表面工程技术的发展趋势和新应用

在人类的发展史上，材料的使用经历了石器时代、青铜时代和钢铁时代，现在进入了复合材料时代。当今时代，表面工程技术起着特别重要的作用。从技术发展史来看，人们很早就认识到表面性能障碍限制了大多数技术领域的进步，而科学家和工程师们正是通过革新表面加工技术缓解了这种限制，使大多数技术领域取得了长足的进步，同时也加速了表面工程自身的革命。表面工程的开发、进步和利用，特别是在20世纪70～80年代以来的近40年间，随着“三束”技术的引入，表面工程出现了持续的研究热潮，成为20世纪80年代世界十大关键技术之一。进入20世纪90年代，其发展势头更为猛烈，各国竞相将表面工程列入研究发展规划，而且成为美国工程院向美国国会提出的2000年前要加强发展的九大科学技术项目之一。进入21世纪，随着纳米技术的引入，“纳米表面工程”成为新的开发应用重点，纳米电镀、纳米热喷涂等技术得以应用，有力地推动了表面工程技术的发展。

随着全球性资源、环境问题的加剧，对表面工程技术的节能、节材和环保要求日益提高和紧迫。表面工程技术朝着资源消耗低、环境友好的方向发展，成为近代表面工程技术发展趋势的另一个特点。一大批与传统的高耗能、高耗材、高污染表面工艺迥异的资源消耗低、绿色的表面技术正在或即将诞生，表面工程正孕育着新一次重大的技术突破。

表面工程从诞生至今，经历了三个发展阶段。第一阶段为传统的单一表面工程阶段，包括热喷涂、电刷镀、涂装、PVD（物理气相沉积）、CVD（化学气相沉积）技术以及激光束、离子束、电子束表面改性等；第二阶段为复合表面工程阶段，即将两种或多种单一的表面技术复合应用，起到“1+1>2”的协同效果，例如：热喷涂与激光（或电子束）重熔的复合、热喷涂与电刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、多层薄膜技术的复合等；随着纳米技术的发展，纳米材料不断应用于表面工程之中，通过不断的科技创新使表面工程发展到第三阶段，即纳米表面工程阶段。纳米表面工程是充分利用纳米材料的优异特性提升传统表面工程的性能，进一步改变固体材料表面的形态、成分、结构等，从而赋予表面全新功能的一项系统工程。纳米表面工程成为21世纪国际表面工程进入发展新阶段的重要标志。

技术是产业发展的基础，产业水平的提高依赖于技术进步，表面工程技术的水平的提高更依赖于现代科学和制造技术的发展，可以预计，随着电子信息、微纳制造、分析检测等技术的进步，表面过程技术的开发与应用也将得到快速发展。

1.新型表面工程技术在融合中不断发展 表面工程是一个非常活跃的技术领域，随着科学技术的进步，传统的表面技术正在不断创新。在电弧喷涂方面，发展了高速电弧喷涂，使喷涂质量大大提高；在等离子喷涂方面，已研究出射频感应耦合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、三阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂；在电刷镀方面研究出摩擦电喷镀及复合电刷镀技术；在涂装技术方面开发出了粉末涂料技术；在粘结技术方面，开发了高性能环保型粘结技术、纳米胶粘结技术、微胶囊技术；在高能束应用方面发展了激光或电子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技术；在离子注入方面，继强流氮离子注入技术之后，又研究出强流金属离子注入技术和金属等离子体浸没注入技术。所有这些，都充分地说明了表面工程正在飞速发展。

2.表面工程技术设计体系不断完善 表面工程技术设计是针对工程对象的工况条件、设备中零部件等使用寿命的要求和环境影响评估，综合分析可能的失效形式与表面工程的进展水平，正确选择表面技术或多种表面技术的复合，合理确定涂层材料及工艺，预测使用寿命，评估技术经济性，必要时进行模拟实验，并编写表面工程技术设计书和工艺卡片。

目前，表面工程技术设计仍基本停留在经验设计阶段。有些行业和企业针对自己的工程问题开发出了表面工程技术设计软件，但局限性很大。随着计算机技术、仿真技术和虚拟技术的发展，建立有我国特色的表面工程技术设计体系既有条件又迫在眉睫。

