材料表面工程在材料工程领域的应用与研究进展

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1、材料表面工程在材料工程领域的应用与研究进展摘要材料表面工程技术是21世纪关键技术之一，从上世纪80年代以来一直保持较快的发展速度并在科研与工业生产中得到了广泛应用。本文简要概述了近些年材料表面工程在材料领域的应用和最新研究进展，并对其前景做了展望。关键词材料表面工程表面防护功能涂层堆焊技术纳米表面工程1引言表面工程的概念由英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔于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[1]。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、

2、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表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。表面工程技术是表面工程的核心和实质。表面工程技术可以分为：表面改性、表面处理、表面涂覆、复合表面工程、纳米表面工程技术[2]。表面工程与人们的生产、生活息息相关。2材料表面工程的应用2.1在表面防护方面的应用表面防护主要是指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等的能力。采用表面[3]工程技术

3、能显著提高结构件的防护能力。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，如采用表面硬化处理、热喷涂、激光表面强化等修复和强化零件表面，赋与零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能[4]。这层表面材料与制作部件的整体材料相比。厚度薄，面积小。但却承担着工作部件的主要功能。不同表面工程技术所获得的覆盖层厚度一般从几十微米到几毫米，仅占工件整体厚度的几百分之一到几十分之一，却使工件具有了比本体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等能力。镁合金是一种最轻的工程结构金属材料，但是镁合金的耐蚀问题长期以来严重地制约了镁合金的开发和广泛应用[5]。开展镁合金防腐蚀

4、研究，提高其耐蚀性具有重要的意义。传统的镁合金化学转化膜溶液中通常含有毒性高且有可能致癌的六价铬，其使用日渐受到各国的严格限制。近年来，针对用于替代传统铬酸盐化学转化处理的各类型工艺，国内外对镁合金无铬转化膜技术开展了大量的研究。邹茂华等研究发现镁合金铈转化膜的主要成分为铈的氧化物-氢氧化物，膜中铈-1-以三价和四价两种价态存在。在AZ31镁合金表面制备的镧转化膜均匀、致密，主要由氢氧化镧组成，还有少量氢氧化镁及碳酸镧、碳酸镁等；转化膜对基体金属防护效果好[6]。2.2在功能材料和元器件中的应用功能材料主要指具有优良的物理、化学和生物等功能，以及一些声、电、光、磁等互相转换功能，而被

5、用于非结构目的的高技术材料，常用来制造各种装备中具有独特性能的核心部件。材料的功能特性与其表面成分、组织结构等密切相关。(1)电学特性利用电镀、化学镀、气相沉积、离子注入等技术可制备具有电学特性的功能薄膜及其元器件。(2)磁学特性通过气相沉积技术和涂装等表面技术制备出磁记录介质、磁带、磁泡材料、电学屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。(3)光学特性利用电镀、化学镀、转化膜、涂装、气相沉积等方法，能够获得具有反光、光选择吸收、增透性、光致发光、感光等特性的薄膜材料。(4)声学特性利用涂装、气相沉积等表面技术，可以制备掺杂Mn-Zn铁氧体复合聚苯胺款频段的吸波涂层、红外隐身涂层、降低雷达波反射系数

6、的纳米复合雷达隐身涂层，声反射和声吸收涂层以及声表面波器件等。(5)热血特性采用磁控溅射，涂装等方法制备。(6)生物学特性具有一定的生物相容性和物理化学性质的生物医学材料，利用等离子喷涂、气相沉积、等离子注入等方法形成的一用涂层，可在保持基体材料特性的基础上，提高基体表面的生物学性质、耐磨性、耐蚀性和绝缘性等[7]，阻隔基体材料离子向周围组织溶出扩散，起到改善同人体机能的作用[8]。在金属材料上制备生物陶瓷涂层，提高材料的生物活性，用作人造关节、人造牙等医学植入体[9]。将磁性涂层涂覆在人体的一定穴位上，有治疗疼痛、高血压等功能[10]。(7)各种转换功能采用表面工程技术可获得进行光

7、-电，热-电，光-热，力-热，磁-光等转换功能的器件。2.3在再制造工程中的应用2.3.1再制造工程的内涵再制造工程是在维修工程和表面工程的基础上发展起来的新兴科学，是以产品全寿命周期论为指导，以实现废旧产品的性能提升为指标，以优质、高效、节能、节材和环保为准则，以先进生产技术和产业优化为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称[11]。简而言之为是废旧产品高技术修复、改造的产业。其重要特征是，再制造以后的产品质量和性能达到或超过新品，成