第一篇：材料表面技術(shù)

（2014-2015學(xué)年第一學(xué)期）；《高分子材料改性》；課程論文；題目：納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進(jìn)展；姓名：周凱；學(xué)院：材料與紡織工程學(xué)院；專業(yè)：高分子材料與工程；班級：高材121班；學(xué)號：201254575128；任課教師：蘭平；教務(wù)處制；2014年12月30日；納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進(jìn)展；摘要；通用塑料的高性能化和多功能化是開發(fā)新型材料的一個(gè)；一．

（2014-2015學(xué)年第一學(xué)期）《高分子材料改性》 課程論文

題 目： 納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進(jìn)展 姓 名： 周 凱

學(xué) 院： 材料與紡織工程學(xué)院 專 業(yè)： 高分子材料與工程 班 級： 高材121 班 學(xué) 號： 201254575128 任課教師： 蘭平教 務(wù) 處 制 2014年12月30日

納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進(jìn)展 摘 要

通用塑料的高性能化和多功能化是開發(fā)新型材料的一個(gè)重要趨勢, 而將納米粒子作為填料來填充改性聚合物, 是獲得高強(qiáng)高韌復(fù)合材料有效方法之一。本文對近年來納米增韌PVC 的制備方法, 增韌機(jī)理和發(fā)展趨勢進(jìn)行了說明。關(guān)鍵詞: 聚氯乙烯 納米材料 增韌

一． 研究背景 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 人們對材料性能的要求越來越高。聚氯乙烯作為第二大通用塑料, 具有阻燃、耐腐蝕、絕緣、耐磨損等優(yōu)良的綜合性能和價(jià)格低廉、原材料來源廣泛的優(yōu)點(diǎn), 已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)建材和其他部門。但是, 聚氯乙烯在加工應(yīng)用中, 尤其在用作結(jié)構(gòu)材料時(shí)也暴露出了抗沖擊強(qiáng)度低、熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。納米技術(shù)的發(fā)展及納米材料所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能, 給人們以重大的啟示。人們開始探索將納米材料引入PVC 增韌改性研究中, 并發(fā)現(xiàn)增韌改性后的PVC 樹脂具有優(yōu)異的韌性, 剛度及強(qiáng)度得到顯著改善, 而且熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性、耐老化性等也有較大提高, 納米復(fù)合材料已經(jīng)成為PVC增韌改性的一個(gè)重要途徑。本文主要介紹了近幾年來納米復(fù)合材料在PVC 增韌改性方面的研究現(xiàn)狀 和發(fā)展趨勢[1]。

二． 納米CaCO3 增韌PVC 碳酸鈣是高分子復(fù)合材料中廣泛使用的無機(jī)填料。在橡膠、塑料制品中添加碳酸鈣等無機(jī)填料, 可提高制品的耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性及剛度等,并降低制品成本, 成為一種功能性補(bǔ)強(qiáng)增韌填充材料, 受到了人們的廣泛關(guān)注。

2.1 納米CaCO3 增韌對PVC 力學(xué)性能的影響

魏剛等[ 2] 研究指出, 用CPE 包覆后納米CaCO3填充PVC 的沖擊強(qiáng)度均要比未包覆處理填充體系的略低, 而拉伸強(qiáng)度則相反。特別是在包覆小份量CaCO3(2 份)時(shí), 所得復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度甚至比PVC/ CPE(8 份)基體的低12%, 而拉伸強(qiáng)度則出現(xiàn)最大值, 比基體的高8.9% 左右, 如圖2-1 所示。

熊傳溪、王濤等[3] 研究發(fā)現(xiàn)兩種粒徑的納米晶PVC 均能起到顯著的增韌和增強(qiáng)作用, 且粒徑小的納米晶PVC 作用更明顯, 而且偶聯(lián)劑用量對試樣的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度也有很大的影響。

2.2 納米CaCO3對CPE/ACR共混增韌PVC力學(xué)性能的影響

如圖2-2所示，為CPE/ACR共混物對PVC沖擊強(qiáng)度的影響。從圖2-2中可以看出當(dāng)CPE/ACR/PVC為10/2/100時(shí)，共混體系的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大，明顯優(yōu)于單一CPE或單一ACR對PVC的增韌效果。這是由于10mpr的CPE在PBC基體相中可能已經(jīng)形成了完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以吸收部分沖擊能量而賦予共混體系一定的沖擊強(qiáng)度，而在此基礎(chǔ)上再添加2phr ACR后，由于核殼ACR在PVC 基體相以及CPE網(wǎng)絡(luò)中呈顆粒狀分布，它們誘發(fā)基體產(chǎn)生大量的剪切帶和銀紋而

圖2-1 兩種填充方法對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響 圖2-2 CPE/ACR共混物對PVC沖擊性能的影響

使材料的沖擊強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，較之單一增加CPE的用量有更好的改性效果，表現(xiàn)出明顯的協(xié)同增韌作用[9]。

圖2-3 PVC/CPE/改性納米碳酸鈣復(fù)合材料的SEM照片

古菊、賈德民等發(fā)現(xiàn)改性納米碳酸鈣與CPE互配，可以對PVC實(shí)現(xiàn)良好的協(xié)同增韌增強(qiáng)的效果，改性納米碳酸鈣的加入不僅有效地提高PVC/CPE體系的韌性和強(qiáng)度，還可提高材料的耐熱性能及可加工性能。剛性的改性納米碳酸鈣與彈性體氯化聚乙烯之間表現(xiàn)出良好的協(xié)同增韌效果。所制得的PVC/CPE/R-CaCO3復(fù)合

材料避免了常規(guī)的彈性體增韌聚氯乙烯所帶來的強(qiáng)度、剛度下降，耐熱性能降低、加工性能變差的弊端[4][5]。

2.3納米碳酸鈣填充型粉末丁苯橡膠增韌改性聚氯乙烯

張周達(dá)、陳雪梅將沖擊試樣的斷面噴金，在S4800型冷場電子顯微鏡發(fā)射 電子顯微鏡（SEM）上觀察斷口的形貌及CaCO3/SBR粒子在PVC基體中的分布時(shí)

[6]CO3/SBR量比為15:100時(shí)，隨著CaCO3/SBR改性劑中納米碳酸鈣含量的提高，PVC沖擊強(qiáng)度先升后降，當(dāng)納米碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%擊強(qiáng)度達(dá)到最大。說明在復(fù)合改性劑制備過程中，納米碳酸鈣和丁苯膠乳存在一個(gè)最佳配比，在此配比下 的增韌效果較好。蘇新清認(rèn)為，復(fù)合改性劑中納米碳酸鈣和丁苯橡膠形成的50nm米碳酸鈣粒子包藏于丁苯橡膠顆粒的結(jié)構(gòu)內(nèi)。據(jù)此可知，當(dāng)復(fù)合改性劑中納米碳酸鈣和丁苯橡膠的的質(zhì)量比為7:3苯橡膠相剛好對納米碳酸鈣粒子進(jìn)行有效包覆，實(shí)現(xiàn)橡膠彈性體和納米粒子的協(xié)同增韌[7]。

2.4聚丙烯酸酯/納米碳酸鈣復(fù)合增韌PVC 的研究

馬治軍，楊景輝[8]備了復(fù)合增韌改性劑聚丙烯酸酯/納米CaCO3(PA-C)，并將其用于硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC)中，（觀察表1）加復(fù)合改性劑PA-C后，其缺口沖擊強(qiáng)度大幅度提高，并且添加10份達(dá)到最大值88.64kJ /m2，較添加未改性納米CaCO3的PVC 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高了7 倍多。彎曲模量隨PA-C 添加量的增加明顯增大，拉伸強(qiáng)度僅稍微降低，說明PA-C 能較好分散在PVC 基體材料中，既起到較好的增韌效果，又起到一定的補(bǔ)強(qiáng)作用。這是由于PMMA 與PVC 溶解度參數(shù)相同，二者具有較好的相容性。納米CaCO3表面包覆有一定含量的PMMA，有效地改善了PVC 基體與納米CaCO3之間的相容性，而且聚丙烯酸酯聚合物中含有一定量的柔性單體聚丙烯酸丁酯，其在CaCO3粒子與基體間形成過渡層，利于能量吸收，而納米CaCO3為剛性粒子，其添加提高了復(fù)合材料的剛性和硬度。

三． 炭黑填充增韌PVC 導(dǎo)電炭黑是一種永久性抗靜電劑, 添加后材料不會(huì)因水洗、磨損等原因在長期使用中喪失抗靜電性能。炭黑還具有高的比表面積和高的表面能, 能吸收潤滑劑, 與PVC 界面結(jié)合良好。炭黑的填充還能使PVC的熔體粘度大大提高。

陳克正、張言波等[10]研究了納米導(dǎo)電纖維(nano-F)和華光炭黑(HG-CB)填充硬質(zhì)PVC 復(fù)合材料的電性能以及溫度對復(fù)合材料體積電阻率的影響及伏安特性, 發(fā)現(xiàn)隨填料用量的增加, 材料的電阻率逐漸降低。當(dāng)nano-F、HG-CB的填充量分別達(dá)到20、10 份時(shí), 電阻率急劇下降。這說明此時(shí)導(dǎo)電填料在PVC 基體中已基本形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò), 填充量繼續(xù)增加電阻率下降不大。nano-F 填充PVC 復(fù)合

