第八章表面处理.ppt

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1、1,1 纳米表面工程的内涵 纳米技术是20世纪80年代末期诞生并正在 崛起的新技术。1990年7月，在美国巴尔的摩 召开了国际首届纳米科学技术会议（Nano- ST）。纳米科技研究范围是过去人类很少涉 及的非宏观、非微观的中间领域（10-910- 7m），它的研究开辟了人类认识世界的新层 次。纳米材料与技术的发展得到了世界各国 的高度重视。,第八章 纳米表面工程,2,1 纳米表面工程的内涵 在开展相关理论研究与实践应用的基础上， “纳米表面工程”这一新的概念和领域应运而 生。2000年，徐滨士等人在中国机械工程 杂志上首先提出了“纳米表面工程”的概念。 2002年国际表面工程学科创始人、中国工

2、 程院外籍院士、英国伯明翰大学T. Bell教授 访华时对纳米表面工程的提法给予充分的肯 定，并确定与中国学者联合开展纳米表面工 程的研究工作。,第八章 纳米表面工程,3,1 纳米表面工程的内涵 纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非 平衡材料为基础，通过特定的加工技术和手 段，对固体表面进行强化、改性、超精细加 工或赋予表面新功能的系统工程。产生机敏 表面、纳米智能表面和表面纳米器件。（潜 艇蒙皮、坦克外壳）简言之，纳米表面工程 就是将纳米材料和纳米技术与表面工程交 叉、复合、综合并开发应用。,第八章 纳米表面工程,4,1 纳米表面工程的内涵 与传统的表面工程相比，其特点是：取决 于基体性能的

3、因素被弱化，表面处理、改性 和功能化的自由度扩大，表面加工技术的作 用更加突出，产品的附加值更高。,第八章 纳米表面工程,5,1 纳米表面工程的内涵,第八章 纳米表面工程,什么是“纳米表面”,纳米量级厚度的薄膜,表面含有纳米颗粒与原子团族,表面含有纳米碳管,复合纳米表面,6,2 纳米表面工程产生的背景 随着纳米科技的发展，微机电系统的设 计、制造日益增多，制造技术以由亚微米层 次进入到原子、分子级的纳米层次。纳米机 器人、纳米钳、纳米电机、，此类机电 系统涉及到大量的表面科学表面技术问题， 且随着尺寸减小和表面效应的出现，传统的 的表面设计和加工方法以不再适应。,第八章 纳米表面工程,7,2

4、纳米表面工程产生的背景 要求材料在特殊情况，如超高温/低温、 超高压、高真空、强氧化还原或腐蚀环境以 及存在辐射、声吸收、信号屏蔽、承受点载 荷等条件下服役的情况越来越多，由于纳米 材料在力、电、声、光、热、磁方面表现出 与宏观材料不同的特性。因此传统材料表面 纳米化显得特别重要。,第八章 纳米表面工程,8,3 实现表面纳米化的三种途径 在金属材料表面获得纳米结构表层主要途 径有三种：表面涂覆或沉积方法、表面自身 纳米化方法和混合纳米化方法。 （1）表面涂覆或沉积方法 首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳米 尺度的颗粒，再将这些颗粒通过表面技术固 结在材料的表面，形成一个与基体化学成分 相同（或

5、不同）的纳米结构表层。,第八章 纳米表面工程,9,纳米固体薄膜制备技术,直流溅射,射频溅射,磁控溅射,离子束溅射,真空 蒸发,溅射 沉积,离子镀,物理气相沉积 （PVD）,化学气相沉积 （CVD）,分子束外延 （MBE）,气相沉积,电 镀 法,溶胶-凝胶法,电阻加热,感应加热,电子束加热,激光加热,直流二极型离子镀,射频放电离子镀,等离子体离子镀,HFCVD,PECVD,LECVD,10,3 实现表面纳米化的三种途径 这种材料的主要特征是：纳米结构表层内晶 粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制；表层与 基体之间存在着明显得界面；材料的外形尺寸 较处理前有所增加。 许多常规表面涂层和沉积技术都具有开

