表面工程是經(jīng)表面預處理后，應用物理、化學、機械等技術手段改變固體材料表面成分過組織結構及盈利狀況，獲得所要求的性能，以提高產(chǎn)品的可靠性或延長其使用壽命的各種技術總稱。

表面工程技術的發(fā)展歷史

表面工程技術是一個既古老又新穎的學科，人類使用表面工程技術已有悠久的歷史;但是，表面工程技術的迅速發(fā)展是從19世紀工業(yè)革命時開始的，并在20世紀80年代成為世界上10大關鍵技術之一。目前，表面工程技術仍是主流關鍵技術之一，幾乎涉及了工業(yè)的各個領域，發(fā)展勢頭正猛。

表面工程的概念1983年首次被提出，同年英國伯明翰大學成立了Wolfson表面工程學院，并在1985年創(chuàng)辦了國際性刊物《表面工程》。1986年，在布達佩斯第5屆國際材料熱處理大會上，“國際熱處理學會”被更名為“國際熱處理與表面工程學會”，這些都是表面工程技術在國際上迅速發(fā)展的重要標志。

我國機械工程學會于1987年成立了表面工程研究所，1988年出版了中文版《表面工程》雜志，1993年成立了ZG機械工程學會表面工程分會。自1989年以來，我國先后多次召開全國性或國際性的表面工程學術會議和表面科學與工程學術會議。

表面工程是經(jīng)表面預處理后，通過表面涂覆、表面改性或表面復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的化學成分、組織結構、形態(tài)或應力狀態(tài)等，以獲得所需的表面性能的系統(tǒng)工程。它是近代技術與經(jīng)典表面工藝結合而繁衍、發(fā)展起來的，有堅實的科學基礎，具有明顯的交叉、邊緣學科性質和極強的實用性。

表面工程技術的意義

工業(yè)生產(chǎn)與應用證明，因為材料的疲勞斷裂、磨損、腐蝕、氧化、燒損等造成的破壞十分驚人。

據(jù)報道，每年因腐蝕造成西方主要發(fā)達國家的經(jīng)濟損失占其經(jīng)濟總值的2%～4%，因腐蝕導致的金屬損耗超過一億噸。因摩擦磨損造成的材料損失在美國每年高達200億美元;在英國每年超過5億英鎊。由于腐蝕和磨損造成的失效破壞在各種機電產(chǎn)品失效破壞中約占70%。

而在社會資源和能源日益短缺的今天，為了讓工件使用壽命延長，如果使用高級合金材料制成零件和整個設備來達到表面強化和防護的目的，這是不經(jīng)濟的，也是不科學的。

隨著科技發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，僅僅通過提高材料表面的耐磨耐蝕性，也能大大提高材料的使用壽命，從而就有了表面工程技術的應用和發(fā)展。表面工程技術概念的提出與發(fā)展應用，對工業(yè)科技發(fā)展具有了重大的影響和推動意義:

1、表面工程技術是保證產(chǎn)品質量的基礎工藝藝術，滿足不同工況服役與裝飾外觀的要求，顯著提高產(chǎn)品的使用壽命、可靠性與市場競爭能力。

2、表面工程技術是節(jié)能、節(jié)材和挽回經(jīng)濟損失的有效手段。采用有效的表面防護手段，至少可減少腐蝕損失15～35%，減少磨損損失33%左右。

3、表面工程技術在制備新型材料方面具有特殊的優(yōu)勢。通過表面原位合成技術，能在低成本基礎上在工件表面制備出性能優(yōu)良的新型合金材料涂層，很好滿足了工業(yè)、航空航天工業(yè)對高性能零部件表面的需求。

4、表面工程技術是微電子技術發(fā)展的基礎技術。以化學氣相沉積、物理氣相沉積、光刻技術和離子注入為代表的表面薄膜沉積技術和表面微細加工技術是制作大規(guī)模集成電路、光導纖維和集成光路、太陽能薄膜電池等元器件的基礎。

表面工程技術的分類

表面工程技術的分類目前沒有統(tǒng)一的標準，其可依據(jù)涂層種類、表面功能特性、制備工藝方法及其制備的作用原理等進行不同分類。按學科特點分類，表面工程有:

1、表面涂鍍:即將液態(tài)涂料涂覆在材料表面或將鍍料原子沉積在材料表面形成涂層或鍍層。常見手段有，熱噴涂、堆焊、電鍍、化學鍍、氣相沉積和涂裝技術。

2、表面改性:即利用熱處理、機械處理、離子處理和化學處理等方法，改變材料表面的成分及性能的技術。常見手段有，熱擴滲、轉化膜、表面合金化、離子注入和噴丸強化。

3、薄膜技術:即采用各種方法在工件表面上沉積厚度為100nm至1μm或數(shù)微米薄膜的技術。常見手段，氣相沉積技術。

按工藝特點來分，表面技術有:

