表面改性

表面改性方法很多。能够改变粉体表面或界面物理化学性质的方法，如表面有机包覆、液相化学沉淀包覆、气相物理沉积，机械力化学、层状结构粉体插层等都可称为表面改性方法。二十一世纪初工业上无机粉体表面改性常用的方法主要有表面有机包覆、沉淀反应包覆、机械力化学及复合法等。

表面有机包覆改性是最常用的无机粉体表面改性方法。这是一种利用有机表面改性剂分子中的官能团在颗粒表面吸附或化学反应对颗粒表面进行改性的方法。所用表面改性剂主要有偶联剂(硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆铝酸酯、有机络合物、磷酸酯等)、高级脂肪酸及其盐、高级胺盐、硅油或硅树脂、有机低聚物及不饱和有机酸、水溶性高分子等。

沉淀反应包覆是利用化学沉淀反应将表面改性物沉淀包覆在被改性颗粒表面，是一种“无机/无机包覆”或“无机纳米/微米粉体包覆”的粉体表面改性方法或粒子表面修饰方法。粉体表面包覆纳米TiO₂、ZnO、CaCO₃等无机物的改性，就是通过沉淀反应实现的，如云母粉表面包覆TiO₂制备珠光云母；钛白粉表面包覆SiO₂和Al₂O₃以及硅藻土和煅烧高岭土表面包覆纳米TiO₂和ZnO；硅灰石粉体表面包覆纳米碳酸钙和纳米硅酸铝。

机械力化学改性是利用粉体超细粉碎及其它强烈机械力作用有目的地激活颗粒表面，使其结构复杂或表面无定形化，增强它与有机物或其他无机物的反应活性。机械化学作用可以提高颗粒表面的吸附和反应活性，增强其与有机基质或有机表面改性剂的使用。以机械力化学原理为基础发展起来的机械融合技术，是一种对无机颗粒进行复合处理或表面改性，如表面复合、包覆、分散的方法。

插层改性是指利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱(如分子键或范德华键)或存在可交换阳离子等特性,通过离子交换反应或特性吸附改变粉体性质的方法。因此，用于插层改性的粉体一般来说具有层状晶体结构，如石墨、蒙脱土、蛭石、高岭土等。

复合改性是指综合采用多种方法（物理、化学和机械等）改变颗粒的表面性质以满足应用的需要的改性方法。应用的复合改性方法主要有有机物理/化学包覆、机械力化学/有机包覆、无机沉淀反应/有机包覆等。

原理和方法

改性原理和方法是粉体表面改性的基础。主要包括：

①根据颗粒表面性质和改性后粉体的应用环境对表面改性剂的选择和设计，以及颗粒表面、界面性质与应用性能的关系；

②颗粒表面或界面与表面改性剂的作用机理，如吸附或化学反应的类型，作用力或键合力的强弱，热力学性质的变化等，进而建立改性剂在颗粒表面的作用模型；③表面改性方法的基本原理或理论基础。

表面改性剂

从表面改性的涵义和目标可以看出，在以化学助剂为改性剂的粉体表面改性中，表面改性剂在颗粒表面的作用是颗粒表面、界面性质以及粉体应用特性发生改变的基础。因此，表面改性剂的选用十分重要。表面改性剂的研究内容涉及种类、结构、功能及其与各种颗粒表面基团的作用机理或作用模型等，包括表面改性剂的分子结构、分子量、有机烃链长度、活性基团与改性产物性能之间的关系，改性剂用量、使用方法及新型、特效表面改性剂的设计与合成技术等。

改性工艺与设备

表面改性设备是完成粉体表面改性的保障，改性工艺则是依托改性设备，并按照改性方法和改性剂等条件实现改性目标的重要环节。涉及表面改性工艺与设备的主要研究内容包括：改性工艺流程和T艺条件、设备类型与操作条件、影响因素以及表面改性工艺与设备的有机联系等。

表面改性过程的控制与产品检测技术

这一研究领域涉及表面改性过程中各操作因素（如温度、浓度、酸度、时间、改性剂用量）和结果因素（改性物表面包覆量、包覆率或包膜厚度）等参数的调控与监控技术，包括改性产物的湿润性、分散性、粒度分布特性、表面形貌、表面能、表面改性剂的吸附或反应类型、表面包覆量、包覆率、包膜厚度、表面包覆层的化学组成、晶体结构、电性能、光性能、热性能等的检测方法等，也包括建立控制参数与指标之间的对应关系，以及过程的计算机仿真和自动控制等。 2100433B

1、物理涂覆：是利用高聚物或树脂等对材料表面进行处理以达到填料表面改性的工艺。

2、化学包覆：是利用有机物分子中的官能团与填料表面发生化学反应，对粉体颗粒表面进行包覆，使颗粒表面改性的方法。

3、沉淀反应：是通过无机化合物在颗粒表面沉淀反应，在颗粒表面形成一层和多层包覆膜，以改善粉体表面性质。

4、机械力化学：是利用超细粉碎或强烈机械作用有目的地对粉体表面进行激活，在一定程度上改变颗粒的晶体结构、溶解性能、化学吸附和反应活性等，从而达到粉体表面改性的目的。

5、插层改性：是指利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱和存在可交换阳离子等特性，通过离子交换或化学反应改变粉体的层间和界面性质的改性方法。

