第一篇：SMT表面組裝技術報告

《表面組裝技術》

實 訓 報 告

指導老師： 梁穎、朱靜 姓 名： 張 強 班 級： 212361 學 號： 121802

航空電子工程系

2014年5月

目錄

一、實訓目的

二、實訓內容

三、焊膏印刷

四、貼片

五、焊接

六、檢測（缺陷分析）

七、返修

八、總結

九、附錄（工藝文件）

一、實訓目的

1．通過SMT實訓，熟悉常用電子元器件的識別、檢測； 2．對SMT生產工藝流程的一個認識；

3．學會應用SMT設備來完成這周實訓的內容； 4．掌握重要設備的使用方法，培養工作能力； 5．學會處理實訓中可能遇到的問題以及缺陷的分析。

二、實訓內容

表面組裝技術（SMT）是由混合集成電路技術發展而來的新一代電子裝聯技術，以采 用元器件表面貼裝技術和回流焊接技術為特點，成為電子產品制造中新一代的組裝技術。SMT生產線主要設備有： 印刷機、貼片機（上表面電子元件）、回流焊、插件、波峰爐、測試包裝。SMT的廣泛應用，促進了電子產品的小型化、多功能化，為大批量生產、低 缺陷率生產提供了條件。本周實訓使用流水燈練習板來進行一些設備的熟悉，下面是一個回流焊技術生產產品的一般工藝流程圖：

三、焊膏印刷

隨著表面貼裝技術的快速發展，在其生產過程中，焊膏印刷對于整個生產過程的影響和作用越來越受到生產工藝師和工藝工程師們的重視，焊膏印刷技術是采用已經制好的網板，用一定的方法使絲網和印刷機直接接觸，并使焊膏在網板上均勻流動，由掩模圖形注入網孔。當絲網拖開印制板時，焊膏就以掩模圖形的形狀從網孔脫落到印制板相應的焊盤圖形上，從而完成了焊膏在印制板上的印刷，如圖所示。完成這個印刷過程而采用的設備就是絲網印刷機。焊膏印刷是SMT生產過程中最關鍵的工序之一，印刷質量的好壞將直接影響SMD組裝的質量和效率，據統計60%-70%的焊接缺陷都是由不良的焊膏印刷結果所造成，因而要提高焊膏印刷質量，盡可能將印刷缺陷降低到最低，要實現高質量的重復印刷，焊膏的特性、網板的制作、印刷工藝參數的設置都十分關鍵。

手工印刷

焊膏印刷完成

四、貼片

貼片就是將SMC/SMD等表面貼裝元器件從其包裝結構中取出，然后貼放到PCB的指定焊盤位置上。當然，所貼放的焊盤位置需是已涂覆了錫膏，或雖未涂覆錫膏，但在元器件所覆蓋的PCB上已涂覆了貼片膠。貼放后，元器件依靠錫膏或貼片膠的黏附力黏在指定的焊盤位置上。

早期，由于片式元器件尺寸相對較大，人們用鑷子等簡單的工具就可以實現上述動作，至今仍有少數小規模工廠采用或部分采用人工放置元件的方法。但為了滿足大批生產的需要，特別是隨著無源元件像微型化，有源器件向多引腳、細間距方向的不斷發展，元器件類型越來越多，尺寸或引腳間距越來越小，因此貼片工作已經越來越依賴于高精度的貼片機設備來實現。貼片機的定位精度、貼片速度及可貼裝的元器件種類已經成為衡量貼片機性能的三項重要指標。

手工貼片機

貼片完成

五、焊接

再流焊又稱“回流焊”，是伴隨微型化電子產品的出現而發展起來的焊接技術，主要用于各類表面組裝元器件的焊接。它提供一種加熱環境，使預先分配到印制板焊盤上的膏狀軟釬焊料重新熔化，從而讓表面貼裝的元器件和PCB焊盤通過焊錫膏合金可靠地結合在一起。再流焊操作方法簡單，效率高，質量和一致性好，節省焊料，是一種適用于自動化生產的電子產品裝配技術，目前已經成為SMT的電路板組裝技術的主流。

再流焊使用的焊料是焊錫膏。預先在電路板的焊盤上涂上適量和適當形式的焊錫膏，再把SMT元器件貼放到相應的位置；焊錫膏具有一定的黏性，使元器件固定；然后讓貼裝好元器件的電路板進入再流焊設備實施再流焊，通過外部熱源加熱，使焊料熔化而再次流動浸潤，將元器件焊接到印制板上。

回流焊機

回流焊接完成

六、檢測（缺陷分析）

PCB組件是現代電子產品中相當重要的一個組成部分，PCB的布線和設計隨著電子產品向快速、小型化、輕量化方向邁進的步伐。隨著SMT的發展和SMA組裝密度的提高，以及電路圖形的細線化，SMD的細間距化，器件引腳的不可視化等特征的增強，PCB組件的可靠性和高質量將直接關系到該電子產品是否具有高可靠性和高質量，為此，采用先進的SMT檢測技術對PCB組件進行檢測，可以將有關問題消除在萌芽狀態。

自動光學檢測 AOI

缺陷分析：

1． 橋連

又稱橋接，指元件端頭之間、元器件相鄰的焊點之間以及焊點與鄰近的導線、過孔等電氣上不該連接的部位被焊錫連接在一起。橋連經常出現在細間距元器件引腳間或間距較小的片式組件間，橋連的產生會嚴重影響產品的性能。

橋連 ．立碑

立碑是指兩個焊端的表面組裝元件，經過再流焊后其中一個端頭離開焊盤表面，整個元件呈斜立或直立，如石碑狀，又稱吊橋、曼哈頓現象。如圖所示，該矩形片式組件的一端焊接在焊盤上，而另一端則翹立。

