材料表面工程技术论文
材料表面工程是通过控制和改善材料的表面性质而提高其相容性的技术领域,这是小编为大家整理的材料表面工程技术论文，仅供参考!
材料表面工程技术论文篇一
金属材料表面工程的应用与发展
摘要：表面工程技术是21世纪的关键技术之一，从上世纪八十年代开始一直保持较快的发展速度，在科研和生产中得到广泛应用，收到了良好的效益。本文简要概述了金属材料表面工程技术中的表面改性处理、表面涂镀/层技术和堆焊表面改性技术的特点、应用范围和发展现状。
关键词：金属材料;表面工程;发展与应用
Abstract: Surface engineering technology is one of the key technologies in the 21 st century, and ithas been maintained a fast rate of development from the 1980 s. This technology is used widely in scientific research and production,and received good benefits. This paper briefly summarizes the characteristics ,application and development of the surface modification processing, surface coating plating/layer technology and the build-up welding technique in metal material surface engineering technologies.
Key Words: Metal material, Surface engineering, Application and development
中图分类号：F416.41文献标识码：A 文章编号：
引言
表面工程学是一门涉及材料科学、冶金技术、机械工程等众多领域的综合学科，包括表面科学理论、表面工程技术、表面工程技术设计、表面分析与检测技术、表面质量与工艺过程控制工程、表面工程管理与经济分析等几个方面[1]。其中表面工程技术是和生产实践联系最为密切的，同时也代表着生产技术水平的高
低。科学技术的发展和进步对生产设备与仪器提出了更高的要求，复杂多变的工
况考验着材料性能的优劣，必须在保证经济性前提下，综合运用各种高新技术提高和改善金属材料性能。
表面工程技术是利用科技手段对材料表面进行处理，通过改变材料表面和
亚表面的成分、微观组织结构以此来改善和提高其性能，满足使用要求。金属零件在使用过程中的破坏往往是从表面开始的，或因接触介质的化学腐蚀，或高温环境的氧化和熔化，或摩擦工况及磨料介质中的磨损，或复杂受力下的弯曲、扭转、拉压或剪切。因此，强化表面成为抵抗此类破坏的第一道防线。近年来，表面改性处理、表面涂镀/层技术和堆焊表面改性技术因其不同的优点在表面工程技术领域迅速发展。
1 表面改性技术
表面改性技术包括以喷丸强化、辊压强化为代表的表面强化技术，以各种氧化、钝化成膜的化学转化膜技术，化学气相沉积技术(CVD)与等离子束、激光束等高能束的表面处理技术。表面改性技术是借助外在介质改善材料的表面性能，不对原材料添加任何化学元素，改性后的材料表面不存在化学元素的增减，只是成分的比例和组织结构发生变化。因此，该技术相对于涂镀(层)技术和堆焊表面改性技术要工艺简单，只需控制好过程参数即可。不同的工况环境对材料的要求也不同，应根据具体的实际需求选择处理工艺。
1.1化学转化膜技术
该技术经过近些年的发展已经实现了不仅在金属材料表面成膜，而且可在陶瓷等非金属表面成膜，膜的厚度也在向着更优更薄的方向发展。如各种碳化钛超导陶瓷薄膜系多晶或外延单晶薄膜、抗高温大功率的半导体用金刚石薄膜以及各种光电子薄膜和集成光学薄膜。铝及其合金的表面改性技术大多采用的是表面成膜技术，在表面形成耐磨、耐蚀、多孔、结合性强的高性能薄膜。目前铝合金表面的改性技术主要有：电化学氧化法、化学转化法、微弧氧化技术、等离子注入表面改性、冷喷涂技术、稀土转化膜和激光处理等[2]。
1.2高能束表面改性技术
高能束表面改性技术是运用高能束热源，添加或不加化学元素，对材料表面及亚表面进行重熔或熔覆处理，形成满足使用要求的高性能表层。所谓的高能束(High Energy Density Beam------HEDB)即高能量密度的束流，包括激光束、电子束、等离子束[3]，与传统热源相比较，高能束具有独特的优点：1、能量更加集中，因此热效率高;2、方向性更强;3、易于实现精确控制;4、属于绿色能源，不易造成浪费。高能束的诸多优点使得它在传统技术工业、聚合物、生物医用材料、制备纳米材料等各个领域得到广泛的应用[4]。激光重熔、等离子重熔、激光表面熔覆、激光表面合金化等高能束表面改性技术在各行业得到飞速发展。
