復(fù)合材料表面技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

 一、概述

　　表面技術(shù)是表面處理、表面涂（鍍）層及表面改性的總稱(chēng)，是通過(guò)運(yùn)用各種物理、化學(xué)或機(jī)械工藝過(guò)程來(lái)改變基材表面狀態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)或形成特殊覆層，使基體表面具有某種特殊性能，從而達(dá)到特定的使用要求的方法。

　　現(xiàn)在表面技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛?？商岣卟牧系钟h(huán)境作用的能力，賦予材料表面某種功能特性，如光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等各種物理和化學(xué)性能，制造特殊構(gòu)件、零部件和元器件等。

　　表面技術(shù)主要通過(guò)兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：1、施加各種覆蓋層。采用各種涂層技術(shù)，包括電鍍、化學(xué)鍍、涂裝、粘結(jié)、堆焊、熔結(jié)、熱噴涂、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、分子束外延制膜和離子束合成薄膜技術(shù)等實(shí)現(xiàn)。2、用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)，主要有噴丸強(qiáng)化、表面熱處理、化學(xué)熱處理、等離子擴(kuò)滲處理、激光表面處理、電子束表面處理和離子注入表面改性等方法。

　　二、表面技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　表面改性技術(shù)大致分為濕法、干法、激光表面處理三類(lèi)。

　　濕法是利用在液相中發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)在材料表面進(jìn)行改性的方法。液相的種類(lèi)有水溶液、熔融鹽、有機(jī)溶液。干法是在氣相中進(jìn)行各種反應(yīng)，分為PVD（物理氣相法）、CVD（化學(xué)氣相法）和溶液噴射法。

　　1.濕法表面改性技術(shù)

　　（1）用水溶液的方法

　　主要有陰極析出和陽(yáng)極氧化法。陰極析出MZ++ze→M（M是金屬，MZ+是目的金屬離子，e是電子），在該法中必要的電子由電源提供，也稱(chēng)為電鍍法，電子由還原劑提供的稱(chēng)為化學(xué)鍍法，此技術(shù)以在基底金屬上形成膜為目的。

　?。?）融鹽的方法

　　當(dāng)從水溶液中電解析出金屬困難或電流效率低，析出后擴(kuò)散性差的情況下可采用熔融鹽的方法。例如為提高鋼合金及銅表面的硬度，將銅及銅合金在含氟化鈹?shù)肉旣}熔融鹽中，在750℃電解處理，在銅及銅合金表面上形成Cu-2~4%Be膜，然后在350℃下熱處理，從過(guò)飽和固溶體Cu-Be膜中析出γ相從而達(dá)到表面硬化的目的。這種方法的工藝、裝置簡(jiǎn)單并且適用性廣，在工業(yè)中有著極大的用途。

　?。?）用有機(jī)溶液的方法及溶膠-凝膠法

　　有機(jī)溶液方法中有代表性的是AlCl3-醚液、AlCl3-NaCl-LiAlH4-THF液等的各種有機(jī)溶液劑中的Al陰極電鍍。溶膠-凝膠法是各種烴氧基金屬的加水分解引發(fā)的聚合反應(yīng)生成溶膠，隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，溶膠變成凝膠，通過(guò)干燥、加熱得到最終產(chǎn)物。采用溶膠-凝膠法得到的無(wú)機(jī)材料形態(tài)可以是膜、粉末、纖維、整塊。用適當(dāng)?shù)幕撞牧喜捎萌苣z-凝膠法可在基底材料表面上獲得具有特殊機(jī)械性能、化學(xué)保護(hù)、光、電功能的膜從而達(dá)到功能化表面處理的目的。此法工藝簡(jiǎn)單，且重復(fù)操作可獲得多層膜。

