张高会,李 根,徐 鹏,乔宪武,于明州

(中国计量学院理学院,浙江杭州310018)

物理学的发展传统上一般分为经典物理和近代物理两个阶段,自爱因斯坦相对论开始可以认为是进入了近代物理阶段.与近代物理发展几乎同步,19世纪工业革命后现代表面技术开始迅速发展,不仅在学术上丰富了材料科学、冶金学、机械学、电子学、化学等学科,而且促进了新材料、光电子、微电子等诸多先进产业的发展,成为了国际性的关键技术之一[1].

现代材料表面处理技术在20世纪80年代被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一[2]一位著名的科学家曾经说过:20世纪科学技术的发展是以物理学的发展为基础的.这样的观点早已被诸多事实所证明,无论是高科技要求的航空航天领域,还是与民生密切相关的医疗行业、汽车行业,等等,均是如此.更不要说还有电子行业、信息行业、甚至包括体育等行业.表面处理作为材料科学进步的一个分支,其显著进步也是与物理学的进步密切相关,毫不夸张地讲,没有物理学的进步就没有表面技术的进步.20世纪60年代到80年代,等离子体、电子束、激光束、微波、超音速火焰、超高真空等科学技术的成果逐步引入到表面处理技术领域,各种机械、装饰、特殊功能的薄膜及各种先进涂层,已把材料表面改造成具有人们期望的各种功能,其应用遍及各个领域.

材料表面技术包括表面处理技术和表面分析技术.表面处理技术是指通过表面处理改变材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态,以获得所需表面性能.表面处理技术作为一门新兴的边缘性学科和使用价值极高的基础技术,其应用范围越来越广,使用价值越来越高,对材料科学的进步起到了越来越多的推动作用[3].物理学的进步对表面处理技术的进步起到了至关重要的作用;表面分析技术作为材料科学进步的非常重要的支撑条件,物理学知识在分析技术中的广泛应用对分析技术本身的进步也起着决定性的作用.下面从表面处理技术和表面分析技术等方面具体阐述物理学对表面技术发展的重要推动作用.

1 物理学的进步

物理学是一门古老的基础学科,从古典物理(16世纪以前)到经典物理(16世纪到19世纪),再到近代物理(20世纪至今),物理学的每一个重大发展和革命性进步都对人类社会的进步产生了巨大的推动作用.自1900年到1927年的量子力学形成是近代物理的第一阶段,1927年以后的发展是以量子力学和相对论为基础的近代发展阶段.在这一阶段诞生了爱因斯坦、薛定谔、普朗克、德布罗伊、狄拉克等一批科学家,发现高速领域和微观领域的新的物质运动规律,揭示了微观世界中的波动性和微粒性,连续性和间断性的规律;产生了原子核物理学、粒子物理学、量子统计物理学等理论,成为一个庞大的学科群.人类对物质世界的认识达到了一个空前的高度.同时,物理学也向其它学科推进,产生了一些边沿学科,为现代科学的进步产生了新思路和新方法,促进了原子能、计算机、航天、激光、超导、纳米等领域的飞速发展[4-6].

概括起来,20世纪物理学的进步是以量子力学的发展为前提的,薛定谔的《什么是生命》指出生命的秘密可以用量子力学来解释,秘密就在细胞的量子密码上.1960年迈曼发明的激光也是以原子的量子结构为基础的.近几年随着光子的量子纠缠理论的发展,信息科学量子计算机都有了质的飞跃.

2 物理学对表面处理技术进步的推动作用

2.1 真空技术

真空,作为现代表面处理技术中的一个非常重要的技术条件,对材料表面处理起到了决定性的作用.真空度一般可以定性地分为低真空(105～102Pa)、中真空(102～10-1Pa)、高真空(10-1～10-5Pa)、超高真空(＜10-5Pa)(GB/T 3163-93),真空度的高低决定着磁控溅射、离子溅射、电子溅射等表面处理技术是否能够顺利进行.真空条件保证了诸如真空蒸镀、溅射镀、离子镀、PVD等表面技术的实施.真空的获得方式主要通过机械泵、扩散泵、分子泵的工作而获得.作为真空系统前级泵的机械真空泵,正是利用了物理上的离心力和压强差,使气体不断地吸入和排出,借以达到抽气的目的.扩散泵则是在前级真空泵所造成的低真空条件下,利用气体分子的扩散原理,以极高速度从泵的各级喷口的缝隙喷出硅油蒸汽,使容器内部的气体分子扩散到蒸汽中被带到前级真空泵所能作用的位置,由前级真空泵迅速抽出,使系统达到高真空的要求[7].也可以说扩散泵的产生是依赖于物理学中分子动力学的发展而产生的;目前使用较多的、获得高真空与超高真空的分子泵,则是在分子流区域内依靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量,使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动,从而达到抽气的目的.这里动量、刚体、运动均是物理语言.正是物理动力学、气体扩散理论的进步推动了真空技术的不断进步.

