第一篇：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?？纱蠓忍岣弑砻嬗捕?、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?？梢跃C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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表面工程

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第二篇：表面改性技術綜述

表面改性技術綜述

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構性能不同的一種技術。材料經過改性處理之后，既能發揮材料基體 的力學性能，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。

金屬表面改性技術在冶金、機械、電子、建筑、輕工、儀表等各個工業部門乃至農業和人們日常生活中都有著廣泛的用途, 其種類繁多。除常用的噴丸強化、表面熱處理等傳統技術外,近些年還快速發展了激光、電子和離子等高能束表面處理技術。今后, 隨著物理學、材料學等相關學科的迅速發展, 還將不斷涌現出新的表面改性技術。尤其是復合表面技術的發展, 有可能獲得意想不到的效果。金屬表面改性技術的飛速發展和不斷創新, 將進一步推動其在工農業生產中的應用, 帶來顯著的經濟效益。

傳統的表面改性技術有：表面形變強化、表面熱處理、表面化學熱處理、離子束表面擴滲處理、高能束表面處理、離子注入表面改性等。

1、噴丸強化

噴丸處理是在受噴材料再結晶溫度以下進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。噴丸可應用于表面清理、光整加工、噴丸成型、噴丸校正、噴丸強化等方面。噴丸強化又稱受控噴丸, 不同于一般的噴丸工藝, 要求噴丸過程中嚴格控制工藝參數, 使工件在受噴后具有預期的表面形貌、表層組織結構和殘余應力場, 從而大幅度提高疲勞強度和抗應力腐蝕能力。實施噴丸時, 彈丸由專用的噴丸機籍助壓縮空氣、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。噴丸強化的效果用噴丸強度來表示, 與彈丸種類和形狀、碰撞速度和密度、噴射方位和距離、噴丸時間等因素有關。表面噴丸提高金屬材料疲勞強度的機理比較復雜, 涉及到塑性變形層(通常為011～018mm 厚)的組織結構變化(如位錯密度、亞晶粒尺寸)和殘余應力的變化。因此, 只有合理控制表面變形層內的變化, 才可能獲得預期的噴丸強化效果。

早在20 世紀20 年代, 噴丸強化就應用于汽車工業。目前已成為機械制造等工業部門的一種重要的表面技術, 應用廣泛。涉及的材料除普通鋼外,還有高強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、渦輪盤和飛機起落架組成件等。

2、傳統表面熱處理改性

傳統的表面熱處理技術可分為表面淬火和化學熱處理兩大類。它主要用來提高鋼件的強度、硬度、耐磨性和疲勞極限。在機械設備中, 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。這類零件表面應具有高的硬度和耐磨性, 而心部應具有足夠的塑性和韌性。因此, 為滿足其使用性能要求, 應進行表面熱處理。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。其設備簡單、方法簡便, 廣泛用于鋼鐵零件。根據加熱方法的不同, 可分之為火焰加熱表面淬火和感應加熱表面淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鸬拇阃笇右话銥?-6mm。其特點是設備簡單, 但加熱溫度高及淬硬層不易控制, 淬火質量不穩定, 使用上有局限性。感應加熱表面淬火的特點是: 加熱速度快, 零件變形小, 生產效率高, 淬火后表面能獲得優良的機械性能;淬透層易控制, 淬火操作易實現機械化。但設備較貴, 形狀復雜零件的感應器不易制造, 不宜單件生產。

2化學熱處理 ○化學熱處理是將金屬零件放在某種介質中加熱、保溫、冷卻, 使介質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, 化學熱處理不僅改變了金屬的組織, 還改變了表面層的化學成分。根據滲入元素的不同, 可將化學熱處理分為三類(如表1 所示)。其中, 應用最廣泛的是非金屬和金屬元素滲入的化學熱處理。

滲碳是向材料表面滲入碳原子的過程。鋼件滲碳后經淬火, 回火處理, 可提高零件表面的硬度、耐磨性和疲勞強度, 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

及疲勞強度。零件經滲氮后不再需進行其它熱處理。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間, 滲層厚度也遠比滲碳層薄得多。因為滲入金屬原子在鋼中進行的是置換擴散, 需要更大的激活能?；瘜W熱處理原則上可應用于一切金屬材料, 而化學介質又無限多樣, 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, 化學熱處理應用較少。

