课 程 简 介 和 教 学 大 纲 格 式 课 程 代 码 :09192170 课 程 名 称 : 材 料 表 面 工 程 学 分 :2.0 周 学 时 :4.0 面 向 对 象 : 材 料 类 四 年 级 本 科 生 预 修 课 程 要 求 : 无 一 课 程 介 绍 (100-150 字 ) ( 一 ) 中 文 简 介 本 课 程 由 三 部 分 组 成 :1 表 面 工 程 知 识 介 绍, 由 教 师 讲 授 内 容 包 括 : 表 面 失 效 理 论 及 防 护 原 理 ; 表 面 预 处 理 各 种 表 面 处 理 技 术 的 原 理 与 方 法 ; 表 面 分 析 测 试 方 法 的 特 点 及 应 用 2 表 面 工 程 某 一 主 题 ( 自 选 或 由 教 师 指 定 ) 的 资 料 查 阅 收 集 整 理, 成 文 3 专 题 讲 解 ( 每 一 位 学 生 ) 及 教 师 点 评 ( 二 ) 英 文 简 介 This course consists of three parts. Firstly, we will learn the knowledge of surface engineering, including the theories of surface failure, protection principles, pretreatment of surface, theory and methods of surface treatment and characteristics of surface analysis method. Then, every student will choose a topic about surface engineering, read related references and write a paper. Finally, every student will make a special speech about his theme. 二 教 学 目 标 ( 一 ) 学 习 目 标 材 料 表 面 工 程 是 防 止 材 料 腐 蚀 磨 损 等 失 效 的 重 要 手 段, 也 是 使 材 料 表 面 具 有 功 能 性 的 有 效 方 法 本 课 程 内 容 包 括 表 面 失 效 机 理 表 面 处 理 技 术 和 表 面 分 析 测 试 通 过 对 本 课 程 的 学 习, 使 学 生 了 解 表 面 腐 蚀 磨 损 的 类 型 机 理 影 响 因 素 和 防 护 方 法 ; 了 解 电 镀 化 学 镀 PVD CVD 喷 涂 热 浸 镀 化 学 热 处 理 化 学 转 化 膜 处 理 电 子 束 激 光 束 离 子 束 表 面 处 理 的 原 理 工 艺 和 过 程, 以 及 腐 蚀 磨 损 表 面 层 基 体 的 结 合 表 面 层 厚 度 形 貌 粗 糙 度 成 分 等 表 面 分 析 测 试 方 法 ; 特 别 是 掌 握 表 面 工 程 相 关 资 料 查 阅 收 集 整 理 和 表 达 等 科 学 研 究 的 基 本 方 法, 培 养 学 生 的 文 字 和 口 头 表 达 能 力 ( 二 ) 可 测 量 结 果 1) 对 表 面 工 程 相 关 内 容 的 理 解 及 把 握 2) 对 表 面 工 程 相 关 资 料 的 查 阅 收 集 整 理 和 文 字 表 达 能 力 3) 口 头 表 达 的 能 力 4) 对 材 料 表 面 工 程 的 兴 趣 1
5) 对 材 料 表 面 工 程 学 习 的 主 动 性 和 积 极 性 6) 团 队 合 作 情 况 注 : 以 上 结 果 可 以 通 过 课 堂 提 问 和 讨 论 以 及 主 题 论 文 的 写 作 和 口 头 展 示 等 环 节 测 量 三 课 程 要 求 ( 一 ) 授 课 方 式 与 要 求 授 课 方 式 :a. 教 师 课 堂 讲 授 占 1/3( 讲 授 核 心 内 容 授 课 过 程 中, 一 方 面 结 合 科 学 研 究 实 例, 另 一 方 面 突 出 最 新 研 究 动 向 ) b. 学 生 展 示 占 2/3 学 生 自 由 组 合 分 组, 每 组 3~4 人 各 组 选 择 与 表 面 工 程 相 关 的 一 个 主 题, 组 员 间 的 内 容 相 关 且 互 补 每 位 同 学 都 需 根 据 主 题 和 查 阅 的 相 关 文 献 撰 写 文 章, 并 制 作 ppt 向 全 班 同 学 展 示, 每 组 1 学 时 听 讲 的 同 学 提 问, 并 对 ppt 制 作 及 展 示 评 分, 教 师 讲 评 c. 