2.2 控制技术

电磁学从原来互相独立的两方面(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学科,是基于两个重要的实验发现,即电流的磁效应和变化的磁场的电效应.这两个实验现象,加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设,奠定了电磁学的整个理论体系的完整性.电磁学在现代表面技术中几乎无处不在.

2.2.1 电镀作为应用最广泛的表面处理技术,不言而喻,“电”在电镀中起着非常重要的作用.电镀的本质是电子的转移,基本过程是金属原子在阳极失去电子,阳极:Μ-ne→Μn+;金属离子在阴极附近得到电子,阴极:Μn++ne→Μ,离子还原为原子沉积在工件表面的过程.其原理示意图如图1,控制电流就是控制电子的转移.利用电流、电压的大小来控制电镀工艺,从而达到控制电镀品质是电镀的基本制度[8].

图1 电镀原理示意图Figure 1 Principle schematic diagram of electroplate

2.2.3 磁控溅射作为一种十分有效的薄膜沉积方法,被广泛成功地应用于许多领域,特别是微电子、光学薄膜和材料表面处理.磁控溅射系统是由基本的二极溅射系统发展而来,磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置100～1000 Gauss强力磁铁,如图2[9],真空室充入01～10 Pa压力的惰性气体(Ar),作为气体放电的载体.在高压作用下Ar原子电离成为Ar+离子和电子,产生等离子辉光放电,电子在加速飞向基片的过程中[10,11],受到垂直于电场的磁场影响,使电子产生偏转,被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,电子以摆线的方式沿着靶表面前进,在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞,电离出大量的Ar+离子.与没有磁控管的结构的溅射相比,离化率迅速,解决了二极溅射镀膜速度比蒸镀慢、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题.其根本原理是在阴极表面上方形成了一个交互电磁场(即利用磁约束原理,使磁场与电场正交,磁场方向与阴极表面平行).溅射产生的二次电子在阴极位降区被加速为高能电子后,并不能直接飞向阳极,而是在正交电磁场作用下来回振荡,并不断地与气体分子发生碰撞,把能量传递给气体分子,使之电离.这些问题的解决大大提高了离化率,改善了沉积效果.后期发展的射频溅射、脉冲溅射和中频溅射无一不是依赖于物理学中电磁理论而生的.可以肯定地讲,如果没有物理电磁学的进步,也就不会有磁控溅射的产生.

图2 磁控溅射靶原理图Figure 2 Schematic diagram of magnetic control sputtering target

2.2.4 热喷涂是利用某种热源将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态,然后借助焰流本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面,沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术[12,13].如图3,是一种表面强化技术,是表面工程技术的重要组成部分.热喷涂的热源有氧-乙炔焰、电弧、等离子弧、爆炸波等提供不同热源的喷涂装置,产生高温高压焰流或超音速焰流,将要制成涂层的材料如各种金属、陶瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末的固态喷涂材料,瞬间加热到塑态或熔融态,高速喷涂到经过预处理(清洁粗糙)的零部件表面形成涂层的一种表面加工方法.我们把特殊的工作表面叫“涂层”,把制造涂层的工作方法叫“热喷涂”,它是采用各种热源进行喷涂和喷焊的总称.根据加热方式的不同分别有电火化喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、激光喷涂等,根据能量的大小有超音速喷涂等.热喷涂的主要原理部分进步决定于物理学理论的进步.

图3 喷涂过程示意图Figure 3 Schematic diagram of therma spray

2.3 等离子体技术

对气体来讲,如果温度不断升高,气体又会怎样变化呢？物理学家告诉我们,这时构成分子的原子发生分裂,形成为独立的原子,如氮分子会分裂成两个氮原子,这种过程为气体分子的离解.如果再进一步升高温度,原子中的电子就会从原子中剥离出来,成为带正电荷的原子核和带负电荷的电子,这个过程称为原子的电离.当这种电离过程频繁发生,使电子和离子的浓度达到一定的数值时,物质的状态也就起了根本的变化,我们称为等离子态,伴随着等离子体的发展,出现了离子溅射,离子镀等现代表面处理技术.

