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复合材料表面技术的现状与展望

信息来源:paintkey.com  时间:2009-08-12  浏览次数:216

  【摘要】表面技术是一项关键性技术,在科研、生产中得到了广泛应用。本文介绍了一些常用的表面技术及其展望。
  【关键词】表面技术;现状;展望

  【中图分类号】S219.04【文献标识码】A【文章编号】1005-0981(2008)18-0030-02

  

  一、概述

  表面技术是表面处理、表面涂(镀)层及表面改性的总称,是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层,使基体表面具有某种特殊性能,从而达到特定的使用要求的方法。

  现在表面技术的应用已经十分广泛。可提高材料抵御环境作用的能力,赋予材料表面某种功能特性,如光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能,制造特殊构件、零部件和元器件等。

  表面技术主要通过两种途径来实现:1、施加各种覆盖层。采用各种涂层技术,包括电镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延制膜和离子束合成薄膜技术等实现。2、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,主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理和离子注入表面改性等方法。

  二、表面技术的研究现状

  表面改性技术大致分为湿法、干法、激光表面处理三类。

  湿法是利用在液相中发生各种化学反应在材料表面进行改性的方法。液相的种类有水溶液、熔融盐、有机溶液。干法是在气相中进行各种反应,分为PVD(物理气相法)、CVD(化学气相法)和溶液喷射法。

  1.湿法表面改性技术

  1)用水溶液的方法

  主要有阴极析出和阳极氧化法。阴极析出MZ++ze→M(M是金属,MZ+是目的金属离子,e是电子),在该法中必要的电子由电源提供,也称为电镀法,电子由还原剂提供的称为化学镀法,此技术以在基底金属上形成膜为目的。

  2)融盐的方法

  当从水溶液中电解析出金属困难或电流效率低,析出后扩散性差的情况下可采用熔融盐的方法。例如为提高钢合金及铜表面的硬度,将铜及铜合金在含氟化铍等铍盐熔融盐中,在750℃电解处理,在铜及铜合金表面上形成Cu-2~4%Be膜,然后在350℃下热处理,从过饱和固溶体Cu-Be膜中析出γ相从而达到表面硬化的目的。这种方法的工艺、装置简单并且适用性广,在工业中有着极大的用途。

  3)用有机溶液的方法及溶胶-凝胶法

  有机溶液方法中有代表性的是AlCl3-醚液、AlCl3-NaCl-LiAlH4-THF液等的各种有机溶液剂中的Al阴极电镀。溶胶-凝胶法是各种烃氧基金属的加水分解引发的聚合反应生成溶胶,随着聚合反应的进一步进行,溶胶变成凝胶,通过干燥、加热得到最终产物。采用溶胶-凝胶法得到的无机材料形态可以是膜、粉末、纤维、整块。用适当的基底材料采用溶胶-凝胶法可在基底材料表面上获得具有特殊机械性能、化学保护、光、电功能的膜从而达到功能化表面处理的目的。此法工艺简单,且重复操作可获得多层膜。

  4)热喷涂

  热喷涂是一种重要的表面工程技术,在普通材料的表面喷涂保护层、强化层和装饰层,可实现耐磨、耐蚀、耐高温、绝缘、导光的功能特性。热喷涂技术有许多工艺方法,目前应用比较广泛的主要有火焰喷涂(丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂)、等离子喷涂和电弧喷涂。由于电弧性能不断改善,电弧喷涂在20世纪80年代再次兴起。其原理是通过送丝装置将两根丝状金属喷涂材料送进喷极中两导电嘴内,作为阴、阳极,利用其接触短路生成电弧,熔化丝材,并用压缩空气雾化喷射到工件表面形成致密结合层。由于用电能作为能源,在节能和经济方面都优于其它喷涂。

  2.干法表面改性技术

  化学气相法是典型的干性表面改性技术。化学气相法是利用基板上金属与化合物发生化学反应形成薄膜的方法,可分为5类。

  1)基板反应法:基板自身发生反应在表面上生成薄膜的方法。

  如,Ti+2BCl3+3H2→TiB2+6HCl(1000℃)

  2)分解法:通过反应气体中热分解在基板上析出薄膜的方法。

  如,CH3SiCl3→SiC+3HCl(1400℃)

  3)氢还原法:以氢气作为还原剂在表面上析出金属的方法。

  如,WF6+3H2→W+6HF(700℃)

  4)反应气相法:在表面发生化学反应,并析出反应生成物。

  如,2TiCl4+C2H2+3H2→2TiC+8HCl(700℃)

  5)化学传输法:原料金属作为反应装置的一部分,化学反应在气相中进行,在基板上分解成目的金属。

  如,Ti+TiCl4→TiCl2(1000℃)

  2TiCl2→Ti+TiCl4(600℃)