6、发纳 米表面膜层的潜力，如PVD、CVD、电解沉积 等。通过工艺参数的调节，可以控制纳米结构 表层的厚度和纳米晶粒的尺寸，整个工艺过程 的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗 粒之间的牢固结合。,第八章 纳米表面工程,11,3 实现表面纳米化的三种途径 目前，这些技术经过不断地发展和完善， 已比较成熟。 （2）表面自身纳米化方法 对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加 材料表面的自由能，可以使粗晶组织逐渐细 化至纳米量级。这种材料的主要特征是：晶 粒尺寸沿厚度方向逐渐增大；纳米结构表层 与基体之间没有明显的界面；处理前后材料 的外形尺寸基本不变。,第八章 纳米表面工程,12,3 实现表面纳米化

7、的三种途径 由非平衡实现表面纳米化主要有两种方 法，即表面机械（加工）处理法和非平衡热 力学法，不同方法所采用的工艺和由其导致 纳米化的微观机理均存在着较大的差异。 （3）混合纳米化方法 在制备热喷涂层、电刷镀层、粘结层等表 面工程涂覆层时，在基质层中复合纳米颗粒 以改变涂覆层本身的综合性能或制备出特殊 的功能涂层。,第八章 纳米表面工程,13,3 实现表面纳米化的三种途径 目前，较为成熟的使用纳米表面工程技术 制备的表面涂覆层主要属于这种方式。,第八章 纳米表面工程,14,4. 实用纳米表面技术 围绕以上途径开展研究，当前已经开发出 多种实用的纳米表面工程技术。 （1）纳米薄膜制备技术 薄膜

8、技术是通过某些特定工艺（常用溅射 法），在物体表面沉积附着一层或者多层与 基体材料材质不同的薄膜，使物体表面具有 与基体材料不同性能的技术。,第八章 纳米表面工程,15,4. 实用纳米表面技术 （1）纳米薄膜制备技术 按薄膜的用途，可以将其分为功能性薄膜 和保护性薄膜两大类。两大类中又有纳米多 层膜和纳米复合膜之分。纳米多层膜一般是 由两种厚度在纳米尺度上的不同材料层交替 排列而成的涂层体系。,第八章 纳米表面工程,16,4. 实用纳米表面技术 （1）纳米薄膜制备技术 由于膜层在纳米量级上排列的周期性，两 种材料具有一个基本固定的超点阵周期，双 层厚度为510nm，一些涂层在X射线衍射图 上产

9、生了附加的超点阵峰，对这些涂层又称 之为纳米超点阵涂层。纳米复合膜是由两相 或两相以上的固态物质组成的薄膜材料，其 中至少有一相是纳米晶，其他相可以是纳米 晶，也可以是非晶态。,第八章 纳米表面工程,17,4. 实用纳米表面技术 （2）纳米热喷涂技术 热喷涂是表面工程领域中应用十分广泛的 技术，在各种新型热喷涂技术如超音速火焰 喷涂（HVOF）、高速电弧喷涂、气体爆燃 式喷涂、电熔爆炸喷涂、超音速等离子喷 涂、真空等离子喷涂等不断涌现的同时，纳 米热喷涂技术已成为热喷涂技术新的发展方 向。,第八章 纳米表面工程,18,4. 实用纳米表面技术 （2）纳米热喷涂技术 热喷涂纳米涂层组成可分为三类：

10、 单一纳米颗粒材料的复合体系，特别是陶 瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系具有重要的作 用和意义。目前，完全的纳米材料涂层离普 及及应用还有相当距离。大部分的研究开发 工作集中在在传统涂覆层技术基础上，添加 复合纳米材料，可在较低成本情况下，使涂 覆层功能得到显著提高。,第八章 纳米表面工程,19,热喷涂法制备NC,纳米粒子（0D-n）：质量太小，不能直接喷涂；喷涂过程中被烧结。,液相分散喷雾合成法，原位生成喷雾合成法，机械研磨合成法。,纳米结构喂料 ( Nanostrucyured Feedstock, NF ),纳米结构喂料的制备,20,液相分散喷雾合成法,热喷涂法制备NC,21,原位生成喷雾合成

11、法,按液相合成法在液相中先生成纳米粒子，通过过滤、渗透、反渗透及超离心等手段除出纳米粒子以外的组分，再加入液相介质何其它组分，用液相喷雾分散法获得NF。,热喷涂法制备NC,22,通过机械研磨、机械合金、高能球磨等方法直接将微米粉或非晶金属箔加工成NF。具体为：在干燥的高真空料机内通入保护气体（Ar, N2）；或在CH3OH和液氮介质中通过对磨球/粉体比、磨球数量和尺寸、球磨能量、球磨温度、介质等参数的控制，对粉末粒子反复进行熔结、断裂过程，使晶粒不断细化，达到纳米尺寸。除去CH3OH和液氮介质后，0D-n会因自身的静电引力自行团聚成微米级的纳米结构喂料。,机械研磨合成法,热喷涂法制备NC,23