立碑

3．錫珠

錫珠是再流焊中經常碰到的焊接缺陷，多發生在焊接過程中的急速加熱過程中；或預熱區溫度過低，突然進入焊接區，也容易產生錫珠。

錫珠

4．元件偏移

元件偏移的情況如圖所示，觀察缺陷的發生時間，可分為兩種情況加以分析： ① 再流焊接前元件偏移。先觀察焊接前基板上組裝元件位置是否偏移，如果有這種情況，可檢查一下焊膏粘接力是否合乎要求。如果不是焊膏的原因，再檢查貼裝機貼裝精度、位置是否發生了偏移。貼裝機貼裝精度不夠或位置發生了偏移、焊膏粘接力不夠，導致元件偏移。

② 再流焊接時元件偏移。雖然焊料的潤濕性良好，有足夠的自調整效果，但最終發生了元件的偏移，這時要考慮再流焊爐內傳送帶上是否有振動等影響，對再流焊爐進行檢驗。如不是這個原因，則可從元件曼哈頓不良因素加以考慮，是否是兩側焊區的一側焊料熔融快，由熔融時的表面張力發生了元件的錯位。

元件偏移

七、返修

SMA的返修，通常是為了去除失去功能、引線損壞或排列錯誤的元器件，重新更換新的元器件。或者說，就是使不合格的電路組件恢復與特定要求相一致的合格的電路組件。為了滿足電子設備更小、更輕和更便宜的要求，對返修工藝的要求也在提高。

對于上述回流焊接的缺陷，我們進行了返修，主要過程分為：拆焊—器件整形-PCB焊盤清理-貼放器件-焊盤焊接。最后，我們完成了整個SMT生產的一個流程，并成功實現了本周實訓LED流水燈印制板圖。

八、總結

經過一周的SMT的實訓，我還是了解了不少，且感觸頗深。剛開始的時候，想想覺得理論學起來還覺得輕松，但實際操作覺得對于SMT是真的不怎么了解，且認為它是一種新型技術。在實訓時，經過老師的講解，以及我們之前在理論課上對它的了解，才知道SMT在幾乎所有的電子產品生產中都得到了廣泛的應用。說實話，一開始就要我們對于這項技術的各個環節，各個部分都弄得很透，我想那是不現實的，因為這其中還有很多細節的地方，或者需要深入研究的地方，這都不是一周的時間里所能夠完成的。

在對SMT生產線觀摩的過程中，我有看到，它們的每一道工序，以及每一道流程具體的是什么樣的，看得出來在這樣的環境下工作，是需要細心、耐心、專心的，還有的工作崗位時需要有一定的技術能力以及相關知識的。此外，這次實訓，我覺得老師不僅僅是在教我們怎樣了解此專業，另一方面，老師也教會了我們一些職業素養，對于即將走上職業崗位的我們來說，這點是非常重要的。老師的那些話我還記得，SMT的第一步是什么呢？做完這一步接下來又該做什么呢？最后該做什么呢......一連串的問題。總之，我覺得實訓是對理論知識復習的一方面，另一方面是教會我們做人做事，怎樣在其位謀好其職，也是另外一個很重要的方面，此次的實訓受益匪淺。

九、附錄（工藝文件）

第二篇：SMT技術

SMT環境中的最新復雜技術

只要關注一下如今在各地舉辦的形形色色的專業會議的主題，我們就不難了解電子產品中采用了哪些最新技術。CSP、0201無源元件、無鉛焊接和光電子，可以說是近來許多公司在PCB上實踐和積極評價的熱門先進技術。比如說，如何處理在CSP和0201組裝中常見的超小開孔（250um）問題，就是焊膏印刷以前從未有過的基本物理問題。板級光電子組裝，作為通信和網絡技術中發展起來的一大領域，其工藝非常精細。典型封裝昂貴而易損壞，特別是在器件引線成形之后。這些復雜技術的設計指導原則也與普通SMT工藝有很大差異，因為在確保組裝生產率和產品可靠性方面，板設計扮演著更為重要的角色；例如，對CSP焊接互連來說，僅僅通過改變板鍵合盤尺寸，就能明顯提高可靠性。

CSP應用

如今人們常見的一種關鍵技術是CSP（圖1）。CSP技術的魅力在于它具有諸多優點，如減小封裝尺寸、增加針數、功能∕性能增強以及封裝的可返工性等。CSP的高效優點體現在：用于板級組裝時，能夠跨出細間距（細至0.075mm）周邊封裝的界限，進入較大間距（1，0.8，0.75，0.5，0.4mm）區域陣列結構。

已有許多CSP器件在消費類電信領域應用多年了，人們普遍認為它們是SRAM與DRAM、中等針數ASIC、快閃存儲器和微處理器領域的低成本解決方案。CSP可以有四種基本特征形式：即剛性基、柔性基、引線框架基和晶片級規模。CSP技術可以取代SOIC和QFP器件而成為主流組件技術。

CSP組裝工藝有一個問題，就是焊接互連的鍵合盤很小。通常0.5mm間距CSP的鍵合盤尺寸為0.250～0.275mm。如此小的尺寸，通過面積比為0.6甚至更低的開口印刷焊膏是很困難的。不過，采用精心設計的工藝，可成功地進行印刷。而故障的發生通常是因為模板開口堵塞引起的焊料不足。板級可靠性主要取決于封裝類型，而CSP器件平均能經受-40～125℃的熱周期800～1200次，可以無需下填充。然而，如果采用下填充材料，大多數CSP的熱可靠性能增加300%。CSP器件故障一般與焊料疲勞開裂有關。

無源元件的進步

另一大新興領域是0201無源元件技術，由于減小板尺寸的市場需要，人們對0201元件十分關注。自從1999年中期0201元件推出，蜂窩電話制造商就把它們與CSP一起組裝到電話中，印板尺寸由此至少減小一半。處理這類封裝相當麻煩，要減少工藝后缺陷（如橋接和直立）的出現，焊盤尺寸最優化和元件間距是關鍵。只要設計合理，這些封裝可以緊貼著放置，間距可小至150?m。

另外，0201器件能貼放到BGA和較大的CSP下方。圖2是在有0.8mm間距的14mm CSP組件下面的0201的橫截面圖。由于這些小型分立元件的尺寸很小，組裝設備廠家已計劃開發更新的系統與0201相兼容。

