神奇的表面工程
日期：2019-08-05 09:21:23
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一位美國學者說過一句俏皮話：“上帝創(chuàng)造了物質(zhì)，魔鬼給了一個表面”，它說明物質(zhì)的表面和內(nèi)部差異很大，性能往往難以駕馭，而表面工程是通過技術(shù)手段改變物質(zhì)表面的形態(tài)、成分、結(jié)構(gòu)或應力狀態(tài)，從而獲得神奇的表面性能；經(jīng)過表面處理的地下管道可以防腐，磁帶可以錄下美妙的音樂，而表面涂有氟樹脂的飯鍋則變成了不粘鍋，甚至飛機也可以隱形，這些都是神奇的表面工程為人類做出的貢獻。
1.表面工程的形成與發(fā)展
表面工程形成一門獨立的學科雖然只是近二三十年的事，但其發(fā)展之快、涉及范圍之廣、對人們生產(chǎn)生活影響之大是當初大多數(shù)人所始料未及的。表面工程的概念由英格蘭伯明翰大學教授湯·貝爾（Tom Bell）于1983年首次提出，現(xiàn)已發(fā)展成為跨學科的邊緣性、綜合性、復合型學科。
表面工程是將材料表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進行設(shè)計，利用表面改性技術(shù)、薄膜技術(shù)和涂鍍層技術(shù)，使材料表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統(tǒng)工程。可以說，在材料表面上所發(fā)生的各種技術(shù)都是表面工程的一部分。
表面工程以最經(jīng)濟和最有效的方法改變材料表面及近表面區(qū)的形態(tài)、化學成分和組織結(jié)構(gòu)，或賦予材料一種全新的表面。一方面它可有效地改善和提高材料和產(chǎn)品的性能（耐蝕、耐磨、裝飾性能），確保產(chǎn)品使用的可靠性和安全性，延長使用壽命，節(jié)約資源和能源，減少環(huán)境污染；另一方面還可賦予材料和器件特殊的物理和化學性能。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，表面工程技術(shù)在表面物理和表面化學理論的基礎(chǔ)上，融匯了現(xiàn)代材料學，現(xiàn)代信息技術(shù)，現(xiàn)代工程物理，現(xiàn)代醫(yī)學，現(xiàn)代農(nóng)學，現(xiàn)代制造技術(shù)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、醫(yī)學、信息、工程、環(huán)境和與人類生活密切相關(guān)的領(lǐng)域取得了突飛猛進的發(fā)展。
作為表面工程的基礎(chǔ)，表面技術(shù)的發(fā)展歷史悠久，早在遙遠的年代，人類就已經(jīng)在木材表面涂刷桐油來增強木材的強度、抗水性和防蟲蛀。3千多年前中國的大漆，2千多年前秦始皇墓中青銅劍表面改性就是極好的例證。20世紀80年代在秦始皇2號坑出土了19把青銅劍，經(jīng)歷了兩千多年時光的考驗，竟光亮如新、鋒利如初，甚至可以切斷一根發(fā)絲，實在是一個奇跡。經(jīng)分析這是因為青銅劍表面有一層厚度為10μm的含鉻的氧化層。進入20世紀，通過各種物理化學方法在材料表面制造涂層和薄膜，已發(fā)展為比較成熟的系統(tǒng)的工程技術(shù)，到80年代提出了表面工程這個新概念的時候，表面工程技術(shù)已經(jīng)成為世界上10大關(guān)鍵技術(shù)之一。