表面技术在机械零部件、工程和功能构件等方面的功能

在机

械零

部件

、工

程构件、

结构

材料

方面

功  能

常用技术

应用

防护

提高材料或工件表面的耐蚀性、耐热性、耐氧化性和防辐射性

针对不同腐蚀情况，选用不同耐蚀涂层

耐磨

磨损大体分磨料、粘着、疲劳腐蚀、冲蚀、汽蚀等磨损。正确确定磨损类别，合理选择表面技术，可有效提高材料或工件表面的耐磨性

根据磨损类别，选择相应表面技术，涂覆有关涂(膜)层，如硬质膜、固体润滑膜、耐磨耐热膜、耐磨耐蚀膜等

强化

主要指通过各种表面强化处理来提高材料或工件表面抵抗除腐蚀和磨损之外的环境作用能力，如提高工件的疲劳强度

化学热处理、喷丸、滚压、激光表面处理

在制造业、汽车工业中得到广泛应用

修复

磨损、剥落、锈蚀，使工件外形尺寸变小以致尺寸超差，或强度降低，修复不仅可修复尺寸精度，而且还可提高表面性能，延长使用寿命

堆焊、电刷镀、热喷涂、粘涂等

工程中各种金属零部件的修复

装饰

表面装饰主要包括光亮(镜面、全光亮、亚光、光亮缎状、无光亮缎状等)、色泽(各种颜色和多彩等)、花纹(各种平面花纹、刻花和浮雕等)、仿照(仿贵金属、仿大理石、仿花岗石等)多方面特性

选用相应表面技术制成如光亮膜、亚光膜、色泽膜、仿照膜等

可对各种材料表面装饰，方便、高效，而且美观、经济，故应用广泛

在

环保

、医

疗、

卫生

方面

净化

大气

表面技术制成的催化剂载体等，是回收、分解和替代使用各种燃料、原料产生的大量CO₂、NO₂、SO₂等有害气体的有效途径之一

涂覆、气相沉积等

催化剂载体

净化

水质

膜材料是重要的净化水质的材料，可用来处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化等

这方面的表面技术在迅速发展

膜材料

抗菌

灭菌

有些材料具有净化环境的功能。其中二氧化钛催化剂可以将一些污染的物质分解掉，使之无害。过渡金属Ag、Pt、Cu、Zn等元素能增强TiO₂的光催化作用，而且有抗菌、灭菌作用(特别是Ag和Cu)。日本利用表面技术开发出了一种把具有吸附蛋白质能力的磷灰石生长在二氧化钛表面而制成的高功能二氧化钛复合材料

