纳米表面工程的基本问题及其进展FundamentandProgressofNano-

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,纳米表面工程的,基本问题及其进展,Fundament and Progress of,Nano,-surface Technology,功能薄膜材料研究室,余 志 明,中南大学材料科学与工程学院,功能薄膜材料研究室,纳米表面工程产生的背景,纳米表面工程的最新进展,纳米表面工程中的科学问题,功能薄膜材料研究室,主要内容,纳米表面工程的内涵和特点,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。,什么是,表面工程,功能薄膜材料研究室,薄膜技术,其 它,涂、镀层技术,表面改性技术,表面,工程,功能薄膜材料研究室,功能薄膜材料研究室,一、纳米表面工程产生的背景,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，传统的的表面设计和加工方法以不再适应,。,要求材料在特殊情况，如超高温,/,低温、超高压、高真空、强氧化还原或腐蚀环境以及存在辐射、声吸收、信号屏蔽、承受点载荷等条件下服役的情况越来越多，由于纳米材料在力、电、声、光、热、磁方面表现出与宏观材料不同的特性。因此传统材料表面纳米化显得特别重要。,二、纳米表面工程的内涵和特点,功能薄膜材料研究室,表面含有纳米颗粒与原子团族,:2D+0D-n,纳米量级厚度的薄膜,:2D-n,什么是“纳米表面”,表面含有纳米碳管,:2D+1D-n,复合纳米表面,:(2D+0D-n),n,2D-n+1D-n,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。,（潜艇蒙皮、坦克外壳）,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。,功能薄膜材料研究室,三、纳米表面工程的最新进展,表面纳米超薄膜,纳米涂、镀层,表面超微图形,超光滑表面,表面纳米化,功能薄膜材料研究室,1.,纳米单层膜,2.,纳米多层叠膜,3.,有序分子膜,3-1,表面,纳米超薄膜,功能薄膜材料研究室,零磨损、超滑：,DLC,、,Ni-P,非晶膜、,a-C,、,LB,润滑膜；,功能膜：光,-,电、压,-,电、磁性膜、,IC chips,、,.,。,InGaAs-InAlAs,多层膜有准三维向准二维转变中的线性吸收谱图。图中曲线上所标数字为,InGaAs,膜的厚度。,功能薄膜材料研究室,纳米单层膜,纳米固体薄膜制备技术,直流溅射,射频溅射,磁控溅射,离子束溅射,功能薄膜材料研究室,真空,蒸发,溅射,沉积,离子镀,物理气相沉积,（,PVD,）,化学气相沉积,（,CVD,）,分子束外延,（,MBE,）,气相沉积,电 镀 法,溶胶,-,凝胶法,电阻加热,感应加热,电子束加热,激光加热,直流二极型离子镀,射频放电离子镀,等离子体离子镀,HFCVD,PECVD,LECVD,DC,RF,MW,ECR,热壁,冷壁,Films of 2D-n single layer,Ti(N,C,CN),(V,Al,Nb)N,Ni-Cu alloys,Al,2,O,3,SiC,Cu,Ni,Al,Ag,Au,Diam,.,DLC,b,-C,3,N,4,:E=349,GPa,功能薄膜材料研究室,DLC coated a magnetic thin-film disk,Liquid lubricant 1-2 nm,DLC 10-30 nm,Magnetic coating 25-75 nm,Al-Mg/10,m,NiP,or,Glass-ceramic 0.78-1.3 mm,功能薄膜材料研究室,The surface of stretched(12%)video tape with DLC-layer with a thickness of 30 nm.,The surface of stretched(12%)video tape without DLC-layer.,纳米多层叠膜,叠层膜是广义上的金属超晶格，表现出不同于各组元也不同于均匀混合态薄膜的异常力学、电、光、磁等性能。在表面强化、功能化及超精度加工等领域具有极大的潜力。,功能薄膜材料研究室,Cu/Ni,Cu/Pd,Cu/Al,Ni/Mo,TiN,/VN,TiC,/W,TiN/AlN,ZnO/YSZ/ZnO/YSZ/ZnO,.,YSZ(,yttrium-stabilized ZrO,2,),bicrystal,ZnO/YSZ/ZnO/YSZ/ZnO,internal,films.,V,.,Roddatis,Journal of Crystal Growth 220(2000)515-521.,The solid-phase intergrowth(SPI)process,功能薄膜材料研究室,HREM image of,ZnO,/YSZ interface along 1-1 0 YSZ(a)and 0 0 1YSZ(b).Moir,fringes are visible at the boundary between,ZnO,grains.Stacking faults are indicated with arrows.Doubling in YSZ lattice is shown with white arrowheads.A and B,areas show normal and oxygen deficient,ZnO,respectively.,An intermediate layer is visible at the interface.,YSZ,yttrium-stabilized ZrO,2,1-1 0,0 0 1,1-10,110,110,001,功能薄膜材料研究室,？