12、,NC组装,24,4. 实用纳米表面技术 （2）纳米热喷涂技术 例如，美国纳米材料公司通过特殊粘结处 理制成专用热喷涂纳米粉，用等离子喷涂方 法获得了纳米结构的Al2O3/TiO2涂层，该涂 层致密度达9598，结合强度比传统喷 涂粉末涂层提高23倍，表明纳米结构涂层 具有良好的性能。研究表明，采用热喷涂技 术制备的纳米结构涂层性能优异，在一些贵 重、关键零件的应用方面具有良好前景。,第八章 纳米表面工程,25,4. 实用纳米表面技术 （3）纳米颗粒复合电刷镀技术 电刷技术是表面工程的重要组成部分，该 技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度 快、镀层种类多等优点，被广泛应用于机械 零件表面修复与

13、强化，尤其适用于现场及野 外抢修。近年来，纳米级颗粒材料在电刷镀 技术中的应用，使芾恶化电刷镀技术在高温 耐磨及抗接触疲劳载荷领域呈现出强大生命 力。,第八章 纳米表面工程,26,4. 实用纳米表面技术 （3）纳米颗粒复合电刷镀技术 在电刷镀镀液中添加纳米颗粒时制备的复 合镀层的摩擦性能有较大改善。在快速镍镀 层中分别添加纳米AL2O3、SiC、金刚石 粉，通过对纳米粉进行表面改性处理，有效 地提高了纳米粉在镍基复合镀层中的共沉积 量，显著的改善了纳米粉在镀层中的均匀程 度。,第八章 纳米表面工程,27,4. 实用纳米表面技术 （3）纳米颗粒复合电刷镀技术 在不同的加热温度下，表现出比传统快速

14、 镍刷镀层更好的显微硬度和抗微动磨损性 能。其中添加纳米AL2O3复合镀层的使用温 度达400，且在此温度下复合镀层的显微值 为HV600，抗接触疲劳循环次数由传统镀层 的2105提高到2106，提高了一个数量 级。纳米电刷镀技术可用于设备贵重零部件 的修复与再制造。,第八章 纳米表面工程,28,4. 实用纳米表面技术 （4）纳米减摩自修复添加剂技术 机械部件的磨损，主要发生在边界润滑和混 合润滑状态下，而润滑油添加剂，特别是摩擦 改进剂是降低其摩擦磨损最有效的途径之一， 也是国外表面工程中的重要发展方向。在一定 温度、压力、摩擦力作用下，表面产生剧烈摩 擦和塑性变形，纳米颗粒在摩擦表面沉积，

15、并 与摩擦表面作用，填补表面微观沟谷，从而形 成一层具有抗磨减摩作用的修复膜。,第八章 纳米表面工程,29,4. 实用纳米表面技术 （4）纳米减摩自修复添加剂技术 通过发动机台架试验，该技术可使整车的 动力性、经济性以及尾气排放都得到改善， 燃油消耗率也降低了510。 （5）纳米固体润滑干膜技术 固体润滑技术是将固体物质涂（镀）于摩 擦界面，以降低摩擦，减少磨损的技术。与 常用的液体润滑相比，固体润滑技术不需要 相应的润滑设备和装置，不存在泄漏问题。,第八章 纳米表面工程,30,4. 实用纳米表面技术 （5）纳米固体润滑干膜技术 固体润滑技术不仅扩充了润滑油、脂的应用 范围，而且弥补了润滑油、

16、脂的缺陷。例如， 加入纳米AL2O3颗粒，使固体润滑干膜的摩擦 系数增大，耐磨性提高。某重载车辆平面弹子 滚道部位，采用纳米固体润滑干膜对其进行处 理后，涂层能有效地隔绝腐蚀介质，同时涂层 起到较好的减摩润滑作用。该技术可用于特殊 情况下，贵重零部件的减摩、耐磨。,第八章 纳米表面工程,31,4. 实用纳米表面技术 （6）纳米粘结剂技术 表面粘涂与粘结技术是指以高分子聚合物 与一些特殊功能填料（如石墨、二硫化钼、 金属粉末、陶瓷粉末和纤维）组成的复合材 料涂覆于零件表面实现特定用途（如耐磨、 抗蚀、绝缘、导电、保温、防辐射等）的一 种表面工程技术。,第八章 纳米表面工程,32,4. 实用纳米表