期 末 提 交 大 作 业 授 课 要 求 : 要 求 学 生 有 真 正 的 兴 趣, 能 主 动 思 考 此 外, 要 求 学 生 能 查 阅 相 关 文 献, 广 泛 阅 读 ( 二 ) 考 试 评 分 与 建 议 本 课 程 以 课 堂 展 示 综 述 文 章 为 考 试 方 式 考 核 学 生 选 题 的 新 颖 性, 查 阅 文 献 的 前 沿 性, 以 及 文 字 表 达 和 口 头 表 达 的 能 力 评 分 由 综 述 文 章 ppt 讲 解 并 参 考 出 勤 情 况 构 成 其 中 文 章 评 分 由 教 师 给 出, 占 50%,ppt 讲 解 由 其 他 学 生 给 出, 占 30%, 出 勤 占 20% 文 章 及 ppt 讲 解 的 评 分 标 准 在 授 课 时 介 绍 四 教 学 安 排 第 一 次 : 绪 论 及 腐 蚀 机 理 (2 学 时 ) ( 本 课 程 学 习 方 法 结 束 方 式 ; 论 文 检 索 方 法 简 介 表 面 工 程 历 史 ; 腐 蚀 及 机 理 ) 本 课 程 以 表 面 工 程 知 识 为 介 质, 重 点 培 养 学 生 查 阅 收 集 整 理 资 料 和 文 字 及 口 头 表 达 的 能 力 因 此 课 程 学 习 方 法 与 以 往 有 很 大 的 差 异 特 别 是 学 生 需 要 自 行 组 队, 确 定 自 己 感 兴 趣 的 表 面 工 程 相 关 主 题 因 此, 课 程 前 1/3 由 教 师 介 绍 课 程 主 要 内 容, 在 此 期 间, 学 生 确 定 主 题, 尤 其 是 第 一 组 同 学 需 要 迅 速 进 入 准 备 阶 段 腐 蚀 有 化 学 腐 蚀 电 化 学 腐 蚀 和 熔 融 金 属 腐 蚀 之 分 化 学 腐 蚀 的 理 论 基 础 即 氧 化 电 化 学 腐 蚀 一 般 用 腐 蚀 原 电 池 描 述, 理 论 基 础 有 腐 蚀 热 力 学 和 腐 蚀 动 力 学, 前 者 即 能 斯 特 方 程, 后 者 则 与 极 化 概 念 有 关 防 腐 蚀 的 方 法, 一 方 面 可 以 从 热 力 学 角 度 出 发, 切 断 腐 蚀 原 电 池, 另 一 方 面 从 动 力 学 出 发, 减 缓 腐 蚀 的 速 度 通 常 采 用 表 面 覆 层 进 行 耐 蚀 处 理, 有 阴 极 保 护 和 阳 极 保 护 之 别 阴 极 保 护 容 易 出 现 小 阳 极 大 阴 极 式 的 加 速 腐 蚀 现 象 目 前 热 点 如 NdFeB 永 磁 材 料 镁 合 金 核 材 料 的 防 腐 表 面 处 理 阅 读 材 料 : 表 面 工 程 有 关 期 刊 如 :Surface and Coatings Technology, Surface Engineering, 表 2
面 工 程 材 料 保 护 电 镀 与 精 饰 等 思 考 题 : 自 己 感 兴 趣 的 表 面 工 程 主 题 第 二 次 : 表 面 磨 损 固 体 表 面 及 表 面 预 处 理 (2 学 时 ) ( 磨 损 类 型 及 机 理 ; 固 体 表 面 ; 碱 洗 和 酸 洗 ) 磨 损 是 相 互 接 触 的 固 体, 在 力 的 作 用 下 相 互 运 动, 导 致 材 料 损 失 的 现 象 磨 损 有 粘 着 磨 损 磨 粒 磨 损 疲 劳 磨 损 腐 蚀 磨 损 冲 蚀 磨 损 微 动 磨 损 等 异 种 金 属 接 触 是 抗 粘 着 磨 损 的 有 效 方 法, 提 高 表 面 硬 度 有 利 于 抗 磨 粒 磨 损, 而 疲 劳 磨 损 与 表 面 层 与 基 体 结 合 状 态 有 较 大 的 关 系 光 盘 真 空 环 境 下 的 转 动 件 齿 轮 轴 承 等 标 准 件, 都 需 要 耐 磨 表 面 处 理 固 体 表 面 有 几 个 要 点 :1 它 总 是 凹 凸 不 平 的, 可 用 粗 糙 度 表 征 ;2 它 总 是 吸 附 某 些 杂 质, 因 此 在 表 面 处 理 前, 需 要 碱 洗 酸 洗 等 前 处 理 ;3 对 于 机 加 工 表 面, 会 残 留 变 质 层 此 外, 纳 米 颗 粒 表 面 具 有 极 大 的 表 面 能 固 体 表 面 不 清 洁, 因 此 在 表 面 正 式 处 理 前, 需 要 进 行 表 面 预 处 理 必 须 的 预 处 理 包 括 碱 洗 去 除 油 污, 酸 洗 去 除 氧 化 膜 在 金 属 表 面 上 制 备 高 分 子 陶 瓷 涂 层 时, 还 需 要 对 表 面 进 行 粗 化 处 理, 以 提 高 结 合 力 在 激 光 表 面 处 理 前, 则 需 要 进 行 黑 化 处 理 提 高 能 量 吸 收 率 思 考 题 : 纳 米 颗 粒 为 何 具 有 极 大 的 表 面 能? 对 表 面 处 理 有 哪 些 影 响? 