材料表面与薄膜技术

表面与薄膜技术（简称表面技术）是调控材料表面成分、结构与性能的表面加工技术。广义地讲，表面技术是直接与各种表面现象或者过程相关联的、能为人类造福或者被人类所利用的技术。表面与薄膜技术紧紧围绕腐蚀、摩擦磨损和功能特性三大因素展开，通过物理、化学或机械过程来改变材料表面的化学成分、组织结构、表面状态或形成特殊覆盖层，以此赋予材料表面某些特殊性能，提高抵御外界环境作用的能力，它对生产、使用具有特殊应用需求的材料具有指导意义。 
表面技术领域的开拓始于20世纪60～70年代，电子束、离子束、激光束以及等离子体技术的开发与应用，发挥了特有的表面改性作用，使表面技术发生了划时代的进步，既推动了许多工业部门的飞速发展，又形成了自己的体系，出现了表面工程系统技术。表面技术在20世纪80年代成为世界十大关键技术之一，有关表面改性转化技术、薄膜技术、涂镀层技术、表面工程应用技术的学术会议日益增多，国际上出现了表面工程研究热潮。20世纪90年代，由于表面技术在军用、民用等各领域内体现出的杰出作用，各国竞相把表面工程列入研究发展规划。表面技术的研究范围几乎涉及了国民经济的各个领域和部门。表面与薄膜技术具有学科的综合性、手段的多样性、功能的广泛性、潜在的创新性、极强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行业的重视，产生的经济效益令人瞩目。 
本书比较全面地叙述了材料的表面工程技术和涂层与薄膜材料的制备、薄膜技术及其应用，着重以电子束、离子束、激光束以及等离子体等技术为基础，结合涂层、薄膜材料的特性，主要论述了表面与薄膜技术的内涵、分类、应用以及发展，详细介绍了表面科学中的一系列科学概念和理论（固体材料及其表面、表面晶体学、表面热力学、表面动力学）；薄膜以及先进制备技术（真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、分子束外延等）；表面涂覆技术（热喷涂、电火花表面喷涂、熔结、热浸镀、搪瓷涂覆、陶瓷涂覆、塑料涂覆）；表面改性技术（表面形变强化、表面热处理、表面化学热处理、表面转化膜技术、电镀、电刷镀、化学镀、电子束表面处理、离子注入表面改性等）以及表面与薄膜的分析与表征技术(对样品厚度、微观结构、成分、力学性能、耐蚀性等性能的表征)。针对表面与薄膜技术多而广的特点，本书进行了较系统而全面的概括。 
本书由陆伟、潘飞编写第1、3章，魏先顺编写第2、5章，高玉魁、向震编写第4章，陆伟、王韬磊编写第6章，最终由陆伟负责统稿。 
由于编者学识水平有限，殷切希望各位专家和读者批评指正。 

陆伟 
2023年2月

《材料表面与薄膜技术》作为高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材，是一本体现多学科交叉并具有较强实用价值的专业教材。全书从基本原理出发，密切结合实际，介绍了各类常见的表面与薄膜制备技术及其发展趋势，详细介绍了表面与薄膜相关的基本概念、内在原理，较系统地分析了各类现代表面技术的特点、适用范围、技术路线、工艺流程和应用实例以及发展前景。主要内容包括表面技术概论、表面科学的概念和理论、薄膜气相沉积技术、表面改性技术、表面涂覆技术以及表面分析与表征技术。本书可作为高等学校材料类、化工类相关专业本科生和研究生的教学用书，同时可供表面工程、涂装、机械、国防、航空航天、船舶等领域的工程技术人员参考。