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

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, 熱作用區小, 可根據需要選擇。其定向作用在金屬表面, 使材料表層產生物理、化學或相結構變化, 從而達到金屬表面改性的目的。近10 年來, 高能束熱處理技術在工業中的應用發展迅速, 特別是激光束熱處理技術, 在汽車、冶金、紡織、機械、電子等工業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是70 年代中期發展起來的一項高新技術。激光具有高輻射亮度、高方向性和高單色性三大特點, 可實現材料表面的快速加熱和冷卻。其熱影響區的范圍很窄, 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, 可顯著改善其表面性能, 如提高金屬表面硬度、強度、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用。除表面淬火外, 已經應用或正在開發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和激光相結合進行的表面改性, 也獲得了成功。激光表面淬火是目前應用最成功的激光表面熱處理技術。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以上, 然后移開激光束, 熱量從材料表面向內部傳導發散而迅速冷卻(冷卻速度可達到104 ℃/ s), 從而實現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行的, 因而得到不均勻的奧氏體細晶粒, 冷卻后轉變成隱晶或細針馬氏體。激光淬火比常規淬火的表面硬度高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, 有助于其疲勞強度的提高。由于激光聚焦深度大, 在離焦點75mm 范圍內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格的要求, 能對形狀復雜件(例如有拐角、溝槽、盲孔的零件)進行處理;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;同時工藝操作簡單, 也便于實現自動化。由于具有以上一系列優點, 激光表面淬火發展十分迅速, 其在機械制造生產中的應用將不斷拓展。

2電子束表面改性 ○電子束改性技術是近30 年發展起來的局部表面改性技術。電子束也是一種高能密度的熱源, 當它作用于金屬表面時, 可根據工件改性的要求, 調整電子束束斑直徑、功率密度、脈沖時間、作用形式等參數, 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, 電子束技術主要用于薄鋼帶、細鋼絲的電子束退火改性和沖擊淬火等。目前美國已經有比較完善的電子束加熱退火爐, 用于處理鈦、鈮、鋁、鉭及核反應堆的金屬材料。世界工業發達國家都先后開展了電子束改性的應用工作。如美國的Sciaky 公司在電子束焊接設備的基礎上, 專門開發了用于電子束表面改性的設備。我國電子束表面改性實驗始于1979 年, 但比激光表面改性技術的發展要緩慢得多, 其原因在于電子束改性設備、工藝的工業應用尚需系統化。

電子束表面改性特別適用于處理易氧化的金屬、貴金屬以及半導體材料, 因為它需要在真空條件下進行, 污染小, 材料不易氧化。可任意選擇淬火部位進行加熱, 其能量密度高達105W/ cm2 , 熱影響區極小;由于作用時間短, 材料變形小, 可實現高精度、高速度、無慣性控制。主要缺點在于:真空條件下處理, 不利于大型件和流水線操作, 靈活性和適應性差, 生產效率低;易產生放射線, 有害健康, 需加防護措施。

3離子注入表面改性 ○采用離子注入技術作為金屬表面強化的研究始于70 年代初, 并已取得了可喜的成就。離子注入是根據被處理材料表面所需要的性能, 選擇適當種類的原子, 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構發生變化, 以及原子環境和電子組態等微觀狀態的擾動,因此導致材料的各種物理、化學或力學性能的變化。

離子注入一般在常溫或低溫下進行。整個過程均在真空中完成, 因而表面處理中無氧化和脫碳現象?？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, 且與擴散系統無關。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, 工件的表面粗糙度還會有一定程度的改善。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, 易實現自動化操作;且無廢物處理, 清潔、安全可靠。目前離子注入工藝已應用于許多工業部門, 尤其是工、模具制造業, 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合, 有可能產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：激光表面熱處理技術[推薦]

先進制造技術

——激光表面熱處理技術

摘要：激光表面處理技術是融合了現代物理學、化學、計算機、材料科學、先進制造技術等多學科技術的高新技術，包括激光表面改性技術、激光表面修復技術、激光熔覆技術、激光產品化技術等，能使低等級材料實現高性能表層改性，達到零件低成本與工作表面高性能的最佳組合，為解決整體強化和其它表面強化手段難以克服的矛盾帶來了可能性，對重要構件材質與性能的選擇匹配、設計、制造產生重要的有利影響，甚至可能導致設計和制造工藝的某些根本性變革。

關鍵字：激光

表面

熱處理

正文：激光是一種相位一致、波長一定、方向性極強的電磁波,激光束由一系列反射鏡和透鏡來控制,可以聚焦成直徑很小的光(直徑只有0.1mm),從而可以獲得極高的功率密度(104~109W/cm2)。激光與金屬之間的互相作用按激光強度和輻射時間分為幾個階段:吸收光束、能量傳遞、金屬組織的改變、激光作用的冷卻等。它對材料表面可產生加熱、熔化和沖擊作用。隨著大功率激光器出現,以及激光束調制、瞄準等技術的發展,激光技術進入金屬材料表面熱處理和表面合金化技術領域,并在近年得到迅速發展。激光表面處理采用大功率密度的激光束、以非接觸性的方式加熱材料表面,借助于材料表面本身傳導冷卻,來實現其表面改性的工藝方法。

