表面工程 第九章 纳米表面工程

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1、1纳米表面工程的内涵第九章纳米表面工程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13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：（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（或不同）的纳米结构表层。第九章纳米表面工程23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发纳米表面膜层的潜力

2、，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。第九章纳米表面工程33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。第九章纳米表面工程43实现表面纳米化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

3、（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。第九章纳米表面工程53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。第九章纳米表面工程64.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

4、体表面具有与基体材料不同性能的技术。第九章纳米表面工程74.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。第九章纳米表面工程84.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5～10nm，一些涂层在X射线衍射图上产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

5、他相可以是纳米晶，也可以是非晶态。第九章纳米表面工程94.实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术众所周知，镀锌经常作为钢铁材料表面的有效保护涂层，它的耐腐蚀性决定了镀层的使用寿命。HEJian-ping等在电镀液中添加CeO2纳米颗粒后，所得镀层中CeO2的含量为O.22％,此时镀锌层的耐蚀性比纯锌镀层的提高了40％~60％，分析其原因，认为这是由于CeO2纳米颗粒的存在使得电镀层的微观结构更加均匀、细密，并使得晶面生长的择优取向由纯锌的(101)和(103)变为单一的(101)所致。第九章纳米表面工程104.实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术利用气相沉积法制备纳米结构的超硬

6、复合薄膜是由Veprek等人于1995年提出的，从此，与此相似的许多硬质薄膜被开发出来。西安交通大学的马胜利等人利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)，通过合理控制电压、电流密度、压强和沉积温度等参数，在不锈钢基底上成功制备出纳米复合膜Ti1-x~AIxN／α-Si3N4。第九章纳米表面工程114.实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术这种纳米结构复合薄膜有着很高的红硬性，在1000℃时仍能保持高硬度。分析表明，薄膜的这一优异特性主要是由纳米结构相形成的。第九章纳米表面工程124.实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术清华大学在利用CNTs（碳纳米管）熔覆制备表面材料方面

7、取得了卓有成效的研究结果。魏秉庆等用激光熔覆和后续淬火处理对以45钢为基体的CNTs涂层进行改性，在基体表面形成了CNTs-45钢复合材料。研究发现，用激光进行辐照后，CNTs与Fe发生反应而生成Fe3C，表面变成亚共晶合金化层，而CNTs的结构可保留下来，保温一定时间淬火后表面硬度可达70HRC，同时具有优异的耐磨性和表面耐腐蚀性。第九章纳米表面工程134.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（H