等离子体用于表面膜的沉积方面的技术有多层膜沉积、等离子体加强化学气相沉积和物理气相沉积(PACVD or PAPVD)、等离子体磁控溅射沉积等[14].

脉冲等离子体表面改性技术在20世纪80年代开始被广泛应用于材料科学,相比于脉冲电子束、脉冲激光束等离子体不仅可以在室温下把高能量传递给材料.同时在材料表面注入大量离子[15].

随着等离子理论的逐渐完善,其在表面技术领域的应用也越发广泛,给表面技术带来了革命性的发展.

2.4 激光技术

激光作为近代物理学进步的一个主要内容是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后人类的又一重大发明.激光的原意是受激发射实现光放大,受激发射是爱因斯坦1917年提出来的.激光以其高亮度、高方向性和高单色性,自出现就成功应用于测距、通信、核聚变、医学上,并被应用于表面处理技术的许多方面.作为原子物理能级跃迁理论的重要应用,激光可用于改变表面表层的成分和显微结构,因而表面技术又有了一种行之有效的处理方式——激光表面处理,包括激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等技术[16-19].

激光烧蚀是利用了激光高方向性的特点,可在材料表面精确加工;激光涂覆、激光淬火、激光表面非晶态处理等是利用了激光高亮度,中心温度高的特点;高单色性特点也成功应用于刻蚀等方面.作为热喷涂的一种模式,激光喷涂技术是应用了物理学中激光能量高、方向性好的特点,把激光作为一种加热方式,可以迅速地将喷镀材料加热至所需状态,提高喷涂效率.

正是在原子物理和光学的推动下,表面处理技术朝着高质量、高效率、低能耗、低成本的方向不断前进.

综上所述,物理学对表面处理技术的发展起到了举足轻重的推动作用,力、热、声、光、电无一不在表面处理技术进步中起着非常重要的作用.

3 物理学对表面分析技术的推动作用

3.1 显微技术

3.2 小角度X射线分析技术

在材料分析中使用最普遍最频繁的便是X射线分析技术了.大家都知道X射线的诞生是物理学家伦琴发现的,X射线是一种波长很短的电磁辐射,其波长约为(20～0.06)×10-8cm.X射线具有很高的穿透本领,约为十几微米量级,X射线自诞生以来为生命科学、医疗、军事等领域做出了巨大贡献[24].它在材料学科领域中的应用也是非常普遍.X射线衍射分析(XRD)是建立在较大的穿透深度下材料统计平均基础上的,探测的是材料的体信息.

但一般的X射线衍射分析对材料的表面和表层(1～100 nm)不敏感,来自表面或表层的微弱信号都掩埋在体结构的巨大信号之中.

4 结 语

表面技术是一门集物理、化学、材料等学科的交叉学科技术,实用价值极高.除了材料科学以外涉及的领域有物理、化学、生命学科等领域.材料科学所面临的若干关于材料方面的问题,如材料硬度、脆性、韧性、耐蚀性、耐磨性等,均需要通过表面技术来解决.限于篇幅的限制,上述只是从几个很小的方面论述了物理学的进步对表面技术的推动作用,还有许许多多的方面没有涉及到,尤其是近代物理学的进步对表面技术的推动作用还没有体现.物理学的进步自始至终都对表面技术的发展起着至关重要的作用.随着现代工业技术的日益进步,各种极端条件的不断出现,对材料表面提出了更高的要求,也必将会对材料表面处理提出更高的要求.材料的表面性能将直接影响到产品的质量水平,也就需要有新的表面处理技术以及分析技术与之相适应,这样的新技术必将离不开物理学进步的影响,物理学仍将在表面处理技术中起到关键性的作用.我们应当多多关注物理学的前沿和理论的进步,并灵活地与现代表面技术相结合,比如量子力学的发展,产生更多的好的表面处理技术赋予材料更好的性能.纵观电磁交互、等离子体、激光、电子显微技术、X射线衍射分析等推动表面技术进步的核心技术,归根结底都可以用量子力学的理论来解释.如果可以将量子力学的新理论同表面技术巧妙地结合起来,那么势必取得革命性的成果.