激光表面熱處理是以激光作為熱源的表面處理技術，其研究的是金屬材料及其制品在激光的作用下組織和性能的變化規律，以及它在工業行業中所必須解決的工藝和裝備因此激光熱處理是涉及化學、材料科學與工程、機械和自動控制工程等多學科的高新技術，是傳統熱處理的發展與補充。采用激光熱處理可以做到其它熱處理方式難以實現的技術目標，所以國內外對于激光熱處理的研究、開發和應用都正處于上升階段。

激光表面熱處理特點主要有：

1.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。其應用的潛力首先在于大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接觸疲勞的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.依靠零件本體熱傳導實現急冷，無需冷卻介質而冷卻特性優異。

4.與各種傳統熱處理技術相比具有最小的變形，可以用處理工藝來控制變形量。

5.可處理零件的特定部位以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。6.一般無需真空條件，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。

7.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。

8.生產效率高、加工質量穩定可靠、成本低，經濟效益和社會效益好。

激光表面熱處理按照處理過程中因為采用的工藝方式不同或者采用相同的工藝方式中因參數的大小不同而產生不同的組織性能，可分為多種處理工藝，包括激光相變硬化，激光表面熔凝激光表面合金化，激光表面熔覆，激光表面沖擊等，這些表面處理方法都利用了激光的高亮度、高方向性、高單色性和高相干性綜合優異性能。

1.激光表面淬火

激光淬火技術，是利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面，使其發生相變，形成馬氏體淬硬層的過程。激光淬火的功率密度高，冷卻速度快，不需要水或油等冷卻介質，是清潔、快速的淬火工藝。

激光表面淬火的特點，激光表面淬火是一種利用高能量激光束掃描工件使被掃描的區域表面硬化的技術。

（1）激光淬火是快速加熱、自激冷卻，不需要爐膛保溫和冷卻液淬火，是一種無污染綠色環保熱處理工藝，可以很容易實行對大型模具表面進行均勻淬火。（2）由于激光加熱速度快，熱影響區小，又是表面掃描加熱淬火，即瞬間局部加熱淬火，所以被處理的模具變形很小。

（3）由于激光束發散角很小，具有很好的指向性，能夠通過導光系統對模具表面進行精確的局部淬火。

（4）激光表面淬火的硬化層深度一般為0.3～1.5mm。對大型齒輪的齒面、大型軸類零件的軸頸進行淬火，表面粗糙度基本不變，不需要后續機械加工就可以滿足實際工況的需求。激光熔凝淬火技術是利用激光束將基材表面加熱到熔化溫度以上，由于基材內部導熱冷卻而使熔化層表面快速冷卻并凝固結晶的工藝過程。獲得的熔凝淬火組織非常致密，沿深度方向的組織依次為熔化-凝固層、相變硬化層、熱影響區和基材。激光熔凝層比激光淬火層的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。該技術的不足之處在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破壞，一般需要后續機械加工才能恢復。為了降低激光熔凝處理后零件表面的粗糙度，減少后續加工量，本司配制了專門的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝層的表面粗糙度。

現在進行激光熔凝處理的冶金行業各種材料的軋輥、導衛等工件，其表面粗糙度已經接近激光淬火的水平。激光淬火現已成功地應用到冶金行業、機械行業、石油化工行業中易損件的表面強化，特別是在提高軋輥、導衛、齒輪、剪刃等易損件的使用壽命方面，效果顯著，取得了很大的經濟效益與社會效益。近年來在模具、齒輪等零部件表面強化方面也得到越來越廣泛的應用。

2.激光表面熔覆

激光表面熔覆技術是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經激光輻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并與基體材料成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電器特性等的工藝方法。

激光熔覆的特點

（1）由于激光的快速加熱和冷卻過程，激光熔覆層組織細小，結構致密。

（2）由于激光束的高能密度所產生的近似絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對基材的熱影響小，引起的變形小。激光熔覆可以有效地修補裂痕、崩角以及磨損的密封邊。

