神奇的表面工程
日期：2019-08-05 09:21:23
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一位美国学者说过一句俏皮话：“上帝创造了物质，魔鬼给了一个表面”，它说明物质的表面和内部差异很大，性能往往难以驾驭，而表面工程是通过技术手段改变物质表面的形态、成分、结构或应力状态，从而获得神奇的表面性能；经过表面处理的地下管道可以防腐，磁带可以录下美妙的音乐，而表面涂有氟树脂的饭锅则变成了不粘锅，甚至飞机也可以隐形，这些都是神奇的表面工程为人类做出的贡献。
1.表面工程的形成与发展
表面工程形成一门独立的学科虽然只是近二三十年的事，但其发展之快、涉及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。表面工程的概念由英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔（Tom Bell）于1983年首次提出，现已发展成为跨学科的边缘性、综合性、复合型学科。
表面工程是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用表面改性技术、薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。可以说，在材料表面上所发生的各种技术都是表面工程的一部分。
表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和提高材料和产品的性能（耐蚀、耐磨、装饰性能），确保产品使用的可靠性和安全性，延长使用寿命，节约资源和能源，减少环境污染；另一方面还可赋予材料和器件特殊的物理和化学性能。随着现代科学技术的发展，表面工程技术在表面物理和表面化学理论的基础上，融汇了现代材料学，现代信息技术，现代工程物理，现代医学，现代农学，现代制造技术，在工业、农业、能源、医学、信息、工程、环境和与人类生活密切相关的领域取得了突飞猛进的发展。
作为表面工程的基础，表面技术的发展历史悠久，早在遥远的年代，人类就已经在木材表面涂刷桐油来增强木材的强度、抗水性和防虫蛀。3千多年前中国的大漆，2千多年前秦始皇墓中青铜剑表面改性就是极好的例证。20世纪80年代在秦始皇2号坑出土了19把青铜剑，经历了两千多年时光的考验，竟光亮如新、锋利如初，甚至可以切断一根发丝，实在是一个奇迹。经分析这是因为青铜剑表面有一层厚度为10μm的含铬的氧化层。进入20世纪，通过各种物理化学方法在材料表面制造涂层和薄膜，已发展为比较成熟的系统的工程技术，到80年代提出了表面工程这个新概念的时候，表面工程技术已经成为世界上10大关键技术之一。1986年10月在布达佩斯召开的国际热处理联合会，决定接受表面工程学科并改名为国际热处理及表面工程联合会。1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立。到21世纪，其发展势头更猛，各国竞相把表面工程列入研究发展规划。美国工程科学院向美国国会提出的21世纪前十年集中力量加强发展的9项科学技术中，有关材料的项目仅提出了材料表面科学与表面技术的研究。因此，表面工程在新世纪正逐渐成为工程技术领域中令人曙目的核心学科和重要学科。
我国于1987年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所，1988年《中国表面工程》杂志在中国创刊，1997年经国家科委正式批准更名为《中国表面工程》，面向国内外公开发行，2000年，全国焊接学会将原来的“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。与此同时，我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立了数以百计的以“表面工程”或“表面技术”冠名的研究机构，从而使表面工程的发展达到了一个新的高度。图1列出了表面工程技术的几种分类。
