1、材料改性技術(shù)材料改性技術(shù)講講 授：劉授：劉 鵬鵬物理與電子科學(xué)學(xué)院無機(jī)材料教研室物理與電子科學(xué)學(xué)院無機(jī)材料教研室內(nèi)容提要內(nèi)容提要第第 1 章章 表面技術(shù)概論表面技術(shù)概論第第 2 章章 固體表面固體表面 第第 3 章章 熱噴涂與搪瓷熱噴涂與搪瓷 第第 4 章章 電鍍與化學(xué)鍍電鍍與化學(xué)鍍 第第 5 章章 氣相沉積氣相沉積第第 6 章章 表面化學(xué)處理表面化學(xué)處理第第 7 章章 熱處理與化學(xué)熱處理熱處理與化學(xué)熱處理第第 1 章章 表面技術(shù)概論表面技術(shù)概論本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：表面技術(shù)的類型與作用機(jī)理。表面技術(shù)的類型與作用機(jī)理。前言：表面技術(shù)的發(fā)展前言：表面技術(shù)的發(fā)展越王勾踐劍越王勾踐劍深埋地下深埋地下2

2、400多年的越王勾踐劍出土?xí)r毫無銹蝕，多年的越王勾踐劍出土?xí)r毫無銹蝕，依然鋒利無比，依然鋒利無比，很可能由于棺木周圍被致密的白很可能由于棺木周圍被致密的白色粘土填塞，形成了隔絕空氣的密閉空間。色粘土填塞，形成了隔絕空氣的密閉空間。 早期的防腐技術(shù)早期的防腐技術(shù)長(zhǎng)沙馬王堆出土的青銅器長(zhǎng)沙馬王堆出土的青銅器馬王堆出土的青銅器至今仍保持著清晰馬王堆出土的青銅器至今仍保持著清晰的的圖案和花紋，圖案和花紋，主要由于采用主要由于采用燒好的木炭作燒好的木炭作為防腐層和吸濕劑。為防腐層和吸濕劑。 傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)淬火淬火鍛打鍛打從古代的鑄劍技術(shù)到現(xiàn)代的熱處理技術(shù)，都是通過改變表面的從古代的

3、鑄劍技術(shù)到現(xiàn)代的熱處理技術(shù)，都是通過改變表面的金相組織和應(yīng)力狀態(tài)來提高金屬材料的力學(xué)性能。金相組織和應(yīng)力狀態(tài)來提高金屬材料的力學(xué)性能。高新技術(shù)的發(fā)展對(duì)機(jī)械零部件質(zhì)量的要求提高。高新技術(shù)的發(fā)展對(duì)機(jī)械零部件質(zhì)量的要求提高。 現(xiàn)代表面技術(shù)的重要性現(xiàn)代表面技術(shù)的重要性器件的微型化，使表面問題更為突出。器件的微型化，使表面問題更為突出。以普通材料代替昂貴材料以降低成本。以普通材料代替昂貴材料以降低成本。1.1 表面技術(shù)的涵義表面技術(shù)的涵義對(duì)象對(duì)象途徑途徑目的目的固體金屬或非金屬材料表面固體金屬或非金屬材料表面施加覆蓋層施加覆蓋層 采用物理、化學(xué)或機(jī)械等手段改變表面組成、采用物理、化學(xué)或機(jī)械等手段改變表面

4、組成、結(jié)構(gòu)或應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)或應(yīng)力狀態(tài)。提高抵御環(huán)境作用的能力（腐蝕、磨損）提高抵御環(huán)境作用的能力（腐蝕、磨損）賦予功能特性（光、電、磁、化學(xué)）賦予功能特性（光、電、磁、化學(xué)）表面技術(shù)的廣泛涵義表面技術(shù)的廣泛涵義 表面技術(shù)基礎(chǔ)理論表面技術(shù)基礎(chǔ)理論（本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容）（本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容） 表面處理技術(shù)表面處理技術(shù)（本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容）（本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容） 表面加工技術(shù)表面加工技術(shù) 表面分析與檢測(cè)技術(shù)表面分析與檢測(cè)技術(shù) 表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)1.2 表面技術(shù)分類（按作用機(jī)理）表面技術(shù)分類（按作用機(jī)理） 原子沉積原子沉積 顆粒沉積顆粒沉積 整體覆蓋整體覆蓋 表面改性（化學(xué)處理、熱處理等）表面改性（化學(xué)