第 三 次 : 表 面 湿 法 处 理 (2 学 时 ) ( 化 学 转 化 膜 ; 阳 极 氧 化 ; 电 镀 ; 化 学 镀 ; 高 分 子 涂 层 ; 热 浸 镀 ) 化 学 转 化 膜 是 通 过 材 料 表 面 与 溶 液 发 生 化 学 反 应, 在 表 面 形 成 化 合 物, 如 氧 化 磷 化 发 黑 硫 化, 以 及 钝 化 处 理 等, 常 应 用 于 轻 度 防 腐 蚀 减 摩 润 滑 表 面 着 色 等 阳 极 氧 化 是 将 零 件 作 为 阳 极, 通 电 后 表 面 与 溶 液 发 生 作 用, 形 成 氧 化 膜 铝 的 阳 极 氧 化 应 用 最 为 广 泛, 纳 米 材 料 制 备 中 的 Al2O3 模 板, 即 采 用 阳 极 氧 化 制 备 电 镀 是 非 常 成 熟 的 表 面 处 理 技 术, 而 离 子 液 体 电 镀 可 以 得 到 水 溶 液 难 以 获 得 的 镀 层, 如 Al 等 活 泼 金 属, 且 具 有 环 保 优 势 而 受 到 广 泛 重 视 化 学 镀 具 有 可 在 不 导 电 基 体 上 获 得 金 属 镀 层 的 特 点, 在 高 分 子 陶 瓷 等 绝 缘 材 料 表 面 导 电 化 超 大 规 模 集 成 电 路 芯 片 制 造 上 发 挥 巨 大 的 作 用 思 考 题 : 铝 阳 极 氧 化 时, 为 什 么 能 够 形 成 纳 米 孔 状 形 貌? 化 学 镀 镍 是 如 何 用 于 超 大 规 模 集 成 电 路 制 造 的? 3
第 四 次 : 表 面 干 法 处 理 (2 学 时 ) ( 热 喷 涂 ; 化 学 热 处 理 ; 三 束 处 理 ;CVD;PVD) 热 喷 涂 是 将 熔 融 状 态 的 喷 涂 材 料, 通 过 高 速 气 流 使 其 雾 化 喷 射 在 零 件 表 面 上, 形 成 喷 涂 层 的 表 面 处 理 方 法 喷 涂 材 料 可 以 是 金 属 陶 瓷 和 高 分 子, 可 以 是 颗 粒 和 线 材 可 以 通 过 火 焰 加 热 电 弧 加 热 等 离 子 体 加 热 熔 化 材 料, 还 有 利 用 喷 气 飞 机 原 理 的 超 音 速 喷 涂 化 学 热 处 理 是 一 种 通 过 表 面 合 金 化 来 改 变 表 面 性 能 的 方 法, 根 据 合 金 元 素, 有 渗 碳 氮 化 渗 硼 渗 金 属 等 一 般 在 高 温 及 含 有 合 金 元 素 渗 剂 的 环 境 下 实 现 三 束 是 指 激 光 束 电 子 束 离 子 束, 它 们 具 有 高 能 量 特 点, 可 以 通 过 改 变 表 面 的 组 织, 或 改 变 表 面 成 分, 使 表 面 具 有 一 定 的 性 能 CVD 是 化 学 气 相 沉 积, 通 过 化 学 反 应 形 成 化 合 物, 并 沉 积 在 零 件 表 面, 如 TiC 涂 层 金 刚 石 涂 层 等 PVD 是 物 理 气 相 沉 积, 是 通 过 各 种 方 式, 如 蒸 发 溅 射 等, 将 待 沉 积 材 料 沉 积 到 零 件 表 面 也 可 以 通 过 化 学 反 应 形 成 涂 层, 如 TiN 涂 层 思 考 题 : 离 子 渗 氮 与 离 子 注 入 氮 的 区 别, 离 子 镀 铝 与 离 子 渗 铝 的 区 别 第 五 次 : 表 面 分 析 测 试 方 法 (2 学 时 ) ( 粗 糙 度 ; 厚 度 ; 硬 度 ; 孔 隙 率 ; 耐 蚀 性 ; 耐 磨 性 ; 结 合 力 ; 形 貌 ; 成 分 ) 表 面 分 析 测 试 技 术 是 表 面 失 效 分 析 的 工 具, 也 是 表 面 处 理 结 果 的 表 征 手 段 粗 糙 度 可 以 用 粗 糙 度 仪 测 量, 厚 度 可 以 用 超 声 波 测 厚 仪 磁 性 测 厚 仪 检 测, 精 确 的 是 用 金 相 法 硬 度 一 般 用 显 微 维 氏 硬 度 计 纳 米 压 痕 仪 测 定 孔 隙 率 对 阴 极 保 护 层 的 耐 蚀 效 果 有 重 要 影 响, 可 以 用 贴 滤 纸 法 半 定 量 检 测 结 合 力 是 表 面 处 理 中 重 要 的 性 能, 根 据 涂 层 材 料 的 不 同, 有 划 格 法 拉 伸 法 杯 托 法 等 表 面 形 貌 可 以 用 SEM 进 行 观 察, 其 成 分 可 用 EDS 进 行 半 定 量 分 析, 而 利 用 XPS, 可 以 对 极 表 面 的 成 分 及 化 学 价 态 进 行 检 测 思 考 题 : 孔 隙 率 的 定 量 检 测 方 法? 第 六 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) ( 第 1 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 学 生 第 一 次 展 示, 给 予 充 分 的 时 间 鼓 励 听 讲 学 生 提 问, 形 成 辩 论 老 师 对 学 生 展 示 进 行 全 面 点 评 包 括 : 选 题 评 价, 组 员 分 工 合 理 性 评 价,ppt 制 作 优 缺 点, 演 讲 优 缺 点, 时 间 的 控 制, 以 及 展 示 的 内 容 同 时, 对 展 示 内 容 所 包 含 的 表 面 工 程 内 涵 进 行 引 申 4