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材料特性曲線均呈直線性,即其伏安特性為歐姆性,而；四．SiO2增韌改性PVC；為了改善PVC糊的流變性能及存放性能,陳興明等采；SiO2的PVC糊,其切力變稀性能可持久地保持,；其切力變稀性能不能持久保持；4.1納米粒子復(fù)合ACR改性聚氯乙烯；王銳蘭、王銳剛等[12]采用納米SiO2粒子作為；液聚合,用此種聚丙烯酸酯復(fù)合物和PVC樹脂共混,；PVC的改性劑，材料特性曲線均呈直線性, 即其伏安特性為歐姆性, 而HG-CB填充PVC 復(fù)合材料特性曲線偏離歐姆性。

四． SiO2 增韌改性PVC 為了改善PVC 糊的流變性能及存放性能, 陳興明等 采用納米級SiO2 填充到PVC糊中, 當(dāng)其用量達(dá)到一定值(12份)時(shí)可以賦予PVC 糊以明顯的切力變稀性能, 而普通超細(xì)SiO2 則不能給予PVC 糊以明顯切力變稀性能。填充納米級

SiO2 的PVC 糊, 其切力變稀性能可持久地保持, 而填充普通超細(xì)SiO2的PVC 糊, 其切力變稀性能不能持久保持。[11] 4.1 納米粒子復(fù)合ACR 改性聚氯乙烯

王銳蘭、王銳剛等[12]采用納米SiO2 粒子作為種子進(jìn)行聚丙烯酸酯的原位乳

液聚合, 用此種聚丙烯酸酯復(fù)合物和PVC 樹脂共混, 結(jié)果用偶聯(lián)劑MAPS預(yù)包覆納米SiO2 再進(jìn)行原位聚合的ACR, 如表2 所示, 當(dāng)SiO2 含量為10%時(shí)的ACR 作

PVC 的改性劑,有最高的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度(即破碎率最低), 具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

4.2 納米SiO2包覆HMPC接枝共聚

宇海銀[13] 等研究發(fā)現(xiàn), SiO2 經(jīng)SDS 預(yù)處理后包覆羥丙基甲基纖維素(HMPC), 并接枝PMMA, 隨著SiO2 /HPMC-PMMA、TiO2/HPMC-PMMA、ZnO/HPMC-PMMA 含量的增加, 沖擊強(qiáng)度隨之提高。當(dāng)復(fù)合粒子含量分別為10%、10%、20% 左右時(shí), 沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值61、62、68kJ/ m2。這比純PVC 的沖擊強(qiáng)度 52kJ/ m2 分別提高了19.2、25、31%。

4.3 納米SiO2添加量對復(fù)合材料性能的影響

田滿紅、郭少云[14] 通過超聲波、振磨等方法對納米粒子進(jìn)行表面處理, 以促進(jìn)納米粒子在基體中的均勻分散, 大幅度提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)納米SiO2 的添加量為3% 時(shí), 復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最好, 其拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度

和楊氏模量均有較大的提高。振磨處理時(shí)間對納米粒子改善復(fù)合材料性能也有影響。處理6h 時(shí)改善復(fù)合材料的沖擊性能效果最好。

4.4聚氨酯彈性體/納米二氧化硅協(xié)同改性聚氯乙烯及其力學(xué)性能

王士財(cái)、張曉東[15]等用聚氨酯(PU)彈性體/納米SiO2 復(fù)合材料協(xié)同改性聚

氯乙烯(PVC), 用反應(yīng)擠出一步法成型工藝制備了PU 彈性體/納米SiO2 /PVC 復(fù)合材料, 對擠出速率和溫度進(jìn)行了考察, 并對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明, 制備該復(fù)合材料的最佳工藝條件是螺桿轉(zhuǎn)速為40~ 50 r/m in、擠出機(jī)均化段溫度為180~ 190 ℃;用分散于液化二異氰酸酯中的納米SiO2 制備的復(fù)合材料的性能優(yōu)于用分散于聚醚二元醇中的納米SiO2;PU 彈性體

和納米SiO2 能協(xié)同增韌PVC, 兩者質(zhì)量比為5/1時(shí)增韌改性的效果最佳。當(dāng)PU 彈性體/納米SiO2 /PVC(質(zhì)量比)為5/1/20時(shí), 復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最優(yōu), 2沖擊強(qiáng)度達(dá)到45.6 kJ/m, 拉伸強(qiáng)度為50.3MPa。五.納米黏土填充增韌PVC PVC/納米黏土復(fù)合材料只需少量的納米黏土即可使PVC的韌性、強(qiáng)度和剛度顯著改善。因PVC分子鏈的運(yùn)動(dòng)受到限制，材料的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性提高，復(fù)合材料在二維或三維上均有較好的增韌和增強(qiáng)效果，不同層狀黏土可以賦予材料不同的功能。

Mahmood等[16]通過熔融混合制備了有機(jī)黏土增強(qiáng)PVC/丙烯腈－丁二烯－苯乙?。ˋBS）基體，并研究了納米黏土對PVC/ABS的形態(tài)、流變學(xué)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，加入納米黏土，使PVC/ABS共混物的增韌效果顯著增加。當(dāng)納米黏土的加入量為5％時(shí)，共混物的力學(xué)性能達(dá)到最佳。此外，添加順序?qū)︷ね猎赑VC/ABS/黏土納米復(fù)合材料中的分散也有顯著影響，通過選擇最佳的添加順序來控制納米黏土在共混物中的分布。

［17］Shimpi等用常規(guī)的雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融配共混制備PVC納米復(fù)合材料，并研究了有機(jī)物表面改性的蒙脫土（OMMT）對PVC納米復(fù)合材料性能的影響。從圖5-1可以看出，沖擊強(qiáng)度隨著OMMT含量的增加而提高，當(dāng)OMMT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12％時(shí)，PVC復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最高為4.4KJ/m2，如果OMMT的含量大于12％時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度則會(huì)下降。

圖5-1 ＰＶＣ納米復(fù)合材料簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度

Li等［17］采用震動(dòng)磨的固態(tài)剪切混合技術(shù)制備了PVC/高嶺土納米復(fù)合材料。經(jīng)該技術(shù)制備的納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度較傳統(tǒng)方法制備復(fù)合材料的顯著提高。PVC和高嶺土經(jīng)震動(dòng)磨處理后加工制備的復(fù)合材料中，PVC和片條狀高嶺土互相穿插，高嶺土在PVC基體中形成均一的分散，對PVC基體起到了較好的增強(qiáng)增韌效果。

Hemmati等［18］用2種方法制備出了有機(jī)納米黏土增強(qiáng)PVC/ABS基體復(fù)合材料，并研究了納米黏土對PVC/ABS的形態(tài)、流變學(xué)和力學(xué)性能的影響。一種方法為先將PVC和ABS在170℃熔融混合5min，再將黏土加入共混物中混合7min；另一種方法是先將ABS和黏土在170℃熔融混合5min，再將PVC加入共混物中混合7min。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混入黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％時(shí)，兩種方法所制備的納米復(fù)合材料的懸臂梁沖擊強(qiáng)度均達(dá)到最大值，且第二種方法制備出的納米復(fù)合材料的懸臂梁沖擊強(qiáng)度（65J/ｍ）及斷裂伸長率大于第一種方法制備的納米復(fù)合材料（45J/ｍ）。

六．“核－殼”納米粒子對PVC的增韌

將聚酯增塑劑分子通過化學(xué)反應(yīng)或物理作用固定在無機(jī)粒子表面形成“核－殼”結(jié)構(gòu)的粒子，將這種粒子與ＰＶＣ復(fù)合，一方面可限制增塑劑的遷移，另一方面可提高無機(jī)粒子的分散性，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)增塑、增強(qiáng)、增韌和提高耐熱性的目的。目前用“核－殼”納米粒子來提高脆性聚合物的韌性和沖擊性能已備受重視。

Chen等［20］通過乳液聚合在交聯(lián)苯乙烯－共丁二烯核上接枝聚苯乙烯和聚丙烯酸丁酯（PBA）合成了一種新穎的“核－殼”改性劑（MOD），并對其增韌PVC進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，MOD對PVC懸臂梁沖擊強(qiáng)度的提高有顯著作用，其中MOD中丙烯酸丁酯的含量對PVC/MOD的韌性增強(qiáng)時(shí)一個(gè)重要的因素；PVC/MOD的懸臂梁沖擊強(qiáng)度隨著MOD中丙烯酸丁酯的含量的增加而顯著提高，當(dāng)MOD中丙烯酸丁酯的含量為40％時(shí)，PVC/MOD的懸臂梁沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大為1200J/ｍ。

Yin等[21]首先對埃洛石?高嶺土和二氧化硅納米填料進(jìn)行表面改性,再嫁接上聚己二酸丁二醇酯(PBA)合成了“核-殼”納米粒子增塑劑,并將其混入PVC中制備了出高強(qiáng)度和韌性的復(fù)合材料?結(jié)果表明,相比于未改性的納米填料,用改性的納米填料制備的PVC/“核-殼”納米粒子的強(qiáng)度和韌性都有顯著提高?當(dāng)“核-殼”納米粒子的含量均為5%時(shí),用未改性的埃洛石?高嶺土和二氧化硅納米粒子嫁接PBA得到的“核-殼”納米粒子改性PVC制備的PVC/“核-殼”納米粒子的斷裂伸長率分別為5%?5%和7%;改性后的PVC/“核-殼”納米粒子的斷裂伸長率分別為90%?7%和120%? 七.其他無機(jī)納米粒子對PVC的增韌