通孔組裝仍有生命力

光電子封裝正廣泛應用于高速數據傳送盛行的電信和網絡領域。普通板級光電子器件是“蝴蝶形”模塊。這些器件的典型引線從封裝四邊伸出并水平擴展。其組裝方法與通孔元器件相同，通常采用手工工藝—－引線經引線成型壓力工具處理并插入印板通路孔貫穿基板。

處理這類器件的主要問題是，在引線成型工藝期間可能發生的引線損壞。由于這類封裝都很昂貴，必須小心處理，以免引線被成型操作損壞或引線-器件體連接口處模塊封裝斷裂。歸根結底，把光電子元器件結合到標準SMT產品中的最佳解決方案是采用自動設備，這樣從盤中取出元器件，放在引線成型工具上，之后再把帶引線的器件從成型機上取出，最后把模塊放在印板上。鑒于這種選擇要求相當大資本的設備投資，大多數公司還會繼續 1 選擇手工組裝工藝。

大尺寸印板（20×24″）在許多制造領域也很普遍（圖3）。諸如機頂盒和路由/開關印板一類的產品都相當復雜，包含了本文討論的各種技術的混合，舉例來說，在這一類印板上，常常可以見到大至40mm2的大型陶瓷柵陣列（CCGA）和BGA器件。

這類器件的兩個主要問題是大型散熱和熱引起的翹曲效應。這些元器件能起大散熱片的作用，引起封裝表面下非均勻的加熱，由于爐子的熱控制和加熱曲線控制，可能導致器件中心附近不潤濕的焊接連接。在處理期間由熱引起的器件和印板的翹曲，會導致如部件與施加到印板上的焊膏分離這樣的“不潤濕現象”。因此，當測繪這些印板的加熱曲線時必須小心，以確保BGA/CCGA的表面和整個印板的表面得到均勻的加熱。

印板翹曲因素

為避免印板過度下彎，在再流爐里適當地支撐印板是很重要的。印板翹曲是電路組裝中必須注意觀察的要素，并應嚴格進行特微描述。再流周期中由熱引起的BGA或基板的翹曲會導致焊料空穴，并把大量殘留應力留在焊料連接上，造成早期故障。采用莫爾條紋投影影像系統很容易描述這類翹曲，該系統可以在線或脫機操作，用于描述預處理封裝和印板翹曲的特微。脫機系統通過爐內設置的為器件和印板繪制的基于時間/溫度座標的翹曲圖形，也能模擬再流環境。

無鉛焊接

無鉛焊接是另一項新技術，許多公司已經開始采用。這項技術始于歐盟和日本工業界，起初是為了在進行PCB組裝時從焊料中取消鉛成份。實現這一技術的日期一直在變化，起初提出在2004年實現，最近提出的日期是在2006年實現。不過，許多公司現正爭取在2004年擁有這項技術，有些公司現在已經提供了無鉛產品。

現在市場上已有許多無鉛焊料合金，而美國和歐洲最通用的一種合金成份是95.6Sn∕3.7Ag∕0.7Cu。處理這些焊料合金與處理標準Sn/Pb焊料相比較并無多大差別。其中的印刷和貼裝工藝是相同的，主要差別在于再流工藝，也就是說，對于大多數無鉛焊料必須采用較高的液相溫度。Sn∕Ag∕Cu合金一般要求峰值溫度比Sn/Pb焊料高大約30℃。另外，初步研究已經表明，其再流工藝窗口比標準Sn/Pb合金要嚴格得多。

對于小型無源元件來說，減少表面能同樣也可以減少直立和橋接缺陷的數量，特別是對于0402和0201尺寸的封裝。總之，無鉛組裝的可靠性說明，它完全比得上Sn/Pb焊料，不過高溫環境除外，例如在汽車應用中操作溫度可能會超過150℃。

倒裝片

當把當前先進技術集成到標準SMT組件中時，技術遇到的困難最大。在一級封裝組件應用中，倒裝片廣泛用于BGA和CSP，盡管BGA和CSP已經采用了引線-框架技術。在板級組裝中，采用倒裝片可以帶來許多優點，包括組件尺寸減小、性能提高和成本下降。

令人遺憾的是，采用倒裝片技術要求制造商增加投資，以使機器升級,增加專用設備用于倒裝片工藝。這些設備包括能夠滿足倒裝片的較高精度要求的貼裝系統和下填充滴涂系統。此外還包括X射線和聲像系統，用于進行再流焊后焊接檢測和下填充后空穴分析。

焊盤設計，包括形狀、大小和掩膜限定，對于可制造性和可測試性（DFM/T）以及滿足成本方面的要求都是至關重要的。

板上倒裝片（FCOB）主要用于以小型化為關鍵的產品中，如藍牙模塊組件或醫療器械應用。圖4所展示的就是一個藍牙模塊印板，其中以與0201無源元件同樣的封裝集成了倒裝片技術。組裝了倒裝片和0201器件的同樣的高速貼裝和處理也可圍繞封裝的四周放置焊料球。這可以說是在標準SMT組裝線上與實施先進技術的一個上佳例子。

第三篇：材料表面技術

（2014-2015學年第一學期）；《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展；姓名：周凱；學院：材料與紡織工程學院；專業：高分子材料與工程；班級：高材121班；學號：201254575128；任課教師：蘭平；教務處制；2014年12月30日；納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進展；摘要；通用塑料的高性能化和多功能化是開發新型材料的一個；一．

（2014-2015學年第一學期）《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展 姓 名： 周 凱

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

納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進展 摘 要

通用塑料的高性能化和多功能化是開發新型材料的一個重要趨勢, 而將納米粒子作為填料來填充改性聚合物, 是獲得高強高韌復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, 增韌機理和發展趨勢進行了說明。關鍵詞: 聚氯乙烯 納米材料 增韌

