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现代表面技术的涵义、分类和内容
 
更新时间:2010.06.17 浏览次数:
 

【摘要】 探讨了现代表面技术的涵义、分类和内容,展望了表面技术的发展趋势。
关键词:表面技术 表面处理 表面加工 表面分析 表面检验 表面设计

Implication,Classify and Content about
Modern Surface Technology

Gu Xun
(Surface Engineering Institute,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030)

Abstract】 The implication,classify,content about modern surface technology are discussed and the develop tendencies of modern surface technology are looked in this paper.
Key words:surface technology,surface treatment,surface process,surface analysis,surface examine,surface design

1 前言
  表面技术是一门广搏精深和具有极高实用价值的基础技术,也是一门新兴的边缘性学科。表面技术起源于古代,然而只是在进入本世纪以来,随着人们对自然现象的广泛研究以及工业和科学技术的迅速发展,才对传统表面技术进行一系列的改进、复合和创新,涌现出大量的现代表面技术。
  目前各种类型的表面技术,从电镀、刷镀、化学镀、氧化、磷化、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、电火花涂敷、热浸镀、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、塑料涂敷、喷丸强化、表面热处理、化学热处理,到60年代以后发展起来的等离子体表面处理、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、离子注入、物理气相沉积(真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀)、化学气相沉积(等离子体化学气相沉积、激光化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积)、分子束外延、离子束合成薄膜技术,以及由多种表面技术复合而成的新一代表面处理技术和各种表面加工技术如金属的清洗、精整、电铸、包覆、抛光、蚀刻,还有各种表面微细加工技术等,都已在冶金、机械、电子、建筑、宇航、造船、兵器、能源、轻工和仪表等各个部门乃至农业和人们日常生活中有着极其广泛的应用,而且起着越来越重要的作用。由于表面技术应用的广泛性和重要性,世界上许多国家,特别是经济发达国家,都十分重视表面技术的研究和发展。
  表面技术多达几十类,过去分散在各个技术领域,它们的发展基本上是分别进行、互不相关的。本世纪60年代末以来,随着科学技术的发展、表面科学的诞生,逐步从根本上改变这种状况,人们要把它们互相联系起来,探讨共性,然后从更高的角度来指导各类表面技术的发展。表面技术已初步成为介于物理、化学、生物与各工程学科之间的边缘性应用学科,大力加强这门学科的建设,是教学改革、科技发展和经济建设的客观需要。
  本文探讨了现代表面技术的涵义、分类和内容,并以此展望了表面技术的发展趋势。
2 表面技术的涵义
2.1 一般的涵义