硅灰石具有吸濕性小、熱穩(wěn)定性好、表面不易劃傷等優(yōu)點(diǎn)，用其填充聚合物，具有快速分散性和低的黏度，在提高沖擊、拉伸和撓曲強(qiáng)度等方面都優(yōu)于其他無 機(jī)填料，不足之處是多數(shù)硅灰石粉在加工溫度下顏色易變灰，從而影響材料的透明度。

楊中文等[22]將硅灰石經(jīng)硬脂酸稀土改性后,用于填充PVC-U 給水管材,并對管材性能進(jìn)行分析,結(jié)果表明,改性硅灰石可以提高管材的落錘沖擊強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度,當(dāng)粒徑在3μm 左右的硅灰石,質(zhì)量份數(shù)為25份時(shí),落錘沖擊強(qiáng)度達(dá)到1%?同時(shí)還使管材的維卡軟化溫度提高到92.4 ℃,縱向回縮率降低至1.03%,且硅灰 石粒徑越小提高越顯著? 程博等[23]利用超聲作用制備納米石墨微片(nano-Gs),并采用混酸對其進(jìn)行表面活化,最后通過熔融共混法制備PVC/nano-Gs復(fù)合材料?通過傅里葉紅外光譜和SEM 對nano-Gs的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,研究了nano-Gs對復(fù)合材料導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的影響?結(jié)果表明,隨著nano-Gs含量升高,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及缺口沖擊強(qiáng)度均先升高后降低,nano-Gs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及缺口沖擊強(qiáng)度均達(dá)到最大值,相比純PVC分別升高約14%和38%? 凹凸棒土是一種以含水富鎂硅酸鹽為主的黏土礦,具有特殊纖維狀晶體型態(tài)的層鏈狀過渡結(jié)構(gòu)?但是凹凸棒土與樹脂基體的結(jié)合并不好,當(dāng)材料受到外力時(shí)表現(xiàn)出脫黏現(xiàn)象?所以要將納米凹凸棒土進(jìn)行改性,改性后的納米凹凸棒土填充到PVC基體中,能顯著改善其力學(xué)性能? 鄭祥等[24]用鈦酸酯偶聯(lián)劑對凹凸棒土進(jìn)行表面改性,并研究了經(jīng)表面處理和未經(jīng)表面處理的凹凸棒土對PVC/ABS復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,用SEM 觀察了PVC/ABS復(fù)合材料的沖擊斷面微觀形貌和凹凸棒土的分散情況?從圖3可以看出,經(jīng)表面處理的凹凸棒土添加到PVC/ABS復(fù)合材料中缺口沖擊強(qiáng)度要好于未改性的,添加10份經(jīng)表面處理的凹凸棒土可以使復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度提高到

215.48kJ/m;未經(jīng)表面處理的凹凸棒土在添加15份時(shí),復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到

最高14.31kJ/m2?分析認(rèn)為,當(dāng)添加量逐漸增大時(shí),凹凸棒土在PVC/ABS復(fù)合材料中的團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重,此時(shí)凹凸棒土在材料中就是明顯的缺陷,對材料已沒有了增韌作用? 圖7-1 凹凸棒土含量對PVC/ABS復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度的影響 八．結(jié)語

通過本次的研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)國內(nèi)納米粒子填助劑發(fā)展已日新月異，例如2011年陳建軍等提出納米高嶺土的固相剪切碾磨制備及對PVC的增強(qiáng)增韌，許海燕等提出MWNT-g-PBA的制備及對PVC的改性，等等研究的推陳出新也使得國內(nèi)高分子行業(yè)呈現(xiàn)生機(jī)盎然的形式。國內(nèi)專家對納米粒子（最為廣泛的是CaCO3）對PVC 的彈性體增韌改性機(jī)理、有機(jī)剛性粒子增韌機(jī)理、無機(jī)剛性栗子增韌機(jī)理、纖維

狀填料增韌機(jī)理都有深厚的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

納米粒子增韌改性PVC，由于納米材料具有尺寸小，比表面積大而且產(chǎn)生量子效應(yīng)和表面效應(yīng)等特點(diǎn)，將納米材料引入到PVC增韌改性研究中，發(fā)現(xiàn)改性后的PVC樹脂同時(shí)具有優(yōu)異的韌性、加工流動(dòng)性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，特別是近年來，隨著納米粒子表面處理技術(shù)的發(fā)展，納米粒子增韌PVC已經(jīng)成為國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點(diǎn)。其增韌機(jī)理是納米粒子的存在產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)，引發(fā)周圍樹脂產(chǎn)生微開裂，吸收一定的變形功；納米粒子在樹脂中還可以起到阻止、鈍化裂紋的作用，最終阻止裂紋不致發(fā)展為破壞性開裂；由于納米粒子與基體樹脂接觸面積大，材料受沖擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的微開裂而吸收更多的沖擊能。

納米粒子由于其優(yōu)良的性能,在塑料的高性能化改性中的應(yīng)用前景非常廣闊?納米粒子增韌改性PVC具有諸多優(yōu)勢,但同時(shí)也存在著納米原料價(jià)格昂貴等致命缺陷?所以發(fā)展價(jià)格低廉的新型納米增韌增強(qiáng)劑,尋找更適用?更科學(xué)的納米材料,以獲得更好的增韌效果并最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),是納米粒子增韌改性PVC研究的一個(gè)極其重要的研究方向和努力目標(biāo)?此外,對于PVC納米復(fù)合材料,還應(yīng)深入研究其制備方法,探索更加完善的納米粒子表面改性技術(shù),進(jìn)一步增加粒子與PVC在納米尺度上的相容性,并深入研究PVC納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能,加強(qiáng)理論研究上的深度,使這一新材料能夠真正發(fā)揮其潛能? 個(gè)人認(rèn)為，納米材料發(fā)展至今，已經(jīng)步入人民生活的各個(gè)方面，對于PVC目前熱門的材料改性起到的作用也仍然受到各方面的限制，目前開發(fā)工業(yè)化比較多的例如CPE、ACR、EVA等這些高分子助劑然后添加納米粒子的方法使得共混的效果更加好，對增強(qiáng)和增韌也更有利，這些共混體系的缺口沖擊強(qiáng)度是未改性PVC的數(shù)倍之多，由此我個(gè)人覺得在PVC與其他高分子聚合物共混呈現(xiàn)不相容性時(shí)，添加CPE/ACR彈性體（做增溶劑）等方法提高PVC與其他高分子聚合物之間的相容性，從而增加界面黏附強(qiáng)度，對于今后的更多PVC復(fù)合材料有極大的意義。

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第二篇：表面改性技術(shù)綜述

表面改性技術(shù)綜述

表面改性是指采用某種工藝和手段使材料獲得與其基體材料的組織結(jié)構(gòu)性能不同的一種技術(shù)。材料經(jīng)過改性處理之后，既能發(fā)揮材料基體 的力學(xué)性能，又能使材料表面獲得各種特殊性能，如耐磨，耐腐蝕，耐高溫，合適的射線吸收等。

金屬表面改性技術(shù)在冶金、機(jī)械、電子、建筑、輕工、儀表等各個(gè)工業(yè)部門乃至農(nóng)業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪卸加兄鴱V泛的用途, 其種類繁多。除常用的噴丸強(qiáng)化、表面熱處理等傳統(tǒng)技術(shù)外,近些年還快速發(fā)展了激光、電子和離子等高能束表面處理技術(shù)。今后, 隨著物理學(xué)、材料學(xué)等相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展, 還將不斷涌現(xiàn)出新的表面改性技術(shù)。尤其是復(fù)合表面技術(shù)的發(fā)展, 有可能獲得意想不到的效果。金屬表面改性技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷創(chuàng)新, 將進(jìn)一步推動(dòng)其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用, 帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)有：表面形變強(qiáng)化、表面熱處理、表面化學(xué)熱處理、離子束表面擴(kuò)滲處理、高能束表面處理、離子注入表面改性等。

1、噴丸強(qiáng)化

噴丸處理是在受噴材料再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的一種冷加工方法, 是將彈丸在很高速度下撞擊受噴工件表面而完成的。噴丸可應(yīng)用于表面清理、光整加工、噴丸成型、噴丸校正、噴丸強(qiáng)化等方面。噴丸強(qiáng)化又稱受控噴丸, 不同于一般的噴丸工藝, 要求噴丸過程中嚴(yán)格控制工藝參數(shù), 使工件在受噴后具有預(yù)期的表面形貌、表層組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力場, 從而大幅度提高疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力。實(shí)施噴丸時(shí), 彈丸由專用的噴丸機(jī)籍助壓縮空氣、高壓水流或葉輪, 高速射向零件受噴部位。常用彈丸有球形鑄鐵丸、鑄鋼丸和其它非金屬材料制

成的彈丸。噴丸強(qiáng)化的效果用噴丸強(qiáng)度來表示, 與彈丸種類和形狀、碰撞速度和密度、噴射方位和距離、噴丸時(shí)間等因素有關(guān)。表面噴丸提高金屬材料疲勞強(qiáng)度的機(jī)理比較復(fù)雜, 涉及到塑性變形層(通常為011～018mm 厚)的組織結(jié)構(gòu)變化(如位錯(cuò)密度、亞晶粒尺寸)和殘余應(yīng)力的變化。因此, 只有合理控制表面變形層內(nèi)的變化, 才可能獲得預(yù)期的噴丸強(qiáng)化效果。

