材料表面界面论文

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1、材料表面与界面 材料科学与工程 材研1008班专 业：_ S20100800 班 级：_ 赵腾飞 学 号：_姓 名：_对现代表面学科发展的认识摘要: 本文阐述了表面科学与工程的发展概况，介绍了表面科学和表面工程的现代发展成就以及表面工程的应用领域，并展望了表面科学与工程的发展前景和方向。关键词：材料表面科学；材料表面工程；发展；应用一、 概述众所周知，能源、信息、材料是21世纪科学技术的三大支柱，其中材料是人类生活和工农业生产实践活动的物质基础。而大量事实已经证明材料的失效与破坏都往往从表面开始，在许多工作条件下，对材料基体和材料表面性能的要求有很大的差异。例如，一般要求基体既有高的强度和一定

2、的任性，而对表面则要求有高硬度和高耐磨性，或是要求表面具有抗蚀及抗高温氧化等。近年来新的表面处理技术如雨后春笋般地涌现，从而使材料表面科学和工程逐步形成一个独立的科学与工程体系与学科。二、对表面科学与工程的认识表面科学与工程学科涉及的信息量大，是多种学科相互交叉、渗透与融合形成的门综合性学科。它以表面科学为理论基础。利用各种物理，化学、物理化学、电化学、冶金以及机械的方法和技术，使材料表面得到我们所期望的成分、组织、性能或绚丽多彩的外观。其实质就是要达到和满足一种特殊的表面功能，并使表面和基体性能达到最佳的配合。因此它是一种节材、节能的新型工程技术，是对各学科成果的综合运用。表面科学与工程是一

3、个跨学科、跨行业、跨世纪的新兴领域，包含着表面物理、固体物理、等离子物理、表面化学、有机及无机化学、电化学、冶金学、金属材料学、高分子材料学、硅酸盐材料学以及物质的输送、热的传递等多门学科，各门学科之间互相弥补、互相渗透、互相交融，日臻完善。逐渐形成一门别具特色的新兴边缘学科。表面工程技术具有如下的技木特点：（1）在廉价的基体材料上，对表面施以各种处理，使其获得多功能性(防腐、耐磨、耐热、耐高温、耐疲劳、耐辐射、抗氧化以及光、热、磁、电等特殊功能）、装饰性表面。例如复合渗硼可以成倍提高材料的耐磨性、热疲劳性、红硬性以及耐蚀性。某些表面处理能使具整体材料得到难以获得的微晶、非晶态等特殊晶型。（2

4、）虽然表面涂层或改性层很薄，从微米级到毫米级，但却能起到大量昂贵的整体材料都难以达到的效果。（3）大幅度地节材、节能，节省资源。作为机件、构件的预保护，使之能承受腐蚀与磨损；高温的机件、构件的耐热性大大提高，延长了使用寿命；作为废旧机件的修复，也使机件的寿命有所延长。例如电站的空气预热钢管不经处理，寿命仅有数月，经渗铝处理后寿命至少达10年，经济效益不可低估。总之，表面工程技术这一内涵深、外延广、渗透力强、影响面宽的综合通用性工程技术，已渗入到信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、海洋开发技术、航空航天技术中，并与它们构成了一个光彩夺目的新科技群。表面工程技术具有实用性、科学性、先进性、

5、广泛性、装饰性、修复性、经济性。其发展前景十分诱人。三、表面科学的成就1、扫描探针技术（SPM）与表面科学的新成就扫描探针技术的问世，可以说是本世纪末表面科学技术领域一项具有划时代意义的重要成就，它使人们对材料表面物理化学过程的认识和控制进入到原子量级水平，这一技术的出现，极大地推动了表面科学的发展，并随之取得一系列重要研究成果。例如：1）Si表面原子结构的确定 2）表面电荷密度波的直接观察3）表面原子的运动 表现在孤子化学波与表面的相互作用、表面反应波动的观察以及跟踪表面原子扩散的研究成果上。2、 表面化学方面的成就由于在化学研究中的重要性，表面与界面化学过程的研究已经有了很长的历史。早在1