第 七 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) ( 第 2 3 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 第 八 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) ( 第 4 5 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 第 九 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) ( 第 6 7 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 第 十 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) ( 第 8 9 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 第 十 一 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) ( 第 10 11 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 第 十 二 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) ( 第 12 13 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 第 十 三 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) ( 第 14 15 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 第 十 四 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) ( 第 16 17 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 第 十 五 次 : 学 生 展 示 及 点 评 (2 学 时 ) 5
( 第 18 19 组 学 生 展 示, 学 生 提 问 老 师 点 评 ) 第 十 六 次 小 结 对 整 个 课 程 内 容 进 行 回 顾 对 学 生 优 秀 选 题 ppt 等 进 行 汇 总, 对 存 在 的 问 题 也 进 行 总 结 附 : 时 间 表 周 次 授 课 主 题 备 注 1 绪 论 及 腐 蚀 机 理 2 课 时 2 表 面 磨 损 固 体 表 面 表 面 预 处 理 2 课 时 3 表 面 湿 法 处 理 2 课 时 4 表 面 干 法 处 理 2 课 时 5 表 面 分 析 测 试 方 法 2 课 时 6 第 1 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 7 第 2 3 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 8 第 4 5 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 9 第 6 7 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 10 第 8 9 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 11 第 10 11 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 12 第 12 13 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 13 第 14 15 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 14 第 16 17 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 15 第 18 19 组 学 生 展 示, 教 师 点 评 2 课 时 16 小 结 2 课 时 五 参 考 教 材 及 相 关 资 料 表 面 工 程 的 理 论 与 技 术, 徐 滨 士, 国 防 工 业 出 版 社,1999 六 课 程 教 学 网 站 : 将 通 过 校 内 网 络 提 供 必 要 的 课 件 和 文 字 材 料 链 接 6