材料表面与薄膜技术概论.pptx

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材料表面与薄膜技术,材料科学与工程学院金属材料科学与工程系13808877546,匡同春教授,王刚副教授,课程安排,2,教学目的,3,通过本课程学习，系统了解材料表面与薄膜技术的常见方法与基本原理，能用表面工程学的观点和方法分析、解决实际科研工作中的关键技术问题。

参考书目,4,徐滨士.纳米表面工程.化学工业出版社,2004徐重.等离子表面冶金学.科学出版社,2008张钧,赵彦辉.多弧离子镀技术与应用.冶金工业出版社,2007赵文轸.材料表面工程导论.西安交通大学出版社,2003钱苗根,张少宗.现代表面技术.机械工业出版社,2002田民波,刘德令.薄膜科学与技术手册.机械工业出版社,1991胡传炘,宋幼慧.涂层技术原理及应用.化学工业出版社,2000杨烈宇,关文铎等.材料表面薄膜技术.人民交通出版社,1991,研究生的角色,7,“人”字两笔：

一撇代表品格，一捺代表学识。

有德无才是君子，有才无德是小人。

德才兼备是圣人！

道德品质和人文修养是立人的基石。

对人才的培养不能只注重在业务能力的培养，道德水平低下的所谓人才起到的负面影响是巨大的，只有具有优秀的专业技能和良好的道德素质的人才才能对社会的发展起推动作用。

中国科学院院士、著名的物理学家和材料科学家、原清华大学校长顾秉林认为：

学术理想，是一种对学术目标的向往和追求。

有理想才会勇于追求、敢于批判，才会有热情、有兴趣，才会有坚持不懈的努力和无私无畏的付出。

要为“学问”而不要为“学位”。

要立下追求真理、创造新知的志向，敢于探索未知的、重大的和困难的题目，并为此付出精力和心血。

8,树立学术理想，恪守学术道德,树立学术理想，还要有正确的治学精神和治学态度，具有良好的学术道德，这其中最为关键的就是“严谨”和“诚信”。

学术不端或学术失范的行为，对学校声誉的破坏是严重的，对个人的学术前途甚至人生道路造成的影响更是无可挽回的。

牢记“学问来不得半点虚假”。

引自：

顾秉林校长在清华大学2011级研究生新生开学典礼上的讲话,9,研究生是开展高水平科学研究的一支生力军。

对研究充满激情和浓厚兴趣、把研究作为自己的一种追求。

成为“以研究为生”的青年，而不是仅仅“为生而研究”的人。

科研工作讲究六个字：

“顶天、立地、树人”。

“顶天”是要面向国际学术前沿和前所未有的领域开展研究；“立地”是要积极服务于国家战略和社会需求；“树人”就要是在“顶天”和“立地”的研究中，自觉地提升素质与能力，锤炼品格和学风。

当代中国的学术不仅要走到国际前沿，还要能够发现、定义和引领国际前沿。

我国的科研，不仅要“顶天立地”，还要“开天辟地”！

引自：

顾秉林校长在清华大学2010级研究生新生开学典礼上的讲话,10,成才是一个长期的过程，研究生阶段是决定人才水平的关键。

在研究生阶段要重点完成好两项任务：

一是继续打好较为广博与扎实的基础；二是在导师的带领下，受到一次完整的研究工作的训练，做出优秀的学位论文。

11,杨乐院士观点,第一要立志。

坚定自己的追求，潜心科学研究，以“追求卓越”的精神，开启学问之路。

第二要创新。

珍惜机会，利用资源，潜心研究，以原始创新的勇气和精神开启学问之路。

第三要规范。

恪守学术道德规范，以“厚德尚学”的精神开启学问之路。

12,华南理工大学王迎军校长要求,金属材料表面工程权威、中国工程院院士、装甲兵工程学院徐滨士；材料表面科学与工程技术领域知名专家、中国工程院院士、广州有色金属研究院周克崧；中国工程院院士、中科院上海硅酸盐所丁传贤；中国工程院院士、中科院兰州化物所、中科院宁波材料所薛群基；表面工程技术领域知名专家、中国工程院院士、中科院沈阳金属研究所研究员闻立时（2010）；,13,材料表面技术领域国内专家,沉痛悼念师昌绪先生,1918.11.15-2014.11.10,14,简单回顾,15,材料与物质,物质是指任何有质量并占据空间的东西。

