文档介绍：第 5 讲表面工程技术
引言
表面工程形成一门独立的学科虽然只是近 20 年的事,但其发展之快、涉
及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。表面
工程的概念由英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔(Tom Bell)于 1983 年首次提
出,现已发展成为跨学科的边缘性、综合性、复合型学科。
表面工程是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计,利用表面改
性技术、薄膜技术和涂镀层技术,使材料表面获得材料本身没有而又希望具
有的性能的系统工程。可以说,在材料表面上所发生的各种技术都是表面工
程的一部分。
表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化
学成分和组织结构,或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和
提高材料和产品的性能(耐蚀、耐磨、装饰性能),确保产品使用的可靠性和
安全性,延长使用寿命,节约资源和能源,减少环境污染;另一方面还可赋
予材料和器件特殊的物理和化学性能。随着现代科学技术的发展,表面工程
技术在表面物理和表面化学理论的基础上,融汇了现代材料学,现代信息技
术,现代工程物理,现代医学,现代农学,现代制造技术,在工业、农业、
能源、医学、信息、工程、环境和与人类生活密切相关的领域取得了突飞猛
进的发展。
表面工程技术可以追溯到古代。早在遥远的年代,人类就已在木材表面
涂刷桐油来增强木材的强度、抗水性和防虫蛀。3 千多年前中国的大漆,2
千多年前秦始皇墓中青铜剑表面改性就是极好的例证。20 世纪 80 年代在秦
始皇墓二号坑出土了 19 把青铜剑,经历了二千多年时光的考验,竟光亮如新、
锋利如初,甚至可以切断一根发丝,实在是一个奇迹。经分析,这是因为表
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面有一层厚度为 10μm 的含铬的氧化层。进入到 20 世纪,通过各种物理化
学方法在材料表面制造涂层和薄膜,已发展成为比较成熟的系统的工程技术。
到 80 年代提出了表面工程这个新概念的时候,表面工程技术已成为世界上
10 大关键技术之一。1986 年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 年中国机械工程学会表面工程研究所成立。进入 90 年代,其
发展势头更猛,各国竟先把表面工程列入研究发展规划。美国工程科学院向
美国国会提出的 2000 年前集中力量加强发展的 9 项科学技术中,有关材料的
项目仅提出了材料表面科学与表面技术的研究。
我国于 1987 年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所,
1988 年《中国表面工程》杂志在中国创刊,1997 年经国家科委正式批准更名
为《中国表面工程》,面向国内外公开发行,2000 年,全国焊接学会将原来
的“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。
从 1989 年召开了第一届全国表面工程学术交流会起,以后每两年召开一次,
并先后于 1997 年 11 月和 1999 年 10 月在上海召开了第一届及第二届表面工
程国际会议。与此同时,我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立
了数以百计的以“表面工程”或“表面技术”冠名的研究机构,从而使表面
工程的发展达到了一个新的高度。图 1 列出了表面工程产业的概览。
简言之,表面工程技术通过各种技术手段发展了材料的性能,丰富了材
料的用途,满足了社会发展的需要,开创了材料发展的新纪元。随着生产技
术的进步,必将促使表面工程技术领域涌现出越来越多的新技术、新方法,
以便与日益进步的社会发展相适应。正如一些国内外知名专家预言:表面工
程学科将在新世纪成为工程技术领域中令人瞩目的核心学科和重要学科。
表面技术有着十分广泛的内容,仅从一个角度进行分类难于概括全面,
目前也没有统一的分类方法,从图 1 中可见,表面工程技术有很多种,但大
体可以将表面工程技术分为三类:表面改性技术、薄膜技术和涂镀层技术。
表面改性技术图1 中的表面改性和表面转化两个方面的技术都可属于
·340· 第 8 章现代化学的研究进展
表面改性技术。实际上“表面改性”是一个具有较为广泛涵义的技术名词,
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它可泛指“经过特殊表面处理以得到某种特殊性能的技术”。因此,有许多表
面涂镀层技术或薄膜技术也可看作表面改性技术。为了使各类技术归类完整,
这里所说的表面改性技术是指“表面覆盖”以外的,通过用机械、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,来获得某种特殊性能的表面处理技术。
薄