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目录1

1　表面技术与工程概论1

1.1　表面技术与工程的涵义1

1.1.1 表面技术与工程实施的目的1

1.1.2 与表面有关的一些表面技术2

1.2　表面技术与工程分类4

1.2.1 表面技术的分类和表面工程学的涵义4

1.2.3 表面涂镀层技术6

1.2.2 现代表面技术基础和应用理论6

1.2.4　表面薄膜与沉积技术8

1.2.5　表面改性技术10

1.2.6 表面复合处理技术11

1.2.7　表面加工技术11

1.2.8　表面分析和测试12

1.2.9 现代表面工程技术设计12

1.3　表面技术与工程应用13

1.3.1 在航空航天工业中的应用13

1.3.2 在汽车工业中的应用14

1.3.3 在城市建设中的应用15

1.3.4 在家用电器工业中的应用15

1.3.5 在冶金、电力、石化、机械工业中大型部件上的应用16

1.3.6 在功能材料和元器件中的应用16

1.3.7 在电子技术中的应用17

1.3.8 在保护、优化环境中的应用18

1.3.9 在研究和制备先进新材料中的应用19

1.4　表面技术与工程展望22

主要参考文献24

2　表面技术与工程的基本概念和基础理论25

2.1　固体材料及其表面25

2.1.1 固体材料25

2.1.2 固体表面26

2.2　表面晶体学26

2.2.1 理想的表面结构26

2.2.2 清洁表面结构29

2.2.3 实际表面结构34

2.3.2 表面力38

2.3.1 表面与界面的区别38

2.3　表面、界面特征38

2.3.3 表面张力与表面自由能40

2.3.4 表面吸附的种类、机理、吸附速度与吸附量42

2.4　表面原子的热振动与表面扩散44

2.4.1 晶格中的原子热振动44

2.4.2　表面原子的热振动48

2.4.3 表面扩散54

2.5.1 概念60

2.5　表面电子学60

2.5.2 清洁表面的电子结构63

2.5.3 界面电气现象67

2.5.4　界面接触效应69

2.5.5 薄膜中的电迁移现象74

2.6 附着76

2.6.1 附着和附着力76

2.6.2 内应力77

2.7　腐蚀78

2.7.1 金属氧化与热腐蚀78

2.7.2 电化学腐蚀80

2.7.3　全面腐蚀与局部腐蚀89

2.7.4 应力作用下的腐蚀94

2.7.5 自然环境中的腐蚀103

2.7.6 工业介质中的腐蚀108

2.8　摩擦与磨损112

2.8.1　摩擦112

2.8.2　磨损114

2.8.3 影响磨损的主要因素114

2.8.4 影响薄膜摩擦学特性的因素116

2.8.5 对滑动性能中几点设计选择的考虑121

主要参考文献124

3　热喷涂技术126

3.1　概论126

3.1.1　定义126

3.1.2　热喷涂涂层的形成过程及其结构126

3.1.3　涂层的残余应力126

3.1.4　涂层的结合机理126

3.1.5 喷涂粒子的温度和速度128

3.1.6 热喷涂发展历史概况129

3.2　热喷涂的分类130

3.2.1　概况130

3.2.2　热源概述131

3.3　热喷涂的方法及装置134

3.3.1 火焰喷涂法134

3.3.2 电弧喷涂139

3.3.3 等离子喷涂141

3.3.4 激光喷涂和喷焊147

3.3.5 电热热源喷涂148

3.4　喷涂涂层材料151

3.4.1 喷涂材料的特点和要求151

3.4.2 喷涂材料的分类152

3.5　喷涂涂层的制备158

3.5.1　表面预处理158

3.5.2 喷涂工艺159

3.6　热喷涂涂层的检测163

3.6.1 外观163

3.6.2　涂层的厚度163

3.6.3 涂层结合强度164

3.6.4 涂层的孔隙度165

3.6.5　涂层的硬度166

3.6.6 涂层的金相检测166

3.6.7 涂层的耐磨损试验166

3.6.8 涂层的耐腐蚀试验167

3.6.9 涂层的耐热试验168

3.6.10 疲劳强度测试169

3.7　热喷涂技术的工业应用169

3.7.1 在航空工业中的应用170

3.7.2 在现代钢铁工业中的应用174

3.7.3 在能源工业中的应用177

3.7.4 在包装、印刷工业中的应用180

3.7.5　在造纸机械上的应用181

3.7.6 在纺织工业中的应用184

3.7.7 在汽车工业中的应用184

