21世纪表面工程发展概述摘要：表面工程作为2l世纪工业发展的关键技术之一，是先进制造技术的重要组成部分，可为先进制造技术的发展提供技术支撑。

表面工程具有广泛的功能性、潜在的创新性、环境的保护性、很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视。

近年来，表面工程已由传统表面工程向复合表面工程、纳米表面工程及表面工程的自动化发展；表面工程应用从对应磨损与腐蚀向抵抗疲劳与蠕变拓展；表面工程新的增长点正在信息技术、生物技术、纳米科技等前沿领域中萌生；表面工程产业化在航空、航天、新能源、新材料、环保与资源循环中得到迅速发展。

目录摘要 (1)第1章绪论 (2)第2章面向绿色制造和节能降耗的表面工程 ........................ 错误!未定义书签。

2.1替代传统电镀铬的绿色镀膜技术............................. 错误!未定义书签。

2.2闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术 (3)2.3工程化超润滑复合碳膜技术 (4)第3章设备维修与再制造中的表面工程 (4)3.1纳米减摩自修复添加剂技术 (4)3.2 纳米电刷镀技术 (4)3.3热喷涂新技术 (5)3.4激光表面强化技术 (5)第4章极端环境下的表面工程 (5)4.1核环境特种润滑涂层 (5)4.2空间环境高性能润滑涂层 (6)4.3空间原子氧效应防护涂层 (6)第5章新能源中的表面工程 (6)5.1 薄膜太阳能电池关键薄膜制备装备和技术 (6)5.2太阳能集热选择性吸收薄膜制备装备和技术 (6)5.3质子交换膜燃料电池金属双极板的表面改性 (6)六、轻合金构件的表面工程 (7)6.1纳米复合微弧氧化陶瓷层技术 (7)6.2镁合金化学转化膜技术 (7)6.3硅烷／稀土复合钝化剂技术 (7)七、生物医学中的表面工程 (8)7.1表面生物学特性的研究 (8)7.2生物诱导-陛表面的构建 (8)7.3多功能复合表面的构建 (8)结论 (8)参考文献 (9)一、绪论表面工程是表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需表面性能的系统工程【1】。

表面工程的特色与优势主要表现在以下几个方面。

①以高性能的表面与基体的配合获得更加优异的整体性能；②以较少的能源和材料获得比基体材料更高的性能，具有显著的节能节材效果；③近零排放的表面工程新技术替代传统表面工程技术，可大幅度减少对环境的负面影响。

因此，表面工程在提升成形制造的水平、提高产品质量、解决制造业发展中遇到资源、能源、环境等共性问题中发挥着重要作用。

近年来我国表面工程已取得一些可喜的创新成果，如我国表面工程学科的开拓者徐滨士院士成功地将表面工程技术应用于设备的再制造，形成了具有中国特色的再制造工程，他还主持研究了多种表面工程技术自动化设备，为表面工程的产业化推广应用奠定了基础；徐可为教授在等离子微弧氧化的基础上，突破性的发展了等离子微弧碳氮化技术；陈建敏研究员的摩擦学表面工程新进展，展示了表面工程为“神七”载人飞船做出的创新性贡献；武汉材料保护研究所在硅烷金属表面处理技术方面也取得创新性成果。

二、面向绿色制造和节能降耗的表面工程国家可持续发展，对装备的绿色制造和装备运行的节能减耗提出了更高的要求，不断发展的真空离子镀膜、磁控溅射镀膜、蒸发镀膜、离子注入、离子清洁等及其复合技术正在替代传统对环境污染严重的电镀技术，在绿色制造和节能降耗中发挥了重要作用。

