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目录 1

1　表面技术与工程概论 1

1.1　表面技术与工程的涵义 1

1.1.1 表面技术与工程实施的目的 1

1.1.2 与表面有关的一些表面技术 2

1.2　表面技术与工程分类 4

1.2.1 表面技术的分类和表面工程学的涵义 4

1.2.3 表面涂镀层技术 6

1.2.2 现代表面技术基础和应用理论 6

1.2.4　表面薄膜与沉积技术 8

1.2.5　表面改性技术 10

1.2.6 表面复合处理技术 11

1.2.7　表面加工技术 11

1.2.8　表面分析和测试 12

1.2.9 现代表面工程技术设计 12

1.3　表面技术与工程应用 13

1.3.1 在航空航天工业中的应用 13

1.3.2 在汽车工业中的应用 14

1.3.3 在城市建设中的应用 15

1.3.4 在家用电器工业中的应用 15

1.3.5 在冶金、电力、石化、机械工业中大型部件上的应用 16

1.3.6 在功能材料和元器件中的应用 16

1.3.7 在电子技术中的应用 17

1.3.8 在保护、优化环境中的应用 18

1.3.9 在研究和制备先进新材料中的应用 19

1.4　表面技术与工程展望 22

主要参考文献 24

2　表面技术与工程的基本概念和基础理论 25

2.1　固体材料及其表面 25

2.1.1 固体材料 25

2.1.2 固体表面 26

2.2　表面晶体学 26

2.2.1 理想的表面结构 26

2.2.2 清洁表面结构 29

2.2.3 实际表面结构 34

2.3.2 表面力 38

2.3.1 表面与界面的区别 38

2.3　表面、界面特征 38

2.3.3 表面张力与表面自由能 40

2.3.4 表面吸附的种类、机理、吸附速度与吸附量 42

2.4　表面原子的热振动与表面扩散 44

2.4.1 晶格中的原子热振动 44

2.4.2　表面原子的热振动 48

2.4.3 表面扩散 54

2.5.1 概念 60

2.5　表面电子学 60

2.5.2 清洁表面的电子结构 63

2.5.3 界面电气现象 67

2.5.4　界面接触效应 69

2.5.5 薄膜中的电迁移现象 74

2.6 附着 76

2.6.1 附着和附着力 76

2.6.2 内应力 77

2.7　腐蚀 78

2.7.1 金属氧化与热腐蚀 78

2.7.2 电化学腐蚀 80

2.7.3　全面腐蚀与局部腐蚀 89

2.7.4 应力作用下的腐蚀 94

2.7.5 自然环境中的腐蚀 103

2.7.6 工业介质中的腐蚀 108

2.8　摩擦与磨损 112

2.8.1　摩擦 112

2.8.2　磨损 114

2.8.3 影响磨损的主要因素 114

2.8.4 影响薄膜摩擦学特性的因素 116

2.8.5 对滑动性能中几点设计选择的考虑 121

主要参考文献 124

3　热喷涂技术 126

3.1　概论 126

3.1.1　定义 126

3.1.2　热喷涂涂层的形成过程及其结构 126

3.1.3　涂层的残余应力 126

3.1.4　涂层的结合机理 126

3.1.5 喷涂粒子的温度和速度 128

3.1.6 热喷涂发展历史概况 129

3.2　热喷涂的分类 130

3.2.1　概况 130

3.2.2　热源概述 131

3.3　热喷涂的方法及装置 134

3.3.1 火焰喷涂法 134

3.3.2 电弧喷涂 139

3.3.3 等离子喷涂 141

3.3.4 激光喷涂和喷焊 147

3.3.5 电热热源喷涂 148

3.4　喷涂涂层材料 151

3.4.1 喷涂材料的特点和要求 151

3.4.2 喷涂材料的分类 152

3.5　喷涂涂层的制备 158

3.5.1　表面预处理 158

3.5.2 喷涂工艺 159

3.6　热喷涂涂层的检测 163

3.6.1 外观 163

3.6.2　涂层的厚度 163

3.6.3 涂层结合强度 164

3.6.4 涂层的孔隙度 165

3.6.5　涂层的硬度 166

3.6.6 涂层的金相检测 166

3.6.7 涂层的耐磨损试验 166

3.6.8 涂层的耐腐蚀试验 167

3.6.9 涂层的耐热试验 168

3.6.10 疲劳强度测试 169

3.7　热喷涂技术的工业应用 169

3.7.1 在航空工业中的应用 170

3.7.2 在现代钢铁工业中的应用 174

3.7.3 在能源工业中的应用 177

3.7.4 在包装、印刷工业中的应用 180

3.7.5　在造纸机械上的应用 181

3.7.6 在纺织工业中的应用 184