  3.激光表面处理

  激光表面处理技术是把传统的表面热处理与焊接技术相结合的一门新技术,其突出特点在于能够得到其它表面技术很难达到或不能达到的效果,在航空航天、石油、汽车等行业应用前景广阔。用于表面处理的激光主要有三种类型:CO2激光、Nd激光和YAG激光和激元激光。

  1)激光相变硬化

  用高能激光束扫过可硬化材料表面,使表面温度达到相变点以上,当激光束移开后,表面由于快速冷却而硬化。对一选定钢种,激光加热区域的组织主要取决于该区域达到的最高温度和此温度停留时间。有研究表明:该工艺是改善高碳钢和铸铁耐磨性的有效方法。

  2)激光冲击硬化

  高功率、短脉冲强激光和材料相互作用,在表面形成高压应力--冲击波,当冲击波峰值压力超过被冲击区金属材料的动态屈服强度时,金属材料表层发生塑性变形,形成残余应力为压应力的冷硬层,其微观上表现为高密度位错和晶格细化等。该工艺能改善金属材料的力学性能特别是抗疲劳断裂性能,据报道:激光冲击硬化可处理碳钢、合金钢、球墨铸铁、铝合金材料,在提高抗疲劳断裂性能方面,可完全取代喷丸处理。

  3)激光表面熔覆

  用一定功率激光扫描工件表面涂覆材料,使其熔化形成功能结合层。可获得较厚的覆层,易实现选区熔覆,而且热变形小,覆层成分及稀释率可控,在经济上和覆层质量上都优于传统的堆焊和热喷涂工艺。适用于局部易磨损、冲击、剥蚀、氧化腐蚀及要求特殊性能(局部光敏、热敏等)的零部件。

  4)激光表面合金化

  与激光表面熔覆类似,不同的是激光功率更大一些,基体表面熔化与合金充分混合形成堆焊层。由于合金元素完全熔于表层,薄层成分均匀,对开裂和剥落等倾向不敏感。稀释率比激光表面熔覆要高。

  目前,表面技术的重要研究方向是综合运用两种或更多种表面技术进行复合表面处理。已开发出一些复合表面处理法,如等离子喷涂与激光辐照复合、热喷涂与喷丸复合、化学热处理与电镀复合、激光淬火与化学热处理复合、化学热处理与气相沉积复合等,已经取得良好效果。

  三、表面技术的展望

  表面技术可用以提高材料耐磨性,使材料在一定的摩擦条件下有抵抗磨损的能力;可实现表面强化,通过各种表面强化处理来提高材料表面抵御除腐蚀和磨损以外的环境作用的能力;可用以实现表面装饰,不仅方便、高效,而且美观、经济。

  除此以外,表面技术在研制和生产新型材料方面也是十分重要的。如金刚石薄膜、类金刚石碳膜、立方氮化硼膜、超导薄膜、LB薄膜、超微颗粒型材料、纳米固体材料、超微颗粒膜、材料非晶硅薄膜、纤维增强陶瓷基复合材料等。其中纤维增强陶瓷基复合材料是以各种金属、玻璃、陶瓷等纤维为增强体,以水泥、玻璃、陶瓷等为基体,构成的复合材料,其中纤维往往必须通过一定的表面处理,使纤维与基体“相容”,并对纤维有保护作用。它具有高强度、高韧性和热化学稳定性,是未来材料的发展方向。

  表面技术在微电子工业中也起着举足轻重的作用。微电子技术是制造和使用微小型电子器件、元件和电路而能实现电子系统功能的技术。它是以大规模集成电路为基础发展起来的。目前已从特大规模集成电路向吉规模集成电路进军。这样巨大的变化首先应归功于高速发展的表面微细加工技术。这是一种加工尺度从微米、亚微米到毫微米量级制造微小元器件或薄膜图形的先进制造技术。

  表面技术在环境保护和优化方面的应用也日益突出。如可净化大气、净化水质、吸附杂质、除藻污垢、绿色能源,也可用于抗菌灭菌、生物医学等领域。

  由以上可见,表面技术广博精深,在各个工业部门、农业、生物、医药以及日常生活中有着广泛而重要的应用,随着人们对传统表面技术进行一系列改进、复合和创新而发展出来的现代表面技术,不仅是光电子、微电子等许多先进产业的重要基础,而且可以取得巨大的效益,可以说表面技术的发展推动了整个社会的发展,开辟了一系列新的研究领域,在今后知识经济社会发展过程中将占有重要的地位。

  

  【参考文献】

  [1]袁莉,马晓燕,梁国正,王娟娟.分子复合材料的研究进展[J].高分子材料科学与工程,2004.

  [2]周永强,李午申,冯灵芝.表面工程技术的发展与应用[J].焊接技术,2001.

  [3]苏宝蓉.我国的激光加工现状与发展前景[J].激光与红外,1999.

  [4]顾迅.现代表面技术的应用[J].金属热处理,1999.
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