面技术多获得的表面覆盖层厚度一般从几十微米到几毫米。 表面工程的功能 装饰性：表面工程技术的传统作用之一是赋予表面更好的装饰性。不过对于金属的纯装饰性表面处理不多，很多是在兼顾表面防护性能的前提下赋予材料的装饰性，如在钢制工件上底镀Cu、中镀Ni、表镀Cr，Cu层和Ni层起防护作用，而表镀的Cr层可长久保持装饰性金属光泽。 防护性：据不完全统计，全世界每年因表面磨损、表面腐蚀、表面摩擦、表面缺陷造成对金属、非金属损失约万~万亿美金，约占全世界GDP的10%~12%。表面工程技术的主要作用是：经表面改性、表面处理、表面涂覆或表面复合处理，解决材料表面磨损、表面腐蚀、表面摩擦、表面缺陷造成的破坏，从而延长材料的有效服役时间。这既是表面工程存在的价值体现，也是表面工程发展的根本动力。

水浴温度对化学浴沉积CdS薄膜性能的影响-中国表面工程

水浴温度对化学浴沉积CdS薄膜性能的影响 段宇波，张弓，庄大明 （清华大学机械工程系，北京100084） 摘要：采用化学浴沉积法（CBD）在硫酸镉、硫脲、氨水、氯化铵溶液体系中制备了CdS薄膜，研究了水浴温度对CdS薄膜的生长过程和物理性能的影响。试验表明，CdS薄膜的生长速率随着水浴温度提高而显著增加，薄膜从疏松变的致密，但是过高的水浴温度会导致表面晶粒变的粗糙；薄膜的结晶程度随着水浴温度提高而增强，择优取向明显；制得的CdS薄膜均有较高的光透过率，随着水浴温度的提高，薄膜厚度增加，透过率在波长560 nm处出现峰值；所得薄膜均是富Cd的，且随着水浴温度的提高Cd含量也增加；薄膜的暗电导率约为10-5～10-4 Ω-1 cm-1，比光电导率小2～3个数量级，电导率与水浴温度没有明显对应关系。 关键词：CdS薄膜；化学浴沉积（CBD）；水浴温度 中图分类号：TK51文献标识码：A 文章编号：1007–9289(2010)05–0021–06 Effect of Bath Temperature on the Properties of CdS Thin Film Deposited by Chemical Bath Deposition DUAN Yu–bo, ZHANG Gong, ZHUANG Da–ming (Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract:Cadmium sulphide (CdS) thin films were deposited by chemical bath deposition (CBD) from a bath containing cadmium sulfate, thiourea, ammonium hydroxide and ammonium chloride. Influence of the bath temperature on the growth process and properties of CdS thin films were investigated. The growth rate of CdS thin film increases prominently with the increase of bath temperature, accompanying with the increasing denseness of the film. However, the surface grains become coarse in exorbitant bath temperatures. The crystallization degree of CdS thin film increases with increasing bath temperature, as well as highly preferred orientation. With high values for all CdS thin films, the transmission has a maximum at the wavelength 560 nm when the bath temperature increases to higher values, as well as thicker CdS thin films. The dark conductivity of CdS thin film is in the range of 10-5～10-4 Ω-1cm-1, which is 2～3 orders of magnitude lower than the photo conductivity, whereas the bath temperature doesn’t influence the conductivity distinctly. Key words: CdS thin film; chemical bath deposition (CBD); bath temperature 0 引言 CdS薄膜缓冲层在Cu(In,Ga)Se2（简称CIGS）薄膜太阳能电池中具有重要作用：CdS薄膜与CIGS薄膜的晶格失配度较低，尤其是立方相CdS与CIGS的晶格失配度仅为1.4 %[1]；致密、无针孔的CdS薄膜完整地包覆在CIGS薄膜表面，能够减少溅射本征ZnO 时对CIGS薄膜的损伤，从而消除由此引起的电池短路现象；CdS薄膜中的Cd原子扩散到CIGS表面有序缺陷层进行微量掺杂，能够显著改善异质结特性[2]；收稿日期：2010?04?20；修回日期：2010?05?20 作者简介：段宇波（1984—），男(汉)，陕西西安人，硕士生。CdS的禁带宽度介于CIGS和ZnO之间，能够有效调节导带边失调值，有利于提高电池转化效率[3]。 C dS薄膜的制备方法很多，如物理气相沉积（PVD）、喷涂热解法（Spray Pyrolysis）、电化学沉积（ED）、化学浴沉积（CBD）等[1-6]。 D Abou–Ras 等人对比了PVD法和CBD法制备的CdS薄膜对CIGS太阳能电池性能的影响，发现CBD法制备CdS 薄膜所得到的电池的效率更高[7]。目前，CIGS太阳能电池的最高光电转换效率为19.9 %，由美国国家可再生能源实验室（NREL）获得，其中的CdS缓冲层就是采用CBD法制备的[8]。日本太阳能公司 doi: 10.3969/j.issn.1007?9289.2010.05.003