陆伟，教授，博士生导师，上海市优秀技术带头人、上海市青年科技启明星，材料科学与工程学院副院长。1998年至2006年在同济大学进行本科、硕士和博士学习，并于2006年获得博士学位。2006年-2007年在美国西部数据公司（马来西亚分公司）担任高*级研发工程师，2007年至2010年在日本丰田工业大学和秋田大学从事磁性材料研究工作，2009年进入同济大学材料学院工作至今。在国内外杂志发表论文140多篇，ESI高被引论文12篇，授权发明专利30多项。先后主持国家重点研发计划1项（首席科学家）、国家自然科学基金项目9项、其他国*家级项目3项、省部级项目4项以及其他课题近10项。获得2020年上海市科技进步一等奖（排名第*一）、2017年上海市科技进步二等奖（排名第*一）和2011年上海市技术发明三等奖（排名第*二）。培养毕业研究生20余名，在读研究生近20名，多人获得国家奖学金以及同济大学和上海市优秀毕业生。 主讲课程：《金属非晶与纳米晶材料》全英文课程、《材料先进制备技术》全英文课程、《功能材料制备工艺基础》全英文课程、《金属热处理原理》、《材料腐蚀与防护》 等。主要研究方向：磁性纳米材料、电磁波吸收/屏蔽材料、金属功能材料与器件、肿瘤诊疗一体化材料、材料腐蚀与防护。在研科研项目：1. 高性能无稀土锰铋纳米晶永磁合金的开发（国家重点研发计划，2021-2023）；2. 高温型无稀土锰铋永磁合金的相变、微观结构与磁性能的调控研究（国家自然科学基金，2020-2023）；3. 基于应力诱导巨磁阻抗效应的飞机复合材料结构健康监测关键问题研究（国家自然科学基金，2020-2022）；4. 电动汽车驱动电机用高性能粉末冶金磁芯材料与器件的开发（上海汽车工业发展基金，2018-2021）。

第1章表面技术概论 
1.1表面技术的涵义 1 
1.1.1一般的涵义 1 
1.1.2广泛的涵义 1 
1.1.3表面技术与工程实施的目的 3 
1.2表面技术的分类 3 
1.2.1表面覆盖技术 4 
1.2.2表面改性技术 6 
1.2.3复合表面处理技术 7 
1.2.4表面加工技术 8 
1.2.5表面分析和测试技术 8 
1.2.6表面工程设计技术 8 
1.3表面技术的应用 8 
1.4表面技术的发展 10 
习题 11 
参考文献 11 

第2章表面科学的概念和理论 
2.1固体材料及其表面 12 
2.1.1理想表面 12 
2.1.2清洁表面 12 
2.1.3吸附表面 13 
2.1.4固体的表面自由能和表面张力 14 
2.1.5表面偏析 14 
2.1.6表面力场 15 
2.1.7分子力场 15 
2.2表面晶体学 16 
2.2.1理想表面结构 16 
2.2.2清洁表面结构 17 
2.2.3实际表面结构 20 
2.2.4半导体材料的表面吸附 22 
2.3表面热力学 23 
2.3.1固体的表面张力与表面能 23 
2.3.2表面润湿与铺展 24 
2.4表面动力学 27 
2.4.1表面缺陷 27 
2.4.2表面缺陷的形成和迁移 28 
2.4.3表面扩散 30 
2.4.4晶界扩散 30 
2.4.5薄膜生长 31 
习题 32 
参考文献 33 

第3章薄膜气相沉淀技术 
3.1薄膜及其制备方法 34 
3.1.1薄膜的定义 34 
3.1.2薄膜的特征 34 
3.1.3薄膜的形成过程 36 
3.1.4薄膜的种类和应用 38 
3.2真空技术基础 39 
3.2.1真空度量单位 39 
3.2.2真空区域的划分 40 
3.2.3真空的获得 41 
3.2.4真空的测量 45 
3.3真空蒸镀 48 
3.3.1真空蒸镀原理 48 
3.3.2真空蒸镀技术 52 
3.3.3真空蒸镀的应用 55 
3.4溅射镀膜 55 
3.4.1溅射镀膜的原理 55 
3.4.2溅射类型 59 
3.4.3溅射镀膜的应用 63 
3.5离子镀 64 
3.5.1离子镀的基本原理 64 
3.5.2离子束溅射清洗与轰击加热 65 
3.5.3离子轰击效应 66 
3.5.4离子镀膜的优势 66 
3.5.5衬底负电势的实现 67 
3.5.6离子镀控制因素 69 
3.5.7离子镀应用 70 
3.6化学气相沉积 74 
3.6.1CVD工艺过程 75 
3.6.2CVD的热力学 动力学 质量传输基础 76 
3.6.3CVD过程涉及的化学反应原理 80 
3.6.4现有CVD技术 81 
3.6.5CVD工艺控制因素 86 
3.6.6CVD设备 88 
3.6.7CVD技术的优势与不足 89 
3.7分子束外延 89 
3.7.1分子束外延的特点 89 
3.7.2分子束外延的原理 90 
3.7.3分子束外延设备 92 
3.7.4影响分子束外延的因素 93 
3.7.5分子束外延的应用 94 
3.8离子束合成膜技术 98 
3.8.1直接引出式离子束沉积 99 
3.8.2质量分离式离子束沉积 99 
3.8.3簇团离子束沉积 101 
3.8.4离子束溅射沉积 102 
3.8.5离子束辅助沉积 102 
习题 105 
参考文献 105 