一． 研究背景 隨著科學技術的發展, 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、耐磨損等優良的綜合性能和價格低廉、原材料來源廣泛的優點, 已被廣泛應用于化學建材和其他部門。但是, 聚氯乙烯在加工應用中, 尤其在用作結構材料時也暴露出了抗沖擊強度低、熱穩定性差等缺點。納米技術的發展及納米材料所表現出的優異性能, 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, 并發現增韌改性后的PVC 樹脂具有優異的韌性, 剛度及強度得到顯著改善, 而且熱穩定性、尺寸穩定性、耐老化性等也有較大提高, 納米復合材料已經成為PVC增韌改性的一個重要途徑。本文主要介紹了近幾年來納米復合材料在PVC 增韌改性方面的研究現狀 和發展趨勢[1]。

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

2.1 納米CaCO3 增韌對PVC 力學性能的影響

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

熊傳溪、王濤等[3] 研究發現兩種粒徑的納米晶PVC 均能起到顯著的增韌和增強作用, 且粒徑小的納米晶PVC 作用更明顯, 而且偶聯劑用量對試樣的拉伸強度和沖擊強度也有很大的影響。

2.2 納米CaCO3對CPE/ACR共混增韌PVC力學性能的影響

如圖2-2所示，為CPE/ACR共混物對PVC沖擊強度的影響。從圖2-2中可以看出當CPE/ACR/PVC為10/2/100時，共混體系的沖擊強度達到最大，明顯優于單一CPE或單一ACR對PVC的增韌效果。這是由于10mpr的CPE在PBC基體相中可能已經形成了完整的網絡結構，這種網絡結構可以吸收部分沖擊能量而賦予共混體系一定的沖擊強度，而在此基礎上再添加2phr ACR后，由于核殼ACR在PVC 基體相以及CPE網絡中呈顆粒狀分布，它們誘發基體產生大量的剪切帶和銀紋而

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

使材料的沖擊強度得到進一步提高，較之單一增加CPE的用量有更好的改性效果，表現出明顯的協同增韌作用[9]。

圖2-3 PVC/CPE/改性納米碳酸鈣復合材料的SEM照片

古菊、賈德民等發現改性納米碳酸鈣與CPE互配，可以對PVC實現良好的協同增韌增強的效果，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出良好的協同增韌效果。所制得的PVC/CPE/R-CaCO3復合

材料避免了常規的彈性體增韌聚氯乙烯所帶來的強度、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、陳雪梅將沖擊試樣的斷面噴金，在S4800型冷場電子顯微鏡發射 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

[6]CO3/SBR量比為15:100時，隨著CaCO3/SBR改性劑中納米碳酸鈣含量的提高，PVC沖擊強度先升后降，當納米碳酸鈣質量分數為70%擊強度達到最大。說明在復合改性劑制備過程中，納米碳酸鈣和丁苯膠乳存在一個最佳配比，在此配比下 的增韌效果較好。蘇新清認為，復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構內。據此可知，當復合改性劑中納米碳酸鈣和丁苯橡膠的的質量比為7:3苯橡膠相剛好對納米碳酸鈣粒子進行有效包覆，實現橡膠彈性體和納米粒子的協同增韌[7]。

2.4聚丙烯酸酯/納米碳酸鈣復合增韌PVC 的研究

馬治軍，楊景輝[8]備了復合增韌改性劑聚丙烯酸酯/納米CaCO3(PA-C)，并將其用于硬質聚氯乙烯(PVC)中，（觀察表1）加復合改性劑PA-C后，其缺口沖擊強度大幅度提高，并且添加10份達到最大值88.64kJ /m2，較添加未改性納米CaCO3的PVC 復合材料的沖擊強度提高了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，又起到一定的補強作用。這是由于PMMA 與PVC 溶解度參數相同，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，其添加提高了復合材料的剛性和硬度。

三． 炭黑填充增韌PVC 導電炭黑是一種永久性抗靜電劑, 添加后材料不會因水洗、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]研究了納米導電纖維(nano-F)和華光炭黑(HG-CB)填充硬質PVC 復合材料的電性能以及溫度對復合材料體積電阻率的影響及伏安特性, 發現隨填料用量的增加, 材料的電阻率逐漸降低。當nano-F、HG-CB的填充量分別達到20、10 份時, 電阻率急劇下降。這說明此時導電填料在PVC 基體中已基本形成導電網絡, 填充量繼續增加電阻率下降不大。nano-F 填充PVC 復合

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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, 當其用量達到一定值(12份)時可以賦予PVC 糊以明顯的切力變稀性能, 而普通超細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 粒子作為種子進行聚丙烯酸酯的原位乳

液聚合, 用此種聚丙烯酸酯復合物和PVC 樹脂共混, 結果用偶聯劑MAPS預包覆納米SiO2 再進行原位聚合的ACR, 如表2 所示, 當SiO2 含量為10%時的ACR 作

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

4.2 納米SiO2包覆HMPC接枝共聚

宇海銀[13] 等研究發現, SiO2 經SDS 預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, 沖擊強度隨之提高。當復合粒子含量分別為10%、10%、20% 左右時, 沖擊強度達到最大值61、62、68kJ/ m2。這比純PVC 的沖擊強度 52kJ/ m2 分別提高了19.2、25、31%。