材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用器件（或物品）的物质。

材料属于物质，强调的是有形的、具有某些功效的物质。

二者区别：

材料强调效能（performance）物质强调性质（property）,材料科学的定义,16,材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉学科，它运用各种现代分析仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。

材料科学与工程四要素,成分与结构（Composition/Structure）,性质（Properties）加工（Processing）效能（Performance）,加工（合成与制备）,17,效能,性质,成分与结构,（化学）,（工程）,（物理学）,四要素内涵,18,成分与结构包括：

化学元素组成、用肉眼或放大镜能观察到的宏观组织、用金相显微镜和电子显微镜观察到的微观结构（显微组织）以及用X光和电子衍射测得的晶体结构等。

性质包括：

力学性质（特别是强度、刚度与塑性）、物理性质（热学、电学、磁学、光学、声学等各种性质）、化学性质（特别是与材料的氧化、腐蚀行为有关的性质）和冶金性质（如合金化和相变行为）。

四要素内涵,19,加工是指材料的制备、合成、压力加工、机械加工、废料的再生处理等。

效能是指材料在各种使用条件（包括高温或低温、各种应力状态、冲击和疲劳加载、腐蚀和辐照环境）下的性能或行为，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线、寿命评估等。

材料的性能包括使用性能和工艺性能。

使用性能是材料在使用条件下表现出的性能，如力学（或机械）性能、物理性能和化学性能等；工艺性能则指材料在加工过程中反映出的性能，如切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能等。

第一章材料表面与薄膜技术概论,20,材料表面工程技术基本概念表面、表面状态及表面特性涂层、薄膜与真空技术,材料的失效与破坏往往从表面开始。

在许多工作条件下，对材料基体和材料表面性能的要求有很大的差异。

一般要求材料基体具有高强度和一定的韧性，而对表面则要求高硬、耐磨或具有抗蚀、抗高温氧化等性能。

21,1.1材料表面工程技术基本概念,近50年来，材料表面工程技术飞速发展，使材料表面科学和工程逐步形成一个庞大而独立的知识体系。

该体系主要由3部分组成：

材料表面工程技术是材料表面科学与工程体系的主体。

材料表面科学基础主要由表面物理、表面化学及表面分析三部分组成。

材料表面工程应用主要指表面技术的应用、开发和产业化。

22,表面工程技术内涵,23,表面工程技术是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。

主要通过表面涂覆和表面改性技术来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。

表面涂覆技术：

主要采用各种涂层技术。

表面改性技术：

用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。

表面工程技术内涵,24,从广义上讲，材料表面工程技术包括：

表面工程技术的基础和应用理论表面处理技术：

包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术三部分表面加工技术表面分析和测试技术表面工程技术设计,薄膜技术,其它,涂、镀层技术,表面工程技术分类表面改性技术,表面技术,25,材料表面工程技术按工艺特点分：

电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、“三束”改性以及表面热处理、形变强化和衬里等13类,26,表面工程技术分类,27,徐重认为，根据材料表面处理后表面物理、化学及几何特征，可将材料表面工程技术划分为以下三大类：

表面硬化技术（surfacehardening）表面覆盖技术（surfacecovering）表面冶金技术（surfacemetallurgy）,表面硬化技术内涵表面硬化技术是通过外力或外加热源对基体材料原表面的作用，使其硬度和耐磨性提高的一种材料表面工程技术。