图1 表面工程技术分类
2.常见的表面技术及应用
表面工程为各个领域、各行各业高技术的发展开辟了新天地。它所形成的表面改性层、薄膜和涂镀层几乎扩展到所能设想的每个方面。目前，随着高新技术的发展，表面工程技术更是层出不穷，下面仅就几种常见的利用化学或物理化学原理的表面工程技术作一简单介绍。
2.1涂料
涂料，我国传统称为“油漆”，是一种材料，这种材料可以采用不同的施工工艺涂覆在物件表面上，形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态薄膜。这样形成的膜通称为涂膜或者涂层。在我国，人类生产和使用涂料已经有了悠久的历史，历代的漆器已成为我国古代文明的象征。但当时主要以虫胶、大漆为基础的天然树脂作为涂料的原料。到20世纪初，随着科学技术的进步，合成树脂开始应用于涂料生产。20世纪30年代前后，醇酸树脂开始工业化生产，有力地促进了涂料工业的发展。到20世纪60年代，涂料工业的原料开始转向石油化工产品。随着市场需要的增加和技术的进步，涂料工业也得到迅速的发展。
涂料作为一个工业部门虽然仅有百年的历史，但其应用却非常广泛。在我们的周围，可以说涂料无处不在，从室内的墙壁、冰箱、橱柜和家具，甚至录音录象带和光盘上，到户外的房屋、汽车、船舶、桥梁、饮料罐以及口香糖包装等等地方随处可见。目前涂料品种已近千种、产量逐年增加。2008年全球涂料产量约3200万吨，生产总额在930亿美元左右。我国自改革开放30多年来，涂料产量的年增长率约为10%，目前生产能力已超过630万吨，产量挤身于世界第三位。
涂料的组成按功能包括4部分：成膜物质、颜料、溶剂和助剂，如图2所示。
图2 涂料的组成
经过长期的发展，涂料的品种特别繁杂，用途也各异，有许多分类方法，下面主要介绍下面3种：
根据主要成膜物质可分为有机涂料和无机涂料，有机涂料中根据成膜树脂类型又可分为醇酸、环氧、丙烯酸涂料等。
按照溶剂类型又可分为溶剂型（以有机溶剂为分散剂，又分为低固体份和高固体份两种）涂料、水性（以水为溶剂）涂料、粉末涂料、辐射固化涂料等。未来涂料发展的方向将体现在以下两个方面向：一是向更加环保、绿色方向发展，将不断开发出高固体份、水性、粉末和辐射固化的涂料；二是向更加功能化的方向发展，各种功能化特种涂料产品将不断问世。
按照用途涂料可分为3大类：建筑涂料、产品涂料和特种涂料。建筑涂料主要包括用于装饰和保护建筑物外壁和内壁的涂料，占涂料总量的50%左右，其中乳胶漆占70%以上。产品涂料通常也叫工业漆，是在工厂里施工于汽车、家电、电磁线、飞机、家具、金属罐等等上的涂料，占涂料总产量的30%左右。其余20%左右的是特种涂料，它是指在工厂外施工的工业涂料和一些其他涂料，如防火涂料、防水涂料、耐高温腐蚀的陶瓷涂料、示温涂料、导电涂料、磁性涂料、路面标线涂料、防霉灭虫涂料、耐磨涂料、海洋重防腐涂料等等。特种涂料不仅要满足国防尖端产品和高科技发展的特殊需要，而且还要满足国民经济各部门新发展的特种要求。
涂料对所形成的涂膜而言，是涂膜的“半成品”，涂料只有经过使用即施工到被涂物件表面形成涂膜后才能表现出其作用。涂料形成涂膜的过程直接影响涂料能否充分发挥预定的效果以及所得涂层的各种性能是否能充分表现出来。涂膜的固化机理一般有3种类型。
①物理机理干燥只靠涂料中液体(溶剂或分散相)蒸发而得到干硬涂膜的干燥过程即为物理机理干燥。在干燥过程中，高聚物不发生化学反应。