4.3 納米SiO2添加量對復合材料性能的影響

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

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

4.4聚氨酯彈性體/納米二氧化硅協同改性聚氯乙烯及其力學性能

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

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

和納米SiO2 能協同增韌PVC, 兩者質量比為5/1時增韌改性的效果最佳。當PU 彈性體/納米SiO2 /PVC(質量比)為5/1/20時, 復合材料的綜合力學性能最優, 2沖擊強度達到45.6 kJ/m, 拉伸強度為50.3MPa。五.納米黏土填充增韌PVC PVC/納米黏土復合材料只需少量的納米黏土即可使PVC的韌性、強度和剛度顯著改善。因PVC分子鏈的運動受到限制，材料的熱穩定性和尺寸穩定性提高，復合材料在二維或三維上均有較好的增韌和增強效果，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黏土增強PVC/丙烯腈－丁二烯－苯乙稀（ABS）基體，并研究了納米黏土對PVC/ABS的形態、流變學和力學性能的影響。結果表明，加入納米黏土，使PVC/ABS共混物的增韌效果顯著增加。當納米黏土的加入量為5％時，共混物的力學性能達到最佳。此外，添加順序對黏土在PVC/ABS/黏土納米復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等用常規的雙螺桿擠出機進行熔融配共混制備PVC納米復合材料，并研究了有機物表面改性的蒙脫土（OMMT）對PVC納米復合材料性能的影響。從圖5-1可以看出，沖擊強度隨著OMMT含量的增加而提高，當OMMT的質量分數為12％時，PVC復合材料的沖擊強度達到最高為4.4KJ/m2，如果OMMT的含量大于12％時，復合材料的沖擊強度則會下降。

圖5-1 ＰＶＣ納米復合材料簡支梁缺口沖擊強度

Li等［17］采用震動磨的固態剪切混合技術制備了PVC/高嶺土納米復合材料。經該技術制備的納米復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊強度較傳統方法制備復合材料的顯著提高。PVC和高嶺土經震動磨處理后加工制備的復合材料中，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增韌效果。

Hemmati等［18］用2種方法制備出了有機納米黏土增強PVC/ABS基體復合材料，并研究了納米黏土對PVC/ABS的形態、流變學和力學性能的影響。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。研究發現，當混入黏土的質量分數為5％時，兩種方法所制備的納米復合材料的懸臂梁沖擊強度均達到最大值，且第二種方法制備出的納米復合材料的懸臂梁沖擊強度（65J/ｍ）及斷裂伸長率大于第一種方法制備的納米復合材料（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反應或物理作用固定在無機粒子表面形成“核－殼”結構的粒子，將這種粒子與ＰＶＣ復合，一方面可限制增塑劑的遷移，另一方面可提高無機粒子的分散性，可同時實現增塑、增強、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進行了研究。結果表明，MOD對PVC懸臂梁沖擊強度的提高有顯著作用，其中MOD中丙烯酸丁酯的含量對PVC/MOD的韌性增強時一個重要的因素；PVC/MOD的懸臂梁沖擊強度隨著MOD中丙烯酸丁酯的含量的增加而顯著提高，當MOD中丙烯酸丁酯的含量為40％時，PVC/MOD的懸臂梁沖擊強度達到最大為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中制備了出高強度和韌性的復合材料?結果表明,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”納米粒子的強度和韌性都有顯著提高?當“核-殼”納米粒子的含量均為5%時,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.其他無機納米粒子對PVC的增韌

硅灰石具有吸濕性小、熱穩定性好、表面不易劃傷等優點，用其填充聚合物，具有快速分散性和低的黏度，在提高沖擊、拉伸和撓曲強度等方面都優于其他無 機填料，不足之處是多數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,并對管材性能進行分析,結果表明,改性硅灰石可以提高管材的落錘沖擊強度及拉伸強度,當粒徑在3μm 左右的硅灰石,質量份數為25份時,落錘沖擊強度達到1%?同時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),并采用混酸對其進行表面活化,最后通過熔融共混法制備PVC/nano-Gs復合材料?通過傅里葉紅外光譜和SEM 對nano-Gs的結構進行表征,研究了nano-Gs對復合材料導電性能和力學性能的影響?結果表明,隨著nano-Gs含量升高,復合材料的拉伸強度及缺口沖擊強度均先升高后降低,nano-Gs質量分數為1%時,復合材料的拉伸強度及缺口沖擊強度均達到最大值,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的層鏈狀過渡結構?但是凹凸棒土與樹脂基體的結合并不好,當材料受到外力時表現出脫黏現象?所以要將納米凹凸棒土進行改性,改性后的納米凹凸棒土填充到PVC基體中,能顯著改善其力學性能? 鄭祥等[24]用鈦酸酯偶聯劑對凹凸棒土進行表面改性,并研究了經表面處理和未經表面處理的凹凸棒土對PVC/ABS復合材料力學性能的影響,用SEM 觀察了PVC/ABS復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,經表面處理的凹凸棒土添加到PVC/ABS復合材料中缺口沖擊強度要好于未改性的,添加10份經表面處理的凹凸棒土可以使復合材料的缺口沖擊強度提高到

215.48kJ/m;未經表面處理的凹凸棒土在添加15份時,復合材料的沖擊強度達到

最高14.31kJ/m2?分析認為,當添加量逐漸增大時,凹凸棒土在PVC/ABS復合材料中的團聚現象嚴重,此時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復合材料缺口沖擊強度的影響 八．結語

通過本次的研究調查發現國內納米粒子填助劑發展已日新月異，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高分子行業呈現生機盎然的形式。國內專家對納米粒子（最為廣泛的是CaCO3）對PVC 的彈性體增韌改性機理、有機剛性粒子增韌機理、無機剛性栗子增韌機理、纖維

狀填料增韌機理都有深厚的理論基礎和實驗結果。

納米粒子增韌改性PVC，由于納米材料具有尺寸小，比表面積大而且產生量子效應和表面效應等特點，將納米材料引入到PVC增韌改性研究中，發現改性后的PVC樹脂同時具有優異的韌性、加工流動性、尺寸穩定性和熱穩定性，特別是近年來，隨著納米粒子表面處理技術的發展，納米粒子增韌PVC已經成為國內外研究開發的熱點。其增韌機理是納米粒子的存在產生了應力集中效應，引發周圍樹脂產生微開裂，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，材料受沖擊時會產生更多的微開裂而吸收更多的沖擊能。