2.1替代传统电镀铬的绿色镀膜技术传统的电镀铬技术对环境污染严重，尤其是其排放的六价铬离子对水的污染非常严重，其是公认的致癌物。

因此，世界各国对替代传统电镀铬的新技术研究进行了大量的投入。

目前，我国对替代传统电镀铬的绿色镀膜技术研究取得了较大的进展。

（1）过压脉冲增强磁控溅射离子镀技术。

(2)替代发动机活塞环的电镀铬涂层。

(3)钨基合金电镀代替电镀铬的无毒绿色新工艺。

(4)工业化绿色镀膜装备。

工业化绿色镀膜装备是实现绿色镀膜产业化的关键。

2.2闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术磁控溅射离子镀技术因沉积温度低、易沉积多组元和梯度膜等优点受到精密制造及功能薄膜制备领域的广泛关注，但由于存在薄膜厚度沿靶基距方向的均匀性极差(平均递减速率>3 gm／m)的技术瓶颈，严重制约了该技术的产业化推广。

为克服这一工艺缺憾，众多学者先后引入“非平衡”和“闭合场”等物理学概念，试图通过扩展等离子体区域并提高等离子体密度以改善薄膜厚度的均匀性。

西安理工大学蒋百灵【2】等采用Langmuir探针对真空腔内的等离子体进行诊断后发现“闭合场”和“非平衡”磁场在构建大范围、高密度等离子环境方面取得了预期目标，但薄膜厚度沿靶基径向均匀性的改善尚无让产业界为之心动的成果显现。

2.3工程化超润滑复合碳膜技术超润滑复合碳膜是一种最新发展的具有超低摩擦因数的固体润滑薄膜，其摩擦因数比常规固体润滑薄膜低l～2个数量级。

目前研究的薄膜体系主要包括具有一定晶体取向的石墨薄膜、纳米富勒烯结构二硫化钼(MoS2)薄膜、二硫化钨(ws2)薄膜和类金刚石碳膜。

其中，超润滑类金刚石薄膜最具有发展前景和工程应用价值，其研究的重点是降低薄膜的内应力和摩擦学性能的环境依赖性，以实现其工程化的应用。

（1）类富勒烯纳米结构的类金刚石(Diamond-like carbon，DLC)超润滑薄膜。

(2)Mo／DLC纳米复合薄膜。

(3)掺金属DLC超润滑薄膜。

三、设备维修与再制造中的表面工程表面工程在装备维修与再制造发挥了重要的作用。

近年来在纳米电刷镀、纳米减摩自修复添加剂、热喷涂和激光表面强化等方面的研究取得了新的进展，将这些技术应用于设备维修和再制造，显著提高了零部件的质量。

3.1纳米减摩自修复添加剂技术纳米减摩自修复添加剂技术是一种通过摩擦化学作用来实现磨损表面自修复的技术。

其原理是加入润滑油的复合添加剂中纳米颗粒，随润滑油分散于各个摩擦副接触表面，在一定温度、压力、摩擦力作用下，纳米颗粒将与摩擦副发生摩擦化学作用，沉积在摩擦副表面，并填补表面微观沟谷，从而形成一层具有减摩耐磨作用的固态修复膜【3】。

（1）微纳金属颗粒自修复添加剂。

(2)微纳层状硅酸盐自修复添加剂。

3.2纳米电刷镀技术纳米电刷镀技术是我国学者将传统电刷镀技术与纳米材料技术相结合的创新性研究成果。

在电刷镀液中添加特种纳米陶瓷颗粒或纳米纤维，并使其与基质镀液均匀、弥散混合，可制备出高性能的纳米复合镀层【4-6】。

采用单液法还可以制备出Cu／Ni纳米多层镀层【7】。

（1）电刷镀纳米晶镀层。

(2)电刷镀纳米颗粒复合镀层。

(3)电刷镀纳米纤维复合镀层。

(4)电刷镀纳米多层复合镀层。

3.3热喷涂新技术热喷涂技术可通过沉积不同涂层来改变材料表面性能(如耐磨、减磨、耐高温、隔热、抗高温氧化和耐腐蚀等)或赋予全新的表面特性，大幅度提高材料使用寿命与附加价值。

