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波纹片成型机一、 蒸汽吸尘器引言
表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。 随着纳米科技的发展，微机电系统的设计、制造日益增多，制造技术以由亚微米层次进入到原子、分子级的纳米层次。纳米机器人、纳米钳、纳米电机、……，此类机电系统涉及到大量的表面科学表面技术问题，且随着尺寸减小和表面效应的出现，传统的表面设计和加工方法已不在适应。
纳米表面工程是通过特定的加工技术赋予材料以纳米表面、使表面纳米结构化，从而使材料
的表面得以强化、改性或赋予表面新功能的系统工程。产生机敏表面、纳米智能表面和表面纳米器件。
与传统的表面工程相比，其特点是：取决于基体性能的因素被弱化，表面处理、改性和功能化的自由度扩大，表面加工技术的作用更加突出，产品的附加值更高。
二、 应用
纳米技术在表面工程应用中发展较快的有两个领域：一个是纳米薄膜和迭层膜的制备，它使薄膜的电学性能、磁学性能、光电性能等成倍提高；另一个领域是将金属或非金属的纳米级颗粒应用到热喷涂、电刷镀、化学镀、涂装、润滑、粘结等各种传统、常用的表面技术中。 1. 纳米薄膜
纳米薄膜具有纳米材料的特殊结构，即晶粒和晶界都属于纳米尺寸数量级。典型的纳米薄膜是以纳米粒子或原子团簇为基质的薄膜体，或者薄膜的厚度为纳米尺寸数量级，从而表现出显著的量子尺寸效应。
目前，对纳米薄膜的研究多集中在纳米复合薄膜，这是一类具有广泛应用前景的材料。纳米复合薄膜按用途可将其分为两大类，即纳米复合功能薄膜和纳米复合结构薄膜。前者主要利用纳米粒子所具有的光、电、磁等方面的特异功能，通过复合赋予基体所不具备的功能。后者主要是通过纳米复合提高机械方面的性能。由于纳米粒子组成、性能、工艺条件等参量的变化都对复合薄膜的特性有显著的影响，因此可以在较多自由度的情况人为地控制纳米复合薄膜的特性。 2．纳米热喷涂涂层
纳米热喷涂技术就是以现有热喷涂技术为基础，通过热喷涂材料而得到纳米涂层。热喷涂纳米涂层可分三类：单一纳米材料涂层体系；两种（或多种）纳米材料构成的复合涂层体系；添加纳米颗粒材料的复合体系，其中添加陶瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系较容易实现。目前，完全的纳米材料涂层由于技术繁杂、难度大，离应用还有相当距离。大部分的研究开发工作集中在第三种，即在传统涂覆层技术基础上，添加复合纳米材料，可在较低成本下，使涂覆层功能得到显著提高。
书法教学系统纳米结构氧化铝/氧化钛复合陶瓷涂层具有优良的抗磨损性能，显示良好的韧性和吸纳应力
的能力，其粘结强度是传统涂层的2倍，抗磨损性是它的3～4倍，抗冲击性能也得到很大提高。添加CeO2或ZrO2到Al2O3/ TiO2纳米粉中进行热喷涂，在保持与传统涂层相同硬度的条件下，其抗磨损性能也将大大提高。
纳米复合镀层就是在镀液中加入纳米固体颗粒，通过与金属共沉积获得镀层。把纳米颗粒应用在电镀、化学镀及电刷镀中来获得比普通复合镀层高的硬度、耐磨性、减摩性等已获得较大进展。纳米量级的颗粒在理论上可大幅提高镀层中的化合物复合量，而且纳米颗粒的引入，会给镀层带来优异的功能特性。目前开发较多的有镍基、锌基、铜基和银基等镀层。按用途可分为耐磨减摩镀层、耐高温镀层、装饰防护性镀层等。
4．纳米涂料
纳米复合涂料是指将纳米微粒用于涂料中，得到一种具有抗幅射、耐老化且剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。根据其功能与用途，纳米复合材料可分为纳米耐老化涂料、纳米隐身涂料、纳米抗菌涂料及纳米导电涂料等。①耐老化涂料——纳米TiO2、SiO2、ZnO