1986年10月在布達佩斯召開的國際熱處理聯(lián)合會，決定接受表面工程學科并改名為國際熱處理及表面工程聯(lián)合會。1987年中國機械工程學會表面工程研究所成立。到21世紀，其發(fā)展勢頭更猛，各國競相把表面工程列入研究發(fā)展規(guī)劃。美國工程科學院向美國國會提出的21世紀前十年集中力量加強發(fā)展的9項科學技術(shù)中，有關(guān)材料的項目僅提出了材料表面科學與表面技術(shù)的研究。因此，表面工程在新世紀正逐漸成為工程技術(shù)領(lǐng)域中令人曙目的核心學科和重要學科。
我國于1987年由中國機械工程學會建立了學會性質(zhì)的表面工程研究所，1988年《中國表面工程》雜志在中國創(chuàng)刊，1997年經(jīng)國家科委正式批準更名為《中國表面工程》，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，2000年，全國焊接學會將原來的“堆焊與熱噴涂專業(yè)委員會”正式更名為“堆焊及表面工程專業(yè)委員會”。與此同時，我國的大專院校、科研院所、工礦企業(yè)也相繼建立了數(shù)以百計的以“表面工程”或“表面技術(shù)”冠名的研究機構(gòu)，從而使表面工程的發(fā)展達到了一個新的高度。圖1列出了表面工程技術(shù)的幾種分類。
圖1 表面工程技術(shù)分類
2.常見的表面技術(shù)及應用
表面工程為各個領(lǐng)域、各行各業(yè)高技術(shù)的發(fā)展開辟了新天地。它所形成的表面改性層、薄膜和涂鍍層幾乎擴展到所能設(shè)想的每個方面。目前，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，表面工程技術(shù)更是層出不窮，下面僅就幾種常見的利用化學或物理化學原理的表面工程技術(shù)作一簡單介紹。
2.1涂料
涂料，我國傳統(tǒng)稱為“油漆”，是一種材料，這種材料可以采用不同的施工工藝涂覆在物件表面上，形成粘附牢固、具有一定強度、連續(xù)的固態(tài)薄膜。這樣形成的膜通稱為涂膜或者涂層。在我國，人類生產(chǎn)和使用涂料已經(jīng)有了悠久的歷史，歷代的漆器已成為我國古代文明的象征。但當時主要以蟲膠、大漆為基礎(chǔ)的天然樹脂作為涂料的原料。到20世紀初，隨著科學技術(shù)的進步，合成樹脂開始應用于涂料生產(chǎn)。20世紀30年代前后，醇酸樹脂開始工業(yè)化生產(chǎn)，有力地促進了涂料工業(yè)的發(fā)展。到20世紀60年代，涂料工業(yè)的原料開始轉(zhuǎn)向石油化工產(chǎn)品。隨著市場需要的增加和技術(shù)的進步，涂料工業(yè)也得到迅速的發(fā)展。
涂料作為一個工業(yè)部門雖然僅有百年的歷史，但其應用卻非常廣泛。在我們的周圍，可以說涂料無處不在，從室內(nèi)的墻壁、冰箱、櫥柜和家具，甚至錄音錄象帶和光盤上，到戶外的房屋、汽車、船舶、橋梁、飲料罐以及口香糖包裝等等地方隨處可見。目前涂料品種已近千種、產(chǎn)量逐年增加。2008年全球涂料產(chǎn)量約3200萬噸，生產(chǎn)總額在930億美元左右。我國自改革開放30多年來，涂料產(chǎn)量的年增長率約為10%，目前生產(chǎn)能力已超過630萬噸，產(chǎn)量擠身于世界第三位。
涂料的組成按功能包括4部分：成膜物質(zhì)、顏料、溶劑和助劑，如圖2所示。
圖2 涂料的組成