  人们使用表面技术已有悠久的历史。我国早在战国时代已进行钢的淬火,使钢的表面获得坚硬层。欧洲使用类似的技术也有很长的历史。但是,表面技术的迅速发展是从19世纪工业革命开始的,尤其是最近30多年发展更为迅速。一方面人们在广泛使用和不断试验过程中积累了丰富的经验,另一方面60年代末形成的表面科学给予了有力的促进,从而使表面技术进入了一个新的发展时期。
  现在表面技术的应用已经十分广泛。对于固体材料来说,使用表面技术的主要目的是:①提高材料抵御环境作用的能力。②赋予材料表面某种功能特性,包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能。③实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。
  表面技术主要是通过以下两条途径来提高材料抵御环境作用的能力和赋予材料表面某种功能特性:①施加各种覆盖层,主要采用各种涂层技术,包括电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、热浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、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。此外,还有其他形式的覆盖层,例如各种金属经氧化和磷化处理后的膜层、包箔、贴片的整体覆盖层,缓蚀剂的暂时覆盖层。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,即采用各种表面改性技术。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、高密度太阳能表面处理和离子注入表面改性等。
2.2 广泛的涵义
  实际上表面技术有着更为广泛的涵义。自然界存在的表面现象或过程随处可见,而与其直接有关的重要表面技术还有许多,现举例如下:
2.2.1 表面湿润和反湿润技术 湿润是一种重要的表面现象,人们有时需要液体在固体表面上有高度润湿性,而有的却要求有不湿润性,这就需要人们在各种条件下采用表面湿润和反湿润技术。例如洗涤,即除去粘在固体基质表面上的污垢,虽然固体基质和污垢是各种各样的,但能否洗净的基本条件是洗涤液能湿润且直接附着在基质的污垢上,继而浸入污垢——基质界面,削弱两者之间的附着力,使污垢完全脱离基质形成胶粒而飘浮在洗涤液介质中。又如矿物浮选是借气泡力来浮矿石的一种物质分离和选别矿物的技术,所使用的浮选剂是由捕集剂、起泡剂、pH调节剂、抑制剂和活化剂等配制的,而其中主要成分捕集剂的加入,是使浮游矿石的表面变成疏水性。从而能粘附于气泡上或由疏水性低密度介质湿润而浮起。
2.2.2 表面催化技术 早在18世纪末科学家就已发现固体表面不仅能吸附某些物质,而且有的可使它们在表面上的化学反应速度大大加快。现在表面催化技术已经有了很大的发展,在工业上获得广泛而重要的应用。例如铁催化剂等系列用于合成氨工业,不仅实现从空气中固定氮而廉价地制得氨,并且建立了能耗低、自动化程度高和综合利用好的完整工业流程体系。催化是催化剂在化学反应过程中所起的作用和发生的有关现象的总称。催化剂是能够提高反应速率,加快到达化学平衡而本身在反应终了时并不消耗的物质。催化有均相和多相两种,前者是催化剂和反应物处于同一物相,而后者是催化剂和反应物处于不同物相。多相催化在化学工业中占有十分重要的地位,它是一种表面过程,例如在固—气体系中催化反应的主要步骤是反应物在表面上化学吸附;吸附分子经表面扩散相遇;表面反应或键重排;反应产物脱附。微观研究表明,催化剂表面不同位置有不同的激活能,台阶、扭折或杂质、缺陷所在处构成活性中心,这说明表面状态对催化作用有显著影响。
2.2.3 膜技术 这里所说的膜(Membrane),是指选择渗透物质的二维材料。实际上生物体有许多这种膜,例如细胞膜、基膜、复膜和皮肤等,起着渗透、分离物质,保护机体和参与生命过程的作用。膜是把两个物相空间隔开而又使两者互相关联,发生质量和能量传输过程的一个中间介质相。膜在结构上可以是多孔或是致密的。膜两边的物质粒子由于尺寸大小、扩散系数或溶解度的差异等,在一定的压力差、浓度差、电位差或化学位差的驱动下发生传质过程。由于传质速率的不同,造成选择渗透,因而使混合物分离。根据这样的原理,人们已能模拟生物膜的某些功能而人工合成医用膜,例如血液净化、透析、过滤、血浆分离、膜型人工肺以及富氧膜等(有时为克服生物相容性的一些困难,常配合一些药物如肝素等)。医用膜通常由医用高分子制成。目前生物技术的发展已促使膜在分子水平上合成。实际上膜技术涉及的领域是广阔的,不仅在生物、医用方面,而且在化工、石油、冶金、轻工和食品等许多领域都有重要应用。膜材料也不限于高分子材料,有些无机膜,特别是陶瓷膜和陶瓷基复合膜,具有热稳定性好、化学稳定性佳、强度高、结构造型稳定及便于清洗、高压反冲等优点,在化工、冶金等部门中很有发展前途。
2.2.4 表面化学技术 这种表面技术涉及面很广,尤其是涉及到固—液界面的许多电现象或过程,如电解、电镀、电化学反应、腐蚀和防腐等,它们已为大家所熟悉。实际上还有一些极其重要的表面电化学技术,例如与许多生物现象有关的细胞膜电势和生物电流。研究发现,细胞膜内外电化学位不等于零。如果生物体系建立了完全的热力学平衡,那么就意味着死亡。进一步研究表明,细胞电势是由膜界面区形成双电层而产生的,并且可将细胞的代谢过程描绘成一个基本的生物燃料电池。脑中有脑电波,它有各种不同的形状,表示脑随思考、激情与睡眠等变化所处的各种状态。这类表面电化学过程的基本机理已应用于针灸、电脉冲针灸、心电图测试及起搏器等。
  由此可见,表面技术具有非常广泛的涵义。广义地说,表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的并能为人类造福或被人们利用的技术。
  以下着重以表面技术的一般涵义讨论它的分类和内容。
3 表面技术的分类和内容
3.1 按照作用原理进行分类

