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材料表面工程技術(shù)日益得到重視的主要原因
實(shí)現(xiàn)材料表面復(fù)合化，解決單一材料無(wú)法解決的問(wèn)題
在許多情況下，對(duì)機(jī)件的芯部和表面的性能要求是不一樣的，例如，軸類(lèi)整體承受彎扭，要求高的抗彎強(qiáng)度和一定的韌性，但頸部要求高硬度以抗磨；齒輪表面要求高硬度而芯部要求高的強(qiáng)韌性。而對(duì)大多數(shù)材料，韌性和硬度是不可兼得的。一般來(lái)說(shuō)，合金具有高的強(qiáng)韌性，但硬度不高，而陶瓷具有高硬度但韌性很差，因此表面工程中把陶瓷加到合金表面上的內(nèi)容，占了很大的比重。目的就在于既發(fā)揮合金的高強(qiáng)韌性、又發(fā)揮陶瓷的高硬度。
這種表面復(fù)合的效果，往往是選用單一的貴重材料所無(wú)法達(dá)到的。
良好的節(jié)能、節(jié)材效果
在熱工設(shè)備上覆以隔熱涂層，可以大大減少熱損失。
在加熱元件表面加涂一層遠(yuǎn)紅外輻射涂層，就會(huì)使加熱元件能輻射高密度紅外線(xiàn)，而不輻射或少輻射可見(jiàn)光，使它成為加熱或干燥效率非常高的熱源。
為了減輕汽車(chē)自重以節(jié)約能源，目前世界上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的全鋁化十分關(guān)心，而鋁合金的zui大問(wèn)題是不耐磨，因此，表面耐磨強(qiáng)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)成了關(guān)鍵。目前這方面已有大量研究，并且已在賽車(chē)上實(shí)現(xiàn)；普通車(chē)上的實(shí)用，還有待于工藝成本的降低。
由于大部分機(jī)件的損壞都發(fā)自表面，因此，以表面技術(shù)進(jìn)行修復(fù)液特別受人重視，修復(fù)會(huì)使廢舊機(jī)件再生，節(jié)材效果是顯然的。
促進(jìn)了新興工業(yè)的發(fā)展
材料表面工程技術(shù)對(duì)于新興工業(yè)發(fā)展的貢獻(xiàn)是巨大的，這是因?yàn)槿魏喂I(yè)的發(fā)展，都會(huì)對(duì)材料提出新的要求，而這些要求往往可通過(guò)表面處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。試以航天工業(yè)為例。航天工業(yè)中首先遇到的問(wèn)題是高熱流、高焰流和超高溫，這對(duì)材料提出了十分苛刻的要求。一般火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室，不僅要承受2000～3300℃的高溫，還要同時(shí)經(jīng)受巨大的熱焰流的沖擊。再如，飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿，由于其具有幾十倍的音速，與大氣層摩擦，即所謂氣動(dòng)加熱，將產(chǎn)生億萬(wàn)焦耳的巨大熱量，使頭部的表面溫度高達(dá)4000～5000℃以上。對(duì)于如此高的溫度，絕大多數(shù)的金屬和合金都不能承受，為解決此問(wèn)題只能依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。比較典型的隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物，如氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等，這些涂層可以使基體的溫度成百上千度地降低，保護(hù)基體金屬具有足夠的強(qiáng)韌性。這類(lèi)涂層一般都以熱噴涂的方法涂到部件表面上，已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭和導(dǎo)彈噴管、推力室、發(fā)射臺(tái)以及宇宙飛船等許多受熱部位成功地應(yīng)用。宇宙飛船和洲際導(dǎo)彈的頭部?jī)H有隔熱涂層還解決不了問(wèn)題，因此，又研究了燒蝕涂層。燒蝕涂層也具有良好的隔熱能力，但是更重要的是具有大的熱容量和向外界輻射熱量的本領(lǐng)。當(dāng)與大氣摩擦?xí)r，巨大的熱會(huì)使表面涂料的*層升華。使熱量不能向里傳導(dǎo)；接著是第二層再燒蝕，…….；經(jīng)過(guò)幾分鐘，燒蝕涂層消失，航天器也安全降落。