5、處理、熱處理等）表面覆蓋表面覆蓋廣義表面改性技術(shù)廣義表面改性技術(shù)原子沉積原子沉積CVD處理的黃金表殼處理的黃金表殼鍍鉻餐具鍍鉻餐具 特征：特征：沉積物是原子尺度的粒子形態(tài)，如電鍍、沉積物是原子尺度的粒子形態(tài)，如電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積 機(jī)理：機(jī)理：粒子成核粒子成核長(zhǎng)大長(zhǎng)大凝聚凝聚成膜成膜顆粒沉積顆粒沉積搪瓷茶缸搪瓷茶缸 特征：特征：沉積物是宏觀尺度的顆粒形態(tài)，如沉積物是宏觀尺度的顆粒形態(tài)，如熱噴涂、熱噴涂、搪瓷搪瓷 機(jī)理：機(jī)理：顆粒在表面凝聚、沉積或燒結(jié)。顆粒在表面凝聚、沉積或燒結(jié)。熱水器搪瓷內(nèi)膽熱水器搪瓷內(nèi)膽整體覆蓋整體覆蓋熱浸鍍鋅的電纜橋架

6、熱浸鍍鋅的電纜橋架 特征：特征：欲涂敷的材料同一時(shí)間施于基體表面。欲涂敷的材料同一時(shí)間施于基體表面。零件表面涂防銹油零件表面涂防銹油表面改性表面改性拋丸強(qiáng)化后的齒輪拋丸強(qiáng)化后的齒輪微弧氧化處理的鎂合金輪圈微弧氧化處理的鎂合金輪圈 本質(zhì)：本質(zhì)：改變表面組成、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)改變表面組成、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài) 途徑：途徑：物理、化學(xué)、機(jī)械等手段物理、化學(xué)、機(jī)械等手段，如表面氧化、表面，如表面氧化、表面強(qiáng)化、熱處理與化學(xué)熱處理強(qiáng)化、熱處理與化學(xué)熱處理1.3 表面技術(shù)應(yīng)用實(shí)例表面技術(shù)應(yīng)用實(shí)例 潤(rùn)濕與反潤(rùn)濕技術(shù)潤(rùn)濕與反潤(rùn)濕技術(shù) 特種涂層與薄膜特種涂層與薄膜 固體表面催化固體表面催化 生物醫(yī)學(xué)表面工程生物醫(yī)學(xué)表面

7、工程1.3.1 潤(rùn)濕與表面活性劑潤(rùn)濕與表面活性劑s-gs-ll-gcos 潤(rùn)濕現(xiàn)象潤(rùn)濕現(xiàn)象附著潤(rùn)濕附著潤(rùn)濕浸漬潤(rùn)濕浸漬潤(rùn)濕鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇駍-ls-gl-gs-ls-gl-g與石料的潤(rùn)濕性好。與石料的潤(rùn)濕性好。穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑乳化劑乳化劑水水石油瀝青石油瀝青機(jī)械攪拌機(jī)械攪拌乳化瀝青乳化瀝青表面活性劑應(yīng)用實(shí)例表面活性劑應(yīng)用實(shí)例1：乳化瀝青：乳化瀝青顯著優(yōu)點(diǎn)顯著優(yōu)點(diǎn)粘度低、流動(dòng)性好。粘度低、流動(dòng)性好。常溫使用，安全、節(jié)能、環(huán)保。常溫使用，安全、節(jié)能、環(huán)保。原理：利用表面活性劑分子在水氣界面的定向排列，實(shí)現(xiàn)礦石優(yōu)選。原理：利用表面活性劑分子在水氣界面的定向排列，實(shí)現(xiàn)礦石優(yōu)選。 表面活性劑的應(yīng)用表面活性劑

