十論現(xiàn)代表面工程

李金桂

（中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京 100095）

筆者幾十年來長期從事“航空材料”、“腐蝕控制”和“表面工程”方面的研究工作，在“表面工程”領(lǐng)域發(fā)表了《現(xiàn)代表面工程設(shè)計(jì)手冊》等六部專著[1—6]和大量論文，其中以“表面工程”為主題的論文有九篇，如“表面工程學(xué)形成與發(fā)展”、“再論現(xiàn)代表面工程”等[7—11]。本文作為延續(xù)，定名為“十論現(xiàn)代表面工程”，作為小結(jié)。

1 一條定義

2002年一月出版的《國防科技名詞大典》[12]將“表面工程”定義為：將材料表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用表面改性轉(zhuǎn)化技術(shù)、薄膜技術(shù)和涂鍍層技術(shù)，使材料表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統(tǒng)工程。它是近代技術(shù)與經(jīng)典表面工藝相結(jié)合、繁衍、發(fā)展起來的；它擁有堅(jiān)實(shí)的科學(xué)理論基礎(chǔ)，像表面界面理論、表面失效理論、腐蝕科學(xué)、摩擦科學(xué)等；它包括表面轉(zhuǎn)化改性、薄膜、涂鍍層材料與制備工藝、施涂與檢測技術(shù)、表面組成與結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、表面性能測試技術(shù)、檢驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)、評價和質(zhì)量保證、工藝過程控制等，為形成新型表面和表面層工程化生產(chǎn)的成套技術(shù)。它可有效地改善和提高材料和產(chǎn)品的性能（耐蝕、耐磨、裝飾性能），確保產(chǎn)品使用可靠和安全，延長使用壽命，或賦予材料和器件特殊的物理和化學(xué)性能，例如聲光磁電的轉(zhuǎn)換和存儲性能，使電子器件多功能化和超小型化，有效地節(jié)約有限的資源和能源，減少環(huán)境污染，維護(hù)可持續(xù)發(fā)展。

2 兩條原則[2]

1）表面與實(shí)體形成一個系統(tǒng)的原則。《表面工程學(xué)》明確提出，任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造都離不開材料，也離不開表面和界面，主張：將材料表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，即在產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造的同時，進(jìn)行其表面與界面的設(shè)計(jì)與制造。

2）表面保護(hù)層完整性原則。表面保護(hù)層是提高材料及其制品的環(huán)境抗力，預(yù)防腐蝕最普遍、最有效、最受設(shè)計(jì)師青睞的保護(hù)技術(shù)。實(shí)踐證明，只要材料及其制品表面保護(hù)層完整無損，其材料基體和制品就擁有環(huán)境抗力。所以，使用過程中需要不斷保護(hù)、檢查、修補(bǔ)、更新保護(hù)層。

3 三大技術(shù)[2]

3.1 表面改性轉(zhuǎn)化技術(shù)

運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)改變材料表面、亞表面層的成分、結(jié)構(gòu)和性能的處理技術(shù)稱為表面轉(zhuǎn)化技術(shù)，主要包括六大類，見表1。

表1 表面改性轉(zhuǎn)化技術(shù)內(nèi)涵Tab.1 Connotation of surface modification technology

3.2 薄膜技術(shù)

運(yùn)用近代表面沉積技術(shù)，在零件（或襯底）表面沉積出厚度為100 nm～1 μm或數(shù)微米薄膜的形成技術(shù)，稱為薄膜形成技術(shù)或薄膜技術(shù)。按用途，可以分為光學(xué)薄膜、微電子學(xué)薄膜、光電子學(xué)薄膜、集成光學(xué)薄膜、信息存儲膜和防護(hù)功能薄膜等六大類，見表2。

表2 薄膜技術(shù)Tab.2 Thin film technology

3.3 涂鍍層技術(shù)

采用古典技術(shù)、近代技術(shù)或二者相結(jié)合在零件表面涂覆一層或多層表面層的形成技術(shù)稱為涂鍍層技術(shù)，分為五大類，見表3。

表3 涂鍍層技術(shù)Tab.3 Coating technology

4 四大功能[2]

材料的表面技術(shù)，即表面改性、薄膜沉積或涂鍍層施加，功能和作用十分廣泛，例如：提高材料或零件的耐蝕性、抗高溫氧化性；提高其對周圍環(huán)境和使用運(yùn)行環(huán)境抗害的抗力；提高耐熱、導(dǎo)熱、隔熱、吸熱、熱反射的性能；賦予材料特定的物理特性，如導(dǎo)電、絕緣、半導(dǎo)體特性、超導(dǎo)、電磁屏蔽、發(fā)光、消光、光反射、光選擇吸收、雷達(dá)波隱身、紅外隱身、親油、親水、親某種涂層、可焊、粘著、傳感等；賦予材料聲、光、磁、電轉(zhuǎn)換的特種功能等；賦予材料特定的化學(xué)特性，如耐酸、耐堿、耐特種液體、催化等；賦予制件表面裝飾特性，如鮮艷的色彩、圖文，非金屬制件表面金屬化、光化、抗老化等；提高材料制件表面完整性，降低粗糙度，降低表面缺陷，提高表面光亮度，提高抗應(yīng)力腐蝕、抗疲勞、抗腐蝕疲勞的能力。表面工程技術(shù)的四大功能可見表4。

表4 表面工程技術(shù)的功能和作用Tab.4 The function and effect of surface engineering technology

5 表面工程學(xué)[2,7—8]

現(xiàn)代表面工程技術(shù)是提高材料及其制品使用可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性，盡可能延長其使用壽命的最普遍、最實(shí)用、最經(jīng)濟(jì)、最受青睞的成套技術(shù)，又擁有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)及大批的科研生產(chǎn)技術(shù)隊(duì)伍，順理成章地迅速形成為一門新的學(xué)科是歷史的必然。其涵蓋的內(nèi)容見表5。

表5 現(xiàn)代表面工程學(xué)所涵蓋內(nèi)容Tab.5 Content of modern surface engineering

6 結(jié)語

防止材料腐蝕的研究可以追溯到古代，三千多年前中國的大漆、二千多年前秦始皇墓中的青銅劍表面改性就是極好的例證。后來發(fā)展了三個行業(yè)，即電鍍、油漆和熱噴涂。20世紀(jì)60年代，三束（電子束、離子束和激光束）進(jìn)入表面加工技術(shù)領(lǐng)域，引發(fā)了表面加工技術(shù)翻天覆地的變化與突飛猛進(jìn)的發(fā)展。1983年英國成立表面工程學(xué)院，1986年歐洲熱處理學(xué)會更名為歐洲熱處理與表面工程學(xué)會，并出版了國際性表面工程雜志，有關(guān)表面改性、薄膜、涂層以及表面工程綜合性技術(shù)的會議頻頻召開。近50年來，表面工程技術(shù)成為世界各國優(yōu)先公關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，20世紀(jì)90年代，世界上出現(xiàn)了《表面工程學(xué)》。

我國近幾十年來表面工程也有了長足發(fā)展，筆者為此發(fā)表專著和論文進(jìn)行推廣。本文作為小結(jié)，論及了近代表面工程的一條定義、兩大原則、三大技術(shù)、四大功能以及表面工程學(xué)的內(nèi)涵，以感謝老師和各位同行的教育與幫助。