十论现代表面工程

李金桂

（中航工业北京航空材料研究院，北京 100095）

笔者几十年来长期从事“航空材料”、“腐蚀控制”和“表面工程”方面的研究工作，在“表面工程”领域发表了《现代表面工程设计手册》等六部专著[1—6]和大量论文，其中以“表面工程”为主题的论文有九篇，如“表面工程学形成与发展”、“再论现代表面工程”等[7—11]。本文作为延续，定名为“十论现代表面工程”，作为小结。

1 一条定义

2002年一月出版的《国防科技名词大典》[12]将“表面工程”定义为：将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用表面改性转化技术、薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相结合、繁衍、发展起来的；它拥有坚实的科学理论基础，像表面界面理论、表面失效理论、腐蚀科学、摩擦科学等；它包括表面转化改性、薄膜、涂镀层材料与制备工艺、施涂与检测技术、表面组成与结构分析技术、表面性能测试技术、检验方法、标准、评价和质量保证、工艺过程控制等，为形成新型表面和表面层工程化生产的成套技术。它可有效地改善和提高材料和产品的性能（耐蚀、耐磨、装饰性能），确保产品使用可靠和安全，延长使用寿命，或赋予材料和器件特殊的物理和化学性能，例如声光磁电的转换和存储性能，使电子器件多功能化和超小型化，有效地节约有限的资源和能源，减少环境污染，维护可持续发展。

2 两条原则[2]

1）表面与实体形成一个系统的原则。《表面工程学》明确提出，任何产品的设计、制造都离不开材料，也离不开表面和界面，主张：将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计与制造，即在产品进行设计与制造的同时，进行其表面与界面的设计与制造。

2）表面保护层完整性原则。表面保护层是提高材料及其制品的环境抗力，预防腐蚀最普遍、最有效、最受设计师青睐的保护技术。实践证明，只要材料及其制品表面保护层完整无损，其材料基体和制品就拥有环境抗力。所以，使用过程中需要不断保护、检查、修补、更新保护层。

3 三大技术[2]

3.1 表面改性转化技术

运用现代技术改变材料表面、亚表面层的成分、结构和性能的处理技术称为表面转化技术，主要包括六大类，见表1。

表1 表面改性转化技术内涵Tab.1 Connotation of surface modification technology

3.2 薄膜技术

运用近代表面沉积技术，在零件（或衬底）表面沉积出厚度为100 nm～1 μm或数微米薄膜的形成技术，称为薄膜形成技术或薄膜技术。按用途，可以分为光学薄膜、微电子学薄膜、光电子学薄膜、集成光学薄膜、信息存储膜和防护功能薄膜等六大类，见表2。

表2 薄膜技术Tab.2 Thin film technology

3.3 涂镀层技术

采用古典技术、近代技术或二者相结合在零件表面涂覆一层或多层表面层的形成技术称为涂镀层技术，分为五大类，见表3。

表3 涂镀层技术Tab.3 Coating technology

4 四大功能[2]

材料的表面技术，即表面改性、薄膜沉积或涂镀层施加，功能和作用十分广泛，例如：提高材料或零件的耐蚀性、抗高温氧化性；提高其对周围环境和使用运行环境抗害的抗力；提高耐热、导热、隔热、吸热、热反射的性能；赋予材料特定的物理特性，如导电、绝缘、半导体特性、超导、电磁屏蔽、发光、消光、光反射、光选择吸收、雷达波隐身、红外隐身、亲油、亲水、亲某种涂层、可焊、粘着、传感等；赋予材料声、光、磁、电转换的特种功能等；赋予材料特定的化学特性，如耐酸、耐碱、耐特种液体、催化等；赋予制件表面装饰特性，如鲜艳的色彩、图文，非金属制件表面金属化、光化、抗老化等；提高材料制件表面完整性，降低粗糙度，降低表面缺陷，提高表面光亮度，提高抗应力腐蚀、抗疲劳、抗腐蚀疲劳的能力。表面工程技术的四大功能可见表4。

表4 表面工程技术的功能和作用Tab.4 The function and effect of surface engineering technology

5 表面工程学[2,7—8]

现代表面工程技术是提高材料及其制品使用可靠性、安全性、经济性和耐久性，尽可能延长其使用寿命的最普遍、最实用、最经济、最受青睐的成套技术，又拥有坚实的理论基础及大批的科研生产技术队伍，顺理成章地迅速形成为一门新的学科是历史的必然。其涵盖的内容见表5。

表5 现代表面工程学所涵盖内容Tab.5 Content of modern surface engineering

6 结语

防止材料腐蚀的研究可以追溯到古代，三千多年前中国的大漆、二千多年前秦始皇墓中的青铜剑表面改性就是极好的例证。后来发展了三个行业，即电镀、油漆和热喷涂。20世纪60年代，三束（电子束、离子束和激光束）进入表面加工技术领域，引发了表面加工技术翻天覆地的变化与突飞猛进的发展。1983年英国成立表面工程学院，1986年欧洲热处理学会更名为欧洲热处理与表面工程学会，并出版了国际性表面工程杂志，有关表面改性、薄膜、涂层以及表面工程综合性技术的会议频频召开。近50年来，表面工程技术成为世界各国优先公关的关键技术，20世纪90年代，世界上出现了《表面工程学》。

我国近几十年来表面工程也有了长足发展，笔者为此发表专著和论文进行推广。本文作为小结，论及了近代表面工程的一条定义、两大原则、三大技术、四大功能以及表面工程学的内涵，以感谢老师和各位同行的教育与帮助。