材料表面工程技术 考试复习资料

材料表面工程技术-考试复习资料． 1.表面工程:从材料表面的实际应用出发，科学设计工艺方法，严格监控工艺过程，实际检验施工质量，并对全过程进行记录和总结，改进其中的不足，不断提高技术水平，丰富理论内涵，开发新的用途和应用领域。采用表面技术，在零部件或工件表面涂覆一层或多层表面层而形成的技术，主要包 2.括电镀和化学镀、热喷涂、化学转化膜、热浸镀、涂料涂装、气相沉积、堆焊与熔结、

搪瓷和陶瓷涂覆、粘涂、溶胶-凝胶等。表面现象有关的一些表面技术: 1）表面湿润和反湿润技术. 2）表面催化技术3.3）膜技术4）表面化学技术 4.

表面5.在几个原子范围内的清洁表面其偏离三维周期性结构的主要特征是表面松弛、重构和表面台阶结构。从微观水平看，即使宏观看来非常光滑平整的表面实际上也是凹凸不平的，即表面6. 是粗糙的。吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现。7. 晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类. 8.表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光。9.磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮(或带)的旋转，以磨削金属零件表面的过程。 滚光是将成批零件与磨削介质一起在滚筒中作低速旋转，靠零件和磨料的相对运动进行光饰处理的过程。 抛光是用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步轻微磨削以降低粗糙度，也可用于镀后的精加工。 刷光是把刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝(钢丝、黄铜丝等)刷，同时用水或含某种盐类，表面活性剂的水溶液连续冲洗去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮及其他杂物，还可用于装饰目的进行丝纹刷光和缎面刷光等。

振动磨光是将零件与大量磨料和适量抛磨液置入容器中，在容器振动过程中使零件表面平整光洁。基体表面清洁的目的是：10. 打基础；)如电镀、热喷涂等(作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工． 作为一项单独表面处理技术，可提高工件寿命或恢复工件原状态或节能需要(锅炉清除水垢，提高热效率)； 消除工件(设备)隐患，提高安全性(如传热设备局部过热可通过清洗来解决)，消毒、灭菌，除放射性污染，有利于人体健康。 表面清洗主要包括除油和除锈。 喷砂是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强11.力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程。喷砂的主要用途有：

材料表面工程基础课后习题目录及答案

《材料表面工程基础》课后习题目录及答案1 1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展? 2.表面工程技术的目的和作用是什么? 3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科? 4.为什么会造成表面原子的重组？ 5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？ 6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？ 7.热喷涂技术有什么特点？ 8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？ 9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？ 10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？ 11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？ 12.镀层如何分类？怎样选择使用？ 13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。 14.电镀的基本原理？ 15.共沉积合金的相特点有几种类型？ 16.电刷镀的原理及特点是什么？ 17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。 18.与电镀相比，化学镀有何特点？ 19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？ 20.形成热浸镀层应满足什么条件？ 21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。 22.热镀铝的优缺点怎样？ 23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。 24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。 25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。 26.喷丸强化技术原理、特点、应用范围。 27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。 28.工件感应加热淬火的工艺流程。 29.各种表面淬火的特点和应用范围。 《表面技术概论》习题 30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？ 31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？ 32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。 33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？ 34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？ 35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？ 1 ■■■■■■■■■■■■■■■524宿舍整理■■■■■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■■■■

