材料表面工程技術論文

　　材料表面工程是通過控制和改善材料的表面性質而提高其相容性的技術領域,這是小編為大家整理的，僅供參考!

　　篇一

　　金屬材料表面工程的應用與發展

　　摘要：表面工程技術是21世紀的關鍵技術之一，從上世紀八十年代開始一直保持較快的發展速度，在科研和生產中得到廣泛應用，收到了良好的效益。本文簡要概述了金屬材料表面工程技術中的表面改性處理、表面塗鍍/層技術和堆焊表面改性技術的特點、應用範圍和發展現狀。

　　關鍵詞：金屬材料;表面工程;發展與應用

　　Abstract: Surface engineering technology is one of the key technologies in the 21 st century, and ithas been maintained a fast rate of development from the 1980 s. This technology is used widely in scientific research and production,and received good benefits. This paper briefly summarizes the characteristics ,application and development of the surface modification processing, surface coating plating/layer technology and the build-up welding technique in metal material surface engineering technologies.

　　Key Words: Metal material, Surface engineering, Application and development

　　中圖分類號：F41***1文獻標識碼：A 文章編號：

　　引言

　　表面工程學是一門涉及材料科學、冶金技術、機械工程等眾多領域的綜合學科，包括表面科學理論、表面工程技術、表面工程技術設計、表面分析與檢測技術、表面質量與工藝過程控制工程、表面工程管理與經濟分析等幾個方面[1]。其中表面工程技術是和生產實踐聯絡最為密切的，同時也代表著生產技術水平的高

　　低。科學技術的發展和進步對生產裝置與儀器提出了更高的要求，複雜多變的工

　　況考驗著材料效能的優劣，必須在保證經濟性前提下，綜合運用各種高新技術提高和改善金屬材料效能。

　　表面工程技術是利用科技手段對材料表面進行處理，通過改變材料表面和

　　亞表面的成分、微觀組織結構以此來改善和提高其效能，滿足使用要求。金屬零件在使用過程中的破壞往往是從表面開始的，或因接觸介質的化學腐蝕，或高溫環境的氧化和熔化，或摩擦工況及磨料介質中的磨損，或複雜受力下的彎曲、扭轉、拉壓或剪下。因此，強化表面成為抵抗此類破壞的第一道防線。近年來，表面改性處理、表面塗鍍/層技術和堆焊表面改性技術因其不同的優點在表面工程技術領域迅速發展。

　　1 表面改性技術

　　表面改性技術包括以噴丸強化、輥壓強化為代表的表面強化技術，以各種氧化、鈍化成膜的化學轉化膜技術，化學氣相沉積技術***CVD***與等離子束、鐳射束等高能束的表面處理技術。表面改性技術是藉助外在介質改善材料的表面性能，不對原材料新增任何化學元素，改性後的材料表面不存在化學元素的增減，只是成分的比例和組織結構發生變化。因此，該技術相對於塗鍍***層***技術和堆焊表面改性技術要工藝簡單，只需控制好過程引數即可。不同的工況環境對材料的要求也不同，應根據具體的實際需求選擇處理工藝。

　　1.1化學轉化膜技術

　　該技術經過近些年的發展已經實現了不僅在金屬材料表面成膜，而且可在陶瓷等非金屬表面成膜，膜的厚度也在向著更優更薄的方向發展。如各種碳化鈦超導陶瓷薄膜系多晶或外延單晶薄膜、抗高溫大功率的半導體用金剛石薄膜以及各種光電子薄膜和整合光學薄膜。鋁及其合金的表面改性技術大多采用的是表面成膜技術，在表面形成耐磨、耐蝕、多孔、結合性強的高效能薄膜。目前鋁合金表面的改性技術主要有：電化學氧化法、化學轉化法、微弧氧化技術、等離子注入表面改性、冷噴塗技術、稀土轉化膜和鐳射處理等[2]。