②涂料与空气发生反应的交联固化氧气能与干性植物油和其它不饱和化合物反应而产生游离基并引发聚合反应而固化。所以在贮存期间，涂料罐必须密封良好，与空气隔绝。
③涂料组分之间发生反应的交联固化涂料在贮存期间必须保持稳定，可以用双组分包装涂料法或是选用在常温下互不发生反应，只是在高温下或受到辐射时才发生反应的组分，比如，紫外光固化涂料是一种单组分、无溶剂的涂料，涂覆时接受紫外光的照射，液体涂料将会在零点几秒到几十秒的时间内固化成膜。
2.2 电化学及化学沉积
电化学及化学沉积表面技术中，常见的有电镀、刷镀和化学镀技术。
电镀是应用电解的方法将一种金属覆盖到另一种金属表面的过程，需要在电解槽中进行。其过程是将经过除油、除锈前处理的金属镀件作为阴极、镀层金属作为阳极、以镀层金属的盐溶液作为电解液，通电后进行电解。如电镀锌、电镀铜等。为了使镀层结晶细致，厚薄均匀，与基体结合牢固，电镀液通常不能用简单的金属盐溶液，而是用形成配合物的溶液，如镀锌时通常采用碱性锌酸盐或锌的氰化物作电解液。近年来流行的合金镀，如镀黄铜（铜锌合金）、可焊性合金（锡铅合金）、耐蚀合金（锌镍合金）、仿金电镀（铜锌合金或铜锌锡合金）等，其基本原理都是通过用加入配位剂以生成不同的配合物的方法，来控制溶液中不同金属离子的浓度，使电极电势代数值较大的金属离子浓度稍低，而电极电势代数值较小的金属离子浓度较高，从而使不同的金属离子以相等或相近的电势，使多种金属离子同时在阴极上获得电子并同时沉积在作为阴极的工件表面，形成合金镀层。
电刷镀是近年来发展起来的一种修复机械零部件的新技术。它的基本原理与电镀相同，只是不用镀槽，而是将电解液浸在包着阳极（称为镀笔）的棉花包套中，刷镀时，接通电源后，用浸满镀液（即电解液）的镀笔与工件（阴极）直接接触，在阳极与阴极的相对运动中，即可获得镀层，且镀层随刷镀时间的延长而增厚。为了获得良好的镀层，刷镀前和一般电镀一样需对镀件进行除油、除锈等表面处理，只不过是用镀笔浸取除油或除锈液进行处理。刷镀主要用于修复被磨损或加工超差的零件，也可用于印制板和电器接点的维修与防护。由于电刷镀技术能以很小的代价，修复价值较高的机械的局部损坏部位，被誉为“机械的起死回生术”而得到广泛应用。
化学镀是一个不外加电源，在金属表面的催化作用下经控制化学还原法进行的金属沉积过程。因不用外电源，故又称为无电镀(Electroless plating、Non electrolytic)。由于反应必须在具有自催化性的材料表面进行，美国材料试验协会推荐用自催化镀一词（Autocatalytic plating）。由于金属的沉积过程是纯化学反应，所以将这种金属沉积工艺称为“化学镀”最为恰当，这样它才能充分反映该工艺过程的本质。所以Chemical、Non electrolytic、Electroless 3个词就是一个意义了。目前“化学镀”这个词在国内外已被大家认同和采用。化学镀的历史较短，最早是美国标准局的Brenner和Riddell于1946年发明的化学镀镍。化学镀镍一问世，立刻就受到人们的关注，但化学镀镍真正被工业界广泛重视是近30年的事。在21世纪，随着电子、计算机、石油化工、汽车工业等迅速发展，化学镀镍以每年高于15%的增长速度在发展，目前，化学镀镍在几乎所有的工业部门都获得广泛应用，成为近年来表面技术领域中发展速度最快的工艺之一。
2.3 表面改性
表面改性的技术有很多种，目前，常用的主要有阳极氧化和化学热处理两种方法。
有些金属在空气中能生成氧化物保护膜，而使内部金属在一般情况下免遭腐蚀。如铝及其合金表面很容易生成一层极薄的氧化膜（0.01~1μm），在大气中有一定的抗腐蚀能力，但由于这层氧化膜是非晶的，它使铝件表面失去原有的光泽。此外，氧化膜疏松多孔、不均匀，抗蚀能力不强，且容易沾染污迹，因此铝及其合金制品通常需进行氧化处理。阳极氧化即是一种电化学的氧化处理方法。它是将金属置于电解液中作为阳极，使金属表面形成几十至几百微米的氧化膜的过程，这层氧化膜的形成比金属在空气中自然氧化形成的氧化膜具有更好的防腐、耐磨性能。