①電鍍技術:即合金電鍍、復合電鍍、電刷鍍、非晶態(tài)電鍍和非金屬電鍍的總稱。

②涂裝:指制備特殊用途、特殊類型的新涂料和涂裝工藝。

③堆焊:目前比較成熟的有埋弧自動堆焊、振動電弧堆焊、CO2保護自動堆焊和等離子堆焊。

④熱噴涂:是采用火焰、電弧、等離子弧進行的噴涂和爆炸噴涂。

⑤熱擴滲:是在基體材料表面進行的固體滲、液體滲、氣體滲和等離子滲。

⑥化學轉化膜:是采用化學氧化、陽極氧化制備表面膜層。

⑦彩色金屬:是對工件進行整體著色、吸附著色及電解著色。

⑧氣相沉積:一般采用化學氣相沉積和物理氣相沉積。

⑨三束改性:目前一般采用激光束改性、電子束改性和離子束改性。

表面工程技術的應用

20世紀80年代提出表面工程概念以來，表面工程對人們生活和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的影響并顯示出強大的生命力。

1、在保護、優(yōu)化環(huán)境中的應用

采用化學氣相沉積和溶膠-凝膠等技術制成的催化劑載體，可有效地治理被污染的大氣，起到凈化大氣環(huán)境的作用。采用化學氣相沉積、陽極氧化和溶膠-凝膠等表面工程技術制備過濾膜，能起到凈化水質。采用表面技術制成的吸附劑，可使空氣、水、溶液中的有害成分被吸附，起到吸附雜質作用，還可去濕、除臭。

表面工程技術還是開發(fā)綠色能源的基礎技術之一，許多綠色能源裝置都應用了氣相沉積鍍膜和涂覆技術。

2、在結構材料中的應用

表面工程技術在耐腐蝕性和耐磨性方面起著重要作用，同時在強化、裝飾等方面也起著重要作用。

采用表面工程技術在結構件表面制備耐腐蝕保護膜或涂層，能顯著提高結構件表面化學腐蝕和電化學腐蝕等的能力。利用熱噴涂、堆焊、電刷鍍和電鍍等表面技術，在材料表面形成Ni基、Co基、Fe基、金屬陶瓷等覆層，可有效地提高材料或制件的耐磨性。采用表面工程技術能夠有效提高材料表面耐磨耐腐蝕性能之外，通過各種表面強化處理還能提高材料表面除腐蝕和磨損之外的其他抵御環(huán)境作用的能力。

表面工程技術在結構材料中應用除了上述功能外，在表面裝飾功能方面也得到了較好的應用。合理地選擇電鍍、化學鍍、氧化等表面技術，可以獲得鏡面鍍層、全光亮鍍層、亞光鍍層、緞狀鍍層，不同色彩的鍍層，各種平面、立體花紋鍍層、仿貴金屬、仿古和仿大理石鍍層等。

3、在功能材料和元器件中的應用

功能材料主要指具有優(yōu)良的物理、化學和生物等功能，以及一些聲、電、光、磁等互相轉換功能，而被用于非結構目的的高技術材料，常用來制造各種裝備中具有獨特性能的核心部件。材料的功能特性與其表面成分、組織結構等密切相關。采用表面工程技術能在低成本基礎上制備出特殊功能性質的表面涂層材料。

①在電學特性方面的應用：利用電鍍、化學鍍、氣相沉積、離子注入等技術可制備具有電學特性的功能薄膜及其元器件。

②在磁學特性方面的應用：通過氣相沉積技術和涂裝等表面技術能制備出磁記錄介質、磁帶、磁泡材料、電學屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。

③在光學特性方面的應用：利用電鍍、化學鍍、轉化膜、涂裝、氣相沉積等方法，能夠獲得具有反光、光選擇吸收、增透性、光致發(fā)光、感光等特性的薄膜材料。

④在聲學特性方面的應用：利用涂裝、氣相沉積等表面技術，可以制備摻雜Mn-Zn鐵氧體復合聚苯胺款頻段的吸波涂層、紅外隱身涂層、降低雷達波反射系數(shù)的納米復合雷達隱身涂層，聲反射和聲吸收涂層以及聲表面波器件等。

⑤在生物學特性方面的應用：將具有一定的生物相容性和物理化學性質的生物醫(yī)學材料，利用等離子噴涂、氣相沉積、等離子注入等方法形成的專用涂層，可在保持基體材料特性的基礎上，提高基體表面的生物學性質、耐磨性、耐蝕性和絕緣性等，阻隔基體材料離子向周圍組織溶出擴散，起到改善同人體機能的作用。在金屬材料上制備生物陶瓷涂層，能提高材料的生物活性，用作人造關節(jié)、人造牙等醫(yī)學植入體。將磁性涂層涂覆在人體的一定穴位上，有ZL疼痛、高血壓等功能。