等材料是优良的抗老化剂，可以明显提高材料的耐老化性能，Stamatakis.P.认为50-120nm球状TiO2对衰减300～400nm的紫外线有明显效果，衰减长波、短波紫外线时，分别是散射和吸收起作用；纳米SiO2有极强的紫外反射能力，对波长400nm以内的紫外光反射率达 70％以上，是一种极好的抗老化添加剂；60nm的ZnO吸收300～400nm紫外线能力强，在聚合物膜中吸收起主要作用，另外ZnO对中波（ 280～320nm）、长波（320～400nm）都有屏蔽作用，可作为涂料的抗老化添加剂。②隐身涂料——该涂料是指能有效地吸收入射雷达波，并使其散射衰减的一种功能涂料。美国花上亿元研制了一项绝密技术——纳米雷达吸波涂料，每辆坦克只需花5000美元就可获得涂层薄、吸波率高的、吸收波带宽的隐身涂料。③其它纳米材料TiO2、Cr2O3、Fe2O3、ZnO等加入树脂中有良好的静电屏蔽性能，可作为涂料的抗静电剂，纳米TiO2、SiO2、ZnO等加入涂料中，可使涂料具有很好的抗菌性能。纳米材料的应用将使涂料向着高性能、高品质、功能化方向发展。
5．纳米润滑材料
将纳米微粒以适当方式分散在润滑油中，这样每升油中就含有数亿个纳米微粒，在摩擦过程中吸附在摩擦副表面，通过“微轴承”作用、形成一个光滑保护层、填充表面的微坑和损
伤部位这3条途径来实现增加润滑，减少磨损。这类纳米润滑材料有：n-Cu、、n-Ph、n-Ni、n-MoS2、n-W S2、n-PbS、n-Sb2O5、n-ZeO、n-TiO2、n-SiO2、纳米硼酸盐、DNP、纳米石墨和高分子纳米微球等。它们的加入，对改善重载、低速、高温和振动条件下的摩擦学性能十分有益。俄罗斯科学家将n-Cu或纳米铜合金粉末加入润滑油中，可使润滑性能提高10倍以上，并能显著降低部件磨损，提高燃料效率，改善动力性。俄罗斯用DNP作添加剂生产了N-50A润滑磨合剂，使磨合时间缩短50％～90％；同时可提高磨合质量、节约燃料，延长发动机寿命。
三、现状
变压器风扇l纳米结构电镀层
众所周知，镀锌经常作为钢铁材料表面的有效保护涂层。它的耐腐蚀性决定了镀层的使用寿命。HEJian-ping等在电镀液(ZnCl2 65g`dm3,KCl2 200 g`dm3,H3Bo3 30 g`dm3 )中添加5 g`dm3的CeO2纳米颗粒后，所得镀层中CeO2的含量为0.22%，此时镀锌层的耐蚀性比纯锌镀层的提高了40%~60%。分析其原因，认为这是由于CeO2纳米颗粒的存在使得电镀
磁化杯
层的微观结构更加均匀、细密，并使得晶面生长的择优取向由纯锌的(101)和(103)变为单一的(101)所致。
2纳米颖粒增强电刷镀层
电刷镀是一种传统的表面工程技术。由于它的诸多优点，如:设备简单、镀层种类多、刷镀层与基体间粘结牢固等，使得电刷镀技术得到了广泛的应用。电刷镀用于设备维修时，工艺简单，不用将受损零件拆下即可修复。最新研究表明，如在刷镀液中加人纳米颗粒，可以得到一种质量更佳的复合镀层。如把80~100nm的Al2O3，70~80nm的ZrO2和30~40nm的SiO2加人到电刷镀液中作为加强相，然后在规格为150mm×30mm×2mm。的A3钢基体上刷镀。扫描电镜分析发现，加人纳米颗粒后镀层中的晶粒更加均匀、致密。在性能测试中，含有一定纳米颗粒加强相的镀层显微硬度明显提高，当纳米颗粒的浓度超过某一范围时，显微硬度的提高不再明显。在高温硬度测试中发现，刷镀层中纳米颗粒的存在能够减缓硬度随温度升高时的下降，尤其是在300~400℃内。对于提高刷镀层的耐磨性，纳米颗粒的加强作用同样是明显的问。
3利用碳纳米管制备复合涂层
纳米碳管(CarbonNanotubes，简称CNTs)即管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴，按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。它具有特殊的力学、电学和化学性质以及独特的准一维管状。在未来高科技领域中具有许多潜在的应用价值。
4利用激光技术制备纳米结构镀层