化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的工艺。化学热处理的种类很多，包括渗碳渗氮、碳氮共渗、渗硼及渗不同金属。这种工艺不仅可用于材料的防护与强化，提高耐腐蚀、耐磨损、抗氧化与抗疲劳性能，而且可根据需要赋予材料及其制品具有光学、磁学、隔热、装饰等多种功能，也可为高新技术及产品的发展提供一系列新型材料与复合金属板材。
2.4 化学气相沉积
化学气相沉积工艺是将金属的碳化物、氮化物、硼化物或氧化物直接沉积在金属材料的表面的过程。例如，在钢铁工件上沉积TiC的化学气相沉积工艺中，可以将TiCl4蒸气在氢气的载带下通入装有工件的高温（一般为900~1200℃）反应炉内，并与烃类进行一系列反应最终生成TiC沉积在工件表面。化学气相沉积工艺所达到的目的与化学热处理相似，但经化学气相沉积所产生的沉积层具有与基体金属结合牢固、沉积层厚度均匀、结构致密、质量稳定等优点。此外，这类沉积层还具有类似于润滑油墨的作用。因此可作为无油润滑减摩层，使工件的磨损大大降低。
化学气相沉积技术的最大缺点是需要较高的工作温度。随着目前等离子体增强化学气相沉积、激光辅助化学气相沉积的出现，能够达到的沉积工作温度在逐渐升高，可沉积物质的种类在不断扩大，沉积层性能的范围也在逐渐扩大。可以说，表面技术已达到不仅可以改变物体表面的化学组成、组织结构，还可以赋予物体一个全新的表面，更可观的是还可以根据性能需要任意选择沉积层。
3．结语
传统的表面技术，随着科学技术的进步而不断创新。在电弧喷涂方面，发展了高速电弧喷涂，使喷涂质量大大提高。在等离子喷涂方面，已研究出射频感应藕合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、用三阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂。在电刷镀方面研究出摩擦电喷镀及复合电刷镀技术。在涂装技术方面开发出了粉末涂料技术和光（辐射）固化技术。在粘结技术方面，开发了高性能环保型粘结技术、纳米胶粘结技术、微胶囊技术。在高能束应用方面发展了激光或电子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技术。在离子注入方面，继强流氮离子注入技术之后，又研究出强流金属离子注入技术和金属等离子体浸没注入技术。在解决产品表面工程问题时，新兴的表面技术与传统的表面技术相互补充，为表面工程工作者提供了宽广的选择余地。
在20世纪，人类在科学技术上取得了辉煌的成就。表面工程技术与其他科学技术一样，也以空前的速度在发展着。它通过60~70年代电子束、激光束、离子束进入表面加工技术所产生的巨大推动力，经过30多年的努力，已产生了第一个重大的突破性进展——形成了表面工程学；表面技术所进行的表面改性、所沉积的薄膜、所涂覆的涂镀层，像魔术师一样几乎可以将材料表面改造成人们所期望的具有各种功能的表面，制造出各种性能的产品甚至性能独特的产品，为各行各业的具体工程和产品的设计和制造服务。
展望未来，随着表面工程技术研究的深入，将来的表面材料不仅美观耐用，而且会向环保型、智能型、仿生型发展。 21世纪，表面工程技术将为提高人类生活质量，优化人类生活环境作出贡献。不用擦拭的皮鞋、不用清洗的高楼玻璃幕墙、既美观又免于打扫的公路路标和隔离墙、防雨又透气的衣服鞋帽，这些听似异想天开的事物，将因为“神奇的表面工程”的不断进展最终实现。