8、的應(yīng)用2：浮游選礦：浮游選礦捕收劑：捕收劑：選擇吸附在有用礦石粒子表面，使之表面疏水。選擇吸附在有用礦石粒子表面，使之表面疏水。 起泡劑：起泡劑：使使充入水中的空氣產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫，促進(jìn)礦石上浮。充入水中的空氣產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫，促進(jìn)礦石上浮。 超親水表面超親水表面超親水涂層的應(yīng)用超親水涂層的應(yīng)用 超親水自潔技術(shù)超親水自潔技術(shù)：采用具有超親水性納米：采用具有超親水性納米TiO2涂層，在產(chǎn)品表面涂層，在產(chǎn)品表面形成一層水膜，使污垢不易粘附。形成一層水膜，使污垢不易粘附。銅網(wǎng)容積銅網(wǎng)容積8cm3，即便忽略自重，理，即便忽略自重，理論上最多只能承重論上最多只能承重8g。哈工大潘欽敏教授在哈工大潘欽敏教授在

9、Applied Materials & Interfaces報(bào)道的超疏水銅網(wǎng)船報(bào)道的超疏水銅網(wǎng)船使用超疏水表面處理后，居然能夠使用超疏水表面處理后，居然能夠承載超過承載超過13g的重量。的重量。即使銅網(wǎng)上沿在水面以下，依然即使銅網(wǎng)上沿在水面以下，依然繼續(xù)漂浮而不進(jìn)水。繼續(xù)漂浮而不進(jìn)水。超疏水表面超疏水表面超疏水特性源于表面特殊的微超疏水特性源于表面特殊的微- -納結(jié)構(gòu)！納結(jié)構(gòu)！人工構(gòu)筑的微人工構(gòu)筑的微-納結(jié)構(gòu)納結(jié)構(gòu)碳布纖維碳布纖維碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管碳載體表面沉積納米碳載體表面沉積納米Pt顆粒顆粒H. Y. Du, et al. Diamond & Related Ma

10、terials. 2008, 17: 535.1.3.2 特種涂層特種涂層問題：普通材料不能承受如此高的溫度。問題：普通材料不能承受如此高的溫度。 燒蝕涂層燒蝕涂層（有機(jī)材料（有機(jī)材料+ +石英纖維、陶瓷纖維、碳纖維）石英纖維、陶瓷纖維、碳纖維）隔熱涂層隔熱涂層（Al2O3、ZrO2）實(shí)例實(shí)例1：飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿，由于具有數(shù)十倍飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿，由于具有數(shù)十倍于音速的速度，并與大氣層摩擦，其駐點(diǎn)溫度高達(dá)于音速的速度，并與大氣層摩擦，其駐點(diǎn)溫度高達(dá)8000 。解決方法：施加耐高溫復(fù)合涂層。解決方法：施加耐高溫復(fù)合涂層。實(shí)例實(shí)例2：隱形戰(zhàn)機(jī)的反探測(cè)涂層：隱形戰(zhàn)機(jī)

