材料表面改性详解.ppt

* * 材料改性技术 讲 授：刘 鹏 物理与电子科学学院无机材料教研室 内容提要 第 1 章 表面技术概论 第 2 章 固体表面 第 3 章 热喷涂与搪瓷 第 4 章 电镀与化学镀 第 5 章 气相沉积 第 6 章 表面化学处理 第 7 章 热处理与化学热处理 第 1 章 表面技术概论 本章重点： 表面技术的类型与作用机理。 前言：表面技术的发展 越王勾践剑 深埋地下2400多年的越王勾践剑出土时毫无锈蚀，依然锋利无比，很可能由于棺木周围被致密的白色粘土填塞，形成了隔绝空气的密闭空间。 ◇ 早期的防腐技术 长沙马王堆出土的青铜器 马王堆出土的青铜器至今仍保持着清晰的图案和花纹，主要由于采用烧好的木炭作为防腐层和吸湿剂。 ◇ 传统的表面强化技术 淬火 锻打 从古代的铸剑技术到现代的热处理技术，都是通过改变表面的金相组织和应力状态来提高金属材料的力学性能。 高新技术的发展对机械零部件质量的要求提高。 ◇ 现代表面技术的重要性 器件的微型化，使表面问题更为突出。 以普通材料代替昂贵材料以降低成本。 1.1 表面技术的涵义 对象 途径 目的 固体金属或非金属材料表面 施加覆盖层 采用物理、化学或机械等手段改变表面组成、结构或应力状态。 提高抵御环境作用的能力（腐蚀、磨损） 赋予功能特性（光、电、磁、化学） 表面技术的广泛涵义 表面技术基础理论（本课程学习内容） 表面处理技术（本课程学习内容） 表面加工技术 表面分析与检测技术 表面工程技术设计 1.2 表面技术分类（按作用机理） 原子沉积 颗粒沉积 整体覆盖 表面改性（化学处理、热处理等） 表面覆盖 广义表面改性技术 原子沉积 CVD处理的黄金表壳 镀铬餐具 特征：沉积物是原子尺度的粒子形态，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积…… 机理：粒子成核→长大→凝聚→成膜 颗粒沉积 搪瓷茶缸 特征：沉积物是宏观尺度的颗粒形态，如热喷涂、搪瓷…… 机理：颗粒在表面凝聚、沉积或烧结。 热水器搪瓷内胆 整体覆盖 热浸镀锌的电缆桥架 特征：欲涂敷的材料同一时间施于基体表面。 零件表面涂防锈油 表面改性 抛丸强化后的齿轮 微弧氧化处理的镁合金轮圈 本质：改变表面组成、结构、应力状态…… 途径：物理、化学、机械等手段，如表面氧化、表面强化、热处理与化学热处理…… 1.3 表面技术应用实例 ◎ 润湿与反润湿技术 ◎ 特种涂层与薄膜 ◎ 固体表面催化 ◎ 生物医学表面工程 1.3.1 润湿与表面活性剂 ◇ 润湿现象 附着润湿 浸渍润湿 铺展润湿 θ γs-l γs-g γl-g θ γs-l γs-g γl-g ③与石料的润湿性好。 稳定剂 乳化剂 水 石油沥青 机械搅拌 乳化沥青 表面活性剂应用实例1：乳化沥青 显著优点 ①粘度低、流动性好。 ②常温使用，安全、节能、环保。 原理：利用表面活性剂分子在水气界面的定向排列，实现矿石优选。 表面活性剂的应用2：浮游选矿 捕收剂：选择吸附在有用矿石粒子表面，使之表面疏水。 起泡剂：使充入水中的空气产生稳定的泡沫，促进矿石上浮。 超亲水表面 超亲水涂层的应用 超亲水自洁技术：采用具有超亲水性纳米TiO2涂层，在产品表面形成一层水膜，使污垢不易粘附。 铜网容积8cm3，即便忽略自重，理论上最多只能承重8g。 哈工大潘钦敏教授在《Applied Materials Interfaces》报道的超疏水铜网船 使用超疏水表面处理后，居然能够承载超过13g的重量。 即使铜网上沿在水面以下，依然继续漂浮而不进水。 超疏水表面 超疏水特性源于表面特殊的微-纳结构！ 人工构筑的微-纳结构 碳布纤维 碳纤维表面生长碳纳米管 碳载体表面沉积纳米Pt颗粒 H. Y. Du, et al. Diamond Related Materials. 2008, 17: 535. 1.3.2 特种涂层 问题：普通材料不能承受如此高的温度。 烧蚀涂层（有机材料+石英纤维、陶瓷纤维、碳纤维） 隔热涂层（Al2O3、ZrO2） 实例1：飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿，由于具有数十倍于音速的速度，并与大气层摩擦，其驻点温度高达8000 ℃。 解决方法：施加耐高温复合涂层。 实例2：隐形战机的反探测涂层 。 美、俄、中隐形战机对比图 吸波原理 常用吸波材料：铁氧体、碳材料等 各种功能薄膜 用途 成膜方式 外加膜 基体参与成膜 催化剂与反应物所处状态 均相催化 多相催化 固体催化剂对气态或液态反应的催化作用属于多相催化，反应发生在两相界面上，即催化剂表面。 接触催化 因此，催化剂又称“触媒”。 1.3.3 固体表面催化 催化剂改性技术 P. Liu, et al. Electrochemistr