早在20 世紀(jì)20 年代, 噴丸強(qiáng)化就應(yīng)用于汽車工業(yè)。目前已成為機(jī)械制造等工業(yè)部門的一種重要的表面技術(shù), 應(yīng)用廣泛。涉及的材料除普通鋼外,還有高強(qiáng)度鋼和各種有色金屬;涉及的零件類型有彈簧、軸、齒輪、連桿、葉片、渦輪盤和飛機(jī)起落架組成件等。

2、傳統(tǒng)表面熱處理改性

傳統(tǒng)的表面熱處理技術(shù)可分為表面淬火和化學(xué)熱處理兩大類。它主要用來提高鋼件的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和疲勞極限。在機(jī)械設(shè)備中, 許多零件(如齒輪軸、活塞銷、曲軸等)是在沖擊載荷及表面磨損條件下工作的。這類零件表面應(yīng)具有高的硬度和耐磨性, 而心部應(yīng)具有足夠的塑性和韌性。因此, 為滿足其使用性能要求, 應(yīng)進(jìn)行表面熱處理。表面淬火 ○表面淬火是把零件的表層迅速加熱到淬火溫度后快冷, 使零件表面層獲得淬火馬氏體而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種淬火方法。表面淬火的目的是使零件獲得高硬度的表層, 以提高工件的耐磨性和疲勞性能, 而心部仍具有較好的韌性。其設(shè)備簡單、方法簡便, 廣泛用于鋼鐵零件。根據(jù)加熱方法的不同, 可分之為火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鸬拇阃笇右话銥?-6mm。其特點(diǎn)是設(shè)備簡單, 但加熱溫度高及淬硬層不易控制, 淬火質(zhì)量不穩(wěn)定, 使用上有局限性。感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)是: 加熱速度快, 零件變形小, 生產(chǎn)效率高, 淬火后表面能獲得優(yōu)良的機(jī)械性能;淬透層易控制, 淬火操作易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。但設(shè)備較貴, 形狀復(fù)雜零件的感應(yīng)器不易制造, 不宜單件生產(chǎn)。

2化學(xué)熱處理 ○化學(xué)熱處理是將金屬零件放在某種介質(zhì)中加熱、保溫、冷卻, 使介質(zhì)中的某些元素滲入零件表面, 從而改變零件表層成分、組織和性能的熱處理方法。與其他熱處理相比, 化學(xué)熱處理不僅改變了金屬的組織, 還改變了表面層的化學(xué)成分。根據(jù)滲入元素的不同, 可將化學(xué)熱處理分為三類(如表1 所示)。其中, 應(yīng)用最廣泛的是非金屬和金屬元素滲入的化學(xué)熱處理。

滲碳是向材料表面滲入碳原子的過程。鋼件滲碳后經(jīng)淬火, 回火處理, 可提高零件表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度, 而心部具有高的韌性。滲碳主要用作齒輪、活塞銷等零件。滲氮是向材料表面滲入氮原子的過程。鋼件滲氮的目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性

及疲勞強(qiáng)度。零件經(jīng)滲氮后不再需進(jìn)行其它熱處理。滲氮層具有比滲碳層更高的硬度、耐磨性和耐蝕性。由于滲氮溫度低, 所以處理前后零件的變形小。通常, 將零件表面滲入鉻、鋁等金屬元素的方法, 也稱為表面合金化。同滲碳相比, 滲金屬一般需要更高的溫度和更長的保溫時(shí)間, 滲層厚度也遠(yuǎn)比滲碳層薄得多。因?yàn)闈B入金屬原子在鋼中進(jìn)行的是置換擴(kuò)散, 需要更大的激活能?；瘜W(xué)熱處理原則上可應(yīng)用于一切金屬材料, 而化學(xué)介質(zhì)又無限多樣, 它在改善材料性能方面存在巨大的可能性。目前, 主要將化學(xué)熱處理用來改善鋼鐵零件的表面性能, 如鋼表面的滲碳、滲氮及碳氮共滲、滲鉻、滲鋁等。而在有色金屬材料中, 化學(xué)熱處理應(yīng)用較少。

3、高能束熱處理表面改性 隨著激光束、電子束、離子束等先進(jìn)的材料表面加熱和冷卻手段的廣泛應(yīng)用, 激光處理、離子注入等強(qiáng)化金屬材料表面層的新技術(shù)不斷涌現(xiàn), 從而誕生了激光表面淬火、離子注入強(qiáng)化等先進(jìn)高能束表面改性技術(shù)。

高能束熱處理的熱源通常是指激光、電子束、離子束、太陽能和同步輻射等。它們共同的特征是: 作用在材料表面上的功率密度高(≥103W/cm2), 為非接觸式加熱, 加熱、冷卻速度快, 熱作用區(qū)小, 可根據(jù)需要選擇。其定向作用在金屬表面, 使材料表層產(chǎn)生物理、化學(xué)或相結(jié)構(gòu)變化, 從而達(dá)到金屬表面改性的目的。近10 年來, 高能束熱處理技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展迅速, 特別是激光束熱處理技術(shù), 在汽車、冶金、紡織、機(jī)械、電子等工業(yè)中獲得了很多成功例證。激光表面改性 ○金屬材料的激光表面改性技術(shù)是70 年代中期發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。激光具有高輻射亮度、高方向性和高單色性三大特點(diǎn), 可實(shí)現(xiàn)材料表面的快速加熱和冷卻。其熱影響區(qū)的范圍很窄, 幾乎不影響周圍基體的組織。若將激光束作用在金屬表面上, 控制合適的工藝參數(shù), 可顯著改善其表面性能, 如提高金屬表面硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和耐高溫等性能。

目前激光熱處理在金屬材料中得到了大量應(yīng)用。除表面淬火外, 已經(jīng)應(yīng)用或正在開發(fā)的還有激光表面非晶化、涂覆、合金化和脈沖硬化等等。近年來, 把其它金屬表面涂層技術(shù)和激光相結(jié)合進(jìn)行的表面改性, 也獲得了成功。激光表面淬火是目前應(yīng)用最成功的激光表面熱處理技術(shù)。它是利用高功率密度激光束(功率密度103～105W/ cm2)掃描金屬材料表面, 材料表面吸收光束能量而迅速升溫到相變點(diǎn)以上, 然后移開激光束, 熱量從材料表面向內(nèi)部傳導(dǎo)發(fā)散而迅速冷卻(冷卻速度可達(dá)到104 ℃/ s), 從而實(shí)現(xiàn)快速自冷的淬火方式。激光表面淬火硬化層較淺, 通常為013 ～016mm。采用4～5kW 的大功率激光器, 能使硬化層的深度達(dá)3mm。由于激光加熱速度特別快, 工件表層的相變是在很大過冷度下進(jìn)行的, 因而得到不均勻的奧氏體細(xì)晶粒, 冷卻后轉(zhuǎn)變成隱晶或細(xì)針馬氏體。激光淬火比常規(guī)淬火的表面硬度高15 %～20 %以上, 可顯著提高鋼的耐磨性。另外, 表面淬硬層造成較大的壓力, 有助于其疲勞強(qiáng)度的提高。由于激光聚焦深度大, 在離焦點(diǎn)75mm 范圍內(nèi)的能量密度基本相同, 所以激光淬火處理對工件尺寸及表面平整度沒有嚴(yán)格的要求, 能對形狀復(fù)雜件(例如有拐角、溝槽、盲孔的零件)進(jìn)行處理;激光淬火變形非常小, 甚至難以檢查出來, 處理后的零件可直接送裝配線;另外, 激光加熱速度極快，表面無須保護(hù);同時(shí)工藝操作簡單, 也便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。由于具有以上一系列優(yōu)點(diǎn), 激光表面淬火發(fā)展十分迅速, 其在機(jī)械制造生產(chǎn)中的應(yīng)用將不斷拓展。

2電子束表面改性 ○電子束改性技術(shù)是近30 年發(fā)展起來的局部表面改性技術(shù)。電子束也是一種高能密度的熱源, 當(dāng)它作用于金屬表面時(shí), 可根據(jù)工件改性的要求, 調(diào)整電子束束斑直徑、功率密度、脈沖時(shí)間、作用形式等參數(shù), 使其組織、性能按照人們需要的方向改變。

電子束表面改性可分為: 電子束表面淬火、表面晶粒細(xì)化改性、表面合金化改性、表面涂覆和非晶化改性等。早期, 電子束技術(shù)主要用于薄鋼帶、細(xì)鋼絲的電子束退火改性和沖擊淬火等。目前美國已經(jīng)有比較完善的電子束加熱退火爐, 用于處理鈦、鈮、鋁、鉭及核反應(yīng)堆的金屬材料。世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家都先后開展了電子束改性的應(yīng)用工作。如美國的Sciaky 公司在電子束焊接設(shè)備的基礎(chǔ)上, 專門開發(fā)了用于電子束表面改性的設(shè)備。我國電子束表面改性實(shí)驗(yàn)始于1979 年, 但比激光表面改性技術(shù)的發(fā)展要緩慢得多, 其原因在于電子束改性設(shè)備、工藝的工業(yè)應(yīng)用尚需系統(tǒng)化。