6、8世纪，人们就开始了表面的研究，例如催化、电化学以及表面相的热力学研究等。随后人们认识到这个反应中最关键的步骤是控制氢分子在金属表面的吸附，而不使氢在金属表面上解离成氢原子（氢分子在金属表面溶液发生解离吸附）。这个方法经过适当的改进后，至今仍是有机物氢化反应的标准过程。在朗缪尔的工作以后，相当长时间内表面化学领域都缺乏开创性的研究工作，整个领域由于20世纪50年代到60年代半导体技术的发展出现了变化。由于真空技术的发展，出现了一些在高真空条件下对表面现象进行研究，表面化学开始成为一项独立的基础学科，并吸引了一批具有固体物理、物理化学、化学工程知识背景的科学家，此表面化学得到迅猛发展，大量研究成

7、果被广泛应用于涂料、建材、冶金、能源等行业。20世纪60年代以后，各种表面分析技术不断涌现。近几十年来，检测表面性能的实验技术有了突破性的发展，对表面组成、结构、电子性能、磁学性能都可以从极微观的层次进行表征，为深入研究表面反应过程提供了十分方便的实验手段。常用的实验方法有X射线光电子能谱、紫外光电子能谱、俄歇电子能谱、电子能量损失谱、低能电子衍射、程序升温脱附技术等。 3、 表面科学在分析技术和工业方面的新成就伴随着表面科学在基础研究方面的不断深入，各种表面分析技术也日渐成熟，并开始得到广泛应用。首先，在晶体结构和化学成分分析方面，许多表面分析技术已经在工业界得到了广泛应用，这包括俄歇光电子

8、能谱（APS）、表面综合分析系统（ESCALab）、二次离子质谱（SIMS）和偏光仪等。而另一些表面分析技术，如扫描隧道显微镜、表面光学分析系统以及配有电子能量损失谱（EELS）的原子分辨透射电镜（TEM）和反射高能电子衍射谱（RHEED）也正在被工业界接受。近一时期，同步辐射与表面技术结合在医学和生物界也得到了成功的发展。在薄膜材料的制备方面，由表面技术发展起来的各种现代手段，如分子束外延（MBE）、化学气相沉淀（CVD）、溅射、激光剥离生长等已经可以通过控制应力、成分和掺杂条件来获取各式各样的人造多层膜结构。这些具有特殊功能和目的的新材料已被制作成各种器件，如高电子迁移晶体管、激光器、异质

9、结双极晶体管（HBT）、巨磁电阻、X射线光学器件等，并广泛应用于电子、磁光和通信领域。而在材料研究方面，尤其以SiC薄膜、-族氮化物薄膜、硅化物薄膜、纳米粉材料最引人注意。在表面微加工方面，刻蚀技术、等离子源粒子注入（PS）技术以及原子力隧道显微镜（AFM）辅助制版技术以及成功地用于制备半导体器件。四、表面工程的进展1、 第一次重大发展20世纪6070 年代电子束、激光束、离子束技术的实用化并进入物体表面界面加工技术领域，使表面技术发生了突破性的进展电子束是一种高能量密度的热源, 其最大功率密度可达109W/cm2，用于表面改性, 在极短的时间内可将金属表面加热甚至熔化，其特点是快，即快速加热

10、，快速冷却( 速度可达103106 /s) 。采用较低功密度(103106 W/cm2) 电子束，加热速度也可达103105/ s。它们有极好作用：（1）形成电子束表面改性技术可进行金属表面固态相变( 淬火)，也可进行表面熔凝、表面熔覆，表面合金化，从而显著地提高材料表面的耐磨性、耐蚀性，耐高温氧化性等；（2）形成更为先进的表面改性技术 蒸发物理气相沉积（E-PVD）, 早先依靠电阻丝加热蒸发源，仅能熔化、蒸发Al、Zn、Cd 等较低熔点的金属, 只能沉积这些较低熔点的金属膜层。一旦用电子束作为加热蒸发源的热源, 蒸镀便发生了重大突破，它的高能量几乎可以熔化所有的材料, 使物理气相沉积出现了一