表面改性设备可分为干法和湿法两类。非金属矿粉常用的干法表面改性设备是SLG型连续粉体表面改性机，高速加热混合机，涡流磨及PSC型粉体表面改性机等。常见的湿法表面改性设备为可控温反应罐和反应釜。

表面改性技术主要包括6类：①表面形变强化。采用高速弹丸打击、挤压或辊压金属零件的表面，使其产生塑性变形，引起表层显微组织发生变化，产生表层压应力，从而提高材料抗应力腐蚀和抗疲劳断裂的能力，改善和提高零件的可靠性和耐久性。这项技术已经在航空、航天、机械、纺织、汽车、铁道等工业中得到了广泛的应用，并已作为这些行业设计人员设计的重要内容。②表面相变强化。采用近代技术（如激光束、电子束等）对金属零件的表面进行快速加热，使金属表面、亚表面形成新的相变区和表面强化区。③离子注入。利用真空系统中离化出的离子，在高电压下加速，直接注入材料表面，形成很薄的离子注入层，改变材料表面的组成与结构，改善材料表面的性能。这种方法已广泛用于半导体器件生产，使半导体的精细掺杂加工技术产生突破性的进展。离子注入还可以用于改善金属与合金材料的摩擦磨损特性，提高材料的抗氧化能力和耐蚀性。④表面扩散渗入。又称表面合金化。将金属或非金属沉积在基体金属表面上，通过扩散作用渗入到基体金属表面内，改变材料表面的化学组成和相结构，提高材料表面的性能，如提高材料表面抗高温氧化、抗热腐蚀、抗电化学腐蚀、耐摩擦磨损、耐酸、耐碱等。⑤化学转化。将金属零件放入一定的溶液介质中处理，使其表面形成钝性化合物膜层，以提高材料表面的性能。钝性化合物膜层主要为铬酸盐钝化膜、磷酸盐膜、草酸盐膜及钢铁件的发蓝等。表面粗糙度的降低（磨光、抛光、滚光等）及表面着色也属于这一类。⑥电化学转化。这是一种在电解质溶液中，通过外电流的作用使工件表面形成氧化膜的技术，又称为阳极氧化，也称为阳极化。镁、铝、钛及其合金易于形成这类阳极氧化膜层。90年代出现的微弧等离子体阳极氧化，能极大地提高表面硬度（达到维氏硬度800～2 500）或形成新型彩色装饰膜层，可望用于与摩擦磨损有关的行业或新型建筑行业。 2100433B

中文名称

电子束表面改性

英文名称

electron beam surface modification

定　　义

采用电子束加热，使金属表面合金化，以改变其化学成分、组织和性能的方法。

应用学科

材料科学技术（一级学科），材料科学技术基础（二级学科），材料合成、制备与加工（三级学科），表面改性和涂层技术（四级学科）

进入21世纪以来，材料学被誉为人类科学的三大支柱之一，随着空间技术、光电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术的出现、发展，要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段，材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一。通过表面改性可以改善材料表面及近表面区的形态、化学组成、组织结构并赋予材料表面新的复合性能，实现新的工程应用。陶瓷材料由于其自身优异的性能，成为新材料的发展中心而受到广泛关注：表面改性技术在陶瓷材料改性方面的应用克服了陶瓷的弱点，使陶瓷材料能够以其优良的物理、化学性能，在航天、航空、电力、电子、冶金、机械等工业，甚至现代生物医学中得到广泛应用。

关于表面改性技术方面的科技书籍已有不少，但是目前还没有一本专门介绍关于陶瓷材料表面改性技术的专著。本书编者利用在教学科研实践工作中积累的资料，编写此书。本书从材料表面改性技术入手，详细介绍了传统的表面改性技术，如表面涂层法、渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等；以及近几十年来发展的新型表面改性技术，如金属蒸气真空弧离子源离子注入（MEVVA）、离子束增强/辅助沉积（IBED/IBAD）、等离子源离子注入（PSⅡ/PⅢ）、激光表面合金化（laseralloying）、激光化学气相沉积（laserCVD）、等离子体辅助化学气相沉积（PCVD）、双层辉光等离子体表面合金化（Xu"_blank" href="/item/结构陶瓷/1962665" data-lemmaid="1962665">结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷等方面详细介绍了表面改性技术在陶瓷材料中的应用，最后介绍了陶瓷材料表面改性测试与表征方法。全书给出了大量实验数据、实验分析、图表，使读者能更加形象地理解表面改性在陶瓷材料改性方面的作用。

本书总体章节题目由曾令可提出思路与设想。第1、6、7章由王慧撰写；第2章由侯来广、王慧撰写；第3章由李萍、王慧撰写；第4章由曾令可、任雪谭撰写；第5章由盛文彦、曾令可撰写；第8章由曾令可、邓伟强撰写；第9章由刘平安撰写。曾令可、王慧负责全书统稿、定稿、绘图等工作。书中引用了一些国内外学者的著作、论文的观点、论述及成果，在此谨对他们的工作致以深深的谢意。

虽然我们力求把最新的应用知识和信息奉献给读者，但本书所介绍的内容仍难以涵盖表面改性在陶瓷材料改性中的所有应用领域，且由于编者的学识有限，阐述的内容难免有疏漏和不当之处，敬请读者批评指正。

编者

2005年12月