  表面技术可以从不同的角度进行归纳、分类。例如按照作用原理,表面技术可以分为以下4种基本类型:①原子沉积。沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层,如电镀、化学镀、物理气相沉积和化学气相沉积等。②颗粒沉积。沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层,如热喷涂、搪瓷涂敷等。③整体覆盖。它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面,如包箔、贴片、热浸镀、涂刷和堆焊等。④表面改性。它是用各种物理、化学等方法处理表面,使之组成和结构发生变化,从而改变性能,如表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理和离子注入等。
3.2 综合分类和内容
  实际上表面技术有着十分广泛的内容,仅从一个角度进行分类难于概括全面,所以通常要进行综合分类,大致如下:①表面技术的基础和应用理论。②表面处理技术,它又包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术3部分。③表面加工技术。④表面分析和测试技术。⑤表面工程技术设计。
现将各部分所包含的内容简略介绍如下:
3.2.1 表面技术的基础和应用理论 现代表面技术的基础理论是表面科学,它包括表面分析技术、表面物理和表面化学3个分支。表面分析的基本方面有表面的原子排列结构、原子类型和电子能态结构等,是揭示表面现象的微观实质和各种动力学过程的必要手段。表面物理和表面化学分别是研究任何两相之间的界面上发生的物理和化学过程的科学。从理论体系来看,它们包括微观理论与宏观理论。一方面在原子、分子水平上研究表面的组成,原子排列结构及输运现象,电子结构与运动及其对表面宏观性质的影响;另一方面在宏观尺度上,从能量的角度研究各种表面现象。实际上,这3个分支是不能截然分开的,而是相互依存和补充的。表面科学不仅有重要的基础研究意义,而且与许多技术科学密切相关,在应用上有非常重要的意义。
  表面技术还包括许多基础理论和应用理论,如表面失效分析、摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面结合与复合理论等,它们对表面技术的发展和应用有着直接的、重要的影响。
3.2.2 表面处理技术
  (1) 表面覆盖技术 这项技术的种类很多,目前主要有下列24类:①电镀;②电刷镀;③化学镀;④涂装;⑤粘结;⑥堆焊;⑦熔结;⑧热喷涂;⑨塑料粉末涂敷;⑩电火花涂敷;0-11.gif (930 bytes)热浸镀;0-12.gif (935 bytes)搪瓷涂敷;0-13.gif (962 bytes)陶瓷涂敷;0-14.gif (971 bytes)真空蒸镀;0-15.gif (970 bytes)溅射镀;0-16.gif (948 bytes)离子镀;0-17.gif (954 bytes)普通化学气相沉积;0-18.gif (988 bytes)等离子体化学气相沉积;0-19.gif (973 bytes)金属有机物气相沉积;0-20.gif (993 bytes)分子束外延;0-21.gif (984 bytes)离子束合成薄膜技术;0-22.gif (939 bytes)化学转化膜;0-23.gif (952 bytes)热烫印;0-24.gif (960 bytes)暂时性覆盖处理。
  上述每类表面覆盖技术又可分为许多种技术。例如电镀按镀层可分为单金属电镀和合金电镀。单金属镀层有锌、镉、铜、镍等数10种,合金镀层有锌铜、镍铁、锌-镍-铁等100多种。按电镀方式,可分为挂镀、吊镀、滚镀和刷镀等。
  某些分类有重叠情况,例如塑料粉末涂敷可归入涂装一类,但由于其特殊性,故单独列为一类。又如陶瓷涂敷,其中不少内容可归入热喷涂一类,但考虑其完整性,也单独列为一类。
  有些技术,尤其是一些新技术,根据其特点和发展情况,在需要时可单独列为一类。例如片状锌基铬盐防护涂层(又称达克罗等),是由细小片状锌、片状铝、铬酸盐、水和有机溶剂构成涂料,经涂敷和300℃左右加热保温除去水和有机溶剂后形成涂层,因具有涂层薄、防蚀性能优良、无氢脆、耐热性好、附着性高以及无环境污染等优点,所以发展迅速,可考虑从涂装中单独列出。
  (2) 表面改性技术 目前大致可分为以下几类: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;高密度太阳能表面处理;离子注入表面改性。
  实际上“表面改性”是一个具有较为广泛涵义的技术名词,它可泛指“经过特殊表面处理以得到某种特殊性能的技术”。因此,有许多表面覆盖技术也可看作表面改性技术。为了使这些覆盖技术归类完整起见,我们说的表面改性技术是指“表面覆盖”以外的,通过用机械、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,来获得某种特殊性能的表面处理技术。
  (3) 复合表面处理技术 表面技术种类繁杂,今后还会有一系列新技术涌现出来。表面技术的另一个重要趋向是综合运用两种或更多种表面技术的复合表面处理将获得迅速发展。随着材料使用要求的不断提高,单一的表面技术因有一定的局限性而往往不能满足需要。目前已开发的一些复合表面处理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,有的还收到意想不到的效果。