11、个新局面，不仅能沉积Al、Zn、Cd 等低熔点金属膜层, 还能沉积各种合金膜层，不锈钢、耐热钢、高温合金膜层，碳化物、氮化物、氧化物等陶瓷膜层，这就为沉积所需要的膜层提供了一个新的技术手段。20世纪6070年代中期离子注入技术进入半导体材料表面改性领域。采用离子注入精细掺杂取代热扩散工艺，使半导体从单个管子加工而发展成为集成电路加工，以致形成了今天全新的电子工业。此外，还有离子束溅射物理气相沉积、射频离子镀、离子束辅助物理气相沉积、双离子束溅射、离子簇集离子辅助物理气相沉积等表面工程技术的出现，使离子束等离子体在表面工程技术发展中孩子不断延伸之中：如等离子体增强化学气相沉积、离子束加入蒸发物理

12、气相沉积、铝合金微弧等离子体阳极氧化技术、离子束外延技术、全方位沉浸离子注入技术等等极大地丰富了表面工程技术及其所形成的新表面层的特性。电子束、激光束和离子束的参与使表面工程技术出现了飞速发展。2、 第二次重大发展近30年来现代表面技术发展成了现代表面工程，产生了第一次重大飞跃，人们对表面及表面开展的工作已形成了共识：（1）任何物体都包含表面或界面：（2）任何工程，任何产品都不可能回避表面或界面;（3）表面、界面与集体是不可分割的；（4）现代表面工程技术可以对表面或界面作有效的改性；（5）任何重大工程或产品的设计与制造都应将表面与基体作为一个系统进行设计与制造才能获得理想的结果。换言之，任何工

13、程、任何产品都应将表面工程包含进去进行表面设计、表面加工、表面装饰。赋予表面所需要的性能。这种预测可以从当今现代表面工程的重大进展、许多重大工程与产品中看出。五、表面工程的应用领域1、表面工程应用的广泛性（1）表面工程的应用已遍及各行各业；（2）应用目的：耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等，也可以是光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用；（3）所涉及的材料：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料。2、 表面工程应用的重要性（1）材料的磨损、腐蚀、疲劳断裂等，一般都是从表面开始的，而它们带来的破坏是十分惊人的；（2）随着经济和科学技术的发展，对各种产品抵御环境作用能力和长期运行的可靠

14、性、稳定性提出了更高的要求；而在许多情况下，构件、元器件的性能和质量，主要取决于材料表面的性能和质量；（3）许多产品的性能主要取决于表面的特性和状态，而表面很薄，用材量十分少，因此表面技术可实现用最低的经济成本来实现优质产品；（4）应用表面技术，有可能在广阔的领域中生产各种新材料和新器件。3、 表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用结构材料主要用来制造工程建筑中的构件、机械装备中的零部件以及工具、模具等，在性能上以力学性能为主，同时在许多场合又要求兼有良好的耐蚀性和装饰性；表面技术在这方面主要起着防护、耐磨、强化、修复、装饰等重要作用。4、表面工程技术在功能材料和元器件上的应用材料

15、的许多功能和性能与表面组织结构密切相关，因而通过各种表面技术可制备或改进一系列功能材料及其元器件。如改变材料的光学特性、电学特性、声学特性、磁学特性、热学特性、化学特性等，以及实现这些特性之间的功能转换。5、表面工程技术在人类适应、保护和优化环境方面的应用表面工程技术在这一领域中得到了广泛的应用，初步可分为以下10个方面：净化大气；净化水质；抗菌灭菌；吸附杂质；去除藻类污垢；活化功能；生物医学；治疗疾病；绿色能源；优化环境。六、表面科学与工程的发展动向现代社会的需求促进了表面科学与工程的发展，从宏观发展分析，主要有以下几个方面的发展动向：1、深化表面科学基础理论与表面测试技术的研究摩擦学是表面