材料表面工程

材料表面工程(材料化学专业) 目的和要求 材料表面工程是一门新的边缘学科, 它不但涉及到诸如表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论, 而且其本身也溶入了诸多学科的新技术. 本课程首先概要介绍表面物理化学和表面强度等材料表面工程基础理论知识, 然后就表面工程中10个大类表面技术的原理、工艺特点和应用领域进行重点介绍, 最后简要介绍材料表面工程中常用的一些分析和测试方法和技术. 本课程作为材料系高年级学生一门专业选修课, 目的在于给学生一个向导的作用, 让学生掌握整个材料表面工程的基本知识, 为学生将来从事这方面的工作或研究奠定一个较为扎实的基础, 课程以介绍各个相关表面工程技术的基本原理和研究方法为主, 也兼顾介绍一些生产工艺和发展方向等. 基本内容及学时分配 第一章绪论 (2学时) 1.1材料表面工程技术的意义、目的和作用 1.2材料表面工程技术的发展与分类 第二章表面物理化学基础 (4学时) 2.1 表面能与表面张力 2.2 固体表面结构 2.3 固体表面的润湿和吸附理论 2.4 Kelvin公式及其应用 2.5 表面原子的扩散 第三章表面强度 (2学时) 3.1 表面活性介质对力学性能的影响 3.2 表面膜层的应力 3.3 表面抗磨强度

3.4 表面抗腐蚀强度 3.5 疲劳载荷下的表面强度 第四章热渗镀 (2学时) 4.1 热渗镀原理 4.2 热浸镀 4.3 离子氮化 4.4 离子渗碳 第五章热喷涂 (2学时) 5.1 热喷涂原理 5.2 火焰喷涂 5.3 等离子喷涂 5.4 热喷涂涂层的特性和设计第六章堆焊 (2学时) 6.1 堆焊原理 6.2 电弧堆焊 6.3 等离子堆焊 第七章电镀 (2学时) 7.1 电沉积的基本原理 7.2 影响电镀层质量的基本因素7.3 合金镀 7.4 复合镀 7.5 电刷镀 第八章化学镀 (2学时) 8.1 化学镀基本原理 8.2 化学镀镍 8.3 化学镀铜

表面工程技术的发展与应用 (1)