17、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,33,4. 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，50120nm 球状TiO2对衰减300400nm的紫外线有明显效 果；纳米S

18、iO2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 300400nm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,34,4. 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1020nm 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50m。,第八章 纳米表面工程,35,4. 实用纳米

19、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,36,5 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（1100nm）; 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,37,5 纳米表面工程的优

20、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,38,5 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

21、修复，延长了零部 件的服役寿命。,第八章 纳米表面工程,39,5 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,40,5 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

22、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,41,6 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,42,6 纳米表面工程中的科学

23、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。纳米材料具有非常大的 界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外 力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很 好的韧性与一定的延展性。,第八章 纳米表面工程,43,6 纳米表面工程中的科学问题 对纳米材料的表面、界面效应特性的形成 机理进行深入研究和表征，有助于对纳米材 料进行有效的表面改性、界面优化设计和控 制，进而解决诸如纳米颗粒材料的团聚问 题、吸附问题，介观、微观和宏观材料的交 互作用问题等。 目前微米级材料的性能

24、已有很多报道，但 是纳米级材料的性能研究结果报道较少，这 就为表面工程中选用纳米材料带来困难。,第八章 纳米表面工程,44,6 纳米表面工程中的科学问题 （2）宏观材料的表面纳米化及其对材料表面改性的作用机理 在纳米表面工程中，采用不同的手段进行宏观 材料的表面纳米化是表面改性的重要途径，其基 本原理和方法需要深入研究。例如：不同尺度、 不同层次的宏观、微观及介观下的材料过渡设计 及阐述相应的内在联系，如涂层、梯度功能材 料、复合超薄膜；表面纳米化改性设计过程中涉 及的微结构形成热力学和动力学过程。,第八章 纳米表面工程,45,6 纳米表面工程中的科学问题 （3）宏观环境中介观材料的行为和作用

25、机理问题 例如含纳米颗粒的复合电刷镀技术中，纳 米颗粒在多相离子体系中的镀液的分散、稳 定机制；复合镀层纳米颗粒沉积机理和对镀 层组织结构的影响机理以及纳米颗粒与基体 的相容性、匹配性等问题。,第八章 纳米表面工程,46,7 发展纳米表面工程的意义 21世纪是纳米科技时代，纳米材料和纳米 科技将在传统技术的基础上渗入国民工业和 人民生活的各个领域。现代工业产品追求性 能先进、经济耐用、节能节材、有利于环 保。实现这些目标，纳米表面工程将可以大 显身手，为社会发展和科技进步作出贡献。,第八章 纳米表面工程,47,7 发展纳米表面工程的意义 （1）纳米表面工程与制造业技术创新 十六大报告明确指出：

26、“坚持以信息化带动 工业化，以信息化促进工业化，走出一条科 技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境 污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型 工业化路子。”党中央提出的新兴工业化道 路，就是充分运用最新科技成果和依靠科技 进步的工业化。,第八章 纳米表面工程,48,7 发展纳米表面工程的意义 （1）纳米表面工程与制造业技术创新 2001年中国工程院组织了25位院士和40多位 专家对我国制造业的现状、作用、地位及发展 趋势和对策进行了调查研究，写出了新世纪 如何提高和发展我国制造业的研究报告（简 称报告），并于2002年7月向社会公布，摘 要发表。报告指出，处于工业中心地位的 制造业，特别是装备制

27、造业，是国民经济持续 发展的基础，是工业化、现代化建设的发动机 和动力源。,第八章 纳米表面工程,49,7 发展纳米表面工程的意义 （1）纳米表面工程与制造业技术创新 没有先进的制造业去不断地、持续地武 装、改造和提升各产业部门的装备和生产运 行水平，实现对环境友好的可持续发展，就 谈不上什么现代化。对中国这样的人口大 国，在现存的不平等不合理的世界秩序中， 没有自己强大的制造业，要实现工业化和可 靠的现代化是不可能的。,第八章 纳米表面工程,50,7 发展纳米表面工程的意义 （1）纳米表面工程与制造业技术创新 报告建议今后1020年内中国应下定 决心，采取一切可能的措施，在对外开放的 环境中