經(jīng)過長期的發(fā)展，涂料的品種特別繁雜，用途也各異，有許多分類方法，下面主要介紹下面3種：
根據(jù)主要成膜物質(zhì)可分為有機涂料和無機涂料，有機涂料中根據(jù)成膜樹脂類型又可分為醇酸、環(huán)氧、丙烯酸涂料等。
按照溶劑類型又可分為溶劑型（以有機溶劑為分散劑，又分為低固體份和高固體份兩種）涂料、水性（以水為溶劑）涂料、粉末涂料、輻射固化涂料等。未來涂料發(fā)展的方向?qū)Ⅲw現(xiàn)在以下兩個方面向：一是向更加環(huán)保、綠色方向發(fā)展，將不斷開發(fā)出高固體份、水性、粉末和輻射固化的涂料；二是向更加功能化的方向發(fā)展，各種功能化特種涂料產(chǎn)品將不斷問世。
按照用途涂料可分為3大類：建筑涂料、產(chǎn)品涂料和特種涂料。建筑涂料主要包括用于裝飾和保護建筑物外壁和內(nèi)壁的涂料，占涂料總量的50%左右，其中乳膠漆占70%以上。產(chǎn)品涂料通常也叫工業(yè)漆，是在工廠里施工于汽車、家電、電磁線、飛機、家具、金屬罐等等上的涂料，占涂料總產(chǎn)量的30%左右。其余20%左右的是特種涂料，它是指在工廠外施工的工業(yè)涂料和一些其他涂料，如防火涂料、防水涂料、耐高溫腐蝕的陶瓷涂料、示溫涂料、導電涂料、磁性涂料、路面標線涂料、防霉滅蟲涂料、耐磨涂料、海洋重防腐涂料等等。特種涂料不僅要滿足國防尖端產(chǎn)品和高科技發(fā)展的特殊需要，而且還要滿足國民經(jīng)濟各部門新發(fā)展的特種要求。
涂料對所形成的涂膜而言，是涂膜的“半成品”，涂料只有經(jīng)過使用即施工到被涂物件表面形成涂膜后才能表現(xiàn)出其作用。涂料形成涂膜的過程直接影響涂料能否充分發(fā)揮預定的效果以及所得涂層的各種性能是否能充分表現(xiàn)出來。涂膜的固化機理一般有3種類型。
①物理機理干燥只靠涂料中液體(溶劑或分散相)蒸發(fā)而得到干硬涂膜的干燥過程即為物理機理干燥。在干燥過程中，高聚物不發(fā)生化學反應。
②涂料與空氣發(fā)生反應的交聯(lián)固化氧氣能與干性植物油和其它不飽和化合物反應而產(chǎn)生游離基并引發(fā)聚合反應而固化。所以在貯存期間，涂料罐必須密封良好，與空氣隔絕。
③涂料組分之間發(fā)生反應的交聯(lián)固化涂料在貯存期間必須保持穩(wěn)定，可以用雙組分包裝涂料法或是選用在常溫下互不發(fā)生反應，只是在高溫下或受到輻射時才發(fā)生反應的組分，比如，紫外光固化涂料是一種單組分、無溶劑的涂料，涂覆時接受紫外光的照射，液體涂料將會在零點幾秒到幾十秒的時間內(nèi)固化成膜。
2.2 電化學及化學沉積
電化學及化學沉積表面技術(shù)中，常見的有電鍍、刷鍍和化學鍍技術(shù)。
電鍍是應用電解的方法將一種金屬覆蓋到另一種金屬表面的過程，需要在電解槽中進行。其過程是將經(jīng)過除油、除銹前處理的金屬鍍件作為陰極、鍍層金屬作為陽極、以鍍層金屬的鹽溶液作為電解液，通電后進行電解。如電鍍鋅、電鍍銅等。為了使鍍層結(jié)晶細致，厚薄均勻，與基體結(jié)合牢固，電鍍液通常不能用簡單的金屬鹽溶液，而是用形成配合物的溶液，如鍍鋅時通常采用堿性鋅酸鹽或鋅的氰化物作電解液。近年來流行的合金鍍，如鍍黃銅（銅鋅合金）、可焊性合金（錫鉛合金）、耐蝕合金（鋅鎳合金）、仿金電鍍（銅鋅合金或銅鋅錫合金）等，其基本原理都是通過用加入配位劑以生成不同的配合物的方法，來控制溶液中不同金屬離子的濃度，使電極電勢代數(shù)值較大的金屬離子濃度稍低，而電極電勢代數(shù)值較小的金屬離子濃度較高，從而使不同的金屬離子以相等或相近的電勢，使多種金屬離子同時在陰極上獲得電子并同時沉積在作為陰極的工件表面，形成合金鍍層。