（3）激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制，易實現選區甚至微區熔覆修復。

（4）熔覆層的稀釋率小，可精確控制，熔覆層成分具有可設計性。（5）無接觸型處理，能實現自動化和柔性加工。

目前激光熔覆技術進一步面臨主要問題①對激光熔覆過程裂紋的形成和行為缺乏深入的研究；②尚缺乏特別針對激光熔覆過程特別的容輔材料；③激光熔覆過程的檢測和實施的自動化控制不夠完善。其中，裂紋的問題尤為嚴重。

3.激光表面合金化

激光表面合金化是采用激光加熱，使金屬表面合金化，以改變其化學成分、組織和性能的方法，利用高能密度的激光束快速加熱熔化特性，使基材表層和添加的合金元素熔化混合，從而形成以原基材為基的新的表面合金層。

⑴ 合金層硬度

以WC/Co為添加粉末合金化后，主要獲得M6C型碳化物，硬度約為1300HV，由于碳化物量很流，呈細網格分布，基體又為馬氏體組織，所以表面硬度達1000HV以上。

Cr3C2合金化以后，組織特征為基體上分布分布著網狀碳化物，析出的碳化物為M7C3型，這種碳化物硬度高達2100HV，由于合金碳化物在基體中分布較稀。故表層硬度也只有1000HV左右。在WC/Co中加入Ni粉以后，合金層中碳化物類型并不發生變化，但基體中出現奧氏體。Ni的加入量越多，奧氏體量越高。硬度也隨著下降。激光表面合金化，可以根據合金化成分構控制，得到高硬度的合金層。

⑵ 激光表商合金化的磨損性能 靜載滑動磨損時，在單束斑掃描條件下，以WC/Co合金化時的耐磨性比45鋼（淬火態），提高17倍以上，比Cr3C2/Ni-Cr提高12倍。寬帶掃描時，用WC/Co合金化后，耐磨性提高28倍。

激光表面合金化的強化機制，是相變硬化、固溶強化和碳化物強化的綜合強化結果。WC/Co合金化后基體為馬氏體，M6C型碳化物的硬度為1300HV左右，在磨損時，將首先選擇性磨損馬氏體基體，碳化物漸漸露出磨面，由于碳化物網的支撐作用，所以合金化展表現出極高的耐磨性。

激光熱處理現有水平及發展趨勢，激光熱處理具有加熱和冷卻速度快、工件變形小、可進行局部熱處理、工藝靈活性大、污染小和易實現自動化等優點。目前,國外應用較多的激光熱處理主要有激光表面相變硬化、激光沖擊處理、激光表面合金化和激光表面熔凝等。

激光表面相變硬化處理現已用于鑄鐵、碳鋼、合金鋼、鈦合金、鋁合金等材料。美國海軍面射武器中心及陸軍導彈分部對用于導彈上的凸輪、軸承、齒輪等零件進行激光表面相變硬化代替滲碳或滲氮工藝而取得了成功。該階段的主要特點:1.激光熱處理設備已商業化,正朝小型化、自動化和柔性化方向發展;2.激光表面相變硬化處理工藝日趨成熟,廣泛用于汽車、航空航天、武器等工業部門;3.激光表面合金化工藝因具有極大的經濟效益,倍受各國的重視,研究工作進展較大,但仍處于基礎工藝試驗、組織分析和性能試驗的實驗室研究階段,尚未進入工業應用;4.開展了激光涂覆處理、激光表面熔凝、激光脈沖沖擊強化處理和激光滲氮處理等工藝的研究。隨著激光技術的發展,激光器功率的提高,激光熱處理的優點日趨明顯,從而推動激光熱處理的迅速發展。激光熱處理作為一種很好的節能型熱處理工藝也是其迅速發展的動力之一。

參考文獻： [1]劉勇，田保紅，劉素芹著.先進材料表面處理和測試技術.北京：科學出版社，2008

[2] 陳江,劉玉蘭.激光再制造技術工程化應用[J].中國表面工程.2006(S1)

[3] 邱星武.激光技術在材料加工領域的發展及應用[J].稀有金屬與硬質合金.2010(01)

第四篇：2013年表面改性技術課程研究生考試題

2013年表面改性技術課程

研究生考試題

一、滲碳溫度為什么一般選在900-950℃，請從材料、設備、工藝、含碳量等幾個方面進行闡述。

二、氣體滲氮和離子滲氮主要不同點什么？相同點是什么？各有什么優勢？

三、氮化時當溫度過高，極易造成產品表面硬度降低，并且是不可逆的沒有辦法挽救，請闡述其原因。

四、對比高碳鋼手工鋸條和滲金屬手工鋸條的優缺點，滲金屬手工鋸條應用了那些原理進行產品的升級改造，請從工藝、材料、組織、結構、性能、強化機理等方面加以闡述。

第五篇：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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