燒蝕涂層中發(fā)展比較成熟的是有機(jī)材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維，纖維的作用是補(bǔ)強(qiáng)，抵御高速氣流的沖刷。再如，人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制也是靠表面涂層實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)太陽(yáng)照射時(shí)，被照面溫度可達(dá)+200℃，而沒(méi)有太陽(yáng)照射的面溫度可低到-200℃.為了保證衛(wèi)星中電子儀器的正常工作，當(dāng)受照射時(shí)必須讓大部分輻射熱反射出去，或?qū)岣粼跉ね?；而受冷時(shí)，必須不讓內(nèi)部熱量外傳，這種涂層稱(chēng)溫控涂層。航天飛機(jī)外殼也要防熱材料和涂層，而且其涂層要較長(zhǎng)期使用，不能像宇宙飛船或洲際導(dǎo)彈所用的防熱涂層那樣使用一次即報(bào)廢，為此美國(guó)采用了隔熱材料加涂層的技術(shù)。例如，洛克希德導(dǎo)彈與航天公司研制了一種LI-900全氧化硅絕熱氈，很輕，整個(gè)體積的95%都是空的，為了使其防水、耐蝕以及散熱，表面加涂了一種碳化硅涂層，該涂層可把90%的入射熱能反射掉，而剩余的10%幾乎都被氧化硅氈所隔絕，這樣航天飛機(jī)重返大氣層時(shí)，內(nèi)部溫度不會(huì)升高，而且可多次使用。
由以上例子可以看出，如果沒(méi)有現(xiàn)代的表面處理技術(shù)，航天工業(yè)取得目前的成功是不可想象的。
目前能源工業(yè)愈來(lái)愈受到重視，表面工程技術(shù)對(duì)能源工業(yè)的貢獻(xiàn)也是不小的。例如，在核發(fā)電中，原子核反應(yīng)器在運(yùn)行時(shí)核燃料必須與受熱介質(zhì)嚴(yán)格隔開(kāi)，因此必須用高溫抗氧化涂層。
在太陽(yáng)能的利用中，必須利用涂層來(lái)吸收太陽(yáng)光譜中所有波段的能量。用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太陽(yáng)能吸熱器，使對(duì)太陽(yáng)能的吸收率可達(dá)95%。
此外，像火力發(fā)電中的鍋爐“四管”的防高溫、防沖蝕強(qiáng)化，風(fēng)機(jī)葉片的強(qiáng)化，水力發(fā)電的水輪葉片的防沖蝕和氣蝕，都要用到表面工程技術(shù)問(wèn)題。
電子工業(yè)也是當(dāng)今世界發(fā)展zui快的新興工業(yè)，用沉積法得到的表面膜作為電子功能原件已大量用作絕緣膜、電阻器、電容器、電感器、傳感器、記憶元件、超導(dǎo)原件，微波聲學(xué)器件（聲波導(dǎo)、耦合器、卷積器、濾波器、延遲線(xiàn)等）、薄膜晶體管、集成電路基片等。
表面新技術(shù)的出現(xiàn)之所以受到重視，不僅在于其經(jīng)濟(jì)意義，還在于其重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。這是因?yàn)椋?/p>
- 材料物理、化學(xué)性能及其變化都從表面開(kāi)始；
- 隨著器件的微型化，表面/體相的原子比增大，會(huì)出現(xiàn)許多新的特性；
- 材料表面的研究是許多高新技術(shù)的理化基礎(chǔ)等等。
目前，對(duì)于材料科學(xué)的研究只要集中在對(duì)材料表面和材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能的研究。美國(guó)工程科學(xué)院早幾年為美國(guó)國(guó)會(huì)提供的2000年前集中力量加強(qiáng)發(fā)展的9項(xiàng)新科學(xué)技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料表面科學(xué)與表面技術(shù)的研究。表面科學(xué)的研究可為表面新技術(shù)的研究提供一定的理論指導(dǎo)，但表面新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和完善，又會(huì)提出許多新的學(xué)術(shù)研究課題。這些研究有力地促進(jìn)了材料科學(xué)、冶金學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械制造工藝學(xué)以及物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。