其主要特征是被处理基体材料表面的成分不变。

1、表面硬化技术（surfacehardening）,28,表面硬化技术分类表面硬化技术主要由两类组成：

形变表面硬化技术相变表面硬化技术,1、表面硬化技术（surfacehardening）,29,表面硬化技术分类

（1）形变表面硬化技术在外力作用下，使材料原表面发生组织结构变化而导致其硬度升高和强化的表面硬化技术。

如喷丸、滚压、孔挤压以及表面纳米化等。

1、表面硬化技术（surfacehardening）,30,表面硬化技术分类

（2）相变表面硬化技术在外加热源的快速加热和快速冷却中使基体材料原表面组织结构发生变化从而导致其硬度升高和强化的表面硬化技术。

如采用火焰、电磁感应、离子束、激光束、电子束以及弧光等加热手段使材料表面快速加热的表面淬火技术等。

1、表面硬化技术（surfacehardening）,31,表面覆盖技术内涵表面覆盖技术是通过物理或化学方法使基体材料原表面上覆盖一种与基体不同材料的表面工程技术。

其主要特征是在被处理基体材料原表面上形成合金、化合物或陶瓷保护层。

例如电镀、化学气相沉积、物理气相沉积以及热喷涂等。

2、表面覆盖技术（surfacecovering）,32,表面覆盖技术分类表面覆盖技术按照基体材料原表面的空间和参与处理介质的物理状态分为五类：

物理气相沉积表面覆盖技术化学气相沉积表面覆盖技术溶液沉积表面覆盖技术热熔融表面覆盖技术热浸镀表面覆盖技术,2、表面覆盖技术（surfacecovering）,33,表面覆盖技术分类

（1）物理气相沉积表面覆盖技术在真空条件下，利用加热、离子溅射等物理手段使其他材料气化为各种粒子（如原子、离子、分子等）沉积在基体材料原表面上而形成保护膜的技术。

如真空蒸镀、磁控溅射、离子镀等。

2、表面覆盖技术（surfacecovering）,34,表面覆盖技术分类

（2）化学气相沉积表面覆盖技术在真空或常压条件下，利用气体介质在基体材料原表面上进行物理化学反应而形成保护膜的技术。

如热化学气相沉积、等离子化学气相沉积、金属有机化合物化学气相沉积等。

2、表面覆盖技术（surfacecovering）,35,表面覆盖技术分类（3）溶液沉积表面覆盖技术在溶液中，通过物理、化学、电化学等反应产生的各种粒子（如原子、离子、分子等）在基体材料原表面上形成保护膜的技术。

如电镀、化学镀、微弧氧化以及化学转化膜技术等。

2、表面覆盖技术（surfacecovering）,36,表面覆盖技术分类（4）热熔融表面覆盖技术采用某种加热方法使被涂材料处于熔融或半熔融状态，以一定速度喷涂或堆积在工件原表面上而形成涂层的技术。

如火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂以及爆炸喷涂等，堆焊、电火花涂镀、自蔓延等也可归于此类。

2、表面覆盖技术（surfacecovering）,37,表面覆盖技术分类（5）热浸镀表面覆盖技术将工件浸入被熔化的低熔点金属如锌、铝、锡等，使基体材料原表面上形成涂层的技术。

如热镀锌、热镀铝、热镀锡等。

此外，表面覆盖技术按材料表面覆盖层厚度划分为表面薄膜技术和厚涂层技术两大类。

2、表面覆盖技术（surfacecovering）,38,表面冶金技术内涵表面冶金技术是采用物理或化学方法，提供合金元素并使其扩散进入被加热基体材料，而使该材料原表面内形成合金层的一种表面工程技术。

其主要特征是在被处理基体材料原表面内形成化学成分呈梯度变化的合金层。

例如传统的化学热处理技术、等离子处理技术，离子注入技术也可归于此类。

3、表面冶金技术（surfacemetallurgy）,39,表面冶金技术分类根据所采用的物理和化学手段，可以将材料表面冶金技术分为三类：

热化学表面冶金技术高能束表面冶金技术等离子表面冶金技术,3、表面冶金技术（surfacemetallu