由于热喷涂技术本身存在一定的不足，致使利用热喷涂制备的纳米结构陶瓷涂层存在着孔隙率较高，镀层的开裂敏感性较大，难以避免涂层中出现裂纹等缺陷。张光钧等人采用CO2激光快速镀覆组装技术，在铸铝(ZL104)表面制备出消除了裂纹及孔隙的致密的含大量纳米Al2O3/TiO2颗粒的复合镀层。激光镀层试样剖面的SEM分析表明:镀层表面层有二层组成，最表面有一层深约1.7μm的白亮层，次表面为已产生快速熔凝的细晶组织，组织致密，没有空隙与裂纹。白亮层的AFM测试表明:该层存在相当数量的纳米尺度(≤100nm)颗粒，分析认为在激光快速扫描(40mm/s)后，镀层最表面仍然存在大量未分解的纳米Al2O3/TiO2微粒。摩擦磨损实验表明，激光镀覆层的相对磨损体积比热喷涂层减少了92%。而且铸铝表面激光镀覆Al2O3/TiO2镀层与基底形成冶金结合，所以其结合强度比同样材料表面热喷涂Al2O3/TiO2镀层提高了7.26倍。
5金属材料的表面自身纳米化
众所周知，大多数材料在服役时的失稳始于其表面，因此只要在材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就能够通过表面组织和性能的优化提高材料的整体力学性能和环境服役行为。尤其是材料表面的自身纳米化方法，使得晶粒尺寸在厚度方向逐渐增大，并且纳米结构层与基体之间没有明显界面，处理前后材料外形尺寸基本不变。
对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，可以使粗晶组织细化达到纳米量级，非平衡方法包括机械(加工)处理法和非平衡热力学法。卢柯院士使用表面机械研磨处理(SMAT)技术，以及一些常规的表面处理技术如喷丸和冲击等在纯铁、低碳钢、不锈钢和铝基合金等常规金属材料上制备出纳米结构表层。
四、 进展
1在应用基础理论研究方面取得进展
理论是实践的基础，不在机理上搞清楚纳米表面工程的本质，就很难将实践应用推向深
入。以下三方面的理论问题，是未来一段时间内研究的重点。
(1)纳米材料的三大效应对纳米结构涂层的结构和性能的影响机理问题。当颗料尺寸小到纳米量级后，会出现小尺寸效应、比表面效应和量子效应，表现出与宏观物体和原子分子截然不同的特性。由于纳米材料位错运动受限，表面能显著增加，电子能级由连续变为离散，从而具有很高的活性，极不稳定。因此，在不同的纳米结构涂层中，纳米材料如何起作用，对涂层界面有何影响，纳米材料如何避免团聚、吸附等问题，都需要认真研究解决。
(2)金属材料表面纳米化的机理问题。通过对金属表面采用机械(加工)处理法、超声冲子冲击法及非平衡热力学法等可以获得表面纳米层，但是不同处理方法、不同金属材料，所得到的纳米化层不论在金相组织还是在理化性能方面都存在很大的差异，这是因为目前对纳米化过程的规律还未掌握。因此，建立起对不同处理方法、不同金属材料均适用的纳米化过程表面热力学和动力学模型显得十分必要。
(3)环境对纳米材料的行为影响问题。工艺环境对纳米结构涂层的性能也有较大影响。例如复合镀层中纳米颗粒在涂层中的沉积机理以及纳米颗粒与基体的相容性、匹配性等问题。
2在实用化技术方面取得更大进展
(1)研究纳米颗粒的表面修饰和包覆。针对热喷涂纳米结构涂层中颗粒易长大、易团聚等问题，对纳米颗粒进行表面修饰和包覆。例如在纳米ZrO2颗粒表面包覆A1203，在纳米A1203表面包覆ZrO2,纳米SiO微波热疗机2表面的有机包覆等。包覆的小颗粒不但消除了颗粒表面的带电效应，防止团聚，同时，形成了一个势垒，使它们在热喷涂过程中颗粒不易长大。
有机包覆使无机小颗粒能与有机物和有机试剂达到浸润状态。这为无机颗粒掺入高分子塑料、橡胶、涂料中奠定了良好的基础。在纳米复合电刷镀、纳米涂装、纳米粘涂等技术中也都要进一步解决纳米颗粒的表面改性问题。这些基础研究工作，将有力地推动纳米复合材料的发展。
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