第4章表面改性技术 
4.1金属表面形变强化 108 
4.1.1滚压强化工艺 108 
4.1.2喷丸强化工艺 110 
4.1.3孔挤压强化工艺 114 
4.2表面热处理 117 
4.2.1传统表面热处理技术 118 
4.2.2新型表面热处理技术 120 
4.3金属表面化学热处理 121 
4.3.1氧化处理 122 
4.3.2铝及铝合金的阳极氧化 126 
4.3.3磷化处理 128 
4.3.4铬酸盐处理 132 
4.4电镀 134 
4.4.1概述 134 
4.4.2电镀基本原理 135 
4.4.3电镀工艺 140 
4.4.4单金属电镀 143 
4.4.5合金电镀 144 
4.4.6复合电镀 147 
4.5电刷镀 149 
4.5.1电刷镀原理和设备 149 
4.5.2电刷镀溶液 150 
4.5.3电刷镀工艺 151 
4.6化学镀 152 
4.6.1化学镀基本原理 152 
4.6.2化学镀的特点 153 
4.6.3化学镀镍 153 
4.6.4化学镀铜 156 
4.7电子束表面处理 157 
4.7.1原理 157 
4.7.2主要设备 158 
4.7.3电子束表面处理的特点 158 
4.7.4电子束表面改性的机理 159 
4.7.5电子束表面改性工艺举例 160 
4.7.6发展前景 162 
4.8高密度太阳能表面处理 163 
4.8.1原理 163 
4.8.2主要设备 163 
4.8.3高密度太阳能表面处理的特点 164 
4.8.4高密度太阳能表面处理的主要工艺 164 
4.8.5应用举例 165 
4.8.6发展前景 166 
4.9离子注入表面改性 166 
4.9.1定义与原理 166 
4.9.2主要设备 167 
4.9.3离子注入金属表面的改性机理 168 
4.9.4离子注入对材料表面性能的影响 169 
4.9.5离子注入表面改性的特点 170 
4.9.6应用举例 171 
4.9.7发展前景 174 
习题 174 
参考文献 175 

第5章表面涂覆技术 
5.1涂料与涂装 177 
5.1.1涂料与涂装的定义 177 
5.1.2涂料的作用 177 
5.1.3涂料的组成与分类 178 
5.1.4涂装工艺 180 
5.1.5工业涂装的分类 182 
5.2热喷涂 183 
5.2.1热喷涂技术的定义 183 
5.2.2热喷涂技术的原理 184 
5.2.3热喷涂材料 185 
5.2.4热喷涂工艺 186 
5.3电火花表面涂敷 189 
5.4熔结 191 
5.5热浸镀 193 
5.5.1热浸镀定义 193 
5.5.2热浸镀工艺 194 
5.5.3热浸镀应用 195 
5.6搪瓷涂敷 196 
5.7陶瓷涂敷 197 
5.7.1陶瓷涂层的分类和选用 198 
5.7.2陶瓷涂层的工艺及其特点 198 
5.8塑料涂敷 200 
5.8.1塑料涂敷定义 200 
5.8.2塑料涂敷分类 200 
习题 202 
参考文献 202 

