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材料表面工程技术日益得到重视的主要原因

发布时间: 2014-03-27  点击次数: 618次

实现材料表面复合化,解决单一材料无法解决的问题

在许多情况下,对机件的芯部和表面的性能要求是不一样的,例如,轴类整体承受弯扭,要求高的抗弯强度和一定的韧性,但颈部要求高硬度以抗磨;齿轮表面要求高硬度而芯部要求高的强韧性。而对大多数材料,韧性和硬度是不可兼得的。一般来说,合金具有高的强韧性,但硬度不高,而陶瓷具有高硬度但韧性很差,因此表面工程中把陶瓷加到合金表面上的内容,占了很大的比重。目的就在于既发挥合金的高强韧性、又发挥陶瓷的高硬度。

这种表面复合的效果,往往是选用单一的贵重材料所无法达到的。

良好的节能、节材效果

在热工设备上覆以隔热涂层,可以大大减少热损失。

在加热元件表面加涂一层远红外辐射涂层,就会使加热元件能辐射高密度红外线,而不辐射或少辐射可见光,使它成为加热或干燥效率非常高的热源。

为了减轻汽车自重以节约能源,目前世界上对发动机的全铝化十分关心,而铝合金的zui大问题是不耐磨,因此,表面耐磨强化技术的开发成了关键。目前这方面已有大量研究,并且已在赛车上实现;普通车上的实用,还有待于工艺成本的降低。

由于大部分机件的损坏都发自表面,因此,以表面技术进行修复液特别受人重视,修复会使废旧机件再生,节材效果是显然的。

促进了新兴工业的发展

材料表面工程技术对于新兴工业发展的贡献是巨大的,这是因为任何工业的发展,都会对材料提出新的要求,而这些要求往往可通过表面处理来实现。试以航天工业为例。航天工业中首先遇到的问题是高热流、高焰流和超高温,这对材料提出了十分苛刻的要求。一般火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室,不仅要承受2000~3300℃的高温,还要同时经受巨大的热焰流的冲击。再如,飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿,由于其具有几十倍的音速,与大气层摩擦,即所谓气动加热,将产生亿万焦耳的巨大热量,使头部的表面温度高达4000~5000℃以上。对于如此高的温度,绝大多数的金属和合金都不能承受,为解决此问题只能依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。比较典型的隔热防火涂层是热导率低的氧化物,如氧化铝、氧化锆、氧化钍等,这些涂层可以使基体的温度成百上千度地降低,保护基体金属具有足够的强韧性。这类涂层一般都以热喷涂的方法涂到部件表面上,已在航空发动机、火箭和导弹喷管、推力室、发射台以及宇宙飞船等许多受热部位成功地应用。宇宙飞船和洲际导弹的头部仅有隔热涂层还解决不了问题,因此,又研究了烧蚀涂层。烧蚀涂层也具有良好的隔热能力,但是更重要的是具有大的热容量和向外界辐射热量的本领。当与大气摩擦时,巨大的热会使表面涂料的*层升华。使热量不能向里传导;接着是第二层再烧蚀,…….;经过几分钟,烧蚀涂层消失,航天器也安全降落。烧蚀涂层中发展比较成熟的是有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维,纤维的作用是补强,抵御高速气流的冲刷。再如,人造卫星在宇宙中的温度控制也是靠表面涂层实现的。当太阳照射时,被照面温度可达+200℃,而没有太阳照射的面温度可低到-200℃.为了保证卫星中电子仪器的正常工作,当受照射时必须让大部分辐射热反射出去,或将热隔在壳外;而受冷时,必须不让内部热量外传,这种涂层称温控涂层。航天飞机外壳也要防热材料和涂层,而且其涂层要较长期使用,不能像宇宙飞船或洲际导弹所用的防热涂层那样使用一次即报废,为此美国采用了隔热材料加涂层的技术。例如,洛克希德导弹与航天公司研制了一种LI-900全氧化硅绝热毡,很轻,整个体积的95%都是空的,为了使其防水、耐蚀以及散热,表面加涂了一种碳化硅涂层,该涂层可把90%的入射热能反射掉,而剩余的10%几乎都被氧化硅毡所隔绝,这样航天飞机重返大气层时,内部温度不会升高,而且可多次使用。

由以上例子可以看出,如果没有现代的表面处理技术,航天工业取得目前的成功是不可想象的。

目前能源工业愈来愈受到重视,表面工程技术对能源工业的贡献也是不小的。例如,在核发电中,原子核反应器在运行时核燃料必须与受热介质严格隔开,因此必须用高温抗氧化涂层。

在太阳能的利用中,必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量。用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作为太阳能吸热器,使对太阳能的吸收率可达95%。

此外,像火力发电中的锅炉“四管”的防高温、防冲蚀强化,风机叶片的强化,水力发电的水轮叶片的防冲蚀和气蚀,都要用到表面工程技术问题。

电子工业也是当今世界发展zui快的新兴工业,用沉积法得到的表面膜作为电子功能原件已大量用作绝缘膜、电阻器、电容器、电感器、传感器、记忆元件、超导原件,微波声学器件(声波导、耦合器、卷积器、滤波器、延迟线等)、薄膜晶体管、集成电路基片等。

表面新技术的出现之所以受到重视,不仅在于其经济意义,还在于其重要的学术价值。这是因为:

  1. 材料物理、化学性能及其变化都从表面开始;
  2. 随着器件的微型化,表面/体相的原子比增大,会出现许多新的特性;
  3. 材料表面的研究是许多高新技术的理化基础等等。

目前,对于材料科学的研究只要集中在对材料表面和材料内部结构与性能的研究。美国工程科学院早几年为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术中,有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术的研究。表面科学的研究可为表面新技术的研究提供一定的理论指导,但表面新技术的开发和完善,又会提出许多新的学术研究课题。这些研究有力地促进了材料科学、冶金学、机械学、机械制造工艺学以及物理学、化学等基础学科的发展。

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