3.2.3 表面加工技术 表面加工技术也是表面技术的一个重要组成部分。例如对金属材料而言,表面技术有电铸、包覆、抛光和蚀刻等,它们在工业上获得了广泛的应用。
  目前高新技术不断涌现,层出不穷,大量先进的产品对加工技术的要求越来越高,在精细化上已从微米级、亚微米级发展到纳米级,使表面加工技术的重要性日益提高。其中半导体器件的发展是典型的实例。
  人们在1948年发明了晶体管,1960年开发了硅平面工艺和外延技术,从而奠定了集成电路制造工艺技术。近30多年来,这方面技术有了长足的进步,同时其他许多先进的器件和产品借助了集成电路制造技术而蓬勃发展。
  集成电路的制作,从晶片、掩模制备开始,经历多次氧化、光刻、腐蚀、外延掺杂(离子注入或扩散)等复杂工序,以后还包括划片、引线焊接、封装、检测等一系列工序,最后得到成品。在这些繁杂的工序中,表面的微细加工起了核心作用。所谓的微细加工是一种加工尺度从亚微米到毫微米量级的制造微小尺寸元器件或薄膜图形的先进制造技术,主要包括:光子束、电子束和离子束的微细加工;化学气相沉积、物理气相沉积、分子束外延和热氧化的薄膜制造;湿法刻蚀、溅射刻蚀和等离子刻蚀等图形刻蚀;离子注入扩散等掺杂技术。
  还有其他一些微细加工技术。它们不仅是大规模和超大规模集成电路的发展基础,也是半导体微波技术、声表面波技术、光集成等许多先进技术发展的基础。现在微细加工技术在微电子技术成就的基础上正在向“微型机电系统”(MEMS)技术和纳米级制造技术推进。所谓MEMS,是把传感器、电动机和数字智能装置集中在一块硅片上,构成了一系列新奇的、功能远远超过当今芯片的微型装置。纳米技术包括微米级制造(如光刻、蚀刻、淀积、外延生长、扩散和离子注入等)中的一些技术,同时还包括借助于扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等设备对材料进行原子级的修改与排列的技术。这种微细加工技术,人们正在努力探索,虽然有成功也有失败,但是在21世纪中必将会取得重大的突破。
3.2.4 表面分析和测试技术 各种表面分析仪器和测试技术的出现,不仅为揭示材料本性和发展新的表面技术提供了坚实的基础,而且为生产上合理使用或选择合适的表面技术,分析和防止表面故障,改进工艺设备,提供了有力的手段。
  要全面描述固体材料表面状态,阐明和利用各种表面特性,需从宏观到微观按不同层次对表面进行分析研究,包括表面形貌和显微组织结构;表面成分;表面原子排列结构;表面原子动态和受激态;表面的电子结构。分析仪器和技术可大致分为显微镜和分析谱仪两大类。显微镜有光学显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、高压电子显微镜(HVEM)、分析电子显微镜(AEM)、场离子显微镜(FIM)、场发射电子显微镜(FEEM)、声学显微镜(AM)、扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等。所谓“分析谱仪”,是利用各种探针激发源(入射粒子)与材料表面物质相互作用以产生各种发射谱(出射粒子),然后进行记录、处理和分析。目前共有32种基本方法,加上派生出来的约有100多种,如低能电子衍射(LEED)、俄歇电子能谱(AES)、电子损失谱(ILS)、电子能量损失谱(EELS)、离子微探针质量分析(IMMA)、离子中和谱(INS)、X射线光电子谱(XPS)、红外吸收谱(IR)和拉曼散射谱(RAMAN)等。
  这些仪器和技术都有一定的特点和用途,我们需要了解、熟悉和使用它们。在表面科学中,通常把一个或几个原子厚度的表面才称为“表面”,耐厚一些的表面称为“表层”。一些微区分析方法,如电子探针微区分析(EPMA)等,是表层成分分析方法之一,所以在一些科学文献中不把它列入“表面分析”中,但是许多实用表面技术所涉及的表面厚度通常为微米级,因此表面技术所谈到的“表面分析”,实际上是包括表面和表层两部分。
  目前材料表面分析和检测项目甚多,而且表面技术种类繁杂,每类表面技术都有一定的特殊性,各有特定的项目和方法,对一些成熟的内容已有相应的国际标准、国家标准和部颁标准。对于尚未列入上述标准的产品,要按产品加工要求或实样对照。许多产品已归入相应的企业标准予以评定,作为评判产品质量分级以及合格与否的依据。
  表面(层)检测大致包括以下内容:外观检验;镀、涂层或表面处理层厚度的测定;镀、涂层或表面处理层结合强度的测定;镀、涂层或表面处理层的使用性能和工艺性能的测定;表面成分和结构的测定。
  加强表面分析、测试技术的研究和使用,是发展表面技术的重要基础。
3.2.5 表面工程技术设计 随着研究的逐步深入和经验的不断积累,人们对材料表面技术的研究,已经不满足于一般的试验、选择、使用和开发,而是要力争按预定的技术和经济指标进行严密的设计,逐步形成一种充分利用计算机技术,借助数据库和知识库、推理机等工具,通过演绎和归纳等科学方法,而能获得最大效益的设计系统。这类设计系统包括:①材料表面镀涂层或处理层的成分、结构、厚度、结合强度以及各种要求的性能。②基体材料的成分、结构和状态等。③实施表面处理或加工的流程、设备、工艺和检验等。④综合的管理、经济和环保等分析设计。
  虽然目前在许多场合这套设计系统不完善,有的差距还很大,但是今后一定能逐步得到完善,使众多的表面技术发挥更大的作用。