28、，建立强大的制造业。 纳米表面工程是采用纳米材料和纳米技 术，针对零件失效的形式、特征和机理，综 合运用各种纳米表面工程技术进行防护的工 程。纳米表面工程既是先进制造技术的重要 组成部分，又促进了先进制造技术的发展。,第八章 纳米表面工程,51,7 发展纳米表面工程的意义 （1）纳米表面工程与制造业技术创新 纳米表面工程可以有效提升传统的表面工 程技术，大幅度提高产品质量和性能。纳米 表面工程技术的应用与传统表面技术相比， 使工件具有更高的耐磨、抗腐蚀和耐高温等 性能，同时可以赋予材料表面更优异的功能 性能。纳米表面工程的研究及其技术的开发 应用将有利于推动我国先进制造技术的创新 与发展。,第

29、八章 纳米表面工程,52,7 发展纳米表面工程的意义 （1）纳米表面工程与制造业技术创新 纳米表面工程的实施将可以促进机械产品 结构的创新和功能的提升，对提高机械设备 零部件及仪器仪表的性能、质量，增强产品 竞争力，促进国内外引进设备零部件的国产 化及在节能节材等诸多方面将发挥巨大作 用。,第八章 纳米表面工程,53,7 发展纳米表面工程的意义 （2）纳米表面工程与机械维修技术和再制造技术创新 纳米表面工程技术是机械零部件高性能维 修和再制造工程的关键技术，能够解决许多 过去不能解决的装备某些零件维修难题。 机械维修伴随着机械制造，有制造就要有 维修。,第八章 纳米表面工程,54,7 发展纳米

30、表面工程的意义 （2）纳米表面工程与机械维修技术和再制造技术创新 近20年来，一方面由于人们环保意识的增 强，“用后丢弃”的观念开始向“再制造”的观念 转变；另一方面，由于科学技术的发展，使原 先的原样修复变成为可实现超过原始性能的改 进性修复，由原先的被动修理变为制造与维修 纳入设备和零部件的设计、制造与运行的全寿 命过程，以优质、高效、节能、节材、低污染 为目的地主动维修的系统工程。,第八章 纳米表面工程,55,7 发展纳米表面工程的意义 （2）纳米表面工程与机械维修技术和再制造技术创新 再制造是一种适用生态及经济需要的高级 循环形式，再制造业是一个新兴的产业。再 制造的目的是将旧机电产品

31、修复成与原新品 性能相当或高于新品的再制造产品。工业专 家认为，再制造产品与原新品的原料耗费量 之比为1:59。,第八章 纳米表面工程,56,7 发展纳米表面工程的意义 （2）纳米表面工程与机械维修技术和再制造技术创新 德国Stuttgart Fraunhofer研究所研究表明， 每年全球再制造业的能量节省与5个核电站的 发电量相当；再制造已经被认可为减少“温室 效应”气体排放量工作的一部分；消费者购买 再制造产品将比购买新品少花5075的 钱。总之，再制造能将一个国家的能源和资源 优势转化为一个国家的经济和环境利益。,第八章 纳米表面工程,57,7 发展纳米表面工程的意义 （2）纳米表面工程

32、与机械维修技术和再制造技术创新 中国对再制造工程的研究应用尚处于起步 阶段。但是，再制造工程已经受到了国务 院、中国工程院、军队系统等有关部门的重 视，并将再制造工程设计及成形技术列入国 家“十五”先进制造技术发展前瞻和国家自然 科学基金机械学科优先发展领域。我国已经 建立了汽车发动机再制造生产线。,第八章 纳米表面工程,58,7 发展纳米表面工程的意义 （2）纳米表面工程与机械维修技术和再制造技术创新 维修与再制造的技术难度并不亚于新品制 造，它是使尺寸成形的损伤零件在不致使零 件变形和内部组织结构、力学性能发生改变 以及有时加工定位的基准已经被破坏等众多 约束条件下来恢复其表面性能。所以在

