第八章纳米表面工程 ③ S&三 CH口口L口 F MATER1 ALS SCIENGE& ENGINEERING 1纳米表面工程的内涵 纳米技术是20世纪80年代末期诞生并正在 矿崛起的新技术。1990年7月,在美国巴尔的摩 召开了国际首届纳米科学技术会议(Nano |ST)。纳米科技研究范围是过去人类很少涉 料及的非宏观、非微观的中间领域(10-9~10 7m),它的研究开辟了人类认识世界的新层 与次。纳米材料与技术的发展得到了世界各国 程的高度重视。 学 况
1 1 纳米表面工程的内涵 纳米技术是20世纪80年代末期诞生并正在 崛起的新技术。1990年7月，在美国巴尔的摩 召开了国际首届纳米科学技术会议（NanoST）。纳米科技研究范围是过去人类很少涉 及的非宏观、非微观的中间领域（10-9~10- 7m），它的研究开辟了人类认识世界的新层 次。纳米材料与技术的发展得到了世界各国 的高度重视。 第八章 纳米表面工程
第八章纳米表面工程 ③ S&三 CH口口L口 F MATER1 ALS SCIENGE& ENGINEERING 1纳米表面工程的内涵 在开展相关理论研究与实践应用的基础上 矿“纳米表面工程”这一新的概念和领域应运而 业 生。2000年,徐滨士等人在《中国机械工程》 学杂志上首先提出了“纳米表面工程”的概念。 材 科 2002年国际表面工程学科创始人、中国工 料程院外籍院士、英国伯明翰大学TBe教授 学 与 访华时对纳米表面工程的提法给予充分的肯 x定,并确定与中国学者联合开展纳米表面工 程 学 程的研究工作 2 况
2 1 纳米表面工程的内涵 在开展相关理论研究与实践应用的基础上， “纳米表面工程”这一新的概念和领域应运而 生。2000年，徐滨士等人在《中国机械工程》 杂志上首先提出了“纳米表面工程”的概念。 2002年国际表面工程学科创始人、中国工 程院外籍院士、英国伯明翰大学T. Bell教授 访华时对纳米表面工程的提法给予充分的肯 定，并确定与中国学者联合开展纳米表面工 程的研究工作。 第八章 纳米表面工程
第八章纳米表面工程 ③ S&三 CH口口L口 F MATER1 ALS SCIENGE& ENGINEERING 1纳米表面工程的内涵 纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非 矿平衡材料为基础,通过特定的加工技术和手 业 天段,对固体表面进行强化、改性、超精细加 工或赋予表面新功能的系统工程。产生机敏 表面、纳米智能表面和表面纳米器件。(潜 艇蒙皮、坦克外壳)简言之,纳米表面工程 与就是将纳米材料和纳米技术与表面工程交 程叉、复合、综合并开发应用。 学 况
3 1 纳米表面工程的内涵 纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非 平衡材料为基础，通过特定的加工技术和手 段，对固体表面进行强化、改性、超精细加 工或赋予表面新功能的系统工程。产生机敏 表面、纳米智能表面和表面纳米器件。（潜 艇蒙皮、坦克外壳）简言之，纳米表面工程 就是将纳米材料和纳米技术与表面工程交 叉、复合、综合并开发应用。 第八章 纳米表面工程
第八章纳米表面工程 ③ S&三 CH口口L口 F MATER1 ALS SCIENGE& ENGINEERING 1纳米表面工程的内涵 与传统的表面工程相比,其特点是:取决 矿 于基体性能的因素被弱化,表面处理、改性 米和功能化的自由度扩大,表面加工技术的作 材 料用更加突出,产品的附加值更高。 科 学 与 程 学 况
4 1 纳米表面工程的内涵 与传统的表面工程相比，其特点是：取决 于基体性能的因素被弱化，表面处理、改性 和功能化的自由度扩大，表面加工技术的作 用更加突出，产品的附加值更高。 第八章 纳米表面工程
第八章纳米表面工程 ③ S&三 CH口口L口 F MATER1 ALS SCIENGE& ENGINEERING 1纳米表面工程的内涵 什么是“纳米表面 业 纳米量级厚度的薄膜 学 表面含有纳米颗粒与原子团族 科 表面含有纳米碳管 复合纳米表面 程 学 况
5 1 纳米表面工程的内涵 第八章 纳米表面工程 什么是“纳米表面” 纳米量级厚度的薄膜 表面含有纳米颗粒与原子团族 表面含有纳米碳管 复合纳米表面
第八章纳米表面工程 ③ S&三 CH口口L口 F MATER1 ALS SCIENGE& ENGINEERING 2纳米表面工程产生的背景 随着纳米科技的发展,微机电系统的设 矿计、制造日益增多,制造技术以由亚微米层 业 天次进入到原子、分子级的纳米层次。纳米机 器人、纳米钳、纳米电机、……,此类机电 系统涉及到大量的表面科学表面技术问题, 且随着尺寸减小和表面效应的出现,传统的 与的表面设计和加工方法以不再适应 程 学 况
