表面工程的定义及其内涵探析

表面工程属于一门新型的应用科学领域。虽然在表面工程领域的技术研究与应用可以追溯到远古，但表面工程作为一门独立的学科仅有二十几年的历史。表面工程的概念最初由英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔（Tom Bell）于1983年提出，现已发展成为跨学科的边缘性、综合性、复合性学科，且在各个领域发挥着越来越重要的作用。

表面工程为表面新型材料的研制、产品的维修与再制造乃至新设备的开发提供了重要的技术基础和保证。作为表面工程核心的表面技术既可作用于金属也可作用于非金属，而且使得各种表面新型材料如复合材料的形成成为可能。表面工程在各个领域得到广泛应用，包括从日用的装饰性油漆和涂料以及浴室的防护性薄膜，到航空航天领域使用的耐高温、耐磨损等特殊功能性薄层。

尽管表面工程学科的发展与应用范围之广、速度之快、影响力之大是人们所始料未及的，但是表面工程的不断发展与完善尚需要在以下三方面致力进行：完善表面工程发展的科学理论基础；明确表面工程的内涵；明确表面工程与其他相关学科之间的区别与联系。因此，如何正确理解表面工程，如何有效学习和研究表面工程学科体系，以及随着表面工程的动态发展如何不断完善表面工程的基础理论等问题需要重点研究。本章的这一节及其他部分将对上述问题进行简要的回顾与解释。

所谓“工程”，在过去只是指一种技能或技巧，而目前则具有几种非常相近的含义，即涉及材料的形状或性能设计及其制备工艺。工程学原本是指建筑防御工事、防御系统要塞及其他要素等技术，后来在18～19世纪的欧洲有了军事工程和民用工程之分。现代工程的概念已经演化为各种类型结构的设计与构造，并且因为融入了人类进行理论及应用研究的知识而被拓宽，出现了诸如民用工程、水利工程、海事工程、地质工程、环境工程、化学工程、生物医学工程、基因工程、电子工程、可靠性工程、计算工程、设计工程、通信工程、航空工程、材料加工工程、机械工程、腐蚀及其他类型工程等的明显分支。目前应用广泛的材料工程就是一门涉及材料结构、具有可设计与再生性能新材料的改进与获取研究的技术学科，其目的在于采用经济而又能为社会所接受的生产工艺、加工工艺控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。

由上述解释不难看出，材料工程学不仅研究各种材料包括复合材料的设计和组织结构，也包括材料表面性能的提高或改性等特定问题的研究。基于材料工程学，表面工程这一概念第一次在20世纪80年代的英国被提出，最初主要涉及焊接及热喷涂方面的内容，随着表面技术和其他相关学科的发展，目前已快速发展成为一门独立的、多学科交叉的体系。近年来已经举行了许多次有关表面工程及相关科学技术领域的国际会议，相关的国际期刊也由最初的“Surface Engineer-ing”季刊增加到多种有影响力的专业期刊（如“Surface and Coatings Technolo-gy”“Key Engineering Materials”“Thin Solid Films”“Applied Surface Science”“Surface Engineering and Applied Electrochemistry”等）。此外，表面工程与其他相关学科的交叉渗透还形成了新的边缘学科如纳米表面工程、纳米力学、纳米摩擦学、表面与界面力学等。

广义上讲，凡是涉及材料表面结构改进与性能强化的科学问题，如新型表面材料的优化设计与制备加工、表面结构与性能表征与分析、表面材料的结构与性能优化以及各种表面失效与防护问题等均属于表面工程的范畴。尽管现代表面工程学的定义多种多样，但基本上都涵盖了上述各方面内容。

表面工程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。由于该系统工程是一门正处于发展阶段的新兴学科，应用领域十分广泛，加之它与其他学科的相互渗透、相互影响，使得不同专业领域的学者对它的理解不尽相同，要给出一个统一的定义比较困难。但可以引用我国著名管理学家汪应洛院士在其所著《系统工程理论、方法与应用》中提出的观点来认识这门学科的性质，即系统工程是以研究大规模复杂系统为对象的一门交叉学科。它是把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，把人们的生产、科研或经济活动有效地组织起来，应用定量分析和定性分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。可以看出，表面工程学科具有系统工程的特点，它是由多个学科交叉、综合发展起来的新兴学科，以“表面”为研究核心，在有关学科理论的基础上，根据零件表面的失效机制，以应用各种表面工程技术及其复合为特色，逐步形成了与其他学科密切相关的表面工程基础理论^[1]。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能，并带来显著的经济效益和社会效益。(www.xing528.com)

由上述表面工程的定义可以看出，现代表面工程已不再局限于零部件在使用前的各种表面成形技术，还应包括在报废前所有与之相关的表面层技术设计、表面层制备、表面层研究与使用及相关现象等科学技术问题，目的是提高零部件表面抗疲劳、耐磨损腐蚀以及其他光、热、电、磁、力学性能等。它既涉及数学、物理、化学等基础学科知识，又涉及材料科学与工程、机电工程等应用学科的理论与研究方法，因而表面工程现已发展成为横跨多学科的边缘性、综合性、复合性学科。图1-1对表面工程的学科体系进行了概括。

图1-1 表面工程的学科体系

有关表面工程与各学科的关系可以做如下理解。材料科学与工程是研究有关材料的成分、结构和制造工艺及其性能之间相互关系的知识及这些知识的应用，是一门应用基础科学。其中，材料的成分、结构、制造工艺及性能被认为是材料科学与工程的四个基本要素。表面工程是材料科学与工程的一个分支，它是通过各种表面工程技术，改变材料表面的形态、化学成分和组织状态，从而获得所需要的表面性能。因此，表面涂层材料的成分与结构、表面涂层技术、表面涂层性能分析等也构成了表面工程的主要内容，其中涂层或薄膜等表面层技术是表面层设计、性能优化的基础，同时还衍生出薄膜力学等其他学科。表面层的形成方法源于机械制造工程中的表面加工技术及利用各种物理、化学、电磁等手段制备表面层的技术。所制备的表面层性能检测分析常采用表面工程及其他相关学科如摩擦磨损、腐蚀防护、表面与界面力学中使用的方法。表面工程中表面层的设计也是基于数学、材料工程及机械制造等学科知识，以材料强度和表面摩擦、腐蚀等性能为优化指标系统地进行的。

既然表面工程是一门多学科交叉的系统工程，就需要用系统工程的方法学习和研究表面工程学科体系。系统工程方法论是一种将分析对象作为整体系统来考虑，在此基础上进行分析、设计、制造和使用的基本思想方法。系统工程方法论主要的研究对象有：各种系统工程方法的形成和发展、基本特征、应用范围，方法间的相互关系以及如何构建、选择和应用系统方法。体现在表面工程学科的系统学习与研究上面，就是在现有经验基础上，逐步系统地建立各种固体表面问题的数学模型，明确表面层结构与性能的关系，预测各种表面行为，对表面层进行设计并优化现有表面技术，最终获得具有最优表面性能、最大经济效益的新型涂层材料^[1]。

由于表面工程的显著作用和重要地位，因此有必要对其进行深入的学习与研究。已有许多先进的表面工程技术及其基础理论研究被列入了国家“973”项目、国家重大技术创新项目、国家和省市级重点科技攻关项目等。大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室生物与纳米力学课题组进行的耐磨蚀纳米复合涂层制备技术及其相关力学问题的研究已经分别被列入大连市科学技术基金项目、辽宁省重点科技攻关项目及国家“863”科技攻关计划重大项目。