電子束表面改性特別適用于處理易氧化的金屬、貴金屬以及半導(dǎo)體材料, 因?yàn)樗枰谡婵諚l件下進(jìn)行, 污染小, 材料不易氧化?？扇我膺x擇淬火部位進(jìn)行加熱, 其能量密度高達(dá)105W/ cm2 , 熱影響區(qū)極小;由于作用時(shí)間短, 材料變形小, 可實(shí)現(xiàn)高精度、高速度、無慣性控制。主要缺點(diǎn)在于:真空條件下處理, 不利于大型件和流水線操作, 靈活性和適應(yīng)性差, 生產(chǎn)效率低;易產(chǎn)生放射線, 有害健康, 需加防護(hù)措施。

3離子注入表面改性 ○采用離子注入技術(shù)作為金屬表面強(qiáng)化的研究始于70 年代初, 并已取得了可喜的成就。離子注入是根據(jù)被處理材料表面所需要的性能, 選擇適當(dāng)種類的原子, 使其在真空電場中離子化, 并在高壓下加速注入到材料表層。

離子注入將引起材料表層成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 以及原子環(huán)境和電子組態(tài)等微觀狀態(tài)的擾動(dòng),因此導(dǎo)致材料的各種物理、化學(xué)或力學(xué)性能的變化。

離子注入一般在常溫或低溫下進(jìn)行。整個(gè)過程均在真空中完成, 因而表面處理中無氧化和脫碳現(xiàn)象?？梢韵蚪饘倩蚝辖鸨砻孀⑷肴魏涡枰脑?不論它們本來是否互溶。離子注入的濃度可以很大, 不受溶解度的限制, 且與擴(kuò)散系統(tǒng)無關(guān)。離子注入后, 測不出工件的尺寸變化, 能保持原來的尺寸精度和表面粗糙度。在某些情況下, 由于濺射效應(yīng), 工件的表面粗糙度還會(huì)有一定程度的改善。其注入層和基體不存在的明顯的界面, 注入離子深度由離子具有的能量決定, 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作;且無廢物處理, 清潔、安全可靠。目前離子注入工藝已應(yīng)用于許多工業(yè)部門, 尤其是工、模具制造業(yè), 效果突出。若將離子注入繁雜多變而易控的工藝條件與各種后處理相結(jié)合, 有可能產(chǎn)生許多意想不到的效果, 更是為材料性能的挖掘提供了廣闊的天地。

第三篇：激光表面改性技術(shù)

1激光表面改性技術(shù)發(fā)展歷程

激光的發(fā)明及應(yīng)用是20世紀(jì)對人類文明及社會(huì)進(jìn)步影響最深遠(yuǎn)的重大科技成果之一，激光技術(shù)在材料科學(xué)及制造科學(xué)中的應(yīng)用，大大促進(jìn)了材料科學(xué)與工程及先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展激光表面改性是運(yùn)用高能激光束對工件表面進(jìn)行改變性能的技術(shù)，具有許多獨(dú)有的特點(diǎn)。從20世紀(jì)60年代激光問世以來，激光技術(shù)作為一門嶄新的高新技術(shù)，幾乎在各行各業(yè)都獲得了重要的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代中期大功率激光器的出現(xiàn)，使激光綠色再制造技術(shù)不僅在研究和開發(fā)方面得到迅速發(fā)展，在工業(yè)應(yīng)用方面也取得了長足進(jìn)步。經(jīng)過30年的迅猛發(fā)展，激光綠色再制造技術(shù)已在汽車、冶金、紡織等行業(yè)得到成功的應(yīng)用，獲得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。激光技術(shù)在我國經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了上千項(xiàng)科技成果，許多已用于生產(chǎn)實(shí)踐，激光加工設(shè)備產(chǎn)量平均每年以20％的速度增長，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問題，如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼、本鋼等大型鋼廠推廣，將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進(jìn)口的狀態(tài)，激光標(biāo)記機(jī)與激光焊接機(jī)的質(zhì)量、功能、價(jià)格符合國內(nèi)目前市場的需求，市場占有率達(dá)90％以上。激光具有四大特性:高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。激光的能最密度高（可達(dá)104-108 M/cm2)，作用于工件表面時(shí)形成局部高溫，基體的加熱速度和冷卻速度極快，般可達(dá)104-108 ℃/S。與傳統(tǒng)的熱加工技術(shù)相比，激光加工對基體的熱影響區(qū)小得多，因此工件一般不產(chǎn)生熱變形或變形量極小。此外，由于激光加工是光子與材料相互接觸，故而對環(huán)境的污染小，是名副其實(shí)的綠色加工技術(shù)。進(jìn)行激光表面改性處理的目的是為了制取與基體性能有較大差異的改性層，它包括激光淬火、激光表面合金化、激光熔覆等技術(shù)。激光淬火是運(yùn)用高能激光束對工件以定速度進(jìn)行掃描，使工件在激光照射下瞬間達(dá)到相變點(diǎn)以上高溫，然后以極高的速度冷卻，達(dá)到表面淬火的效果。激光表面合金化是添加某一種或幾種合金元素在基體表面，在激光束的照射下形成熔池，并與基體材料發(fā)生冶金反應(yīng)，獲得含基體元素和添加元素的合余改性層。激光熔覆是將某種合金直接熔焊在基體表面，它與激光表面合金化比較類似，但兩者的區(qū)別在于激光熔覆過程中表面改性層一般不摻雜基體元素。

表面工程

激光表面改性技術(shù)是提高金屬表面性能的有效手段，能夠大幅度提高工件的使用壽命。與其他一些金屬表面改性技術(shù)相比，激光表面改性技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)十分突出：○1激光表面改性層稀釋率低，且既可是多組元的化合物層，也可以是具有多種性能匹配的梯度涂層;○2激光表面改性層厚度容易調(diào)節(jié)，并可采用機(jī)加工的方式控制表面精度;○3激光表面改性層與基體呈牢固的冶金結(jié)合，不會(huì)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象;4○激光表面改性處理速度快，熱影響區(qū)小，不會(huì)引起基材性能和尺寸變化。

綜上所述，采用先進(jìn)的激光表面改性技術(shù)，直接在金屬表面制備一層具有低摩擦系數(shù)、優(yōu)異耐磨性能、優(yōu)異抗高溫氧化性能或優(yōu)異的生物力學(xué)相容性并與金屬基材之間為牢固冶金結(jié)合的特殊材料的冶金涂層，無疑是在保持金屬固有性能優(yōu)點(diǎn)的條件下，從根本上解決金屬性能缺點(diǎn)的最有效、最經(jīng)濟(jì)、最靈活和最具可設(shè)計(jì)性的方法之一。

2激光技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

激光加工是國外激光應(yīng)用中最大的項(xiàng)目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是kW級到10kW級CO2激光器和百瓦到千瓦級YAG激光器實(shí)現(xiàn)對各種材料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據(jù)1997~1998年的最新激光市場評述和預(yù)測，1997年全世界總激光器市場銷售額達(dá)32.2億美元，比1996年增長14％，其中材料加工為 8.29億美元，醫(yī)療應(yīng)用3億美元，研究領(lǐng)域1.5億美元。1998年總收入預(yù)計(jì)增長19％，可達(dá)到38.2億美元。其中占第一位的材料加工預(yù)計(jì)超過10 億美元，醫(yī)用激光器是國外第二大應(yīng)用。

我國科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差，許多有市場前景的成果停留在實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)階段；激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少、技術(shù)落后、可靠性差。國外不僅二級管泵浦的全固態(tài)激光器已用于生產(chǎn)過程中，而且二級管激光器也被應(yīng)用，而我國二極管泵浦的全固態(tài)激光器還處在剛開始研究開發(fā)階段。對加工技術(shù)的研究少，尤其對精細(xì)加工技術(shù)的研究更為薄弱，對紫外波激光進(jìn)行加工的研究進(jìn)行的極少。激光加工設(shè)備的可靠性、安全性、可維修性、配套性較差，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。而歐美及日本主要的大型船廠已大量采用激光加工技術(shù)。目前美國、歐洲等地區(qū)正在進(jìn)行大功率光纖激光工

表面工程

業(yè)加工設(shè)備的開發(fā) , 正在開發(fā)的有 2KW、6KW 輸出的工業(yè)級光纖激光器的加工設(shè)備的二次開發(fā)。我國已開發(fā)出了中小功率系列工業(yè)光纖激光設(shè)備 , 但大功率光纖激光器工業(yè)加工應(yīng)用尚是空白 , 在我國造船工業(yè)中幾乎還沒有使用激光加工技術(shù)。

激光表面改性技術(shù)是材料表面工程技術(shù)最新發(fā)展的領(lǐng)域之一。這項(xiàng)技術(shù)主要包括激光表面相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光沖擊硬化、激光非晶化及微精化等多種工藝。其中，激光相變硬化和激光熔覆是目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用最多的兩種工藝。

激光表面相變硬化: 與傳統(tǒng)熱處理工藝相比，激光表面相變硬化具有淬硬層組織細(xì)化、硬度高、變形小、淬硬層深精確可控、無須淬火介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，可對碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料所制備的零件表面進(jìn)行硬化處理。

激光熔覆:是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光幅照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基材表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)。

1、激光表面改性的技術(shù)特點(diǎn)