16、工程的重要基础理论之一，近年来，针对具体的工程问题，摩擦学工作者获得了出色的成果，如在摩擦副失效点判定、磨损失效的主要模式、磨损失效原因分析及对策等方面积累了丰富的经验，并在重大工程问题上作出了重要贡献。当前研究摩擦学问题的手段越来越齐全、先进，可以模拟各种条件进行试验研究，这些试验手段和已积累的研究方法、评估标准，有力地支持了表面工程的发展。而应用现代表面分析技术，从原子水平研究摩擦、磨损和润滑机理；研究表面化学效应、表面改性、表面涂覆的摩擦学领域在工业中的应用则是未来一段时期的发展方向。在腐蚀学研究方面，针对大气腐蚀、海洋环境腐蚀、储罐腐蚀、高温环境腐蚀、地下长输管线腐蚀、热交换设备腐蚀、

17、建筑物中的钢筋水泥腐蚀等，应用各种现代材料进行了腐蚀机理和防护效果研究，提出了从结构到材料到维护的一整套防腐治理措施。这些研究成果，对表面工程技术设计有很大的参考价值。而应用现代技术进行在线测量，电化学腐蚀测试，研究腐蚀过程，缓蚀机理，氧化钝化膜的形成、破坏及涂膜层的失效机制等是未来一段时期腐蚀学研究的发展方向。无论用什么表面技术在零件表面上制备涂覆层，必须掌握涂覆层与基体的结合强度、涂覆层的内应力等力学性能。这是表面工程技术设计的核心参数之一，也是研究和改进表面技术的重要依据。对于涂覆层厚度大于0.15m的膜层(如热喷涂涂层)，尚可用传统的机械方法进行测试，但是对于涂覆层厚度小于0.15m的

18、膜层(如气相沉积几个微米的膜层)，传统的机械方法已无能为力。而薄膜技术又发展得很快，应用面越来越广，这就使研究新的测试方法更加紧迫。近年，一些学者用划痕法、射线衍射法、纳米压人法、基片弯曲法等思路和手段对薄膜的力学行为进行了深入研究，取得了长足的进步，但要达到形成相对严密的自成体系的评价方法和技术指标尚有较大差距。2、发展复合表面技术在单一表面技术发展的同时，综合运用两种或多种表面技术的复合表面技术有了迅速的发展。复合表面技术通过最佳协同效应使工件材料表面体系在技术指标、可靠性、寿命、质量和经济性等方面获得最佳的效果，克服了单一表面技术存在的局限性，解决了一系列工业关键技术和高新技术发展中特殊

19、的技术问题。强调多种表面工程技术的复合，是表面工程的重要特色之一。目前，复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、表面涂覆强化与喷丸强化的复合、表面强化与固体润滑层的复合、多层薄膜技术的复合、金属材料基体与非金属表面复合、镀锌或磷化与有机漆的复合、渗碳与钛沉积的复合、物理和化学气相沉积同时进行离子注人等等。伴随复合表面工程技术的发展，梯度涂层技术也获得较大发展，以适应不同涂覆层之间的性能过渡。复合表面工程技术将在21世纪中不断得到发展，今后将根据产品的需要进一步综合研究运用各种表面工程技术的组合，解决工程中的难题，以期达

20、到最佳的优化效果。3、研究开发新型涂层材料表面涂层材料是表面技术解决工程问题的重要物质基础。当前发展的涂层新材料，有些是单独配制或熔炼而成的，有些则是在表面技术的加工过程中形成的，后一类涂层材料的诞生，进一步显示了表面工程的特殊功能。轿车涂装技术中新发展的第五代阴极电泳涂料(EDS)，其泳透力比前几代进一步提高，有机溶剂、颜料含量降低，已不含有害金属铅，代表了阴极电泳涂料的发展趋势。以聚氯乙烯树脂为主要基料与增塑剂配成的无溶剂涂料，构成了现代汽车涂装中所用的抗冲击涂料和焊缝密封胶，有效地防止了车身底板和焊缝出现过早腐蚀，并保证了车身的密封性。黏结固体润滑涂层材料，在解决航宇航天等军工高科技领域