这种高功能二氧化钛复合材料能够完全分解吸附的菌类物质，不仅可以半永久使用，而且还可以制成纤维和纸，用作广泛的抗菌材料

吸附

杂质

用一些表面技术制成的吸附剂，可以除去空气、水、溶液中的有害成分以及具有除臭、吸湿等作用

在氨基甲酸乙酰泡沫上涂覆铁粉，经烧结而成的除臭剂，用于冰箱、汽车内

去除藻

类污垢

运用表面化学原理制成特定的组合电极，例如Cl-Cu组合电极

用于除去发电厂沉淀池、热交换器、管道等内部的藻类污垢

活化

功能

远红外线具有活化空气和水的功能，活化的空气和水有利于人的健康

在水的净化器中加上远红外陶瓷涂层装置，能活化水

生物

医学

医用涂层可在保持基体材料特性的基础上，或增进基体表面的生物学性质，或阻隔基材离子向周围组织溶出扩散，或提高基体表面的耐磨性、绝缘性等，促进了生物医学材料的发展

等离子喷涂、气相沉积、离子注入、电泳等

在金属材料上涂以生物陶瓷，用作人造骨、人造牙、植入装置导线的绝缘层等

绿色

能源

提高能量转换效率

是许多绿色能源装置如太阳能电池、半导体制冷器等制造的基础之一；用于制造固体氧化物燃料电池中的极板和电解质

优化

环境

在研制能调光、调温的“智能窗”中，表面技术发挥了积极作用

利用涂覆、镀膜等使窗可按人的意愿来调节光的透过率和光照温度

治疗

疾病

用表面技术和其他技术制成的磁性涂层敷在人体的一定穴位，有治疗疼痛、高血压等功能。敷驻极体膜，具有促进骨裂愈合等功能

在功

能材

料和

器件

方面

功能

常用

技术

应用

功能

常用

技术

应用

功能

常用

技术

应用

光学

特性

反射性

电镀

、化

学转

化处

理、

涂装

、气

相

沉积

反射镜

电学

特性

半导性

半导体材料

热学

特性

保温性

、绝缘性

保温材料

防反射性

防眩零件

波导性

(膜)波导管

耐热性

耐热涂层

增透性

激光材料增透膜

低接触电

阻特性

开关

吸热性

吸热材料

光选择透过

反射红外线、

透过可见光的

透明隔热膜

化学

特性

选择过滤性

大多

数表

面技

术

分离膜材料

磁学

特性

存储记忆

气相

沉积

、涂

装等

磁泡材料

活性

活性剂

磁记录

磁记录介质

耐蚀

防护涂层

分光性

用多层介质膜

组成的分光镜

电磁屏蔽

电磁屏蔽材料

防沾污性

医疗器件

杀菌性

餐具镀银

光选择吸收

太阳能选择吸收膜

声学

特性

声反射和

声吸收

涂装

、气

相沉

积等

吸声涂层

功能

转换

光-电转换

涂装

、气

相沉

积、

粘涂

、等

离子

喷涂

薄膜太阳能电池

偏光性

起偏器

电-光转换

电致发光器件

发光

光致发光材料

声表面波

声表面波器件

热-电转换

电阻式温度传感器

光记忆

薄膜光致变色材料

电-热转换

薄膜加热器

电学

特性

导电性

涂装

、化

学镀

、气

相沉

积等

表面导电玻璃

热学

特性

导热性

电镀

、涂

装、

气相

沉积

等

散热材料

光-热转换

选择性涂层

超导性

用表面扩散制成

的Nb-Sn线材

热反射性

热反射镀膜玻璃

力-热转换

减振膜

力-电转换

电容式压力传感器

约瑟夫逊效应

约瑟夫逊器件

耐热性、

蓄热性

集热板

磁-光转换

磁光存储器

各种电阻特性

膜电阻材料

绝缘性

绝缘涂层

热膨胀性

双金属温度计

光-磁转换

光磁记录材料

在研

制和

生产

新型

材料

方面

新 型 材 料

表面技术

表面技术所起作用

名称

特  点

应  用

金刚石

薄膜

为金刚石结构。硬度高达80～100GPa，室温热导率达到11W/(cm·K)，是铜的27倍，有较好的绝缘性和化学稳定性，在很宽的光波段范围内透明；与Si、GaAs等半导体材料相比，有较宽的禁带宽度

它在微电子技术、超大规模集成电路、光学、光电子等方面有良好的应用前景，有可能是继Ge、Si、GaAs之后的新一代半导体材料

热化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等

过去制备金刚石材料是在高温高压条件下进行的，现在利用所列表面技术，在低压或常压条件下就可以制得

类金刚

石碳膜

是一种具有非晶态和微晶结构的含氢碳化膜，又名i-C膜、a-C、H膜等。其化学键为sp³和sp²。在拉曼谱上特征峰为1552～1558cm-1的漫散峰，而金刚石的特征峰为1333cm-1。类金刚石碳膜的一些性能接近金刚石膜，如高硬度、高热导率、高绝缘性，良好的化学稳定性，从红外到紫外的高光学透过率等