電刷鍍是近年來發(fā)展起來的一種修復機械零部件的新技術(shù)。它的基本原理與電鍍相同，只是不用鍍槽，而是將電解液浸在包著陽極（稱為鍍筆）的棉花包套中，刷鍍時，接通電源后，用浸滿鍍液（即電解液）的鍍筆與工件（陰極）直接接觸，在陽極與陰極的相對運動中，即可獲得鍍層，且鍍層隨刷鍍時間的延長而增厚。為了獲得良好的鍍層，刷鍍前和一般電鍍一樣需對鍍件進行除油、除銹等表面處理，只不過是用鍍筆浸取除油或除銹液進行處理。刷鍍主要用于修復被磨損或加工超差的零件，也可用于印制板和電器接點的維修與防護。由于電刷鍍技術(shù)能以很小的代價，修復價值較高的機械的局部損壞部位，被譽為“機械的起死回生術(shù)”而得到廣泛應用。
化學鍍是一個不外加電源，在金屬表面的催化作用下經(jīng)控制化學還原法進行的金屬沉積過程。因不用外電源，故又稱為無電鍍(Electroless plating、Non electrolytic)。由于反應必須在具有自催化性的材料表面進行，美國材料試驗協(xié)會推薦用自催化鍍一詞（Autocatalytic plating）。由于金屬的沉積過程是純化學反應，所以將這種金屬沉積工藝稱為“化學鍍”最為恰當，這樣它才能充分反映該工藝過程的本質(zhì)。所以Chemical、Non electrolytic、Electroless 3個詞就是一個意義了。目前“化學鍍”這個詞在國內(nèi)外已被大家認同和采用?；瘜W鍍的歷史較短，最早是美國標準局的Brenner和Riddell于1946年發(fā)明的化學鍍鎳?；瘜W鍍鎳一問世，立刻就受到人們的關(guān)注，但化學鍍鎳真正被工業(yè)界廣泛重視是近30年的事。在21世紀，隨著電子、計算機、石油化工、汽車工業(yè)等迅速發(fā)展，化學鍍鎳以每年高于15%的增長速度在發(fā)展，目前，化學鍍鎳在幾乎所有的工業(yè)部門都獲得廣泛應用，成為近年來表面技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展速度最快的工藝之一。
2.3 表面改性
表面改性的技術(shù)有很多種，目前，常用的主要有陽極氧化和化學熱處理兩種方法。
有些金屬在空氣中能生成氧化物保護膜，而使內(nèi)部金屬在一般情況下免遭腐蝕。如鋁及其合金表面很容易生成一層極薄的氧化膜（0.01~1μm），在大氣中有一定的抗腐蝕能力，但由于這層氧化膜是非晶的，它使鋁件表面失去原有的光澤。此外，氧化膜疏松多孔、不均勻，抗蝕能力不強，且容易沾染污跡，因此鋁及其合金制品通常需進行氧化處理。陽極氧化即是一種電化學的氧化處理方法。它是將金屬置于電解液中作為陽極，使金屬表面形成幾十至幾百微米的氧化膜的過程，這層氧化膜的形成比金屬在空氣中自然氧化形成的氧化膜具有更好的防腐、耐磨性能。
化學熱處理是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的工藝。化學熱處理的種類很多，包括滲碳滲氮、碳氮共滲、滲硼及滲不同金屬。這種工藝不僅可用于材料的防護與強化，提高耐腐蝕、耐磨損、抗氧化與抗疲勞性能，而且可根據(jù)需要賦予材料及其制品具有光學、磁學、隔熱、裝飾等多種功能，也可為高新技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展提供一系列新型材料與復合金屬板材。
2.4 化學氣相沉積