納米粒子由于其優良的性能,在塑料的高性能化改性中的應用前景非常廣闊?納米粒子增韌改性PVC具有諸多優勢,但同時也存在著納米原料價格昂貴等致命缺陷?所以發展價格低廉的新型納米增韌增強劑,尋找更適用?更科學的納米材料,以獲得更好的增韌效果并最終實現工業化生產,是納米粒子增韌改性PVC研究的一個極其重要的研究方向和努力目標?此外,對于PVC納米復合材料,還應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,進一步增加粒子與PVC在納米尺度上的相容性,并深入研究PVC納米復合材料的結構與性能,加強理論研究上的深度,使這一新材料能夠真正發揮其潛能? 個人認為，納米材料發展至今，已經步入人民生活的各個方面，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，目前開發工業化比較多的例如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，對增強和增韌也更有利，這些共混體系的缺口沖擊強度是未改性PVC的數倍之多，由此我個人覺得在PVC與其他高分子聚合物共混呈現不相容性時，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度，對于今后的更多PVC復合材料有極大的意義。

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第四篇：表面技術

涂層技術的發展與應用

黃亞博

(河南科技大學材料科學與工程學院, 河南 洛陽, 471000）

摘要：隨著我國航天技術快速發展和對先進海洋工程裝備的需求日益強烈，關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。涂層技術是表面工程技術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，對材料表面性能進行強化，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，涂層技術已成為實現航天、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、應用和發展進行了綜述。最后，展望了涂層技術將來的研究方向。關鍵詞：關鍵部件；涂層；表面性能 前言

腐蝕與防護，一直是航空領域中倍受關注的課題。據工業發達國家統計，每年因腐蝕所造成的經濟損失占國民生產總值的2%~4%；我國每年因腐蝕造成的直接經濟損失達200 億元[ 1 ]；美國空軍1992年用于腐蝕的維修費用高達7.18 億美元。采用各種表面防護技術能夠有效地控制腐蝕現象的發生和擴展，減輕腐蝕造成的損失。表面技術是表面處理、表面涂層及表面改性的總稱。表面技術是應用物理、化學和機械加工來改變材料表面的形態、化學成分、組織結構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連續膜，是為了防護，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、液態、固態，通常根據需要噴涂的基質決定涂料的種類和狀態。涂層在材料或工件上所占質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 ]。涂層技術的意義

國外文獻報道，有75％以上的航空發動機零件加有金屬或陶瓷涂層以改進其性能和可靠性[ 4 ]。在當代先進應用技術如微電子、光學、航空航天領域中的作用也非常重要。同時大多數涂層往往工作環境惡劣，承受著各種復雜的載荷，因此如何延長涂層的工作壽命、高相關性能始終是涂層制備工藝具有挑戰性的課題。隨著科技發展,人們發現，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的應用和發展。涂層技術概念的提出與發展應用, 對工業科技發展具有了重大的影響和推動意義[ 5 ]：

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

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

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

依據涂層的主要功用不同，涂層可分為封嚴涂層、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 封嚴涂層

封嚴涂層一般涂層于轉子軸、鼓簡、軸承、轉動葉片葉尖、壓氣機和渦輪各級之間的封嚴裝置表面[ 9 ]，以控制間隙、減少泄露損失。封嚴涂層可分為兩類，一類是可磨耗涂層，另一類是主動磨削涂層。3.1.1 可磨耗涂層

可磨耗涂層，即為噴涂在與轉動件相配合的靜子環帶上的允許磨耗的軟涂層，要求具有良好的潤滑性、執沖蝕性、熱穩定性。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 主動磨削涂層

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

磨損是航空然氣禍輪發動機比較常見且危害較大的故障，按其形式可分為磨粒磨損、沖蝕磨損和微動磨損等幾種類型[ 10 ]。磨粒磨損主要發生在轉子軸及其軸承等承受較大機械負荷有相對運動的部件，通常靠改善潤滑來降低磨損程度;而沖蝕磨損和微動磨損常發生在沒有潤滑或不能潤滑的機件，應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磨損涂層[ 11 ]。3.2.1 耐沖蝕磨損涂層

沖蝕磨損主要發生在氣流通道，是含有固體粒子的氣流高速沖刷葉片造成的。大氣中含有各種粉塵，對于經常執行低空飛行任務的直升機，沖蝕磨損是其渦軸發動機壓氣機失效的主要形式[ 12 ]。渦輪葉片、渦輪機匣也會發生沖蝕磨損。沖蝕磨損使葉型受到破壞，致使發動機功率下降，并且沖蝕點還會成為疲勞源，造成葉片裂紋甚至斷裂，導致危害性故降發生。在受沖擊的機件表面噴涂高密度、高硬度的合金或金屬間化合物材料涂層，可增加機件表面的硬度，增強耐沖蝕性能。3.2.2 耐微動磨損涂層

微動磨損產生在有一定正壓作用、工作中有徽小位移往復運動，兩個接觸表面，也稱振動磨損[ 13 ]。互相配合或互相接觸的兩個機件，在振動或交互應力的作用下都可能發生微動磨損。由于航空始氣潤輪發動機要求重輕，采用柔性結構多，加之溫度變化大，并大量使用鋁、鎂、鈦合金和鎳基合金，微動磨損尤為嚴重[ 14 ]。壓氣機葉片的減振凸臺阻尼面和渦輪葉片葉冠阻尼面等是微動磨損多發部位。微動磨損的主要危害是所造成的表面損傷不斷發展，會加快諸如疲勞磨損等其他形式的故障產生，導致機件失效。根據微動磨損部位不同的工作條件和材料，噴涂各種耐微動磨損涂層，可有效降低微動磨損程度，延長機件的使用壽命。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氣對發動機熱部件金屬表面的沖蝕作用，從而減少金屬部件產生氧化、熱腐蝕、合金元素貧化和熱疲勞等破壞。已經應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，Fe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采用既有擴散鋁化物又有包覆MCrAlY的化學改性工藝；②添加增加抗氧化防熱腐蝕性能和提高與基體結合力的有關元素，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。普遍應用于渦輪葉片、導向葉片、燃燒室和加力燃燒室簡體。一般以多層結構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穩定化的Zr02隔熱涂層形成的復合涂層。美國某實驗室研究表明，該熱障涂層的隔熱效果可達189 ℃，這將為更有效地提高航空發動機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