[1]杨玉春.表面技术新进展[J].表面技术,1994,23(4):147-151.

[2]戴达煌,周克崧,袁振海,等.现代材料表面处理技术科学[M].北京:冶金工业出版社,2004:18-20.

[3]马 岳,段祝平.表面等离子喷涂材料研究的现状及发展[J].表面技术,1999,28(4):1-4.

[4]刘向海,刘 薇,刘嘉斌,等.退火工艺对低铝低硅孪晶诱发塑性钢组织及性能的影响[J].中国计量学院学报,2010,21(1):282-286.

[5]赵 峥.物理学与人类文明十六讲[M].北京:高等教育出版社,2008:18-19.

[6]肖红军,彭 云,马成勇,等.激光表面改性[J].表面技术,2005,34(5):38-43.

[7]张以忱.真空镀膜技术[M].北京:冶金工业出版社,2009:120-122.

[8]钱苗根,姚寿山,张少宗.现代表面技术[M].北京:机械工业出版社,2002:230-237.

[9]TOMIDA S,NAKATA K,SAJI S,et al.Formation of metal matrix composite layer on aluminum alloy with TiC、Cu power by laser surface alloying process[J].Surface and Coatings Technology,2001,142-144:585-589.

[10]黄国青,张高会,乔宪武,等.钛合金表面磁控溅射离子渗镀铜的烧蚀特性研究[J].中国计量学院学报,2010,21(3):274-277.

[11]KELLY P J,BEEGERS C F.A comparison of the properties of titanium based films produced by pulsed and continuous DC magnetron sputtering[J].Surface and Coatings Technology,2003,174-175:795-800.

[12]刘江龙,邹至荣,苏宝嫆.高能束热处理[M].北京:机械工业出版社,1997:233-235.

[13]华绍春,王汉功,汪刘应,等.热喷涂技术的研究进展[J].金属热处理,2008,33(5):82-87.

[14]CHOU B Y,CHANG E.Plasma sprayed hydroxyapatite coatings on titanium alloy with ZrO2second phase and ZrO2inter mediate layer[J].Surface and Coating s Technology,2002,153:84-92.

[15]刘 勇,田保红,刘素芹.先进材料表面处理和测试技术[M].北京:科学出版社,2008:35-37.

[16]ZHU K Y,ZHAO Y Q,QU H L,et al.Thermal stability of Ti-V-Cr burn-resistant alloys[J].Journal of Materials Science,2004,39:2387-2394.

[17]徐滨士,刘世参.中国材料工程大典[M].北京:化学工业出版社,2006:155-160.

[18]安毓英,刘继芳,曺长庆,等.激光原理与技术[M].北京:科学出版社,2010:120-129.

[19]张高会,黄国青,徐 鹏,等.铝及铝合金表面处理研究进展[J].中国计量学院学报,2010,21(2):274-277.

[20]LIU Y F,M U J S,XU X Y,et al.Microstructure and dry sliding wear property of TiC reinforced composite coating prepared by plasma transferred arc weld surfacing process[J].Material Science and Engineer A,2007,458:366-370.

[21]吴 柳.大学物理学[M].北京:北京交通大学出版社,2009:280-284.

[22]东南大学等七所工科院校.物理学[M].北京:高等教育出版社,2006:243-246.

[23]陈勇军,史庆南,左孝青,等.金属表面改性—离子注入技术的发展与应用[J].表面技术,2003,32(6):4-7.

[24]汤云晖.介孔材料的小角度X射线衍射实验条件研究[J].分析测试学报,2009,28(3):365-367.

[25]KELLY P J,ARNELL R D.Mag netron sputtering:a review of recent developments and applications[J].Vacuum,2000,56(3):159-172.

[26]贾 贤.材料表面现代分析方法[M].北京:化学工业出版社,2010:23-26.

[27]W ANG X,LEI M K,ZHANG J S.Surface modification of 316L stainless steel with high-intensity pulsed ion beams[J].Surface and Coatings Technology,2007,201:5884-5890.

[28]ZHENG S Q,ZHANG G H,HUANG G Q,et al.Laser ablation Performance of double glow discharge sputter deposition Mo on titanium alloy Surface[J].Chinese Optics Letters,2011,9(suppl);1-3.