高能束作为新型能源在表面改性技术中的应用，给表面工程学科带来了大发展，必将是倡导节约能源降低能耗的21世纪快速发展的能源之一。表面改性处理改善金属材料的使用性能与组织、硬度和耐磨性的改变有关，而各项改变的量和质决定于材质和高能束热源。不同材料在具体的过程中还受到诸如扫描速度、扫描间距、电流、电压等工艺条件选择的影响。通常，输入材料表面的高能束热量越大，材料的散热能力越强，则获得的性能改善层深度越大，材料表面组织与原始组织差别越大。具体行业领域中的应用还需根据实际情况选择高能束热源类型和实际生产中合适的工艺参数。
2表面涂镀/层技术
古典技术与现代技术相结合在材料表面形成一层或多层同质或异质层的技术称为表面涂镀/层技术。该技术包括在材料表面电镀耐磨、耐蚀、耐高温等优异性能的单层或复合表层、非晶态镀层的电镀技术;有机涂层技术、热喷涂技术、物理气相沉积技术等。
2.1热喷涂技术
热喷涂技术是一种重要的表面工程技术，通过在材料表面喷涂保护层、强化层和装饰层来实现抗磨、耐热、耐蚀、绝缘和导光等特性功能[5]。热喷涂技术作为一种表面强化和防护工艺如今已日渐成熟，从单一的表面强化层发展到及产品失效分析、表面预处理、喷涂材料、喷涂设备选择、喷涂工艺确定、涂层系统设计和喷涂层后期加工为一体的系统工程。该技术由条件要求极高的宇航工业开始，如今已深入发展到民用工业的各个行业[6]。
热喷涂技术包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等。电弧喷涂效率高、涂层结合力强、生产效率高且能适合各种复杂环境，因此在市场上的份额较大。喷涂材料离子的温度和速度对涂层的性能影响较大，由此而生的超音速等离子热喷涂技术近年来在国际上发展迅速。火焰喷涂根据涂层材料的种类不同分为线材火焰喷涂和丝材火焰喷涂技术。该技术是利用火焰将材料先熔化然后形成涂层，之后再用火焰加热涂层，可以使基层与涂层材料间达到冶金结合，对于高温下承受热冲击的高温磨具处理尤为重要[7]。
2.2物理气相沉积技术
物理气相沉积技术是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方法在材料表面成膜。表面膜可以是金属膜、合金膜、陶瓷膜亦或是金刚石膜等。此类沉积成膜技术已经在机械、航空等行业得到广泛应用。该技术在实际生产中操作灵活，可以根据需要调整成分和比例，从而改善材料的不同性能。
材料表面工程技术论文篇二
硅材料表面印迹技术研究进展
摘要：综述了近年来通过把分子识别位点建立在基质材料的表面，来提高识别位点与印迹分子的结合速度。进一步加强印迹材料吸附分离效率的分子印迹技术，即表面印迹技术的研究进展。主要从以硅为基质材料方面综述了表面分子印迹技术的发展现状，对最近几年基于硅表面修饰的分子印迹技术的制备与应用的最新进展进行了总结与评述，并对其将来的发展进行了展望。
关键词：分子印迹;表面修饰;硅材料;综述
中图分类号：0658.2
文献标识码：A
文章编号：0367-6358(2007)12-754-04
作者简介：邴乃慈(1979-)。女，满族。抚顺人。博士生，讲师，主要从事聚合物材辩的研究工作。
分子印迹学是基于材料科学、生物化学等学科的一门交叉学科，可以用于获得与模板分子在空间结构和结合位点上完美匹配的聚合物(即分子印迹聚合物，MIPs)。由于MIPs与天然的分子识别系统相比。具有稳定性好、使用寿命长、亲和性和选择性高等特点，自从20世纪70年代以来，MIPs已经广泛应用于分离领域、临床药物分析、仿生催化和生物传感器等诸多领域。目前应用MIPs分离和识别的对象包括药物、氨基酸、肽和多肽、蛋白质、糖等，虽然构象简单的小分子的印迹研究工作已经比较成熟，但是多肽、蛋白质等生物大分子由于存在空间结构复杂、体积庞大、性质脆弱、结构柔软、构象多变以及可结合位点比较多等特点，按照传统方法进行模板印迹的难度很大，因此以生物大分子为模板分子的印迹制备技术无疑仍是一种挑战。
近年来，很多学者都在致力于开发分子印迹材料新的合成方法和工艺，聚合物的尺寸也在逐渐变小变薄，由于表面分子印迹技术是将MIPs的识别位点最大限度地固定在基质材料的表面，可以提高对印迹分子的结合速度，从而进一步加强印迹材料的吸附分离效率，因此成为大分子印迹最有潜力的方法。由于该方法同样适用于小分子物质的印迹，表面印迹法已日益成为分子印迹领域最受关注的技术之一。
1 硅表面印迹聚合物的制备方法