以等离子喷涂、电弧喷涂、超声速火焰喷涂为主要涂层制备方法，通过传统结构与纳米结构制备工艺的不断发展，应用领域不断拓展。

（1）纳米热喷涂技术。

(2)等离子喷涂物理气相沉积(Plasma spray．physical vapor deposition,PS—PVD)的基础研究与开发。

(3)高效能超音速等离子喷涂。

(4)高稳定性智能高速电弧喷涂。

(5)电热爆炸喷涂。

(6)冷喷涂及其发展。

3.4激光表面强化技术与热喷涂、电镀和电刷镀等传统表面工程技术相比，激光表面强化技术对环境的污染小，且激光熔覆层与基体呈冶金结合(结合强度高)，因此激光表面改性和熔覆层能胜任更加苛刻的工况，表现出广阔的应用前景，已在钢铁、冶金、电力、石化、汽车、能源和航空航天等领域获得了广泛应用【8-9】。

激光表面强化技术已有较长历史，近年来的研究进展主要包括以下几个方面。

（1）大功率半导体、光纤激光器的发展。

(2)有色金属的激光表面强化。

(3)激光熔覆纳米结构涂层的制备。

四、极端环境下的表面工程在核、空间和其它极端环境下，装备零部件将面对强辐射、真空(紫外线)、原子氧和高低温侵蚀等更加苛刻工作环境，表面工程可为这些工作在极端环境下的零部件提供有效的表面防护。

4.1核环境特种润滑涂层4.2空间环境高性能润滑涂层4.3空间原子氧效应防护涂层原子氧(AO)是低地轨道空间中对航天器外露材料危害性最大的环境因素。

空间材料的AO效应严重影响了低地球轨道航天器的性能和寿命。

为此近年来人们采用了多种方法来限制AO对空间材料的侵蚀效应。

五、新能源中的表面工程发展清洁能源是国家发展战略中的最重要方向之一。

以太阳能、氢能、风能为代表的新能源开发中，表面工程在获得功能性薄膜、改善材料表面性能方面具有明显优势，并具有较大的发展潜力。

5.1 薄膜太阳能电池关键薄膜制备装备和技术太阳能光伏发电在新能源中占有重要地位。

近年来，薄膜太阳能电池技术发展很快，作为继第一代传统晶硅太阳能电池之后发展的新一代太阳能电池技术，欧、美、日等发达国家都投入了很大力量发展薄膜太阳能电池技术。

5.2太阳能集热选择性吸收薄膜制备装备和技术常规太阳能光热中低温利用中国市场上普及的是全玻璃太阳能集热真空管。

结构分为外管、内管、选择性吸收涂层、吸气剂、不锈钢卡子、真空夹层等部分。

而国外成熟的集热器则多采用平板集热器，平板集热器具有寿命长、稳定性高、可回收的优点，更为主要的优点是便于实现建筑一体化，将成为未来热水器发展的趋势。

作为平板集热器主要功能部件的选择性吸收膜的性能成为集热器效率的决定因素，其成本占到集热器成本的60％以上。

目前世界上仅有两家公司实现了平板集热器用选择性吸收薄膜的工业化制备，如钛诺科(TiONX)公司的超级蓝膜。

国内在该方面的研究大多处于实验室阶段，由国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心和兰州大成科技股份有限公司研制的“空对空”宽幅太阳能选择吸收涂膜连续卷绕镀膜设备实现了平板集热器用选择性吸收涂膜的工业化生产，其性能达到了德国超级蓝膜的性能(吸收率>95％，红外发射率<5％)。

5.3质子交换膜燃料电池金属双极板的表面改性双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件，主要起分隔氧化剂和还原剂以及收集电流的作用。

电导率及耐腐蚀性能是双极板的两个重要指标，电导率直接影响燃料电池的输出电压；耐腐蚀性能的好坏决定着电池的寿命。

金属双极板具有电导率高、机械强度好及气体透过率低的优点，可以通过冲压、刻蚀等技术批量制作，是石墨双极板很好的替代品，但金属在燃料电池运行的环境下，容易因腐蚀而释放出能够加速催化剂和聚合物电解质膜老化的有害离子。

为提高金属双极板的耐腐蚀性能，国内外开展了大量的研究，近年来的研究主要有以下几方面的特点。

（1）金属表面的预处理得到重视。