（1）可在零件表面形成細(xì)小均勻、層深可控、含有多種介穩(wěn)相和金屬間化合物的高質(zhì)量表面強(qiáng)化層?？纱蠓忍岣弑砻嬗捕取⒛湍バ院涂菇佑|疲勞的能力以及制備特殊的耐腐蝕功能表層；

（2）強(qiáng)化層與零件本體形成最佳的冶金結(jié)合，解決許多傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)難以解決的技術(shù)關(guān)鍵；

（3）易與其它表面處理技術(shù)復(fù)合，激光表面改性可以方便地與其它表面工程技術(shù)結(jié)合起來，產(chǎn)生所謂第二代表面工程技術(shù)——復(fù)合表面改性技術(shù)。可以綜合傳統(tǒng)表面改性技術(shù)與激光表面改性的優(yōu)勢，彌補(bǔ)甚至消除各自的局限性，展示了很大的潛力；

（4）由于高能量密度的激光作用，可實(shí)現(xiàn)工件快速加熱到相變溫度以上，并依靠零件本體熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)急冷，無須冷卻介質(zhì)，而冷卻特性優(yōu)異。形成的表面強(qiáng)化層 3

表面工程

硬度比常規(guī)方法處理的高15%~20%左右，添加合金元素和特殊的工藝方法，可顯著提高工件的綜合性能；

（5）激光束能量密度高，對非激光照射部位幾乎沒有影響，即熱影響區(qū)小，工件熱變形可由加工工藝控制到較小的程度，后續(xù)加工余量小。有些加工件經(jīng)激光處理后，甚至可直接投入使用；

（6）由于是無接觸加工，激光束的能量可連續(xù)調(diào)整，并且沒有慣性。配合數(shù)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)柔性加工。另外，激光束的可控性好，只要采用光學(xué)的束操作技術(shù)來適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)激光束至工件的不同部位，就可以實(shí)現(xiàn)精確的可選擇的材料局部表面改性?？商幚砹慵奶囟ú课患捌渌椒y以處理的部位，以及表面有一定高度差的零件，可進(jìn)行靈活的局部強(qiáng)化；

（7）無須真空條件，即使在進(jìn)行特殊的合金化處理時(shí)，也只需吹保護(hù)性氣體即可有效防止氧化及元素?zé)龘p；

（8）易于實(shí)現(xiàn)信息化、智能化，可以引入近代計(jì)算機(jī)、機(jī)器人等高技術(shù)裝備，使激光束的產(chǎn)生及操縱信息化、智能化，例如已推出的可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀立體工件的多種類表面工程的五軸聯(lián)動(dòng)激光柔性加工中心，它作為一種新型的光、機(jī)、電一體化的工作母機(jī)，顯示了很大的市場競爭能力。另外，配有計(jì)算機(jī)控制的多維空間運(yùn)動(dòng)工作臺的現(xiàn)代大功率激光器，特別適用于生產(chǎn)率很高的機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)；

（9）激光器本身具有很大的發(fā)展?jié)摿?，產(chǎn)生激光束的裝置無論品種還是效率都有很大的發(fā)展?jié)摿?2、半導(dǎo)體激光表面改性

最近十年，激光熔覆技術(shù)已被用來修復(fù)各種零件的破損部分。然而YAG和CO2激光器產(chǎn)生的與材料尤其是金屬材料耦合不夠理想的激光束和成本高的問題一直阻礙著該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。通過調(diào)整激光熔覆條件可以取得進(jìn)展，但是仍然面臨著熱循環(huán)對基體金屬會(huì)產(chǎn)生較大影響這一難題。半導(dǎo)體激光器有望解決這一難題。因此半導(dǎo)體激光熔覆技術(shù)將為零件破損部分的修復(fù)開辟一個(gè)全新的領(lǐng)域。該技術(shù)的推廣有利于報(bào)廢零件的循環(huán)再利用，從而可以大大節(jié)約成本。

3、集成化激光智能制造及柔性加工[2-4]

激光表面改性本身就是材料科學(xué)與工程、激光、現(xiàn)代制造、計(jì)算機(jī)控制、智能測量等多學(xué)科或?qū)W科方向的跨學(xué)科結(jié)合的產(chǎn)物，因此針對重大工程應(yīng)用目標(biāo)，例如汽車沖壓模，研制集成化的激光智能制造及柔性加工系統(tǒng)具有重要意義。

表面工程

激光柔性加工是新興的加工技術(shù),其過程仿真的研究從一開始就可以綜合考慮幾何與物理層面以進(jìn)行完整仿真。以汽車覆蓋件模具的激光表面硬化過程為例,綜合分析影響其加工效果的各種加工因素，建立激光硬化加工工藝力學(xué)模型，并嵌入到虛擬激光柔性加工平臺中，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行完整的過程仿真。

激光柔性加工是由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對不同批量、不同種類的產(chǎn)品采取不同激光加工方式(切割、焊接、表面處理等)，進(jìn)而提高設(shè)備利用率，縮短產(chǎn)品周期，提高對市場的響應(yīng)速度和競爭能力的一種自動(dòng)化加工。激光加工方式不同，即與材料的作用機(jī)理不同,因此不可能建立一個(gè)可以囊括所有機(jī)理的物理模型,但虛擬加工平臺是針對柔性設(shè)備而建，故可以建立一個(gè)統(tǒng)一的虛擬激光加工平臺、統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)。將不同激光加工方式的物理模型嵌入虛擬平臺中就可以進(jìn)行完整過程仿真。激光柔性加工過程是加工機(jī)器人將激光加工頭帶到需要加工的加工區(qū),加工頭以一定方向輸出激光來加工材料(切割、焊接、表面處理等)。3.激光表面工程技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域

石油和冶金行業(yè)的應(yīng)用 目前，我國冶金行量已有二十多家相繼組建成功和將籌建激光加工中心，進(jìn)行冶金機(jī)械備件的激光表面淬火、熔覆、合金化、軋輥表面激光毛化(刻花)、薄鋼板激光切割、焊接等激光表面加工技術(shù)。從對我國部分鋼鐵企業(yè)應(yīng)用激光加工技術(shù)的考察表明：激光加工設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠、加工成本低、加工工藝技術(shù)成熟、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著?？梢岳眉す獗砻鎻?qiáng)化處理冶金大宗消耗備件，例如：鑄鐵軋輥、鑄鋼軋輥、園盤熱鋸片、熱剪刃、輸送輥、扭轉(zhuǎn)輥、導(dǎo)衛(wèi)、導(dǎo)衛(wèi)盒、撓結(jié)機(jī)滑板角合器、軋機(jī)人字齒輪軸、齒接手、天車輪、減速機(jī)齒輪、齒輪軸、平面蝸桿、拉絲機(jī)卷筒、塔輪、托輥、鏈輪、鏈板、銷套、銷軸等形狀各異、大小不等的備件。如新疆八一鋼鐵公司對齒輪、軸、天車輪導(dǎo)衛(wèi)、軋輥等的激光強(qiáng)化處理，硬度均提高0.5~1倍以上。汽車和磨具行業(yè)的應(yīng)用

在汽車工業(yè)方面，激光表面強(qiáng)化工藝有廣泛的應(yīng)用前景。它可以改善工件表面的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能。延長在各種惡劣工作條件下工作的汽車零部件如軸承、軸承保持架、氣缸、襯套、活塞環(huán)、凸輪、心軸、閥門和傳動(dòng)構(gòu)件等的使用壽命，從而提高汽車整體的使用性能。目前全球汽車制造商對生產(chǎn)量最大的6缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸大都已采用球墨鑄鐵材質(zhì)。球鐵經(jīng)激光表面強(qiáng)化處理后，可使其軸頸的耐磨性有較大幅度提高。激光表面強(qiáng)化是一種局部的表面處理的好方法，特別適于不要求整體強(qiáng)化或其它方法難以處理的零件。對于汽車上所用各種牌號的鑄鐵、碳鋼、低合金鋼、工具鋼、彈簧鋼等零件有一定的應(yīng)用前景。激光表面改性技術(shù)在模具行業(yè)受到了廣泛的重視和推廣，在經(jīng)濟(jì)效益和項(xiàng)目開發(fā)上呈現(xiàn)

表面工程

不斷上升的趨勢。美國莫斯德克公司采用屏蔽方法，成功地對模具刃口實(shí)施了激光淬火。即通過適當(dāng)?shù)钠帘?，使激光輻射在刃口的兩?cè)面上，熱量由金屬體傳達(dá)刃口，使其控制在相變溫度范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)淬火的目的。該方法還適用于汽車增壓渦輪葉片排氣邊的熱處理。具體做法是用不銹鋼薄壁管作為屏蔽物，管內(nèi)通水冷卻，流量為5加侖／秒。管子離開刃口一定距離，激光直對刃口掃描，模具刃口兩側(cè)面受熱，熱量由兩側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)而匯合于刃口，從而使刃口部位的溫度控制在淬火所需溫度以實(shí)現(xiàn)淬火。激光綠色再制造的未來

激光綠色再制造技術(shù)，是未來工業(yè)應(yīng)用潛力最大的綠色再制造技術(shù)之一。具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于機(jī)械