33、维修 与再制造过程中会遇到许多难题，纳米表面 工程是解决这些难题的一种有效手段。,第八章 纳米表面工程,59,7 发展纳米表面工程的意义 （2）纳米表面工程与机械维修技术和再制造技术创新 对废旧机电产品实施再制造必须依赖于先 进的材料成形与加工技术。纳米表面工程技 术作为再制造的关键技术，不但可以恢复零 件表面尺寸和形状，而且还可以显著提高其 表面性能，达到对零部件性能升级的目的。,第八章 纳米表面工程,60,7 发展纳米表面工程的意义 （2）纳米表面工程与机械维修技术和再制造技术创新 例如，纳米表面工程技术在发动机再制造、 机床再制造及装备贵重零部件、难修复零部件 维修的应用中，均提升了产品

34、性能，解决了原 来无法解决或难以解决的维修课题，取得了良 好经济效益和社会效益。采用纳米电刷镀技术 再制造斯太尔发动机连杆、凸轮轴、曲轴、缸 套等零件，可以显著提高零件表面性能，延长 其服役寿命。,第八章 纳米表面工程,61,7 发展纳米表面工程的意义 （2）纳米表面工程与机械维修技术和再制造技术创新 综合运用纳米电速度技术、纳米粘结剂技 术及纳米润滑减摩技术可以成功地对表面发 生机械损伤的机床零部件实现再制造，并节 约维修成本。 纳米表面工程的研究及其在维修和再制造 中的运用，将促进高科技维修技术和再制造 技术的发展。,第八章 纳米表面工程,62,7 发展纳米表面工程的意义 （3）纳米表面工

35、程与节约能源、资源 据统计，世界钢产量的1/10由于腐蚀而损 失；机电产品提前失效原因的70属于腐蚀 和磨损；机电产品制造和使用中大约1/3的能 源直接消耗于摩擦磨损。我国机电系统1990 年调查27个省市约400个企业，腐蚀损失达 116亿元，磨损损失与之相近，1996年石化系 统做过调查统计，我国每年腐蚀损失约1800 亿元。,第八章 纳米表面工程,63,7 发展纳米表面工程的意义 （3）纳米表面工程与节约能源、资源 纳米表面工程最大的优势是能够借助纳米 材料和纳米科技的最新成果及传统表面工程 技术，以多种方法制备出性能优于基体材料 性能的表面涂层或薄层，其厚度一般从几十 微米到几毫米，仅

36、占工件整体厚度的几百分 之一到几十分之一，却使工件具有了比基体 材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性 等。,第八章 纳米表面工程,64,7 发展纳米表面工程的意义 （3）纳米表面工程与节约能源、资源 采用纳米表面工程技术，可以利用较低的成 本费用而大幅度地提高产品的性能及附加值， 从而获得更高的利润。根据英国科技开发中心 的调查报告，英国主要依靠传统表面工程而获 得的产值每年超过50亿100亿英镑，其他工 业化国家的情况也基本相同。纳米表面工程技 术的发展及推广应用，符合当今国际上“绿色 工程”的发展趋势。将可以获得更大的经济效 益和社会效益。,第八章 纳米表面工程,65,7 发展纳米表面工程

37、的意义 （4）纳米表面工程与高新技术产业的发展 纳米表面工程可以为高新技术产业的发展 提供先进技术工艺支持。纳米表面工程的发 展以及纳米材料在表面工程中反馈的问题， 将为纳米科技的发展提供新目标。 应用气相沉积、磁控溅射等表面工程技术 可以制备具有超常规力学性能的薄膜及功能 性薄膜、金刚石薄膜。,第八章 纳米表面工程,66,7 发展纳米表面工程的意义 （4）纳米表面工程与高新技术产业的发展 类金刚石薄膜作为一种新型的功能材料， 在金属切削加工、超高速计算机芯片、半导 体、微波器件的散热元件以及光学窗口等领 域已得到初步应用，并显示出无与伦比的优 越性。纳米超硬及硬质薄膜的发展和应用， 可以为计

38、算机技术、电子技术等高新技术的 发展提供有力的技术支持。,第八章 纳米表面工程,67,7 发展纳米表面工程的意义 （4）纳米表面工程与高新技术产业的发展 利用纳米复合层的隐身性能，把纳米表面工 程技术应用于先进的武器装备，提高其作战性 能和生存能力，有效促进了高科技军事技术的 发展。 同时，航空航天、电工电子、计算机等各领 域中高新技术的发展将不断拓宽纳米表面工程 的研究领域和应用领域，展现纳米表面工程的 作用和价值。纳米表面工程和各领域中高新技 术产业的发展相互促进。,第八章 纳米表面工程,68,7 发展纳米表面工程的意义 （5）纳米表面工程与人民生活的改善 纳米表面工程研究及其技术开发应用