1949年Dickey用染料甲基橙作为印迹分子，酸化硅酸盐溶液形成染料印迹胶体，干燥并洗去印迹分子后得到的对甲基橙比乙基橙吸附能力高2倍的吸附材料，Dickey的这项研究掀开了基于硅表面修饰的分子印迹技术的崭新一页，从此，硅基分子印迹材料迅速发展起来，表1中列出几种硅表面印迹的制备方法。
2 不同形态硅材料在表面印迹技术中的应用
硅材料不仅具有良好的机械性能及热稳定性，并且具有多种多样的形貌，因此以其为基质的具有分子水平上识别功能的分子印迹材料必将具有优异的性能及广阔的应用前景。表2中列出几种不同形态硅材料在表面印迹技术中的应用。
3 硅表面印迹技术的应用
3.1固相萃取
固相萃取具有回收率和富集倍数高、环境友好、无相分离操作、操作简单和易于实现自动化等优点，目前已成为最常用的样品前处理方法之一。分子印迹固相萃取由于可以简化样品前处理过程并且能够弥补传统固相萃取剂选择性差的缺点，所以在痕量分析方面前景广阔。
Koster等以双氯醇胺(Clenbuteml)为模板分子，甲基丙烯酸为功能单体，在硅纤维表面聚合得到了75 pm的印迹聚合物层用于微量固相萃取对双氯醇胺及其结构类似物进行选择性分离。实验结果表明，分子印迹纤维的制备和萃取性能均具有重复性，分子印迹纤维及非印迹纤维在乙腈中对双氯醇胺的结构类似物双溴醇胺(Brombuter01)的萃取效率分别为75%和<5%，重复使用的分子印迹纤维的萃取效率仍然可达45%，由于机械性能好，重复利用率高，基于纤维表面的分子印迹聚合物在生物样品的分离分析中具有很高的实用价值。
Jiang等将表面印迹技术与溶胶，凝胶过程相结合，在活化的氨基多孔硅胶表面印迹上双酚A(BPA)，并将该MIPs用于固相萃取，高效液相色谱耦联技术检测水样中的BPA。实验结果显示所得到的BPA-MIPs-Silica吸附剂具有吸附容量高，选择性好等特点，印迹聚合物及非印迹聚合物的最大的静态吸附容量分别为68.9和34.0 mg/g，选择因子为4.5。
3.2色谱填料
分子印迹技术自诞生以来，一直在高效液相色谱、气相色谱及毛细管电泳中有着最为广泛的应用，是一种制备色谱固定相尤其是手性固定相的强有力技术。但是由传统包埋法所得到的MIPs由于具有颗粒不均匀、印迹效率低导致柱效低，限制了它的应用，使用分散聚合法、悬浮聚合法等虽然可以得到粒径的印迹聚合物微球，但所得印迹聚合物的识别位点大都在聚合物微球内部，而印迹聚合物内部存在扩散阻力，导致待印迹分子与识别位点结合困难，结合速率低，溶液的分离处理效率不高，因此把识别位点建立在基质表面的表面印迹技术在色谱分离方面必将有着广阔的发展前景。而以硅胶、二氧化硅等为基质的无机硅表面印迹材料不但具有分子印迹功能，而且具有良好的机械稳定性及热稳定性，在色谱分离方面受到了更多的关注。
3.3催化反应
分子印迹技术的一个很重要的应用就是制备具有专一性的催化剂，并且已经在合成、水解等反应中有着成功应用的例子。
Visnjevski等以Dials-Alder反应的过渡态类似物(TSA)氯茵酸酐(Chlomndic anhydride)为模板分子，比较了采用包埋法与牺牲骨架法制备的硅表面印迹MIPs在六氯代环戊二烯与顺丁烯二酸的Dials，Alder反应中的催化活性。结果表明。MIPs-sheU的催化活性明显高于包埋法得到的MIPs的催化活性，并且所得产物是其非印迹对照物的三倍。
3.4其他应用
基于硅表面修饰的分子印迹技术在生物传感、蛋白质分子分离等方面也有成功应用的实例。
Ling等以邻苯二酚胺为模板分子在硅胶上制备MIPs，并将该分子印迹聚合物薄膜用在石英晶体微天平电极上检测丙醇溶液中的待分析物。
Shi等于1999年在《Nature》上发表了有关以蛋白质为模板分子的云母表面印迹技术。他们将蛋白质首先吸附在云母上，然后在蛋白质周围包裹上一层二糖分子，再在二糖分子表面上聚合一层荧光聚合层，最后除去云母，洗脱掉蛋白质分子，该分子印迹聚合物可以选择性识别蛋白质分子。
4 问题与展望
从微球到纤维，从大孔到微孔，从小分子识别到蛋白质等生物大分子，以硅材料为基质的分子印迹技术在许多方面已经显示了其巨大的优越性并取得了一定的进展。虽然硅材料表面印迹技术的起步较早，发展较快，但是仍存在一些问题有待解决：
(1)目前的研究主要停留在硅表面印迹聚合物的设计与制备上，而对印迹过程及识别过程的机理没有展开相关研究。从分子水平上研究MIPs与印迹分子间的识别机制，不仅可以为MIPs的分子设计、单体选择等提供重要的理论基础，并且在实现MIPs与印迹分子间的识别过程的同时提高选择性。
(2)表面印迹聚合物的单一吸附性和选择吸附性均偏低，如何提高其吸附性能是今后工作的重点;
(3)应该从完善和创新现有制备技术方面实现表面印迹，积极开发新材料。将分子印迹技术与其相结合，期望实现更多的分子识别过程。