3.纳米表面工程技术不断进步 近年来，纳米材料技术正在以令人吃惊的速度迅猛发展。迄今的研究以纳米粉末的制作为主，但是越来越备受关注的是纳米材料的结构化问题。众所周知，特殊的表面性能是纳米材料的重要独特性能之一，表面工程无论在工艺方法和应用领域方面都与纳米材料技术有着不可分割的密切联系。

在传统的电刷镀溶液中，加入纳米粉体材料，可以制备出性能优异的纳米复合镀层；在传统的机油添加剂中，加入纳米粉体材料，可以提高减摩性能，并具有良好的自修复性能。

计算机产业需要速度更高的芯片，而刻蚀技术受分辨率的限制很难对再芯片做出革命性的贡献，速度更高的芯片除了向面积更大发展之外，极有可能向三维挺进，出现像多层印制电路板那样的多层芯片。CVD、PVD等方法是获得纳米结构材料的典型方法，在芯片多层化方面是目前最有可能获得成功的技术方案。

热喷涂技术是制作纳米结构材料的另一种极有竞争力的方法。应用液料热喷涂法通过液料与热源的交互作用不仅可以获得纳米结构涂层，还能够制作纳米粉。如通过控制非晶物质的再结晶，可以制成纳米块材；利用高速飞行的粒子撞击冷基体，能够制备出非晶态涂层，控制随后的再结晶温度和时间，可以得到纳米结构涂层。

由于表面工程对纳米材料的成功应用，以及用表面工程技术制备纳米结构涂层的发展，正在形成纳米表面工程技术新领域。(www.xing528.com)

4.复合表面工程技术的应用不断扩大 在单一表面技术发展的同时，综合运用两种或多种表面技术的复合表面技术（也称第二代表面技术）有了迅速的发展。复合表面技术通过多种工艺或技术的协同效应使工件材料表面体系在技术指标、可靠性、使用寿命、质量和经济性等方面获得最佳的效果，克服了单一表面技术存在的局限性，解决了一系列工业关键技术和高新技术发展中特殊的技术问题。强调多种表面工程技术的复合，是表面工程的重要特色之一。

复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合等。即使同一种表面技术，在其发展历程中也同样存在着博采众长与其他技术相互交叉的趋势。以离子注入为例，在用于半导体材料掺杂的离子注入技术基础上发展起来的束线离子注入技术可大大改善零件表面的耐磨性、耐疲劳性和光、电、磁性能。为了克服改性层比较薄的缺点，将蒸镀、溅射镀膜技术与束线离子注入技术相结合发展了离子辅助镀膜（IAC）技术或离子束辅助沉积（IBAD）技术，既克服了一般镀膜技术中膜基结合不良的缺点，又将改性层厚度从原来的0.2m改进到了几十微米甚至几微米。

5.绿色表面工程技术逐步取代一些传统处理方法 从宏观上讲，表面工程对节能、节材、环境保护有重大效能，但是对具体的表面技术而言，仍然是耗能、耗材、排污较大的行业。例如，电镀及表面精饰加工过程中的“三废”排放，涂装过程中的有机溶剂挥发，表面预处理时的磷污染以及热喷涂、化学热处理过程中的高能耗等，因此表面工程行业自身必须以创新为动力，以清洁生产为中心，节能、节材、节水、减污、治污来发展行业，否则就难以生存下去。

因此，大力开发绿色工艺、绿色材料、绿色装备，为用户创造巨大的节能环保的经济效益与社会效益。如：在技术方面，以气相沉积部分取代电镀工艺、以水性涂料代替溶剂型涂料、以硅烷化处理代替磷化前处理等；在设备方面，以晶体管取代感应电源中的电子管与发电机、以真空设备代替普通热处理设备、开发新型节能保温材料等；在工艺方面，以提高能源利用率为目标，用高能束代替传统表面加热方式、在热处理行业广泛开展的节能降耗工作等。当前，在表面工程领域，提出了封闭循环，达到零排放，实现“三废”综合利用的目标。

6.开发新型涂层材料 表面涂层材料是表面技术解决工程问题的重要物质基础。当前发展的涂层新材料，有些是单独配制或熔炼而成的，有些则是在表面技术的加工过程中形成的，后一类涂层材料的诞生，进一步显示了表面工程的特殊功能，如轿车涂装技术中发展的第五代阴极电泳涂料，以聚氯乙烯树脂为主要基料与增塑剂配成的现代汽车所用的抗石击涂料和焊缝密封胶，粘结固体润滑涂层材料等。