39、虽然 目前尚处于初期阶段，但是，纳米表面工程 技术的应用已经渗入到人民生活的多个方 面。纳米颗粒材料应用于表面涂层中，发挥 其清洁杀菌、吸收紫外线和红外波及其他功 能性能、提高涂层质量和寿命等方面的功 效，有效改善人民的生活质量。,第八章 纳米表面工程,69,7 发展纳米表面工程的意义 （5）纳米表面工程与人民生活的改善 例如，纳米涂料、纳米薄膜、纳米复合涂 层等已经开始应用于建筑、化工、纺织、机 械、医疗及生物工程等人民日常生活的多个 领域。,第八章 纳米表面工程,70,8 纳米表面工程的最新进展,第八章 纳米表面工程,表面纳米超薄膜,表面超微图形,超光滑表面,71,1. 纳米单层膜,2.

40、纳米多层叠膜,3. 有序分子膜,表面纳米超薄膜,零磨损、超滑：DLC、Ni-P非晶膜、LB润滑膜； 功能膜：光-电、压-电、磁性膜、IC chips、.。,8 纳米表面工程的最新进展,第八章 纳米表面工程,72,Films of single layer,Ti(N, C, CN),(V, Al, Nb)N,Ni-Cu alloys,Al2O3, SiC,Cu, Ni, Al, Ag, Au, Diam., DLC,第八章 纳米表面工程,73,DLC coated a magnetic thin-film disk,The surface of stretched (12%) video tap

41、e with DLC-layer with a thickness of 30 nm.,The surface of stretched (12%) video tape without DLC-layer.,74,YSZ (yttrium-stabilized ZrO2) bicrystal ZnO/YSZ/ZnO/YSZ/ZnO internal films.V. Roddatis, Journal of Crystal Growth 220 (2000) 515-521.,The solid-phase intergrowth (SPI) process,75,Schematic dia

42、gram of a new triode structure of FED with carbon nanotube emitters. Diamond and Related Materials 10 (2001) 1705.,复合纳米表面器件,76,有序分子膜,LB膜（Langmuir-Blodgett）,SA膜（self-assembled mono- or multi-layer）,MD膜（molecular deposition film）,通过固液界面具有反应活性的不同头尾基的化学吸附或化学反应，在基片上形成化学键连接、紧密排列的有序单层或多层膜。 “分子筛”: 空隙只允许一定尺寸

43、的分子通过。用作化学传感器，其灵敏度比普通材料高500倍。 纳米智能薄膜: 空隙可随条件的变化或根据靠近的分子特征而开闭。,利用阴阳离子间的静电相互作用力，通过相反离子体系的交替分子沉积制备而成的层状有序超薄膜。,将气液界面上的单分子层的膜通过物理机械过程转移到固体基片上。,77,表面超微图形加工技术,涂光致抗蚀剂,曝光,显影,腐蚀,去胶,光刻 技术,78,当前的光刻技术，采用193nm曝光波长，可实现大于100nm线宽的图形。 下一代光刻技术，*157nm曝光，小于50nm线宽图形。 再下一代光刻技术，*126nm曝光。,* 德国的Carl Zeiss公司 美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室、S

44、VGL公司 日本的尼康公司 荷兰的ASML公司,* 德国的Carl Zeiss公司 美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室,光刻技术IC产业的关键技术,79,STM 技术在Si(111)面上形成的“中国”字样。 最邻近硅原子间的距离为0.4nm。,纳米量级结构的制作是纳米技术的关键技术之一。 我国SPM系统在Au-Pd合金膜表面上机械刻画出的最小线宽为25nm。,80,超光滑表面,超光滑表面（Ultrosmooth surfaces） 1）表面粗糙度小于1nm的表面（应用于光学器件、窗口等） 2）表面晶格的完整性 的表面（应用于功能光电器件：InP, HgCdTe的完整晶体表面 ）,抛光液： 纳米颗粒