⑥在轉換功能方面的應用：采用表面工程技術可獲得能光-電，熱-電，光-熱，力-熱，磁-光等轉換功能的器件。

4、在再制造工程中的應用

再制造工程是在維修工程和表面工程的基礎上發(fā)展起來的新興科學，是以產(chǎn)品全壽命周期論為指導，以實現(xiàn)廢舊產(chǎn)品的性能提升為指標，以優(yōu)質、GX、節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保為準則，以先進生產(chǎn)技術和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化為手段，來修復、改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術措施或工程活動的總稱。

簡而言之為是廢舊產(chǎn)品高技術修復、改造的產(chǎn)業(yè)。其重要特征是，再制造以后的產(chǎn)品質量和性能達到或超過新品，成本只是產(chǎn)品的50%，可節(jié)能60%，節(jié)材70%，對環(huán)境的不良影響顯著降低，可有力的促進資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的建設。

表面工程在再制造工程中的應用，使廢舊產(chǎn)品的零部件因被直接用作再制造，毛坯而不用回爐再次熔煉，鋼錠到新零件的二次制造時對能源的再次消耗和對環(huán)境的再度污染。一方面提高了產(chǎn)品的綠色度，另一方面避免了成為固體垃圾而造成的環(huán)境污染。已在民用工業(yè)和軍事工業(yè)中得到廣泛應用。

5、在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?

人類生活中的衣食住行、學習、娛樂、旅游、YL、飾品、工藝品無不越來越得益于表面工程的成就。

衣料的美觀、保暖、手感、抗靜電;食品的色澤、保鮮、儲存、包裝;新型建材、房屋裝修更是以表面工程為其重要技術源泉;汽車的美觀、節(jié)油、低噪聲離不開滲透在零部件、摩擦副、活化劑、傳感器、電子儀表中的表面工程的新成果;還有，保護視力的鏡片、高級相機的鏡頭、比天然品更美的鍍膜飾品、美觀舒適的墻體和地面裝飾、鍍膜玻璃、燈具和發(fā)光體、不粘附廚房用具、鐘表及家用電器、學習用品和工藝美術品，等等。

可以說，人們生活在一個因表面工程技術的發(fā)展而變得越來越美好的環(huán)境中。

表面工程的發(fā)展方向

工業(yè)科技的發(fā)展促進了表面科學和工程的發(fā)展，同時，表面科學與工程的發(fā)展也必須適應工業(yè)科技的發(fā)展?，F(xiàn)代表面工程要在未來工業(yè)中發(fā)揮更加巨大作用，必須從以下方面做深入研究。

1、深化表面科學理論和表面測試技術的研究

從原子角度研究摩擦磨損及潤滑機理，研究表面效應，表面改性及表面涂敷在摩擦學在工業(yè)中的應用。研究腐蝕過程和腐蝕機理，腐蝕膜形成及失效機理。研究在線監(jiān)測技術，實時監(jiān)控進行在線監(jiān)測，形成相關嚴密的覆層失效評估體系。

2、發(fā)展復合表面技術

單一的表面技術已經(jīng)不能適應工業(yè)快速發(fā)展對產(chǎn)品性能的要求，綜合應用復合表面技術，能夠解決工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)品對特殊技術指標、可靠性、和經(jīng)濟性的要求。

3、研究開發(fā)新型涂層材料

涂層材料是制備優(yōu)良涂層的物質基礎，不斷開發(fā)優(yōu)良的耐磨耐腐蝕以及不同環(huán)境需求的優(yōu)質涂層材料是保證表面工程強大生命力的基礎，開發(fā)在表面工程技術加工過程中自形成新材料的功能涂層能夠更加顯示出表面工程的優(yōu)越性。

4、開發(fā)多功能涂層

隨著工業(yè)的發(fā)展，許多行業(yè)需要特殊涂層，如防滑涂層、隱身涂層、吸熱涂層、隔熱涂層、導電涂層、催化涂層等，采用激光、高能電子束、離子束等現(xiàn)代先進表面技術的聯(lián)合應用，制備特殊結構，特殊要求的功能涂層，具有很好的發(fā)展前景。

5、研究表面工程技術的自動化、智能化生產(chǎn)

目前為止，表面處理在微電子行業(yè)和汽車行業(yè)自動化程度較高，隨著計算機技術的發(fā)展，實現(xiàn)表面技術在其他行業(yè)的自動化、智能化是施工，是表面工程技術未來的發(fā)展基本趨勢。

6、實現(xiàn)表面工程的清潔生產(chǎn)

表面工程基本來說是屬于節(jié)能環(huán)保型工程，但某些技術任然存在污染問題，比如涂裝、電鍍熱處理等。研究從設計、制造到運行全過程的無污染的、節(jié)約型的、再生的表面技術工程，也是表面工程一個基本發(fā)展趨勢。