表面工程大量的任务是使零件、构件的表面延缓腐蚀、减少磨损、延长疲劳寿命。随着工业的发展，对涂层的特殊表面功能要求更高，如舰船上甲板需要有防滑涂层，现代装备需要有隐身涂层，太阳能取暖和发电设备中需要高效的吸热涂层和光电转换涂层，不粘锅中需要有氟树脂涂层，建筑业中的玻璃幕墙需要有阳光控制膜等。此外，隔热涂层、导电涂层、减振涂层、降噪涂层、催化涂层、金属染色技术等也有广泛的用途。在制备功能涂层方面，表面工程也可大显身手，做出自己的贡献。

7.发展高能束表面改性技术 表面工程技术之所以成为材料科学中最活跃的技术之一，其中一个重要原因在于许多现代的技术手段能够很快地与传统表面工程技术结合，形成更为优异的先进制造技术，高能束源在表面工程的应用就是最好的例证。近二十余年，离子束、电子束和激光束应用于表面工程领域先后形成了离子注入、离子沉积、电子束表面熔凝、激光表面淬火、激光熔覆、激光表面淬火和激光冲击硬化等多种新型表面改性技术，并以其优异的性能，在一些特殊的关键件中得到应用，如半导体芯片的离子掺杂、集成电路的离子刻蚀、人工关节离子注入、模具电子束熔凝强化、冶金轧辊激光表面合金化强化、航空发动机叶片激光熔覆修复等。随着工业器件的性能及可靠性的不断提高，高能束表面改性技术正不断扩大应用领域，逐步成为一种非常重要的表面工程技术手段。

8.表面工程向自动化、智能化的方向迈进 在表面处理时，自动化正逐步取代传统工艺操作方法成为发展方向，它不仅降低了工人的劳动强度，而且大幅度提高了质量，减少了对环境的影响。以汽车车身涂装线为例，涂装工艺采用电泳低漆涂层、中间涂层、面漆涂层三涂层体系，在多层车间中通过空调系统调节工艺层内的温度和湿度，并始终保持室内对环境的微正压，保持室内清洁度，各工序间自动控制、流水作业，确保涂装高质量。随着机器人和自动控制技术的发展，在其他表面技术的施工中实现自动化和智能化已为期不远。

传统意义上的涂层是一个“死”涂层，它们一旦形成就只能被动地承受外界的一切作用，不能感知周围的环境和自身的变化，不能对所处环境或自身的改变作出迅速的响应，没有选择性作用，不具备适应性。20世纪80年代中期开始，人们开始进行模仿生命系统、能感知环境变化、可实时地改变自身性能参数的复合智能涂层的研究，并取得大量成果，如抗菌涂层、光催化涂层和生物催化涂层、防污涂层、分子电子学涂层、热触发涂层、变色涂层、自修复涂层、超疏水涂层等，并且该领域的研究还必将有更大的发展。

9.表面工程基础理论发展和测试方法创新 表面工程具有多学科、多尺度、微观与宏观相结合、基础与应用并重的特点，由于表面工程成为一个体系的时间不长，其系统性还很不健全，仍然缺乏理论支撑，测试技术与评价方法也不完善，因此大力开展表面工程基础理论、测试方法、评价体系的研究仍是表面工程技术研究的重要工作。如当前研究摩擦学问题的手段越来越齐全、先进，可以模拟各种条件进行试验研究，可对摩擦副失效点判定、磨损失效的形式、磨损失效原因分析及对策进行更为系统的研究，积累更多经验，为解决重大工程问题做出更大贡献。在腐蚀学研究方面，针对大气腐蚀、海洋环境腐蚀、化工储罐腐蚀、高温环境腐蚀、地下长输管线腐蚀、热交换设备腐蚀、建筑物中的钢筋水泥腐蚀等，应用各种现代材料进行了腐蚀机理和防护效果研究，提出了从结构到材料到维护的一整套防腐治理措施，对表面工程设计具有重要的参考价值。

对于涂层进行准确的测试与评价，是表面工程技术研究与应用的关键环节。近年来，一些先进的测试与分析技术不断出现，通过进一步开发、应用于表面工程领域，将会提高涂层性能测试的水平，推动整个技术向前发展；同时，随着表面工程技术的发展，用传统测试方法已不能满足一些新的涂层（如厚度为0.15mm的热喷涂涂层、微米级的气相沉积膜层）的评价，这也使得新的测试方法不断涌现。