航空發動機是在高負荷和不同振動頻率下工作的，而且還受到高溫、高壓、高速、強腐蝕和帶有碎片氣流產生的強烈沖刷，產生各種形式的磨損。磨損一度成為發動機零件損壞的主要原因。采用耐磨涂層保護后，報廢率大大降低，可見，合理地選用耐磨涂層，改善發動機零件的耐磨性能是十分重要的。目前應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。總之，高溫涂層已經成為現代航空渦輪發動機制造中不可缺少的材料。在不斷發展新型更耐熱的合金材料和更有效的冷卻技術的同時，大力發展高溫防護涂層是更有實效的新技術。目前人們正對具有梯度成分和多層結構的新型高溫涂層進行大量的研究工作，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、機械強度較高等優點，先進的航空燃氣渦輪發動機已普遍采用鈦合金作為壓氣機機匣、轉子盤、轉子葉片、靜子葉片和風扇葉片等部件的材料，以減輕發動機的重量,提高推重比。但普通鈦合金對持續然燒敏感，在高溫、高壓或劇烈沖擊下易起火燃燒，嚴重危害著飛行安全。用其它材料代替杖合金。如采用合金鋼壓氣機靜子機匣、用鎳合金做高壓壓氣機的轉子材料，雖有效解決鈦合金燃燒問題，但是卻不同程度地增加了發動機重量,降低了發動機性能。目前還沒有更好的材料完全取代鈦合金在航空燃氣渦輪發動機上的應用，在今后相當長的時間內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轉子葉片和機匣內環[ 18 ]。應用于轉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，且涂層表面應有很高的光沽度，以減少對氣流的葉片附面層阻力。用于機匣內環的涂層，應同時具有封嚴涂層的功能，以提高壓氣機效率。鈦合金阻燃涂層一般采用PVD法,CVD法以及常規的電被方法。鈦合金機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 ]。涂層技術的發展方向

工業科技的發展促進了涂層技術的發展，同時，涂層技術的發展也必須適應工業科技的發展。現代涂層技術要在未來的工業中體現出巨大的作用，必須從以下方面做出深入研究和改進:

(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理，研究涂層在摩擦學在工業中的應用。研究在線監測技術，實時監控進行在線監測，形成相關嚴密的覆層失效評估體系。

(2)研究開發新型涂層材料。涂層材料是制備優良涂層的物質基礎，不斷開發優良的耐磨耐腐蝕以及不同環境需求的優質涂層材料是保證表面工程強大生命力的基礎，開發在表面工程技術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越性。

(3)開發多功能涂層。隨著工業的發展，許多行業需要特殊涂層,如防滑涂層、隱身涂層、吸熱涂層、隔熱涂層、導電涂層、催化涂層等，采用激光、高能電子束、離子束等現代先進表面技術的聯合應用，制備特殊結構，特殊要求的功能涂層，具有很好的發展前景。

(4)實現涂層工程的清潔生產。表面工程基本來說是屬于節能環保型工程，但某些技術任然存在污染問題，比如涂裝、電鍍熱處理等。研究從設計、制造到運行全過程的無污染的、節約型的、再生的涂層技術工程，也是涂層技術工程一個基本發展趨勢。

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第五篇：激光表面改性技術

1激光表面改性技術發展歷程

激光的發明及應用是20世紀對人類文明及社會進步影響最深遠的重大科技成果之一，激光技術在材料科學及制造科學中的應用，大大促進了材料科學與工程及先進制造技術的發展激光表面改性是運用高能激光束對工件表面進行改變性能的技術，具有許多獨有的特點。從20世紀60年代激光問世以來，激光技術作為一門嶄新的高新技術，幾乎在各行各業都獲得了重要的應用。20世紀70年代中期大功率激光器的出現，使激光綠色再制造技術不僅在研究和開發方面得到迅速發展，在工業應用方面也取得了長足進步。經過30年的迅猛發展，激光綠色再制造技術已在汽車、冶金、紡織等行業得到成功的應用，獲得了良好的社會效益和經濟效益。激光技術在我國經過30多年的發展，取得了上千項科技成果，許多已用于生產實踐，激光加工設備產量平均每年以20％的速度增長，為傳統產業的技術改造、提高產品質量解決了許多問題，如激光毛化纖技術正在寶鋼、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口的狀態，激光標記機與激光焊接機的質量、功能、價格符合國內目前市場的需求，市場占有率達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104-108 M/cm2)，作用于工件表面時形成局部高溫，基體的加熱速度和冷卻速度極快，般可達104-108 ℃/S。與傳統的熱加工技術相比，激光加工對基體的熱影響區小得多，因此工件一般不產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，故而對環境的污染小，是名副其實的綠色加工技術。進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。激光淬火是運用高能激光束對工件以定速度進行掃描，使工件在激光照射下瞬間達到相變點以上高溫，然后以極高的速度冷卻，達到表面淬火的效果。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，并與基體材料發生冶金反應，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相比，激光表面改性技術的優點十分突出：○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節，并可采用機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合，不會出現剝落現象;4○激光表面改性處理速度快，熱影響區小，不會引起基材性能和尺寸變化。

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

2激光技術在國內外發展現狀

激光加工是國外激光應用中最大的項目，也是對傳統產業改造的重要手段，主要是kW級到10kW級CO2激光器和百瓦到千瓦級YAG激光器實現對各種材料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據1997~1998年的最新激光市場評述和預測，1997年全世界總激光器市場銷售額達32.2億美元，比1996年增長14％，其中材料加工為 8.29億美元，醫療應用3億美元，研究領域1.5億美元。1998年總收入預計增長19％，可達到38.2億美元。其中占第一位的材料加工預計超過10 億美元，醫用激光器是國外第二大應用。

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

表面工程

業加工設備的開發 , 正在開發的有 2KW、6KW 輸出的工業級光纖激光器的加工設備的二次開發。我國已開發出了中小功率系列工業光纖激光設備 , 但大功率光纖激光器工業加工應用尚是空白 , 在我國造船工業中幾乎還沒有使用激光加工技術。