4 结语
  表面现象和过程在自然界是普遍存在的。广义地说,表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的并能为人类造福或被人们利用的技术。
  表面技术为国际性的关键技术之一,是光电子、微电子等许多先进产业的基础技术。大量表面技术属于高技术范畴,在今后知识经济社会发展过程中将占有重要的地位。此外,表面技术还是一门新兴的边缘性学科,在学术上丰富了材料科学、冶金学、机械学、电子学、物理学和化学等学科,开辟了一系列新的研究领域。

顾迅:男,57岁,教授,所长,主要研究方向是表面处理和表面加工技术及新材料研究,曾出过6本书,公开发表论文58篇,曾获全国高等学校优秀教材奖,全国科学大会奖。收稿日期:1998年9月21日。

《参考文献》

 [1] 钱苗根主编.材料表面技术及其应用手册.北京:机械工业出版社,1998
 [2] 美国金属学会主编.金属手册案头卷(中译本).北京:机械工业出版社,1992
 [3] 徐滨士主编.表面工程与维修.北京:机械工业出版社,1996
 [4] 《表面处理工艺手册》编审委员会编.表面处理工艺手册.上海:上海科学技术出版社,1991
 [5] Roudell D R and Neaglc W.Surface Analysis and Applications.Great Britain,1990
 [6] Tom Bell学术报告.表面工程,1989(4)
 [7] 程传煊.表面物理化学.北京:科学技术文献出版社,1995
 [8] [美]物理学评述委员会.凝聚态物理学.北京:科学出版社,1994

 
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