3.7.8 在化学工业中的应用185

3.7.9 热喷涂在舰船空泡腐蚀防护上的应用186

3.7.11 远红外辐射涂层的节能应用187

3.7.10　人工种植体生物功能应用187

3.7.13 热喷涂用于模具的制造188

3.7.12 热喷涂技术应用于喷涂成型188

3.7.14 大型钢结构件的长效防腐蚀189

3.8　喷涂发展的趋势189

3.8.1 向在较低温度下具有高速飞行速度的喷涂方向发展189

3.8.2 向能在长时间大功率下稳定高效工作的工艺及设备发展189

3.8.4 采用喷涂法制备纳米结构涂层190

3.8.5 用热喷涂法部分替代电镀硬铬的工艺研究与应用190

3.8.3 向精密高效节能的工艺和设备发展190

3.8.6 新型热障涂层（TBC）的研制191

主要参考文献191

4　材料表面改性技术193

4.1　概述193

4.2　等离子表面处理技术基础193

4.2.1 等离子体的物理概念194

4.2.2 离子渗氮的特点197

4.2.3 离子渗氮的基础198

4.2.4 离子渗氮的理论203

4.2.5 等离子表面处理的设备204

4.3　等离子渗氮表面处理技术208

4.3.1 等离子渗氮的基体材料208

4.3.2 等离子渗氮的工艺参数210

4.3.3 等离子渗氮工艺操作要点217

4.3.4 等离子渗氮层的质量检验217

4.4.1 塑料挤压机的螺杆等离子渗氮219

4.4.2　缸套的等离子渗氮219

4.4　等离子渗氮的工程应用219

4.4.3 曲轴的等离子渗氮220

4.4.4 齿轮的等离子渗氮222

4.4.5 35CrMo钢制瓦楞辊的等离子渗氮223

4.4.6 H13钢铝型材挤压模具的等离子处理与应用226

4.4.7 双辉光渗金属的工业应用233

4.4.8　钛及其合金的等离子氮化及应用236

4.5　等离子渗碳与碳氮共渗表面处理技术248

4.5.1 渗碳、碳氮共渗的原理与特点248

4.5.2 等离子渗碳的设备248

4.5.3 等离子渗碳、碳氮共渗工艺与应用249

4.6　等离子渗硫、等离子硫氮共渗和硫碳氮共渗252

4.6.1 等离子渗硫252

4.6.2　等离子硫氮、硫碳氮共渗252

4.7　电子束表面改性处理技术254

4.7.1 电子束表面改性处理的特点255

4.7.2 电子束表面改性处理的设备255

4.7.3 电子束表面改性处理工艺257

4.8.1 激光束表面改性工艺技术的特点263

4.8　激光束表面改性处理技术263

4.7.4 电子束表面改性处理技术的应用实例263

4.8.2 激光束表面改性设备264

4.8.3 激光表面改性工艺265

4.8.4 激光束表面改性工程应用实例275

4.9　离子注入与材料表面改性技术277

4.9.1　概述277

4.9.2 离子注入的基本原理和优缺点277

4.9.3 离子注入机简介279

4.9.5 离子注入的改性机理286

4.9.4 离子注入的沟道效应、辐照损伤与辐照增强扩散286

4.9.6 离子注入的应用288

主要参考文献301

5　化学气相沉积技术303

5.1　概述303

5.2　等离子体辅助化学气相沉积技术中等离子体的性质和特点305

5.2.1 等离子体辅助化学气相沉积技术中等离子体的性质305

5.2.2 等离子体辅助化学气相沉积的特点307

5.3.1　装置308

5.3　射频等离子体化学气相沉积技术308

5.3.2 氮化硅膜的沉积工艺311

5.3.3 二氧化硅膜的沉积工艺315

5.3.4 非晶硅膜的沉积工艺316

5.3.5 工业应用317

5.4　直流等离子体辅助化学气相沉积技术319

5.4.1 直流等离子体辅助化学气相沉积装置319

5.4.2 直流等离子体辅助化学气相沉积炉319

5.4.3　TiN膜层的沉积工艺320

5.5.1 脉冲直流等离子体化学气相沉积设备323

5.4.4　工业应用323

5.5　脉冲直流等离子体化学气相沉积技术323

5.5.2　沉积工艺325

5.5.3　工业应用330

5.6　激光化学气相沉积技术336

5.6.1 激光化学气相沉积设备336

5.6.2 激光化学气相沉积工艺337

5.6.3　应用340

5.7　金属有机化学气相沉积技术341

5.7.1 金属有机化学气相沉积的原理342

5.7.2　金属有机化学气相沉积设备342

5.7.3 金属有机化学气相沉积工艺344