　　1.2高能束表面改性技術

　　高能束表面改性技術是運用高能束熱源，新增或不加化學元素，對材料表面及亞表面進行重熔或熔覆處理，形成滿足使用要求的高效能表層。所謂的高能束***High Energy Density Beam------HEDB***即高能量密度的束流，包括鐳射束、電子束、等離子束[3]，與傳統熱源相比較，高能束具有獨特的優點：1、能量更加集中，因此熱效率高;2、方向性更強;3、易於實現精確控制;4、屬於綠色能源，不易造成浪費。高能束的諸多優點使得它在傳統技術工業、聚合物、生物醫用材料、製備奈米材料等各個領域得到廣泛的應用[4]。鐳射重熔、等離子重熔、激光表面熔覆、激光表面合金化等高能束表面改性技術在各行業得到飛速發展。

　　高能束作為新型能源在表面改性技術中的應用，給表面工程學科帶來了大發展，必將是倡導節約能源降低能耗的21世紀快速發展的能源之一。表面改性處理改善金屬材料的使用效能與組織、硬度和耐磨性的改變有關，而各項改變的量和質決定於材質和高能束熱源。不同材料在具體的過程中還受到諸如掃描速度、掃描間距、電流、電壓等工藝條件選擇的影響。通常，輸入材料表面的高能束熱量越大，材料的散熱能力越強，則獲得的效能改善層深度越大，材料表面組織與原始組織差別越大。具體行業領域中的應用還需根據實際情況選擇高能束熱源型別和實際生產中合適的工藝引數。

　　2表面塗鍍/層技術

　　古典技術與現代技術相結合在材料表面形成一層或多層同質或異質層的技術稱為表面塗鍍/層技術。該技術包括在材料表面電鍍耐磨、耐蝕、耐高溫等優異效能的單層或複合表層、非晶態鍍層的電鍍技術;有機塗層技術、熱噴塗技術、物理氣相沉積技術等。

　　2.1熱噴塗技術

　　熱噴塗技術是一種重要的表面工程技術，通過在材料表面噴塗保護層、強化層和裝飾層來實現抗磨、耐熱、耐蝕、絕緣和導光等特性功能[5]。熱噴塗技術作為一種表面強化和防護工藝如今已日漸成熟，從單一的表面強化層發展到及產品失效分析、表面預處理、噴塗材料、噴塗裝置選擇、噴塗工藝確定、塗層系統設計和噴塗層後期加工為一體的系統工程。該技術由條件要求極高的宇航工業開始，如今已深入發展到民用工業的各個行業[6]。

　　熱噴塗技術包括火焰噴塗、等離子噴塗、電弧噴塗等。電弧噴塗效率高、塗層結合力強、生產效率高且能適合各種複雜環境，因此在市場上的份額較大。噴塗材料離子的溫度和速度對塗層的效能影響較大，由此而生的超音速等離子熱噴塗技術近年來在國際上發展迅速。火焰噴塗根據塗層材料的種類不同分為線材火焰噴塗和絲材火焰噴塗技術。該技術是利用火焰將材料先熔化然後形成塗層，之後再用火焰加熱塗層，可以使基層與塗層材料間達到冶金結合，對於高溫下承受熱衝擊的高溫磨具處理尤為重要[7]。

　　2.2物理氣相沉積技術

　　物理氣相沉積技術是利用真空蒸發、濺射、離子鍍等方法在材料表面成膜。表面膜可以是金屬膜、合金膜、陶瓷膜亦或是金剛石膜等。此類沉積成膜技術已經在機械、航空等行業得到廣泛應用。該技術在實際生產中操作靈活，可以根據需要調整成分和比例，從而改善材料的不同效能。

　　篇二

　　矽材料表面印跡技術研究進展

　　摘要：綜述了近年來通過把分子識別位點建立在基質材料的表面，來提高識別位點與印跡分子的結合速度。進一步加強印跡材料吸附分離效率的分子印跡技術，即表面印跡技術的研究進展。主要從以矽為基質材料方面綜述了表面分子印跡技術的發展現狀，對最近幾年基於矽表面修飾的分子印跡技術的製備與應用的最新進展進行了總結與評述，並對其將來的發展進行了展望。