21、特殊工况条件下的机械磨损、润滑、粘着冷焊等摩擦学问题中发挥了重要作用，并在民用真空机械、低温设备上有广阔的用途。4、开发多种功能涂层表面工程大量的任务是使零件、构件的表面延缓腐蚀、减少磨损、延长疲劳寿命。随着工业的发展，在治理这三种失效之外还提出了许多特殊的表面功能要求。例如舰船上甲板需要有防滑涂层，现代装备需要有隐身涂层，军队官兵需要防激光致盲的镀膜眼镜，太阳能取暖和发电设备中需要高效的吸热涂层和光电转换涂层，录音机中需要有磁记录镀膜，不粘锅中需要有氟树脂涂层，建筑业中的玻璃幕墙需要有阳光控制膜等等。此外，隔热涂层、导电涂层、减振涂层、降噪涂层、催化涂层、金属染色技术等也有广泛的用途。在制备

22、功能涂层方面，表面工程也可大显身手。引入激光、电子束、离子束等新技术，发展高能束表面处理工艺，采用高性能有机聚合物及超微粒金属、陶瓷粉末材料制备具有特殊功能的涂层等，传统表面处理产业将产生质的飞跃。5、扩展表面工程的应用领域表面工程已经在机械产品、信息产品、家电产品和建筑装饰中获得富有成效的应用。但是其深度和广度仍很不够，不了解和不应用表面工程的单位和产品仍很普遍。表面工程的优越性和潜在效益仍未很好发挥，需要作大量的宣传推广工作。面对中国加人世贸组织，通过推广应用表面工程提高产品的质量和竞争力，也是主要的举措之一。随着专业化生产方式的变革和人们环保意识的增强，现在呼唤表面处理向原材料制造业转移

23、，这也是一个重要的发展动向。6、积极为国家重大工程建设服务 在新型军用飞机的研制过程中，先进的胶粘技术、特种热处理技术、表面改性技术、薄膜技术以及涂层技术都发挥了重要作用。吸波材料的研制成功为装备的隐形提供了重要的物质基础。离子注入、离子蚀刻和电子曝光技术的结合，形成了集成电路微细加工技术，成为制作超大规模集成电路的重要技术基础。在各种类型的水利、化工、装备、铁道等工程中，所有的机械设备、金属结构、水工闸门以及隧洞、桥梁、公路、码头、储运设备都离不开表面工程。在国家的大型建设项目中，表面工程的应用始终是研究和讨论的重要课题之一。7、将高新技术引入传统表面处理产业，向自动化、智能化的方向迈进随着

24、科学技术的进步，国内外传统表面处理产业不断吸收机械、电子、光学、信息工程、自动化、计算机、新材料等领域的先进技术，如采用自动化、智能化设备后大大减轻工人劳动强度，逐步实现无人操作。在表面处理时，自动化程度最高的是汽车行业和微电子行业。随着机器人和自动控制技术的发展，在其他表面技术的施工中，实现自动化和智能化也已为期不远。8、降低对环保的负面效应，努力实现表面工程领域中的清洁生产从宏观上讲，表面工程对节能节材、环境保护有重大效能，但是对具体的表面技术，如涂装、电镀、热处理等均有“三废”的排放问题，仍会造成一定程度的污染。长期以来世界各国对传统表面处理工艺的三废(废水、废气、废渣)处理技术进行了大

25、量的研究，已开发出多种效果较好的三废处理技术，但这毕竟只是消极、被动的补救措施，不是治本之道。变末端处理为全过程的控制和预防，即开发从设计到制造及运行全过程的无环境污染能源节约和再生的清洁生产技术，已成为当今表面处理技术的发展趋势。参考文献：1 高志, 潘红良. 表面工程与科学. 华东理工大学出版社. 20062 李金桂. 现代表面工程应用问题的探讨. 材料保护. 2000, 33(1): 9-103 马秀芳, 李微雪, 邓辉球. 现代表面化学的发展2007年诺贝尔化学奖简介. 自然杂志. 2007, 29(6)4 孙牧, 谢仿卿, 王恩哥. 表面科学研究回顾与21世纪发展展望. 1999, 28(8): 476-4775 赵树萍. 表面工程展望及未来发展趋势. 国外金属热处理. 2003, 24(3): 1-512