45、（含n-MoS2, n-Al2O3, n-SiO2, n-Cr2O3, ）+ 润滑油。,81,9 纳米表面工程展望 纳米表面工程近期的发展思路是：在继承 表面工程的丰硕成果基础上，扩展开发传统 表面技术与纳米表面技术之间的复合，围绕 材料的纳米化表面三条途径开发新技术、新 工艺和新材料，攻克纳米表面工程中的难 点，引导纳米表面工程迅速健康发展，积极 推广纳米表面工程的研究成果，为我国现代 化建设作出贡献。,第八章 纳米表面工程,82,9 纳米表面工程展望 纳米表面工程近期需要进行深入的基础工 作主要如下： （1）继续开展纳米颗粒表面修饰和包覆研究 研究主要是针对热喷涂纳米结构涂层时防 止颗粒长

46、大和解决团聚问题进行的，有明确 的应用背景。在ZrO2纳米颗粒表面包覆 Al2O3、在纳米Al2O3纳米颗粒表面包覆 ZrO2、在纳米SiO2表面的有机包覆、TiO2表 面的有机和无机包覆都已在实验室完成。,第八章 纳米表面工程,83,9 纳米表面工程展望 包覆的小颗粒不但消除了颗粒表面的带电 效应，防止团聚，同时形成了一个势垒，使 它们在热喷涂过程中不易长大。 有机包覆使无机小颗粒能与有机物和有机 试剂达到浸润状态，这为无机颗粒掺入高分 子塑料、橡胶、涂料中奠定了良好的基础。,第八章 纳米表面工程,84,9 纳米表面工程展望 在纳米复合电刷镀、纳米涂装、纳米粘涂 等技术中也都要解决纳米颗粒的

47、表面改性问 题。这些基础研究，将有利地推动纳米复合 材料的发展。 （2）大力开发纳米功能薄膜和涂层 在新材料和先进制造技术方面，材料表面 纳米化技术将从根本上改变材料和器件的生 产方式。,第八章 纳米表面工程,85,9 纳米表面工程展望 在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成分 来制备高性能的表面，进而将它们组装成具有 独特性质和功能的更大结构，这将给材料制造 工业带来革命。纳米表面构造技术可望给人们 带来更轻。更强和可设计的材料。纳米薄膜和 涂层材料的设计与合成是近12年来国际上纳 米表面工程研究的热点之一，主要研究在特殊 功能薄膜、传统材料、纤维和颗粒表面的纳米 化涂层，为解决重大工程问题开

48、发新的纳米涂 覆层。,第八章 纳米表面工程,86,9 纳米表面工程展望 例如，根据要求将设计制造的表面纳米涂层 用于电子芯片将成百万倍地提高计算机的计算 速度和效率；将存储电子器件的存储能力扩展 到太（T）位存储的水平，这将成千倍地增加 单位面积的存储量，并上万倍地降低能量的消 耗。该领域的发展方向有：发展可商业化的表 面纳米化结构涂层的合成、处理和制造方法， 如新的表面处理方法、受控晶核形成、定向生 长和定向刻蚀等；提高对表面纳米化结构及其 性质的分析和测量能力。,第八章 纳米表面工程,87,9 纳米表面工程展望 在医学科学和保健方面，通过对纳米材料 表面对药物的选择性吸附和可控解吸的深入

49、研究，将可能给药物的传输提供新的方式和 路径（定点基因和靶向药物传送系统），从 而极大地提高其疗效；通过控制制备的材料 表面纳米涂层结构，可以得到新型高性能的 生物相容材料，从而延长人造器官的使用寿 命。,第八章 纳米表面工程,88,9 纳米表面工程展望 在航空和空间探索方面，纳米表面工程将 使我们能设计和制造可用于飞机、火箭、空 间站、行星/太阳探测平台的轻质、高强度、 热稳定的新材料。纳米技术在此领域的应用 很广，与其他领域相比，相对重要的应用有 纳米润滑涂层、热障和耐用的纳米结构涂 层、纳米隐身涂层。,第八章 纳米表面工程,89,9 纳米表面工程展望 （3）扩展传统表面工程技术与纳米表面工程技术之间的复合形式 纳米表面工程是传统表面工程知识创新和 技术创新的源泉，新规律、新原理的发现和 新理论的建立，给纳米表面工程度建立和发 展提供了新的机遇。当前纳米表面工程正处 于一个千载难逢发展的大好时机，充满了机 遇。,第八章 纳米表面工程,90,9 纳米表面工程展望 （3）扩展传统表面工程