6 2 纳米表面工程产生的背景 随着纳米科技的发展，微机电系统的设 计、制造日益增多，制造技术以由亚微米层 次进入到原子、分子级的纳米层次。纳米机 器人、纳米钳、纳米电机、……，此类机电 系统涉及到大量的表面科学表面技术问题， 且随着尺寸减小和表面效应的出现，传统的 的表面设计和加工方法以不再适应。 第八章 纳米表面工程
第八章纳米表面工程 ③ S&三 CH口口L口 F MATER1 ALS SCIENGE& ENGINEERING 2纳米表面工程产生的背景 要求材料在特殊情况,如超高温/低温、 超高压、高真空、强氧化还原或腐蚀环境以 天及存在辐射、声吸收、信号屏蔽、承受点载 荷等条件下服役的情况越来越多,由于纳米 料材料在力、电、声、光、热、磁方面表现出 与宏观材料不同的特性。因此传统材料表面 与纳米化显得特别重要。 程 学 况
7 2 纳米表面工程产生的背景 要求材料在特殊情况，如超高温/低温、 超高压、高真空、强氧化还原或腐蚀环境以 及存在辐射、声吸收、信号屏蔽、承受点载 荷等条件下服役的情况越来越多，由于纳米 材料在力、电、声、光、热、磁方面表现出 与宏观材料不同的特性。因此传统材料表面 纳米化显得特别重要。 第八章 纳米表面工程
第八章纳米表面工程 ③ S&三 CH口口L口 F MATER1 ALS SCIENGE& ENGINEERING 3实现表面纳米化的三种途径 =在金属材料表面获得纳米结构表层主要途 径有三种:表面涂覆或沉积方法、表面自身 天纳米化方法和混合纳米化方法。 e(1)表面涂覆或沉积方法 首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳米 尺度的颗粒,再将这些颗粒通过表面技术固 与结在材料的表面,形成一个与基体化学成分 相同(或不同)的纳米结构表层。 学 8 况
8 3 实现表面纳米化的三种途径 在金属材料表面获得纳米结构表层主要途 径有三种：表面涂覆或沉积方法、表面自身 纳米化方法和混合纳米化方法。 （1）表面涂覆或沉积方法 首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳米 尺度的颗粒，再将这些颗粒通过表面技术固 结在材料的表面，形成一个与基体化学成分 相同（或不同）的纳米结构表层。 第八章 纳米表面工程
电阻加热 真空 感应加热 纳米固体薄膜制备技术「蒸发十电子束加热 LSISCIENGE△ 激光加热 平溶胶凝胶法 直流溅射 物理气相沉积L_溅射_H射频溅射 矿广 (PVD 冗积 磁控溅射 业 电镀法 离子束溅射 学 材 分子束外延 直流二极型离子镀 气相沉积 (MBE) 离子镀 射频放电离子镀 科 等离子体离子镀 学 与 HFCVD 化学气相沉积 程 (CVD) PECVD 学 LECVD 9 况
9 纳米固体薄膜制备技术 直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射 真空 蒸发 溅射 沉积 离子镀 物理气相沉积 （PVD） 化学气相沉积 （CVD） 分子束外延 气相沉积 （MBE） 电 镀 法 溶胶-凝胶法 电阻加热 感应加热 电子束加热 激光加热 直流二极型离子镀 射频放电离子镀 等离子体离子镀 HFCVD PECVD LECVD
第八章纳米表面工程 S&三 CH口口L口 F MATER1 ALS SCIENGE& ENGINEERING 3实现表面纳米化的三种途径 平这种材料的主要特征是:纳米结构表层内晶 矿粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制;表层与 以基体之间存在着明显得界面;材料的外形尺寸 学较处理前有所增加。 材 科 许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发纳 料米表面膜层的潜力,如PVD、CVD、电解沉积 学 与 等。通过工艺参数的调节,可以控制纳米结构 表层的厚度和纳米晶粒的尺寸,整个工艺过程 程 学 的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗 院粒之间的牢固结合。 10
10 3 实现表面纳米化的三种途径 这种材料的主要特征是：纳米结构表层内晶 粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制；表层与 基体之间存在着明显得界面；材料的外形尺寸 较处理前有所增加。 许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发纳 米表面膜层的潜力，如PVD、CVD、电解沉积 等。通过工艺参数的调节，可以控制纳米结构 表层的厚度和纳米晶粒的尺寸，整个工艺过程 的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗 粒之间的牢固结合。 第八章 纳米表面工程