電器

航空

兵器

汽車等制造行業(yè)。利用激光表面處理技術(shù)在一些表面性能差和價(jià)格便宜的基體金屬表面合金層，用以取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴金屬和戰(zhàn)略材料，使廉價(jià)材料獲得應(yīng)用，從而大幅度降低成本。還可以用來研制新材料和代用材料，制造出在性能上與傳統(tǒng)冶金方法根本不同的表面合金，應(yīng)用在太空

高溫和化學(xué)腐蝕環(huán)境條件下的機(jī)械零件上。還可推廣應(yīng)用于冶金、機(jī)械和船舶維修中，關(guān)鍵部件的尺寸修復(fù)，例如各種軋機(jī)軋輥、大型船舶的艉軸、軸承座，發(fā)電機(jī)、舵機(jī)、錨機(jī)等輔機(jī)軸，各種閥門密封面、泵軸套、柱塞、機(jī)械密封環(huán)等運(yùn)動(dòng)部件，這些部件往往由于關(guān)鍵部位磨損超差，不能使用，針對部件材質(zhì)、磨損形式和使用條件，選擇適當(dāng)?shù)募す獗砻鎻?qiáng)化技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，壽命甚至比原部件高。激光綠色再制造已呈現(xiàn)出具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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表面工程

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第四篇：不銹鋼表面處理技術(shù)

鍍鈦板系列：通過離子真空鍍膜機(jī)進(jìn)行加工處理，從而在不銹鋼板面形成豐富多彩的金屬膜。

應(yīng)用范圍：主要用在建筑裝璜、電梯裝璜、廚房設(shè)備、設(shè)施裝璜等不銹鋼系列產(chǎn)品。

發(fā)絲板系列：用適當(dāng)粒度拋光砂帶的連續(xù)研磨花紋的產(chǎn)品，具有較佳的光澤度（干發(fā)絲光澤度較低）

和紋板系列：通過對不銹鋼表面不斷的壓力研磨，形成不規(guī)則的橫向短彎絲

應(yīng)用范圍：主要用在建筑裝璜、電梯裝璜、廚房設(shè)備、設(shè)施裝璜等不銹鋼系列產(chǎn)品。

蝕刻板系列：通過在不銹鋼板表面絲網(wǎng)印刷、烘干后，浸入化學(xué)腐蝕液中，通過化學(xué)反應(yīng)，腐蝕掉部分表面，從而在不銹鋼表面形成各種設(shè)計(jì)圖形。

應(yīng)用范圍：用于電梯裝潢、電器產(chǎn)品、建筑裝飾、廚房設(shè)備、室內(nèi)外設(shè)計(jì)裝潢等不銹鋼系列產(chǎn)品。

壓花板系列：通過機(jī)械設(shè)備在不銹鋼板上進(jìn)行壓紋加工，使板面出現(xiàn)凹凸圖紋。

應(yīng)用范圍：主要用在建筑裝璜、電梯裝璜、廚房設(shè)備、設(shè)施裝璜等不銹鋼系列產(chǎn)品。

鏡面板系列：用研磨液通過拋光設(shè)備在不銹鋼板面上進(jìn)行拋光，使板面光度像鏡子一樣清晰。

應(yīng)用范圍：主要用在建筑裝璜、電梯裝璜、工業(yè)裝璜、設(shè)施裝璜等不銹鋼系列產(chǎn)品。

第五篇：表面技術(shù)

涂層技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

黃亞博

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 洛陽, 471000）

摘要：隨著我國航天技術(shù)快速發(fā)展和對先進(jìn)海洋工程裝備的需求日益強(qiáng)烈，關(guān)鍵部件材料的表面性能要求越來越高。然而，單從提高材料自身性能的角度來滿足對高性能的要求幾乎是不可能的。涂層技術(shù)是表面工程技術(shù)中提高材料表面性能的一種重要方法，它能夠在不破壞材料自身性能的前提下，對材料表面性能進(jìn)行強(qiáng)化，使材料或部件表面具備耐磨、耐蝕、抗氧化、耐熱、絕緣、密封和隔熱等性能中的一種或幾種。因此，涂層技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)航天、海洋工程裝備材料最終性能的重要手段。本文對航天、海洋工程裝備中涉及到的材料表面改性技術(shù)、應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了綜述。最后，展望了涂層技術(shù)將來的研究方向。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵部件；涂層；表面性能 前言

腐蝕與防護(hù)，一直是航空領(lǐng)域中倍受關(guān)注的課題。據(jù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家統(tǒng)計(jì)，每年因腐蝕所造成的經(jīng)濟(jì)損失占國民生產(chǎn)總值的2%~4%；我國每年因腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200 億元[ 1 ]；美國空軍1992年用于腐蝕的維修費(fèi)用高達(dá)7.18 億美元。采用各種表面防護(hù)技術(shù)能夠有效地控制腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生和擴(kuò)展，減輕腐蝕造成的損失。表面技術(shù)是表面處理、表面涂層及表面改性的總稱。表面技術(shù)是應(yīng)用物理、化學(xué)和機(jī)械加工來改變材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)等使材料本身具有某些特殊性能[ 2 ]。表面涂層是改變表面性能的一種重要手段，將涂料一次施涂所得到的固態(tài)連續(xù)膜，是為了防護(hù)，絕緣，裝飾等目的，涂布于金屬，織物，塑料等基體上的塑料薄層。涂料可以為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，通常根據(jù)需要噴涂的基質(zhì)決定涂料的種類和狀態(tài)。涂層在材料或工件上所占質(zhì)量及體積比例雖然很小，但對其提高材料性能、延長零件工作性能的作用卻十分顯著[ 3 ]。涂層技術(shù)的意義

國外文獻(xiàn)報(bào)道，有75％以上的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加有金屬或陶瓷涂層以改進(jìn)其性能和可靠性[ 4 ]。在當(dāng)代先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)如微電子、光學(xué)、航空航天領(lǐng)域中的作用也非常重要。同時(shí)大多數(shù)涂層往往工作環(huán)境惡劣，承受著各種復(fù)雜的載荷，因此如何延長涂層的工作壽命、高相關(guān)性能始終是涂層制備工藝具有挑戰(zhàn)性的課題。隨著科技發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)，僅僅通過提高材料表面的耐磨耐蝕性，也能大大提高材料的使用壽命，從而就有了涂層技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。涂層技術(shù)概念的提出與發(fā)展應(yīng)用, 對工業(yè)科技發(fā)展具有了重大的影響和推動(dòng)意義[ 5 ]：

(1)涂層技術(shù)不僅可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，還能夠滿足不同服役條件下產(chǎn)品的外觀。能夠提高產(chǎn)品的使用壽命、可靠性和市場競爭力。

(2)涂層技術(shù)是一種節(jié)約成本、減少消耗的手段。采用有效涂層保護(hù)手段，至少可減少腐蝕損失15%，減少磨損損失33%左右[ 6 ]。

(3)涂層技術(shù)在制備新型材料方面具有特殊的優(yōu)勢。通過表面原位合成技術(shù)，能在低成本基礎(chǔ)上在工件表面制備出性能優(yōu)良的新型合金材料涂層，很好滿足了工業(yè)、航空航天工業(yè)對高性能零部件表面的需求[ 7]。涂層技術(shù)的分類及應(yīng)用

依據(jù)涂層的主要功用不同，涂層可分為封嚴(yán)涂層、耐磨涂層、抗腐蝕涂層、抗氧化涂層、熱障涂層、鈦合金阻燃涂層等幾種類型[ 8]。3.1 封嚴(yán)涂層

封嚴(yán)涂層一般涂層于轉(zhuǎn)子軸、鼓簡、軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)葉片葉尖、壓氣機(jī)和渦輪各級之間的封嚴(yán)裝置表面[ 9 ]，以控制間隙、減少泄露損失。封嚴(yán)涂層可分為兩類，一類是可磨耗涂層，另一類是主動(dòng)磨削涂層。3.1.1 可磨耗涂層

可磨耗涂層，即為噴涂在與轉(zhuǎn)動(dòng)件相配合的靜子環(huán)帶上的允許磨耗的軟涂層，要求具有良好的潤滑性、執(zhí)沖蝕性、熱穩(wěn)定性。涂層材料一般利用Al，Cr，Ni等金屬或合金、金屬間合物的良好抗氧化性和熱絕緣性材料作耐高溫基體，輔以石墨、氮化硼、硅藻土等磨損性好的材料作潤滑劑。3.1.2 主動(dòng)磨削涂層

主動(dòng)磨削涂層是噴涂在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子封嚴(yán)算齒(如渦輪葉片的葉冠算齒)上的硬度較高的涂層，它磨削與其對應(yīng)的密封環(huán)上的可磨耗涂層，但本身盡量不受磨損。因此除了硬度高外，還要具有與基體結(jié)合強(qiáng)度高、隔熱性能好的特性。3.2 耐磨涂層

磨損是航空然氣禍輪發(fā)動(dòng)機(jī)比較常見且危害較大的故障，按其形式可分為磨粒磨損、沖蝕磨損和微動(dòng)磨損等幾種類型[ 10 ]。磨粒磨損主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子軸及其軸承等承受較大機(jī)械負(fù)荷有相對運(yùn)動(dòng)的部件，通?？扛纳茲櫥瑏斫档湍p程度;而沖蝕磨損和微動(dòng)磨損常發(fā)生在沒有潤滑或不能潤滑的機(jī)件，應(yīng)用耐磨涂層可有效減輕磨損。按其主要功能不同，耐磨涂層又可分為耐沖蝕磨損涂層和耐微動(dòng)磨損涂層[ 11 ]。3.2.1 耐沖蝕磨損涂層