,？,Schematic diagram of a new triode structure of FED with carbon,nanotube,emitters.,Diamond and Related Materials 10(2001)1705,.,复合纳米表面,器件,功能薄膜材料研究室,Gate,:Al with a thickness of 0.15,m,m and a line-width of 400,m,m.,13,m,m,Cathode,:Al with a thickness of 0.15,m,m and a line-width of 390,m,m.,200,m,m space,Anode,:Phosphor coated ITO glass,有序分子膜,LB,膜（,Langmuir,-Blodgett,）,SA,膜（,self-assembled mono-or multi-layer,）,MD,膜（,molecular deposition film,）,通过固液界面具有反应活性的不同头尾基的化学吸附或化学反应，在基片上形成化学键连接、紧密排列的有序单层或多层膜。,“分子筛”,:,空隙只允许一定尺寸的分子通过。用作化学传感器，其灵敏度比普通材料高,500,倍。,纳米智能薄膜,:,空隙可随条件的变化或根据靠近的分子特征而开闭。,利用阴阳离子间的静电相互作用力，通过相反离子体系的交替分子沉积制备而成的层状有序超薄膜。,将气液界面上的单分子层的膜通过物理机械过程转移到固体基片上。,功能薄膜材料研究室,3-2,纳米涂、镀层,1,）热喷涂法制备纳米结构涂层,（,Nano,-structure Coating,NC,）,2,）电沉积法直接制备,NC,3,）超声波法组装,NC,功能薄膜材料研究室,液相分散喷雾合成法,纳米颗粒,含纳米颗粒,的糊状材料,纳米喂料,水溶性粘结剂,超音速分散,热空气吹干,+,1,）热喷涂法制备,NC,纳米粒子（,0D-n,）：质量太小，不能直接喷涂；,喷涂过程中被烧结。,液相分散喷雾合成法，原位生成喷雾合成法，机械研磨合成法。,纳米结构喂料,(,Nanostrucyured,Feedstock,NF),功能薄膜材料研究室,1-1,纳米结构喂料的制备,原位生成喷雾合成法,按液相合成法在液相中先生成纳米粒子，通过过滤、渗透、反渗透及超离心等手段除出纳米粒子以外的组分，再加入液相介质何其它组分，用液相喷雾分散法获得,NF,。,通过机械研磨、机械合金、高能球磨等方法直接将微米粉或非晶金属箔加工成,NF,。具体为：在干燥的高真空料机内通入保护气体（,Ar,N,2,）；或在,CH,3,OH,和液氮介质中通过对磨球,/,粉体比、磨球数量和尺寸、球磨能量、球磨温度、介质等参数的控制，对粉末粒子反复进行熔结、断裂过程，使晶粒不断细化，达到纳米尺寸。除去,CH,3,OH,和液氮介质后，,0D-n,会因自身的静电引力自行团聚成微米级的纳米结构喂料。,机械研磨合成法,功能薄膜材料研究室,1-2.,NC,组装,高速氧,-,燃气喷涂,（,HVOF,）,Jet-,Kote,喷枪结构,1-燃烧室，2-粉末入口，3-燃气通道，,4-送粉通道，5-冷却水道，6-喷嘴。,1,2,3,4,5,6,3,4,5,O,2,(,H,2,C,3,H,6,C,3,H,8,),功能薄膜材料研究室,1-3.,热喷涂直接组装,NC,1.,空气通道,2.,燃料气体,3.,氧气,4.,线材或棒材,5.,空气罩,6.,气体喷嘴,7.,燃烧气体,8.,熔融材料,9.,喷涂束流,.,火焰喷射枪剖面图,1,2,4,3,5,6,7,8,9,功能薄膜材料研究室,2,）电沉积法直接制备,NC,2-1,、,在电沉积液中,0D-n,或,1D-n,，达到组装,NC,的目的。,45,钢镀：,Ni-P+C,纳米管，改善摩擦学性能；,磁盘基扳：,Ti-P+DNP(diamond,nanopowder,),，减少磨损,50%,；,磁头、存取器磁膜：,Co-P+DNP,，耐磨能力提高,2-3,倍；,模具：,Cr+DNP,，延长使用寿命；,此外，,(n-ZrO,2,+Ni-W-B,非晶态复合镀层,),能提高涂层的高温抗氧化性能；,(DNP+Ag),能增强镀层的导热、耐磨性；,2-2,、,利用电化学反应将金属离子直接还原成,0D-n,或,1D-n,。,功能薄膜材料研究室,UHV STM image of three C,60,molecules chemisorbed at missing,dimer,defects on a Si(100)-2x1 surface.,10nm scan.,功能薄膜材料研究室,3,）超声波法组装,NC,3-3,表面纳米化,表面自身纳米化,对于多晶材料采用非平衡的处理方法增加材料的表面自由能，是粗晶组织逐渐细化至纳米量级。,特征：晶粒沿厚度方向逐渐变化，纳米结构表层与基体之间不存在界面。,主要方法：,1,）表面机械加工处理法和,2,）非平衡热力学法。,功能薄膜材料研究室,1),表面机械加工处理法,sample,在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶组织通过不同的方式产生强烈的塑性变形而逐渐细化至纳米级。其过程包括：,（,1,）表面产生大量缺陷，如位错、孪晶、层错、剪切带。,（,2,）当位错密度增至一定程度时，发生淹没、重组，形成纳米尺度的亚晶。,（,3,）随着温度升高，表面具有高储能的组织发生再结晶，形成纳米晶粒。,（,4,）此过程不断发展，最终形成晶体学取向呈随机分布的纳米晶组织。,功能薄膜材料研究室,2),非平衡热力学法,将材料快速加热使其表面熔化或相变温度，再急剧冷却，通过动力学控制来提高形核率，抑制晶粒长大速率，从而在材料的表面获得纳米晶组织。,激光加热、电子束加热。,目前表面纳