激光表面改性技術是材料表面工程技術最新發展的領域之一。這項技術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外研究和應用最多的兩種工藝。

激光表面相變硬化: 與傳統熱處理工藝相比，激光表面相變硬化具有淬硬層組織細化、硬度高、變形小、淬硬層深精確可控、無須淬火介質等優點，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激光幅照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結合的表面涂層，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、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點。

1、激光表面改性的技術特點

（1）可在零件表面形成細小均勻、層深可控、含有多種介穩相和金屬間化合物的高質量表面強化層。可大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接觸疲勞的能力以及制備特殊的耐腐蝕功能表層；

（2）強化層與零件本體形成最佳的冶金結合，解決許多傳統表面強化技術難以解決的技術關鍵；

（3）易與其它表面處理技術復合，激光表面改性可以方便地與其它表面工程技術結合起來，產生所謂第二代表面工程技術——復合表面改性技術。可以綜合傳統表面改性技術與激光表面改性的優勢，彌補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，可實現工件快速加熱到相變溫度以上，并依靠零件本體熱傳導實現急冷，無須冷卻介質，而冷卻特性優異。形成的表面強化層 3

表面工程

硬度比常規方法處理的高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，即熱影響區小，工件熱變形可由加工工藝控制到較小的程度，后續加工余量小。有些加工件經激光處理后，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調整，并且沒有慣性。配合數控系統，可以實現柔性加工。另外，激光束的可控性好，只要采用光學的束操作技術來適當地引導激光束至工件的不同部位，就可以實現精確的可選擇的材料局部表面改性。可處理零件的特定部位及其它方法難以處理的部位，以及表面有一定高度差的零件，可進行靈活的局部強化；

（7）無須真空條件，即使在進行特殊的合金化處理時，也只需吹保護性氣體即可有效防止氧化及元素燒損；

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

（9）激光器本身具有很大的發展潛力，產生激光束的裝置無論品種還是效率都有很大的發展潛力.2、半導體激光表面改性

最近十年，激光熔覆技術已被用來修復各種零件的破損部分。然而YAG和CO2激光器產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技術的進一步發展。通過調整激光熔覆條件可以取得進展，但是仍然面臨著熱循環對基體金屬會產生較大影響這一難題。半導體激光器有望解決這一難題。因此半導體激光熔覆技術將為零件破損部分的修復開辟一個全新的領域。該技術的推廣有利于報廢零件的循環再利用，從而可以大大節約成本。

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與工程、激光、現代制造、計算機控制、智能測量等多學科或學科方向的跨學科結合的產物，因此針對重大工程應用目標，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具有重要意義。

表面工程

激光柔性加工是新興的加工技術,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模型，并嵌入到虛擬激光柔性加工平臺中，在虛擬環境中進行完整的過程仿真。

激光柔性加工是由計算機控制系統實現對不同批量、不同種類的產品采取不同激光加工方式(切割、焊接、表面處理等)，進而提高設備利用率，縮短產品周期，提高對市場的響應速度和競爭能力的一種自動化加工。激光加工方式不同，即與材料的作用機理不同,因此不可能建立一個可以囊括所有機理的物理模型,但虛擬加工平臺是針對柔性設備而建，故可以建立一個統一的虛擬激光加工平臺、統一的體系結構。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行完整過程仿真。激光柔性加工過程是加工機器人將激光加工頭帶到需要加工的加工區,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.激光表面工程技術主要應用領域

石油和冶金行業的應用 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，進行冶金機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。從對我國部分鋼鐵企業應用激光加工技術的考察表明：激光加工設備運行穩定可靠、加工成本低、加工工藝技術成熟、產品質量優良、經濟和社會效益顯著。可以利用激光表面強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、扭轉輥、導衛、導衛盒、撓結機滑板角合器、軋機人字齒輪軸、齒接手、天車輪、減速機齒輪、齒輪軸、平面蝸桿、拉絲機卷筒、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、天車輪導衛、軋輥等的激光強化處理，硬度均提高0.5~1倍以上。汽車和磨具行業的應用

在汽車工業方面，激光表面強化工藝有廣泛的應用前景。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、凸輪、心軸、閥門和傳動構件等的使用壽命，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量最大的6缸汽油發動機曲軸大都已采用球墨鑄鐵材質。球鐵經激光表面強化處理后，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用前景。激光表面改性技術在模具行業受到了廣泛的重視和推廣，在經濟效益和項目開發上呈現

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施了激光淬火。即通過適當的屏蔽，使激光輻射在刃口的兩側面上，熱量由金屬體傳達刃口，使其控制在相變溫度范圍內，以實現淬火的目的。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，模具刃口兩側面受熱，熱量由兩側面傳導而匯合于刃口，從而使刃口部位的溫度控制在淬火所需溫度以實現淬火。激光綠色再制造的未來

激光綠色再制造技術，是未來工業應用潛力最大的綠色再制造技術之一。具有很大的技術經濟效益，廣泛應用于機械

電器

航空

兵器

汽車等制造行業。利用激光表面處理技術在一些表面性能差和價格便宜的基體金屬表面合金層，用以取代昂貴的整體合金，節約貴金屬和戰略材料，使廉價材料獲得應用，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冶金方法根本不同的表面合金，應用在太空

高溫和化學腐蝕環境條件下的機械零件上。還可推廣應用于冶金、機械和船舶維修中，關鍵部件的尺寸修復，例如各種軋機軋輥、大型船舶的艉軸、軸承座，發電機、舵機、錨機等輔機軸，各種閥門密封面、泵軸套、柱塞、機械密封環等運動部件，這些部件往往由于關鍵部位磨損超差，不能使用，針對部件材質、磨損形式和使用條件，選擇適當的激光表面強化技術進行修復，壽命甚至比原部件高。激光綠色再制造已呈現出具有廣闊的應用和發展前景。

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