　　關鍵詞：分子印跡;表面修飾;矽材料;綜述

　　中圖分類號：0658.2

　　文獻標識碼：A

　　文章編號：0367-6358***2007***12-754-04

　　作者簡介：邴乃慈***1979-***。女，滿族。撫順人。博士生，講師，主要從事聚合物材辯的研究工作。

　　分子印跡學是基於材料科學、生物化學等學科的一門交叉學科，可以用於獲得與模板分子在空間結構和結合位點上完美匹配的聚合物***即分子印跡聚合物，MIPs***。由於MIPs與天然的分子識別系統相比。具有穩定性好、使用壽命長、親和性和選擇性高等特點，自從20世紀70年代以來，MIPs已經廣泛應用於分離領域、臨床藥物分析、仿生催化和生物感測器等諸多領域。目前應用MIPs分離和識別的物件包括藥物、氨基酸、肽和多肽、蛋白質、糖等，雖然構象簡單的小分子的印跡研究工作已經比較成熟，但是多肽、蛋白質等生物大分子由於存在空間結構複雜、體積龐大、性質脆弱、結構柔軟、構象多變以及可結合位點比較多等特點，按照傳統方法進行模板印跡的難度很大，因此以生物大分子為模板分子的印跡製備技術無疑仍是一種挑戰。

　　近年來，很多學者都在致力於開發分子印跡材料新的合成方法和工藝，聚合物的尺寸也在逐漸變小變薄，由於表面分子印跡技術是將MIPs的識別位點最大限度地固定在基質材料的表面，可以提高對印跡分子的結合速度，從而進一步加強印跡材料的吸附分離效率，因此成為大分子印跡最有潛力的方法。由於該方法同樣適用於小分子物質的印跡，表面印跡法已日益成為分子印跡領域最受關注的技術之一。

　　1　矽表面印跡聚合物的製備方法

　　1949年Dickey用染料甲基橙作為印跡分子，酸化矽酸鹽溶液形成染料印跡膠體，乾燥並洗去印跡分子後得到的對甲基橙比乙基橙吸附能力高2倍的吸附材料，Dickey的這項研究掀開了基於矽表面修飾的分子印跡技術的嶄新一頁，從此，矽基分子印跡材料迅速發展起來，表1中列出幾種矽表面印跡的製備方法。

　　2　不同形態矽材料在表面印跡技術中的應用

　　矽材料不僅具有良好的機械效能及熱穩定性，並且具有多種多樣的形貌，因此以其為基質的具有分子水平上識別功能的分子印跡材料必將具有優異的效能及廣闊的應用前景。表2中列出幾種不同形態矽材料在表面印跡技術中的應用。

　　3　矽表面印跡技術的應用

　　3.1固相萃取

　　固相萃取具有回收率和富集倍數高、環境友好、無相分離操作、操作簡單和易於實現自動化等優點，目前已成為最常用的樣品前處理方法之一。分子印跡固相萃取由於可以簡化樣品前處理過程並且能夠彌補傳統固相萃取劑選擇性差的缺點，所以在痕量分析方面前景廣闊。

　　Koster等以雙氯醇胺***Clenbuteml***為模板分子，甲基丙烯酸為功能單體，在矽纖維表面聚合得到了75 pm的印跡聚合物層用於微量固相萃取對雙氯醇胺及其結構類似物進行選擇性分離。實驗結果表明，分子印跡纖維的製備和萃取效能均具有重複性，分子印跡纖維及非印跡纖維在乙腈中對雙氯醇胺的結構類似物雙溴醇胺***Brombuter01***的萃取效率分別為75%和<5%，重複使用的分子印跡纖維的萃取效率仍然可達45%，由於機械效能好，重複利用率高，基於纖維表面的分子印跡聚合物在生物樣品的分離分析中具有很高的實用價值。

