第八章-纳米表面工程教学教材.ppt

4. 实用纳米表面技术 （6）纳米粘结剂技术 纳米材料因其优异的特性，在表面粘涂与 粘结技术领域显示出广阔的应用前景。例 如，含金刚石的纳米胶粘剂具有优异的耐磨 性和很高的粘结强度。实验表明，随着纳米 级金刚石粉在胶粘剂中加入量的增加，涂层 的耐磨性提高，当加入量为8％时，耐磨性是 未添加的2.2倍，拉伸强度可达50MPa，比未 添加的提高27.5％。 第八章 纳米表面工程 4. 实用纳米表面技术 （7）纳米涂装技术 纳米复合涂料是指将纳米颗粒用于涂料中所 得到的一类具有抗辐射、耐老化、剥离强度高 或具有某些特殊功能的涂料。例如，50～120nm 球状TiO2对衰减300～400nm的紫外线有明显效 果；纳米SiO2具有极强的紫外线反射能力，对 波长400nm以内的紫外线反射率达70％以上，是 一种极好的抗老化添加剂；60nm的ZnO吸收 300～400nm紫外线能力强。尤其是纳米隐身涂 料在军事上有重要的应用价值。 第八章 纳米表面工程 4. 实用纳米表面技术 （8）金属表面纳米化 金属表面纳米晶化可以通过不同方法实 现。例如，应用超声冲子冲击工艺，可在Fe 或不锈钢表面获得晶粒平均尺寸为10～20nm 的表面层。超声冲子冲击450s后纯Fe表面层 的显微组织形成了结晶位向为任意取向的纳 米晶相，晶粒平均尺寸为10nm，而Fe的原始 晶粒尺寸约为50ｕm。 第八章 纳米表面工程 4. 实用纳米表面技术 （8）金属表面纳米化 该技术的优点之一是可以在复杂形状零部 件表面获得纳米晶表面层。该技术将为整体 材料的纳米晶化处理提供一个基本途径，此 项工作具有重大的创新意义。 以上8个方面虽然已进入实用化阶段，但仍 有广阔的研究空间，许多深层次的理论问题 也有待探讨。 第八章 纳米表面工程 5 纳米表面工程的优越性 纳米材料和纳米技术在表面工程中的应用 存在巨大的机遇，同时面临严峻的挑战。纳 米表面工程必须同时具备两个条件。 一是应用的固体颗粒直径必须处于纳米尺 度（1～100nm）; 二是纳米材料在表面性能上有大幅度的改 善或发生突变。 第八章 纳米表面工程 5 纳米表面工程的优越性 与传统表面工程相比，纳米表面工程的优越 性如下： （1）赋予表面新的服役性能 纳米材料的奇异特性保证了纳米表面工程涂覆 层的优异性能。一是体现在涂覆层本身性能的提 升上，如涂覆层的拉伸强度、屈服极限和抗接触 疲劳性能大幅度提高；二是体现在涂覆层的功能 提升方面。纳米表面工程的出现，解决了许多传 统表面工程技术解决不了的表面问题。 第八章 纳米表面工程 5 纳米表面工程的优越性 （1）赋予表面新的服役性能 例如，高性能纳米声、光、电、磁膜及超 硬膜的制备；再如，纳米原位动态自修复技 术由于纳米颗粒材料的作用能够在金属摩擦 副表面形成修复薄膜，能够在工作状态下完 成金属摩擦副德原位动态修复，延长了零部 件的服役寿命。 第八章 纳米表面工程 5 纳米表面工程的优越性 （2）使零件设计时的选材发生重要变化 在纳米表面工程中，在许多情况下，传统意 义上的基体材料有时只起载体作用，纳米表面 工程涂覆层成为实现其功能或性能的主体。例 如，高速钢刀具可以改为强度、韧性高的材 质，通过在刀刃表面沉积纳米超硬膜来实现切 削功能；耐蚀材料和抗高温材料也可以改为普 通材质，通过对与介质接触的表面实施纳米化 处理而起到抗蚀、抗高温作用等。 第八章 纳米表面工程 5 纳米表面工程的优越性 （3）为表面工程的复合提供新途径 纳米表面工程能够为表面工程技术的复合 提高一跳新的途径，具有广阔的应用前景。 例如，金属表面的纳米化，赋予了基质表层 优异性能。表面纳米化与离子渗氮技术结 合，使渗氮工艺由原来的在500℃条件下处理 24h转变为300℃条件下的处理9h。 第八章 纳米表面工程 6 纳米表面工程中的科学问题 当前纳米表面工程的科学问题主要有如下 几点。 （1）纳米材料的表面效应、界面效应对纳米 材料本身和纳米复合材料结构、物理性能、 化学性能、力学性能等影响的机理问题。 随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著 地增加，高的比表面使处理表面的原子数越 来越多，同时表面能迅速增加，从而使这些 表面原子具有高的活性，极不稳定。 第八章 纳米表面工程 6 纳米表面工程中的科学问题 这些表面原子一遇到其他原子会很快结合 使其稳定化，这就是活化的原因。这种表面 原子的活性不但引起纳米颗粒表面原子输运 和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象 和电子能谱的变化。纳米材料具有非常