　?。?）熱噴涂

　　熱噴涂是一種重要的表面工程技術(shù)，在普通材料的表面噴涂保護(hù)層、強(qiáng)化層和裝飾層，可實(shí)現(xiàn)耐磨、耐蝕、耐高溫、絕緣、導(dǎo)光的功能特性。熱噴涂技術(shù)有許多工藝方法，目前應(yīng)用比較廣泛的主要有火焰噴涂（絲材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、爆炸噴涂、超音速火焰噴涂）、等離子噴涂和電弧噴涂。由于電弧性能不斷改善，電弧噴涂在20世紀(jì)80年代再次興起。其原理是通過(guò)送絲裝置將兩根絲狀金屬?lài)娡坎牧纤瓦M(jìn)噴極中兩導(dǎo)電嘴內(nèi)，作為陰、陽(yáng)極，利用其接觸短路生成電弧，熔化絲材，并用壓縮空氣霧化噴射到工件表面形成致密結(jié)合層。由于用電能作為能源，在節(jié)能和經(jīng)濟(jì)方面都優(yōu)于其它噴涂。

　　2.干法表面改性技術(shù)

　　化學(xué)氣相法是典型的干性表面改性技術(shù)?；瘜W(xué)氣相法是利用基板上金屬與化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成薄膜的方法，可分為5類(lèi)。

　　（1）基板反應(yīng)法：基板自身發(fā)生反應(yīng)在表面上生成薄膜的方法。

　　如，Ti+2BCl3+3H2→TiB2+6HCl（1000℃）

　　（2）分解法：通過(guò)反應(yīng)氣體中熱分解在基板上析出薄膜的方法。

　　如，CH3SiCl3→SiC+3HCl（1400℃）

　?。?）氫還原法：以氫氣作為還原劑在表面上析出金屬的方法。

　　如，WF6+3H2→W+6HF（700℃）

　?。?）反應(yīng)氣相法：在表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并析出反應(yīng)生成物。

　　如，2TiCl4+C2H2+3H2→2TiC+8HCl（700℃）

　　（5）化學(xué)傳輸法：原料金屬作為反應(yīng)裝置的一部分，化學(xué)反應(yīng)在氣相中進(jìn)行，在基板上分解成目的金屬。

　　如，Ti+TiCl4→TiCl2（1000℃）　　2TiCl2→Ti+TiCl4（600℃）

3.激光表面處理

　　激光表面處理技術(shù)是把傳統(tǒng)的表面熱處理與焊接技術(shù)相結(jié)合的一門(mén)新技術(shù)，其突出特點(diǎn)在于能夠得到其它表面技術(shù)很難達(dá)到或不能達(dá)到的效果，在航空航天、石油、汽車(chē)等行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。 用于表面處理的激光主要有三種類(lèi)型：CO2激光、Nd激光和YAG激光和激元激光。

　?。?）激光相變硬化

　　用高能激光束掃過(guò)可硬化材料表面，使表面溫度達(dá)到相變點(diǎn)以上，當(dāng)激光束移開(kāi)后，表面由于快速冷卻而硬化。對(duì)一選定鋼種，激光加熱區(qū)域的組織主要取決于該區(qū)域達(dá)到的最高溫度和此溫度停留時(shí)間。有研究表明：該工藝是改善高碳鋼和鑄鐵耐磨性的有效方法。

　　（2）激光沖擊硬化

　　高功率、短脈沖強(qiáng)激光和材料相互作用，在表面形成高壓應(yīng)力--沖擊波，當(dāng)沖擊波峰值壓力超過(guò)被沖擊區(qū)金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬材料表層發(fā)生塑性變形，形成殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力的冷硬層，其微觀上表現(xiàn)為高密度位錯(cuò)和晶格細(xì)化等。該工藝能改善金屬材料的力學(xué)性能特別是抗疲勞斷裂性能，據(jù)報(bào)道：激光沖擊硬化可處理碳鋼、合金鋼、球墨鑄鐵、鋁合金材料，在提高抗疲勞斷裂性能方面，可完全取代噴丸處理。