3.7.7 在汽车工业中的应用 184

3.7.8 在化学工业中的应用 185

3.7.9 热喷涂在舰船空泡腐蚀防护上的应用 186

3.7.11 远红外辐射涂层的节能应用 187

3.7.10　人工种植体生物功能应用 187

3.7.13 热喷涂用于模具的制造 188

3.7.12 热喷涂技术应用于喷涂成型 188

3.7.14 大型钢结构件的长效防腐蚀 189

3.8　喷涂发展的趋势 189

3.8.1 向在较低温度下具有高速飞行速度的喷涂方向发展 189

3.8.2 向能在长时间大功率下稳定高效工作的工艺及设备发展 189

3.8.4 采用喷涂法制备纳米结构涂层 190

3.8.5 用热喷涂法部分替代电镀硬铬的工艺研究与应用 190

3.8.3 向精密高效节能的工艺和设备发展 190

3.8.6 新型热障涂层（TBC）的研制 191

主要参考文献 191

4　材料表面改性技术 193

4.1　概述 193

4.2　等离子表面处理技术基础 193

4.2.1 等离子体的物理概念 194

4.2.2 离子渗氮的特点 197

4.2.3 离子渗氮的基础 198

4.2.4 离子渗氮的理论 203

4.2.5 等离子表面处理的设备 204

4.3　等离子渗氮表面处理技术 208

4.3.1 等离子渗氮的基体材料 208

4.3.2 等离子渗氮的工艺参数 210

4.3.3 等离子渗氮工艺操作要点 217

4.3.4 等离子渗氮层的质量检验 217

4.4.1 塑料挤压机的螺杆等离子渗氮 219

4.4.2　缸套的等离子渗氮 219

4.4　等离子渗氮的工程应用 219

4.4.3 曲轴的等离子渗氮 220

4.4.4 齿轮的等离子渗氮 222

4.4.5 35CrMo钢制瓦楞辊的等离子渗氮 223

4.4.6 H13钢铝型材挤压模具的等离子处理与应用 226

4.4.7 双辉光渗金属的工业应用 233

4.4.8　钛及其合金的等离子氮化及应用 236

4.5　等离子渗碳与碳氮共渗表面处理技术 248

4.5.1 渗碳、碳氮共渗的原理与特点 248

4.5.2 等离子渗碳的设备 248

4.5.3 等离子渗碳、碳氮共渗工艺与应用 249

4.6　等离子渗硫、等离子硫氮共渗和硫碳氮共渗 252

4.6.1 等离子渗硫 252

4.6.2　等离子硫氮、硫碳氮共渗 252

4.7　电子束表面改性处理技术 254

4.7.1 电子束表面改性处理的特点 255

4.7.2 电子束表面改性处理的设备 255

4.7.3 电子束表面改性处理工艺 257

4.8.1 激光束表面改性工艺技术的特点 263

4.8　激光束表面改性处理技术 263

4.7.4 电子束表面改性处理技术的应用实例 263

4.8.2 激光束表面改性设备 264

4.8.3 激光表面改性工艺 265

4.8.4 激光束表面改性工程应用实例 275

4.9　离子注入与材料表面改性技术 277

4.9.1　概述 277

4.9.2 离子注入的基本原理和优缺点 277

4.9.3 离子注入机简介 279

4.9.5 离子注入的改性机理 286

4.9.4 离子注入的沟道效应、辐照损伤与辐照增强扩散 286

4.9.6 离子注入的应用 288

主要参考文献 301

5　化学气相沉积技术 303

5.1　概述 303

5.2　等离子体辅助化学气相沉积技术中等离子体的性质和特点 305

5.2.1 等离子体辅助化学气相沉积技术中等离子体的性质 305

5.2.2 等离子体辅助化学气相沉积的特点 307

5.3.1　装置 308

5.3　射频等离子体化学气相沉积技术 308

5.3.2 氮化硅膜的沉积工艺 311

5.3.3 二氧化硅膜的沉积工艺 315

5.3.4 非晶硅膜的沉积工艺 316

5.3.5 工业应用 317

5.4　直流等离子体辅助化学气相沉积技术 319

5.4.1 直流等离子体辅助化学气相沉积装置 319

5.4.2 直流等离子体辅助化学气相沉积炉 319

5.4.3　TiN膜层的沉积工艺 320

5.5.1 脉冲直流等离子体化学气相沉积设备 323

5.4.4　工业应用 323

5.5　脉冲直流等离子体化学气相沉积技术 323

5.5.2　沉积工艺 325

5.5.3　工业应用 330

5.6　激光化学气相沉积技术 336

5.6.1 激光化学气相沉积设备 336

5.6.2 激光化学气相沉积工艺 337

5.6.3　应用 340

5.7　金属有机化学气相沉积技术 341

5.7.1 金属有机化学气相沉积的原理 342

5.7.2　金属有机化学气相沉积设备 342

5.7.3 金属有机化学气相沉积工艺 344