　　Jiang等將表面印跡技術與溶膠，凝膠過程相結合，在活化的氨基多孔矽膠表面印跡上雙酚A***BPA***，並將該MIPs用於固相萃取，高效液相色譜耦聯技術檢測水樣中的BPA。實驗結果顯示所得到的BPA-MIPs-Silica吸附劑具有吸附容量高，選擇性好等特點，印跡聚合物及非印跡聚合物的最大的靜態吸附容量分別為68.9和34.0 mg/g，選擇因子為4.5。

　　3.2色譜填料

　　分子印跡技術自誕生以來，一直在高效液相色譜、氣相色譜及毛細管電泳中有著最為廣泛的應用，是一種製備色譜固定相尤其是手性固定相的強有力技術。但是由傳統包埋法所得到的MIPs由於具有顆粒不均勻、印跡效率低導致柱效低，限制了它的應用，使用分散聚合法、懸浮聚合法等雖然可以得到粒徑的印跡聚合物微球，但所得印跡聚合物的識別位點大都在聚合物微球內部，而印跡聚合物內部存在擴散阻力，導致待印跡分子與識別位點結合困難，結合速率低，溶液的分離處理效率不高，因此把識別位點建立在基質表面的表面印跡技術在色譜分離方面必將有著廣闊的發展前景。而以矽膠、二氧化矽等為基質的無機矽表面印跡材料不但具有分子印跡功能，而且具有良好的機械穩定性及熱穩定性，在色譜分離方面受到了更多的關注。

　　3.3催化反應

　　分子印跡技術的一個很重要的應用就是製備具有專一性的催化劑，並且已經在合成、水解等反應中有著成功應用的例子。

　　Visnjevski等以Dials-Alder反應的過渡態類似物***TSA***氯茵酸酐***Chlomndic anhydride***為模板分子，比較了採用包埋法與犧牲骨架法制備的矽表面印跡MIPs在六氯代環戊二烯與順丁烯二酸的Dials，Alder反應中的催化活性。結果表明。MIPs-sheU的催化活性明顯高於包埋法得到的MIPs的催化活性，並且所得產物是其非印跡對照物的三倍。

　　3.4其他應用

　　基於矽表面修飾的分子印跡技術在生物感測、蛋白質分子分離等方面也有成功應用的例項。

　　Ling等以鄰苯二酚胺為模板分子在矽膠上製備MIPs，並將該分子印跡聚合物薄膜用在石英晶體微天平電極上檢測丙醇溶液中的待分析物。

　　Shi等於1999年在《Nature》上發表了有關以蛋白質為模板分子的雲母表面印跡技術。他們將蛋白質首先吸附在雲母上，然後在蛋白質周圍包裹上一層二糖分子，再在二糖分子表面上聚合一層熒光聚合層，最後除去雲母，洗脫掉蛋白質分子，該分子印跡聚合物可以選擇性識別蛋白質分子。

　　4　問題與展望

　　從微球到纖維，從大孔到微孔，從小分子識別到蛋白質等生物大分子，以矽材料為基質的分子印跡技術在許多方面已經顯示了其巨大的優越性並取得了一定的進展。雖然矽材料表面印跡技術的起步較早，發展較快，但是仍存在一些問題有待解決：

　　***1***目前的研究主要停留在矽表面印跡聚合物的設計與製備上，而對印跡過程及識別過程的機理沒有展開相關研究。從分子水平上研究MIPs與印跡分子間的識別機制，不僅可以為MIPs的分子設計、單體選擇等提供重要的理論基礎，並且在實現MIPs與印跡分子間的識別過程的同時提高選擇性。

　　***2***表面印跡聚合物的單一吸附性和選擇吸附性均偏低，如何提高其吸附效能是今後工作的重點;

　　***3***應該從完善和創新現有製備技術方面實現表面印跡，積極開發新材料。將分子印跡技術與其相結合，期望實現更多的分子識別過程。