化學氣相沉積工藝是將金屬的碳化物、氮化物、硼化物或氧化物直接沉積在金屬材料的表面的過程。例如，在鋼鐵工件上沉積TiC的化學氣相沉積工藝中，可以將TiCl4蒸氣在氫氣的載帶下通入裝有工件的高溫（一般為900~1200℃）反應爐內(nèi)，并與烴類進行一系列反應最終生成TiC沉積在工件表面。化學氣相沉積工藝所達到的目的與化學熱處理相似，但經(jīng)化學氣相沉積所產(chǎn)生的沉積層具有與基體金屬結(jié)合牢固、沉積層厚度均勻、結(jié)構(gòu)致密、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。此外，這類沉積層還具有類似于潤滑油墨的作用。因此可作為無油潤滑減摩層，使工件的磨損大大降低。
化學氣相沉積技術(shù)的最大缺點是需要較高的工作溫度。隨著目前等離子體增強化學氣相沉積、激光輔助化學氣相沉積的出現(xiàn)，能夠達到的沉積工作溫度在逐漸升高，可沉積物質(zhì)的種類在不斷擴大，沉積層性能的范圍也在逐漸擴大?？梢哉f，表面技術(shù)已達到不僅可以改變物體表面的化學組成、組織結(jié)構(gòu)，還可以賦予物體一個全新的表面，更可觀的是還可以根據(jù)性能需要任意選擇沉積層。
3．結(jié)語
傳統(tǒng)的表面技術(shù)，隨著科學技術(shù)的進步而不斷創(chuàng)新。在電弧噴涂方面，發(fā)展了高速電弧噴涂，使噴涂質(zhì)量大大提高。在等離子噴涂方面，已研究出射頻感應藕合式等離子噴涂、反應等離子噴涂、用三陰極槍等離子噴槍噴涂及微等離子噴涂。在電刷鍍方面研究出摩擦電噴鍍及復合電刷鍍技術(shù)。在涂裝技術(shù)方面開發(fā)出了粉末涂料技術(shù)和光（輻射）固化技術(shù)。在粘結(jié)技術(shù)方面，開發(fā)了高性能環(huán)保型粘結(jié)技術(shù)、納米膠粘結(jié)技術(shù)、微膠囊技術(shù)。在高能束應用方面發(fā)展了激光或電子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技術(shù)。在離子注入方面，繼強流氮離子注入技術(shù)之后，又研究出強流金屬離子注入技術(shù)和金屬等離子體浸沒注入技術(shù)。在解決產(chǎn)品表面工程問題時，新興的表面技術(shù)與傳統(tǒng)的表面技術(shù)相互補充，為表面工程工作者提供了寬廣的選擇余地。
在20世紀，人類在科學技術(shù)上取得了輝煌的成就。表面工程技術(shù)與其他科學技術(shù)一樣，也以空前的速度在發(fā)展著。它通過60~70年代電子束、激光束、離子束進入表面加工技術(shù)所產(chǎn)生的巨大推動力，經(jīng)過30多年的努力，已產(chǎn)生了第一個重大的突破性進展——形成了表面工程學；表面技術(shù)所進行的表面改性、所沉積的薄膜、所涂覆的涂鍍層，像魔術(shù)師一樣幾乎可以將材料表面改造成人們所期望的具有各種功能的表面，制造出各種性能的產(chǎn)品甚至性能獨特的產(chǎn)品，為各行各業(yè)的具體工程和產(chǎn)品的設(shè)計和制造服務。
展望未來，隨著表面工程技術(shù)研究的深入，將來的表面材料不僅美觀耐用，而且會向環(huán)保型、智能型、仿生型發(fā)展。 21世紀，表面工程技術(shù)將為提高人類生活質(zhì)量，優(yōu)化人類生活環(huán)境作出貢獻。不用擦拭的皮鞋、不用清洗的高樓玻璃幕墻、既美觀又免于打掃的公路路標和隔離墻、防雨又透氣的衣服鞋帽，這些聽似異想天開的事物，將因為“神奇的表面工程”的不斷進展最終實現(xiàn)。