　?。?）激光表面熔覆

　　用一定功率激光掃描工件表面涂覆材料，使其熔化形成功能結(jié)合層?？色@得較厚的覆層，易實(shí)現(xiàn)選區(qū)熔覆，而且熱變形小，覆層成分及稀釋率可控，在經(jīng)濟(jì)上和覆層質(zhì)量上都優(yōu)于傳統(tǒng)的堆焊和熱噴涂工藝。適用于局部易磨損、沖擊、剝蝕、氧化腐蝕及要求特殊性能（局部光敏、熱敏等）的零部件。

　　（4）激光表面合金化

　　與激光表面熔覆類(lèi)似，不同的是激光功率更大一些，基體表面熔化與合金充分混合形成堆焊層。由于合金元素完全熔于表層，薄層成分均勻，對(duì)開(kāi)裂和剝落等傾向不敏感。稀釋率比激光表面熔覆要高。

　　目前，表面技術(shù)的重要研究方向是綜合運(yùn)用兩種或更多種表面技術(shù)進(jìn)行復(fù)合表面處理。已開(kāi)發(fā)出一些復(fù)合表面處理法，如等離子噴涂與激光輻照復(fù)合、熱噴涂與噴丸復(fù)合、化學(xué)熱處理與電鍍復(fù)合、激光淬火與化學(xué)熱處理復(fù)合、化學(xué)熱處理與氣相沉積復(fù)合等，已經(jīng)取得良好效果。

　　三、表面技術(shù)的展望

　　表面技術(shù)可用以提高材料耐磨性，使材料在一定的摩擦條件下有抵抗磨損的能力；可實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化，通過(guò)各種表面強(qiáng)化處理來(lái)提高材料表面抵御除腐蝕和磨損以外的環(huán)境作用的能力；可用以實(shí)現(xiàn)表面裝飾，不僅方便、高效，而且美觀、經(jīng)濟(jì)。

　　除此以外，表面技術(shù)在研制和生產(chǎn)新型材料方面也是十分重要的。如金剛石薄膜、類(lèi)金剛石碳膜、立方氮化硼膜、超導(dǎo)薄膜、LB薄膜、超微顆粒型材料、納米固體材料、超微顆粒膜、材料非晶硅薄膜、纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料等。其中纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是以各種金屬、玻璃、陶瓷等纖維為增強(qiáng)體，以水泥、玻璃、陶瓷等為基體，構(gòu)成的復(fù)合材料，其中纖維往往必須通過(guò)一定的表面處理，使纖維與基體“相容”，并對(duì)纖維有保護(hù)作用。它具有高強(qiáng)度、高韌性和熱化學(xué)穩(wěn)定性，是未來(lái)材料的發(fā)展方向。

　　表面技術(shù)在微電子工業(yè)中也起著舉足輕重的作用。微電子技術(shù)是制造和使用微小型電子器件、元件和電路而能實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)功能的技術(shù)。它是以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。目前已從特大規(guī)模集成電路向吉規(guī)模集成電路進(jìn)軍。這樣巨大的變化首先應(yīng)歸功于高速發(fā)展的表面微細(xì)加工技術(shù)。這是一種加工尺度從微米、亞微米到毫微米量級(jí)制造微小元器件或薄膜圖形的先進(jìn)制造技術(shù)。

　　表面技術(shù)在環(huán)境保護(hù)和優(yōu)化方面的應(yīng)用也日益突出。如可凈化大氣、凈化水質(zhì)、吸附雜質(zhì)、除藻污垢、綠色能源，也可用于抗菌滅菌、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

　　由以上可見(jiàn)，表面技術(shù)廣博精深，在各個(gè)工業(yè)部門(mén)、農(nóng)業(yè)、生物、醫(yī)藥以及日常生活中有著廣泛而重要的應(yīng)用，隨著人們對(duì)傳統(tǒng)表面技術(shù)進(jìn)行一系列改進(jìn)、復(fù)合和創(chuàng)新而發(fā)展出來(lái)的現(xiàn)代表面技術(shù)，不僅是光電子、微電子等許多先進(jìn)產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)，而且可以取得巨大的效益，可以說(shuō)表面技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了整個(gè)社會(huì)的發(fā)展，開(kāi)辟了一系列新的研究領(lǐng)域，在今后知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中將占有重要的地位。