沖蝕磨損主要發(fā)生在氣流通道，是含有固體粒子的氣流高速?zèng)_刷葉片造成的。大氣中含有各種粉塵，對于經(jīng)常執(zhí)行低空飛行任務(wù)的直升機(jī)，沖蝕磨損是其渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)失效的主要形式[ 12 ]。渦輪葉片、渦輪機(jī)匣也會(huì)發(fā)生沖蝕磨損。沖蝕磨損使葉型受到破壞，致使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，并且沖蝕點(diǎn)還會(huì)成為疲勞源，造成葉片裂紋甚至斷裂，導(dǎo)致危害性故降發(fā)生。在受沖擊的機(jī)件表面噴涂高密度、高硬度的合金或金屬間化合物材料涂層，可增加機(jī)件表面的硬度，增強(qiáng)耐沖蝕性能。3.2.2 耐微動(dòng)磨損涂層

微動(dòng)磨損產(chǎn)生在有一定正壓作用、工作中有徽小位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)接觸表面，也稱振動(dòng)磨損[ 13 ]?；ハ嗯浜匣蚧ハ嘟佑|的兩個(gè)機(jī)件，在振動(dòng)或交互應(yīng)力的作用下都可能發(fā)生微動(dòng)磨損。由于航空始?xì)鉂欇啺l(fā)動(dòng)機(jī)要求重輕，采用柔性結(jié)構(gòu)多，加之溫度變化大，并大量使用鋁、鎂、鈦合金和鎳基合金，微動(dòng)磨損尤為嚴(yán)重[ 14 ]。壓氣機(jī)葉片的減振凸臺阻尼面和渦輪葉片葉冠阻尼面等是微動(dòng)磨損多發(fā)部位。微動(dòng)磨損的主要危害是所造成的表面損傷不斷發(fā)展，會(huì)加快諸如疲勞磨損等其他形式的故障產(chǎn)生，導(dǎo)致機(jī)件失效。根據(jù)微動(dòng)磨損部位不同的工作條件和材料，噴涂各種耐微動(dòng)磨損涂層，可有效降低微動(dòng)磨損程度，延長機(jī)件的使用壽命。3.3 抗氧化防腐蝕涂層

抗氧化防腐蝕涂層的主要作用是防止高溫、高壓、高速和高腐蝕性的燃?xì)鈱Πl(fā)動(dòng)機(jī)熱部件金屬表面的沖蝕作用，從而減少金屬部件產(chǎn)生氧化、熱腐蝕、合金元素貧化和熱疲勞等破壞。已經(jīng)應(yīng)用的抗氧化防腐蝕涂層，主要有鋁化合物(如NiAl、CoAl或FeAl)涂層MCrAlY(M=Ni，F(xiàn)e或Co等)合金涂層以及高溫陶瓷涂層[ 15 ]。目前正在研究的增加抗氧化防熱腐蝕性能的方法有：①采用既有擴(kuò)散鋁化物又有包覆MCrAlY的化學(xué)改性工藝；②添加增加抗氧化防熱腐蝕性能和提高與基體結(jié)合力的有關(guān)元素，如Hf、Ta和Re等。3.4 熱障涂層

熱障涂層對氣路的熱量有良好的隔斷作用，而且還具有明顯改善部件抗熱疲勞和抗氧化性。普遍應(yīng)用于渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、燃燒室和加力燃燒室簡體。一般以多層結(jié)構(gòu)形式與底層組合使用，底層起抗氧化和與基體粘接的作用，表層是隔熱層。熱障涂層工藝目前主要采用等離子噴涂、濺射沉積和電子束物理氣相沉積。典型的一種熱障涂層是在抗氧化MCrAIY底層上施加Y203穩(wěn)定化的Zr02隔熱涂層形成的復(fù)合涂層。美國某實(shí)驗(yàn)室研究表明，該熱障涂層的隔熱效果可達(dá)189 ℃，這將為更有效地提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和使用壽命展示了良好的前景[ 16 ]。

3.5 高溫耐磨涂層

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是在高負(fù)荷和不同振動(dòng)頻率下工作的，而且還受到高溫、高壓、高速、強(qiáng)腐蝕和帶有碎片氣流產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖刷，產(chǎn)生各種形式的磨損。磨損一度成為發(fā)動(dòng)機(jī)零件損壞的主要原因。采用耐磨涂層保護(hù)后，報(bào)廢率大大降低，可見，合理地選用耐磨涂層，改善發(fā)動(dòng)機(jī)零件的耐磨性能是十分重要的。目前應(yīng)用的高溫耐磨涂層主要有WC涂層、Cr3C2涂層、TiC涂層、Ni-Cr-B-Si合金涂層、鎳包鋁涂層和氧化物涂層(如Al2O3、ZrO2、Cr203和TiO2等)以及各種復(fù)合涂層[ 17 ]。一般采用等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速噴涂等工藝制取涂層?？傊邷赝繉右呀?jīng)成為現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)制造中不可缺少的材料。在不斷發(fā)展新型更耐熱的合金材料和更有效的冷卻技術(shù)的同時(shí)，大力發(fā)展高溫防護(hù)涂層是更有實(shí)效的新技術(shù)。目前人們正對具有梯度成分和多層結(jié)構(gòu)的新型高溫涂層進(jìn)行大量的研究工作，這樣的涂層可以在更高的溫度和較陡的溫度梯度下工作，獲得較好的隔熱效果和抗剝落能力。3.6 鈦合金阻燃涂層

由于欽合金具有密度小、耐熱性及抗腐蝕性好、機(jī)械強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)已普遍采用鈦合金作為壓氣機(jī)機(jī)匣、轉(zhuǎn)子盤、轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片和風(fēng)扇葉片等部件的材料，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量,提高推重比。但普通鈦合金對持續(xù)然燒敏感，在高溫、高壓或劇烈沖擊下易起火燃燒，嚴(yán)重危害著飛行安全。用其它材料代替杖合金。如采用合金鋼壓氣機(jī)靜子機(jī)匣、用鎳合金做高壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子材料，雖有效解決鈦合金燃燒問題，但是卻不同程度地增加了發(fā)動(dòng)機(jī)重量,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。目前還沒有更好的材料完全取代鈦合金在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)鈦合金仍然是不可或缺的航空材料。為了保證鈦合金的使用安全性，國外的航空材料學(xué)家一直致力于鈦合金阻燃燒涂層的研究，并取得了一定的研究成果。鈦合金阻染涂層目前主要用于鈦合金材料制成的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣內(nèi)環(huán)[ 18 ]。應(yīng)用于轉(zhuǎn)子葉片的阻燃涂層要具有較高的硬度、良好的抗腐蝕性和抗熱蠕變疲勞性能，且涂層表面應(yīng)有很高的光沽度，以減少對氣流的葉片附面層阻力。用于機(jī)匣內(nèi)環(huán)的涂層，應(yīng)同時(shí)具有封嚴(yán)涂層的功能，以提高壓氣機(jī)效率。鈦合金阻燃涂層一般采用PVD法,CVD法以及常規(guī)的電被方法。鈦合金機(jī)匣的阻燃涂層一般用VPS法和爆炸噴涂等熱噴涂工藝制備[ 19 ]。涂層技術(shù)的發(fā)展方向

工業(yè)科技的發(fā)展促進(jìn)了涂層技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)，涂層技術(shù)的發(fā)展也必須適應(yīng)工業(yè)科技的發(fā)展?，F(xiàn)代涂層技術(shù)要在未來的工業(yè)中體現(xiàn)出巨大的作用，必須從以下方面做出深入研究和改進(jìn):

(1)深化涂層理論的改善和測量儀器的研究從微觀的角度分析摩擦磨損的機(jī)理，研究涂層在摩擦學(xué)在工業(yè)中的應(yīng)用。研究在線監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行在線監(jiān)測，形成相關(guān)嚴(yán)密的覆層失效評估體系。

(2)研究開發(fā)新型涂層材料。涂層材料是制備優(yōu)良涂層的物質(zhì)基礎(chǔ)，不斷開發(fā)優(yōu)良的耐磨耐腐蝕以及不同環(huán)境需求的優(yōu)質(zhì)涂層材料是保證表面工程強(qiáng)大生命力的基礎(chǔ)，開發(fā)在表面工程技術(shù)加工過程中自形成新材料的功能涂層能夠更加顯示出表面工程的優(yōu)越性。

(3)開發(fā)多功能涂層。隨著工業(yè)的發(fā)展，許多行業(yè)需要特殊涂層,如防滑涂層、隱身涂層、吸熱涂層、隔熱涂層、導(dǎo)電涂層、催化涂層等，采用激光、高能電子束、離子束等現(xiàn)代先進(jìn)表面技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，制備特殊結(jié)構(gòu)，特殊要求的功能涂層，具有很好的發(fā)展前景。

(4)實(shí)現(xiàn)涂層工程的清潔生產(chǎn)。表面工程基本來說是屬于節(jié)能環(huán)保型工程，但某些技術(shù)任然存在污染問題，比如涂裝、電鍍熱處理等。研究從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行全過程的無污染的、節(jié)約型的、再生的涂層技術(shù)工程，也是涂層技術(shù)工程一個(gè)基本發(fā)展趨勢。

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