5.7.4　MO源和新MO源 345

5.7.5 金属有机化学气相沉积技术的应用 348

5.8　微波等离子体化学气相沉积技术 350

5.8.1 微波等离子体化学气相沉积装置 351

5.9　分子束外延技术 352

5.9.1 概述 352

5.8.2 微波等离子体化学气相沉积工艺与应用 352

5.9.2 分子束外延的原理 354

5.9.3 分子束外延装置的结构与分类 355

5.9.4 分子束外延的生长工艺 359

5.9.5 分子束外延材料及其在器件上的应用 363

5.10　化学气相沉积金刚石薄膜 368

5.10.1　优异的性能 368

5.10.2 沉积制备金刚石薄膜的方法 369

5.10.3 激活低温低压气相生长的非平衡热力学理论 372

5.10.4 低温低压沉积金刚石薄膜的动力学因素 373

5.10.5 金刚石薄膜研究的主要进展和应用中应解决的重要技术与展望 380

主要参考文献 383

6　物理气相沉积技术 385

6.1　概述 385

6.1.1 气相沉积技术与物理气相沉积 385

6.1.2 离子与等离子体干预的物理气相沉积 386

6.1.3 物理气相沉积的特点 386

6.1.4 物理气相沉积技术的应用 388

6.2.2　真空蒸发原理 389

6.2.1　概述 389

6.2　真空蒸发 389

6.2.3　真空蒸发镀膜工艺 396

6.2.4　蒸发镀的应用 402

6.3　溅射镀膜 403

6.3.1　概述 403

6.3.2　溅射原理 405

6.3.3　溅射技术 416

6.3.4　溅射沉积 443

6.3.5　溅射镀膜的应用 446

6.4　离子镀 451

6.4.1 概述 451

6.4.2 离子镀物理原理 455

6.4.3 离子镀的工艺 461

6.4.4　直流二极型离子镀 464

6.4.5 三极型及多阴极型离子镀 464

6.4.6　射频离子镀 465

6.4.7 空心阴极离子镀 466

6.4.8 热阴极强流电弧离子镀 470

6.4.9 真空阴极电弧离子镀 472

6.4.10　磁控溅射离子镀 493

主要参考文献 501

7　表面复合离子处理技术 503

7.1　概述 503

7.2　离子注入与镀膜的技术复合 503

7.2.1 离子束辅助沉积技术 503

7.2.2 离子团束沉积 514

7.4　等离子喷涂与激光技术复合 518

7.4.1 用等离子喷涂与激光技术复合提高钢基材的性能 518

7.3　激光与气相沉积、电子束与气相沉积技术复合 518

7.3.2 电子束与气相沉积技术复合 518

7.3.1 激光与气相沉积技术复合 518

7.4.2 用等离子喷涂与激光技术复合提高精锻机芯棒的 519

高温高速锻打的使用寿命 519

7.4.3 激光雕刻柔版印刷用高线数陶瓷涂层网纹辊 519

7.5.3　纳米超硬多层膜 522

7.5.2　多层硬质耐磨膜 522

7.5.1 多层硬质复合膜与纳米多层膜沉积制备 522

7.5　多层硬质复合膜与纳米多层膜 522

主要参考文献 525

8　表面微细加工技术 526

8.1　表面微细加工技术简介 526

8.1.1 光刻加工 526

8.1.2 子束加工 530

8.1.3 离子束加工 532

8.1.4 激光束微细加工 537

8.1.5　超声波加工 538

8.1.6 微细电火花加工 540

8.1.7 电解加工 541

8.1.8　电铸加工 542

8.2　微细加工技术对微电子先进新技术发展的影响 544

8.2.1 微细加工技术是微电子技术的工艺基础 544

8.2.2　微电子微细加工技术 544

8.3.1 微机电系统加工技术的特点 546

8.3.2 微机电系统加工的典型器件与系统 546

8.3　微机电系统（Micro Electro-Me-Chanical,Mems）的加工技术 546

主要参考文献 550

9　表面分析和表面性能检测 551

9.1　表面分析 551

9.1.1　概述 551

9.1.2　表面分析分类 553

9.2　表面分析技术和仪器 555

9.2.1 显微分析方法 555

9.2.2　衍射分析方法 565

9.2.3　X射线光谱分析和电子探针 567

9.2.4 电子能谱方法 570

9.2.5 二次离子质谱 574

9.2.6 红外吸收光谱和拉曼光谱 575

9.3　表面性能检测 577

9.3.1 表面外观检测 577

9.3.2　覆盖层厚度的测量 581

9.3.3 覆盖层附着（结合）力测量 584

9.3.4 覆盖层硬度的测定 586

9.3.5 覆盖层孔隙率检测 591

主要参考文献 593