第6章表面分析与表征技术 
6.1涂层厚度测量 203 
6.1.1非破坏法 203 
6.1.2破坏法 207 
6.2微观结构表征 209 
6.2.1扫描电子显微镜 209 
6.2.2透射电子显微镜 210 
6.2.3原子力显微镜 211 
6.2.4X射线衍射 212 
6.3成分表征 212 
6.3.1X射线谱仪 212 
6.3.2X射线荧光分析 212 
6.3.3透射电子显微镜 213 
6.3.4红外光谱 213 
6.3.5质谱仪 215 
6.3.6光电子能谱 215 
6.4结合强度 216 
6.4.1涂层结合力的定性检测 216 
6.4.2涂层结合力的定量检测 217 
6.5韧性 222 
6.6耐磨性 222 
6.6.1旋转摩擦橡胶轮法 222 
6.6.2落砂冲刷试验法 223 
6.6.3喷砂冲击试验法 223 
6.6.4往复运动磨耗试验法 223 
6.6.5其他方法 223 
6.6.6磨损量的评定及表示方法 224 
6.7耐蚀性 224 
6.7.1电化学法 224 
6.7.2模拟浸泡法 228 
6.7.3盐雾法 229 
习题 232 
参考文献 232

《材料表面与薄膜技术》作为高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材，是一本体现多学科交叉并具有较强实用价值的专业教材。全书从基本原理出发，密切结合实际，介绍了各类常见的表面与薄膜制备技术及其发展趋势，详细介绍了表面与薄膜相关的基本概念、内在原理，较系统地分析了各类现代表面技术的特点、适用范围、技术路线、工艺流程和应用实例以及发展前景。主要内容包括表面技术概论、表面科学的概念和理论、薄膜气相沉积技术、表面改性技术、表面涂覆技术以及表面分析与表征技术。本书可作为高等学校材料类、化工类相关专业本科生和研究生的教学用书，同时可供表面工程、涂装、机械、国防、航空航天、船舶等领域的工程技术人员参考。

陆伟，教授，博士生导师，上海市优秀技术带头人、上海市青年科技启明星，材料科学与工程学院副院长。1998年至2006年在同济大学进行本科、硕士和博士学习，并于2006年获得博士学位。2006年-2007年在美国西部数据公司（马来西亚分公司）担任高*级研发工程师，2007年至2010年在日本丰田工业大学和秋田大学从事磁性材料研究工作，2009年进入同济大学材料学院工作至今。在国内外杂志发表论文140多篇，ESI高被引论文12篇，授权发明专利30多项。先后主持国家重点研发计划1项（首席科学家）、国家自然科学基金项目9项、其他国*家级项目3项、省部级项目4项以及其他课题近10项。获得2020年上海市科技进步一等奖（排名第*一）、2017年上海市科技进步二等奖（排名第*一）和2011年上海市技术发明三等奖（排名第*二）。培养毕业研究生20余名，在读研究生近20名，多人获得国家奖学金以及同济大学和上海市优秀毕业生。 主讲课程：《金属非晶与纳米晶材料》全英文课程、《材料先进制备技术》全英文课程、《功能材料制备工艺基础》全英文课程、《金属热处理原理》、《材料腐蚀与防护》 等。主要研究方向：磁性纳米材料、电磁波吸收/屏蔽材料、金属功能材料与器件、肿瘤诊疗一体化材料、材料腐蚀与防护。在研科研项目：1. 高性能无稀土锰铋纳米晶永磁合金的开发（国家重点研发计划，2021-2023）；2. 高温型无稀土锰铋永磁合金的相变、微观结构与磁性能的调控研究（国家自然科学基金，2020-2023）；3. 基于应力诱导巨磁阻抗效应的飞机复合材料结构健康监测关键问题研究（国家自然科学基金，2020-2022）；4. 电动汽车驱动电机用高性能粉末冶金磁芯材料与器件的开发（上海汽车工业发展基金，2018-2021）。