可考虑用作光学器件上的保护膜和增透膜、工具的耐磨层、真空润滑层等

所用的表面技术与金刚石薄膜相似，但条件较低

通常可用低能量的碳氢化合物等离子体分解或碳离子束沉积技术来制得，因而设备较为简单，成本较低，容易实现工业生产。缺点是结构为亚稳态等

立方氮

化硼

薄膜

为立方结构。硬度仅次于金刚石，而耐氧化性、耐热性和化学稳定性比金刚石更好。具有高电阻率、高热导率。掺入某些杂质可成为半导体

正逐步用于半导体、电路基板、光电开关以及耐磨、耐热、耐蚀涂层

以化学气相沉积和物理气相沉积为主

不仅能在高压下合成，也可在低压下合成，具体方法很多，主要的有左列两种

超导

薄膜

用YBaCuO等高温超导薄膜可望制成微波调制、检测器件，超高灵敏的电磁场探测器件，超高速开关存储器件

用于超高速计算机等

主要用物理气相沉积如真空蒸发、溅射、分子束外延等方法制备。沉积膜为非晶态，经高温氧化处理后，转变为具有较高转变温度的晶态薄膜

LB

薄膜

LB薄膜是有机分子器件的主要材料。它是由羧酸及其盐、脂肪酸烷基族以及染料、蛋白质等有机物构成的分子薄膜

在分子聚合、光合作用、磁学、微电子、光电器件、激光、声表面波、红外检测、光学等领域有广泛的应用

将有机高分子材料溶于某种易挥发的有机溶剂中，然后滴在水面或其他溶液上，待溶剂挥发后，液面保持恒温和被施加一定的压力，溶质分子沿液面形成致密排列的单分子膜层。接着用适当装置将分子逐层转移，组装到固体载片，并按需要制备几层到数百层LB膜

超微

颗粒

膜材料

是将超微颗粒嵌于薄膜中构成的复合薄膜

在电子、能源、检测、传感器等许多方面应用前景良好

通常用两种在高温互不相溶的材料组合制成复合靶，然后在基片上生成复合膜。改变靶膜中的组分的比例，可以改变膜中颗粒大小和形态

非晶

硅薄膜

非晶硅太阳电池的转换效率虽不及单晶硅器件，但它具有合适的禁带宽度(17～18eV)，太阳辐射峰附近的光吸收系数比晶硅大一个数量级，便于采用大面积薄膜工艺生产，因而工艺简便，成本低廉

这种薄膜还可制成摄像管的靶、位敏检测器件和复印鼓等

等离子体增强化学气相沉积等

微米硅

又称纳米晶。晶粒尺寸在10nm左右。它的带隙达2.4eV，电子与空穴迁移率都高于非晶硅两个数量级以上，光吸收系数介于晶体硅与非晶硅之间

可取代掺氢的SiC作非晶硅太阳电池的窗口材料，以提高其转换效率，也可制作异质结双极型晶体管、薄膜晶体管等

等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射等

多孔硅

多孔硅的孔隙度很大，一般为60%～90%。可用蓝光激发它在室温下发出可见光，也能电致发光

可制成频带宽、量子效率高的光检测器，它的禁带宽度明显超过晶硅

以硅为原料在以氢氟酸为基的电解液中阳极氧化而制得

碳60

由60个碳原子组成空心圆球状，它的四周是由12个正五边形碳环(碳-碳单键结构)和20个正六边形碳环(苯环式)构成，宛如一个“足球”

碳60分子的物理性质相对稳定，化学性质相对活泼，它和它的衍生物具有潜在的应用前景。已发现K₃C₆₀以及Rb、Cs等碱金属掺杂的超导性。目前这类材料的Tc已超过40K，高于其他有机超导体，进一步发展后，可望成为一种高性能、低成本的超导材料

碳60是Rohlfing等人在1984年将碳蒸气骤冷淬火时，通过质谱图发现的

纤维

补强

陶瓷

基复

合材料

是以各种金属纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维为增强体，以水泥、玻璃陶瓷等为基体，通过一定的复合工艺结合在一起所构成的复合材料

这类材料具有高强度、高韧性和优异的热学、化学稳定性，是一类新型结构材料

目前除了纤维增强水泥基复合材料碳-碳复合材料等已获得实际应用外，还有许多重要的纤维补强陶瓷仍处于实验室阶段，但在一系列高新技术领域中有着良好的应用前景

复合材料在力场中，只有通过界面才能使增强剂和基体二者起到协同作用。界面是影响复合材料性能的关键之一。在一些重要的复合材料中，如碳纤维补强陶瓷基复合材料等，纤维必须通过一定的表面处理，使纤维与基体“相容”

梯度

功能

材料

根据要求选择两种或多种不同性质的材料，连续地改变各材料的组成和结构，使其结合部位的界面消失，得到连续、平稳变化的非均质材料。其组织连续变化，层间内应力降低，材料的功能随之变化

这种材料用于航空、航天领域，可以有效地解决热应力缓和问题，获得耐热性与力学强度都优异的新功能。此外，还可望在核工业、生物、传感器、发动机等许多领域有广泛的应用

许多表面技术如等离子喷涂、离子镀、离子束合成薄膜技术、化学气相沉积、电镀、电刷镀等，都是制备梯度功能材料的重要方法