11、的反探測(cè)涂層 。美、俄、中隱形戰(zhàn)機(jī)對(duì)比圖美、俄、中隱形戰(zhàn)機(jī)對(duì)比圖吸波原理吸波原理 常用吸波材料：常用吸波材料：鐵氧體、碳材料等鐵氧體、碳材料等 各種功能薄膜各種功能薄膜用途用途成膜方式成膜方式超硬膜超硬膜 金剛石、碳化物、氮化物金剛石、碳化物、氮化物 （半）導(dǎo)體膜（半）導(dǎo)體膜 功能陶瓷、高分子材料功能陶瓷、高分子材料防護(hù)防護(hù)/ /裝飾膜裝飾膜 仿金膜、合金鍍層仿金膜、合金鍍層外加膜外加膜基體參與成膜基體參與成膜催化劑與反應(yīng)物所處狀態(tài)催化劑與反應(yīng)物所處狀態(tài)均相催化均相催化多相催化多相催化固體催化劑對(duì)氣態(tài)或液態(tài)反應(yīng)的催化作用屬于多相催化，反應(yīng)發(fā)生固體催化劑對(duì)氣態(tài)或液態(tài)反應(yīng)的催化作用屬于多相催化，反

12、應(yīng)發(fā)生在兩相界面上，即催化劑表面。在兩相界面上，即催化劑表面。接觸催化接觸催化因此，催化劑又稱因此，催化劑又稱“觸媒觸媒”。1.3.3 固體表面催化固體表面催化催化劑改性技術(shù)催化劑改性技術(shù)P. Liu, et al. Electrochemistry Communications. 2008, 10: 1471-1473.通過摻雜、修飾、包覆等改性手段，通過摻雜、修飾、包覆等改性手段，改善改善表面表面宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，拓展拓展表面活性區(qū)域，進(jìn)而提高催化性能。表面活性區(qū)域，進(jìn)而提高催化性能。催化劑性能很大程度上取決于其表面效應(yīng)。催化劑性能很大程度上取決于其表面效應(yīng)。1.3.4 生物

13、材料表面工程生物材料表面工程種植牙技術(shù)種植牙技術(shù)植入材料植入材料的表面是與人體直接接觸的，通過表面改性，可以改善生物的表面是與人體直接接觸的，通過表面改性，可以改善生物相容性，并減少磨損，保證植入物的長(zhǎng)期性能。相容性，并減少磨損，保證植入物的長(zhǎng)期性能。目前臨床上廣泛應(yīng)用鈦芯表面噴涂目前臨床上廣泛應(yīng)用鈦芯表面噴涂羥基磷灰石作為種植體，充分利用羥基磷灰石作為種植體，充分利用了羥基磷灰石較好的了羥基磷灰石較好的生物相容性生物相容性和和鈦材料優(yōu)秀的鈦材料優(yōu)秀的力學(xué)性能力學(xué)性能。腦瘤手術(shù)的難題：腦瘤手術(shù)的難題：腦癌細(xì)胞與正常腦細(xì)胞從外觀上難以區(qū)別，一般手腦癌細(xì)胞與正常腦細(xì)胞從外觀上難以區(qū)別，一般手術(shù)中難

14、以完全切除癌變組織。術(shù)中難以完全切除癌變組織。 G. Nie, et al. Small. 2012, 8(6) : 884891.研究進(jìn)展：研究進(jìn)展：將納米染色劑表將納米染色劑表面改性，使其對(duì)腫瘤細(xì)胞具面改性，使其對(duì)腫瘤細(xì)胞具有靶向作用。外科醫(yī)生在正有靶向作用。外科醫(yī)生在正常光線下，可實(shí)現(xiàn)術(shù)中裸眼常光線下，可實(shí)現(xiàn)術(shù)中裸眼直接觀察腫瘤。直接觀察腫瘤。本課程的成績(jī)?cè)u(píng)定本課程的成績(jī)?cè)u(píng)定 平時(shí)成績(jī)：按平時(shí)成績(jī)：按100分制評(píng)定，占總成績(jī)的比重為分制評(píng)定，占總成績(jī)的比重為60。 期終期終成績(jī)：成績(jī)：開卷考試，開卷考試，按按100分制評(píng)定，占總成績(jī)的比重分制評(píng)定，占總成績(jī)的比重為為40。 出勤與課堂表現(xiàn)：滿分為出勤與課堂表現(xiàn)：滿分為30分，無故缺課分，無故缺課3次不得參加期終考試。次