5 weIding TeclnOIOgy VOI.30NO.4Aug.2001 收稿日期：2001-03-18 作者简介：周永强(1975—)，男，在读硕士，现从事焊接材料与冶金方面研究. 表面工程技术是表面处理、表面涂（镀）层及表面改性的总称，是20世纪80年代世界十项关键技术之一，将成为21世纪主导技术之一。表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能，从而达到特定的使用要求。该技术不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分，表面工程技术日益受到世界各国的重视，发展了各种用于表面工程的新型工艺技术，包括表面改性技术、表面薄膜制备技术和表面涂层技术。 1 热喷涂[1，2] 热喷涂是一种重要的表面工程技术，通过在普通材料的表面喷涂保护层、强化层和装饰层，来实现耐磨、耐蚀、耐高温、绝缘、导光的功能特性。近20年来发展迅速，由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到各种功能性涂层，由产品的维修发展到大批量的产品制造；由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层后加工的热喷涂系统工程。其应用领域从宇航业开始，迅速发展到各民用工业部门。热喷涂所用热源从电弧到等离子体、激光、电子束等，其喷涂粒子飞行速度从最初的几十m /S 提高到1000m /S （爆炸喷涂），在我国“六五”、“七五”、“八五”期间连续被列为重点推广项目。 热喷涂技术有许多工艺方法，目前应用比较广泛的主要有火焰喷涂（丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂）、等离子喷涂和电弧喷涂，其所占市场份额见表1。 表1 主要热喷涂方法的应用比例(%)热喷涂方法火焰喷涂 等离子喷涂 电弧喷涂 丝材(粉末) 超音速1980年39—55482000年 4 25 6 15 由于电弧性能不断改善，电弧喷涂在20世纪80年代再次兴起。其原理是通过送丝装置将两根丝状金属喷涂材料送进喷极中两导电嘴内，作为阴、阳极，利用其接触短路生成电弧，熔化丝材，并用压缩空气雾化喷射到工件表面形成致密结合层。由于用电能作为能源，在节能和经济方面都优于其它喷涂 方法，喷涂效率高，涂层结合强度高，对于恶劣环境下的工件防腐，如煤矿井筒、水冷壁十分有效，用电弧喷涂Cr13修复造纸烘缸既耐磨又耐蚀。目前我国的研究主要集中在封闭式电弧喷枪、推丝式送丝机构、平特性电源、药芯丝材喷涂材料等方面，国际上已研究高速射流电弧喷涂技术。 喷涂粒子的飞行速度对涂层的质量有很大影响。近年来，国际上喷涂技术正向高能高速方向发展，以超音速火焰喷涂和超音速等离子弧喷涂为代表。文献[3]指出：超音速火焰喷涂尤其适用金属合金及有粘结相的碳化物粉末涂层，而超音速等离子弧喷涂对高熔点材料陶瓷粉末最具优势。 塑料粉末喷涂是新兴技术。由于塑料喷涂的不断完善及新型塑料粉末品种出现，20世纪70年代才得以在生产中应用，在防腐、装饰方面尤有优势。塑料涂层具有良好化学稳定性、良好的耐蚀性(酸碱及有机液)、吸震性、重量轻等优点。塑料粉末火焰喷涂原理是用压缩空气将塑料粉末通过喷枪中心管道喷出，在塑料粉末外因喷枪中冷却压缩空气在最外层，为可燃气体火焰，通过空气层来加热塑料粉末至熔融状态，其要点在于粉末加热程度的控制。美国和德国已生产出不预热可直接喷涂EVA 的特殊塑料粉末。我国尚处于开始阶段，装甲兵工程学院、北京新迪表面技术工程公司现已开发出了塑料喷涂装置。 对等离子弧喷涂机理的最新研究表明：粒子的温度是影响喷涂层结合的主要原因，等离子电弧功率的提高不能有效增加粒子温度。低速等离子弧喷涂通过延长粒子加热时间获得高硬度涂层，已经试验证明。 喷焊在范畴上也属于热喷涂，是在喷涂层的基础上，加热保温使涂层与基体形成冶金结合，大致可分为火焰喷焊与等离子弧喷焊两类。等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生的，火焰喷焊通常是先形成涂层，然后再用火焰加热涂层，又称其为“重熔”处理。经喷焊涂层与基体形成的是牢固的冶金结合，对高温下承受热冲击的热模具处理尤为适用。热喷涂的具体应用可参见文献[4]。2 激光表面处理 激光表面处理技术是把传统的表面热处理与焊接技术相结合的一门新技术，与其它传统的表面工程技术如热喷涂等相 ?专题综述?表面工程技术的发展与应用 文章编号：1002-025X (2001)04-0005-03 周永强，李午申，冯灵芝 （天津大学材料科学与工程学院，天津300072） 摘要：表面工程技术是20世纪80年代世界十项关键技术之一，突出特点在于无需整体改变材质而获得原基体所不具备的某些特殊性能，在科研、生产中得到了广泛应用，取得了良好的经济效益。简要概述了热喷涂技术、激光表面工程技术、堆焊表面工程技术及其它表面工程技术的特点、应用范围、研究现状和发展中存在的问题。关键词：表面工程技术；热喷涂；堆焊；激光表面技术；现状；发展中图分类号：0485，TG174.44 文献标识码：B