5.7.4　MO源和新MO源345

5.7.5 金属有机化学气相沉积技术的应用348

5.8　微波等离子体化学气相沉积技术350

5.8.1 微波等离子体化学气相沉积装置351

5.9　分子束外延技术352

5.9.1 概述352

5.8.2 微波等离子体化学气相沉积工艺与应用352

5.9.2 分子束外延的原理354

5.9.3 分子束外延装置的结构与分类355

5.9.4 分子束外延的生长工艺359

5.9.5 分子束外延材料及其在器件上的应用363

5.10　化学气相沉积金刚石薄膜368

5.10.1　优异的性能368

5.10.2 沉积制备金刚石薄膜的方法369

5.10.3 激活低温低压气相生长的非平衡热力学理论372

5.10.4 低温低压沉积金刚石薄膜的动力学因素373

5.10.5 金刚石薄膜研究的主要进展和应用中应解决的重要技术与展望380

主要参考文献383

6　物理气相沉积技术385

6.1　概述385

6.1.1 气相沉积技术与物理气相沉积385

6.1.2 离子与等离子体干预的物理气相沉积386

6.1.3 物理气相沉积的特点386

6.1.4 物理气相沉积技术的应用388

6.2.2　真空蒸发原理389

6.2.1　概述389

6.2　真空蒸发389

6.2.3　真空蒸发镀膜工艺396

6.2.4　蒸发镀的应用402

6.3　溅射镀膜403

6.3.1　概述403

6.3.2　溅射原理405

6.3.3　溅射技术416

6.3.4　溅射沉积443

6.3.5　溅射镀膜的应用446

6.4　离子镀451

6.4.1 概述451

6.4.2 离子镀物理原理455

6.4.3 离子镀的工艺461

6.4.4　直流二极型离子镀464

6.4.5 三极型及多阴极型离子镀464

6.4.6　射频离子镀465

6.4.7 空心阴极离子镀466

6.4.8 热阴极强流电弧离子镀470

6.4.9 真空阴极电弧离子镀472

6.4.10　磁控溅射离子镀493

主要参考文献501

7　表面复合离子处理技术503

7.1　概述503

7.2　离子注入与镀膜的技术复合503

7.2.1 离子束辅助沉积技术503

7.2.2 离子团束沉积514

7.4　等离子喷涂与激光技术复合518

7.4.1 用等离子喷涂与激光技术复合提高钢基材的性能518

7.3　激光与气相沉积、电子束与气相沉积技术复合518

7.3.2 电子束与气相沉积技术复合518

7.3.1 激光与气相沉积技术复合518

7.4.2 用等离子喷涂与激光技术复合提高精锻机芯棒的519

高温高速锻打的使用寿命519

7.4.3 激光雕刻柔版印刷用高线数陶瓷涂层网纹辊519

7.5.3　纳米超硬多层膜522

7.5.2　多层硬质耐磨膜522

7.5.1 多层硬质复合膜与纳米多层膜沉积制备522

7.5　多层硬质复合膜与纳米多层膜522

主要参考文献525

8　表面微细加工技术526

8.1　表面微细加工技术简介526

8.1.1 光刻加工526

8.1.2 子束加工530

8.1.3 离子束加工532

8.1.4 激光束微细加工537

8.1.5　超声波加工538

8.1.6 微细电火花加工540

8.1.7 电解加工541

8.1.8　电铸加工542

8.2　微细加工技术对微电子先进新技术发展的影响544

8.2.1 微细加工技术是微电子技术的工艺基础544

8.2.2　微电子微细加工技术544

8.3.1 微机电系统加工技术的特点546

8.3.2 微机电系统加工的典型器件与系统546

8.3　微机电系统（Micro Electro-Me-Chanical,Mems）的加工技术546

主要参考文献550

9　表面分析和表面性能检测551

9.1　表面分析551

9.1.1　概述551

9.1.2　表面分析分类553

9.2　表面分析技术和仪器555

9.2.1 显微分析方法555

9.2.2　衍射分析方法565

9.2.3　X射线光谱分析和电子探针567

9.2.4 电子能谱方法570

9.2.5 二次离子质谱574

9.2.6 红外吸收光谱和拉曼光谱575

9.3　表面性能检测577

9.3.1 表面外观检测577

9.3.2　覆盖层厚度的测量581

9.3.3 覆盖层附着（结合）力测量584

9.3.4 覆盖层硬度的测定586

9.3.5 覆盖层孔隙率检测591

主要参考文献593