刘仁志

刘仁志，教授级高级工程师，武汉风帆表面工程股份有限公司首席技术顾问。中国表面工程协会电子电镀专业委员会副主任委员、电镀分会技术委员会委员、中国电子学会电镀专家委员会常务委员、武汉《材料保护》杂志编委、天津《电镀与精饰》杂志编委、中表协《中国电镀》杂志编委。自1980年起在国内外表面处理专业杂志发表技术论文100多篇，出版专著近20部。参加和主持过多项电镀工艺的开发和应用推广工作。申请并获得了20多项涉及多个专业的中国专利。是本行业著名的表面处理技术专家。

0 前 言

在复杂多变的国际形势下，我国科技界正承受着巨大压力。现实让我们充分认识到，只有坚持走科技强国之路，才是最根本的应对措施。而科技要强，唯有创新。各学科都奋起创新，敢做“第一个吃螃蟹”的人，就一定能够冲出围城，创建新天。而当走向创意的蓝海，就会发现那里前程无限，大有可为。表面工程技术的蓝海，更是极具吸引力，值得同业去开拓。

无论二维还是三维物体，都具有多个表面。表面既是物体的视界，也是物体与环境传递信息的界面。作为视界，我们在传统上重视的是对表面的装饰，这导致形成一个涉及多个领域的庞大的产业，不只是工业价值，还具有艺术价值。作为信息界面，我们重视的是对其进行保护或增强。这个方面涉及的领域，建立起了表面工程的广大产业群，使表面工程技术在现代制造中成为一个重要的产业集群，包括了从涂装到表面物理、化学沉积，从电镀到表面转化膜以及各种表面修饰与强化技术，催生了许多新材料与新技术，在实现表面性能增强的同时，也对产品整体性能有极大提升。放眼汽车、飞机、舰船制造，无不要用到表面工程技术，并且表面工程技术在这些重要产品的性能保障中具举足轻重的地位。更不用说日用五金、家具家电，全都少不了表面工程技术，足见表面工程技术是现代制造的支柱产业之一。

不可否认，表面工程技术既是为了提升制品在环境中的性能与寿命，又在生产过程中不可避免地对环境造成污染。这从涂装到电镀等行业受到的严格环境法规监控就可以看出。这种严控措施对于保护环境是必需的，但也确实对行业生存带来很大压力，更使愿意从事这个行业的人员越来越少，这对希望发展和强化表面工程技术领域是不利的。应对这种形势不仅要正确评价表面处理行业在工业产业链中的定位，制定实事求是的管控措施，还要在大专院校和研究院所设立更多创新专业和课题，以吸引更多学子进入这个领域，去开疆拓土，开发更多环境友好的表面工程新技术和新产品。

正是本着这一思维，本文拟对表面工程技术创新领域可以开发的课题提出一些构想，供同行参考。

1 环境与表面

表面是界面中的一种。多指物相（气、液、固）与气相接触的界面。由于我们生存环境主要是在大气层内，而固体物质是人类日常应用最多的物质，因此，物体表面成为表征物体性能的重要界面。

大气环境既是人类生存的空间，也是地球表面物体存在的空间。地球大气的构成以氮和氧为主，虽然氧在大气成分中只占20%，但是其氧化作用却是十分明显。金属的生锈，就是一个典型的例子，也因此产生了金属防腐专业。当然不只是金属有氧化现象，氧化是自然界普遍存在的现象，并且总是从表面的变化开始。在大气环境中，所有材料都存在氧化问题，因此材料表面防护是一项重要工程。传统的表面技术是表面保护为主流的技术，当然也包括大量装饰和功能方面的技术。随着环境的演化和材料的进化，表面技术面临新的挑战。而一个更重要的原因，还在于对表面的性质认识的深入。当我们对表面有了更深入的认识，就会催生出新的构想。

说到环境，不只是大气环境对环境中的事物有影响，即使是宇宙环境，也是充满物质的相互作用。我在2017年第5期《表面工程与再制造》发表的“宇宙环境与材料保护”一文，对宇宙环境对材料的影响有过详细讨论。现在，我国的火星探测飞船正奔向火星，外星环境对材料的影响，也必将成为表面工程的重要课题。

对表面性质的新认识，源于对物质与意识的关系的研究。这个原来是哲学领域的具有争议的一个问题，当我们以物质结构科学来重新研究时，得出所有物质都是有意识的结论虽然惊人，却并不意外。希望详细了解这一构想的读者可以参阅我的《光子信息》一书（化学工业出版社，2019年2月）。

我们都知道物质有三态，即固态、液态和气态。物质在这三态之间是可以变化的。而最常见和最容易理解的物质三态的变化，莫过于水了。水在不同温度下分别呈现液态、固态和气态，是所有人都知道的常识。至于水为什么会有这些变化，为什么在不同环境（温度等），会自己变成不同的形态？这正是水对环境具有意识的表现。意识是物质对环境的感知，物质据此做出相应变化以适应新环境。显然，表面是感知环境（特别是温度）变化的最敏感的区域。我们由此可以定义表面是物质与环境进行信息交换的界面。这是对表面性质认识的深化。表面的这个新定义给表面工程技术研究拓展了视野和空间，是值得深入探讨的。

物质具有意识源于物质世界具有的自组装性质。宇宙中存在进化这个事实已经由我们地球的存在所证实。自然的总趋势是向更好进化，无论过程多么复杂，结果总是趋好，这是我们应该是乐观主义者的最大理由。例如分子热运动即所谓“布朗运动”一直被定为分子无序的证明。但是真实的情况却是分子在做自组装的运动，最终会形成有序的结构，例如形成水簇。这其实并非新发现，而是诺贝尔奖得主比利时物理化学家和理论物理学家普里戈金提出的耗散结构理论。

这个理论有一个简洁的基本公式： dS = deS + diS

按照普里戈金的意思，它表达的是这样的一个基本思想，一个远离平衡的开放系统，通过与环境进行物质、能量和信息的交换即通过物质、能量和信息的耗散，从而就可能自发组织起来，实现从无序到有序的转变，形成具有一定组织和秩序的动态结构。这里强调的是，通过交换和耗散，只要从环境引入的负熵(deS)大于系统的自发的熵增(diS＞0)，系统整体上就可以实现熵的减少： dS=deS+diS＜0

当系统进入非平衡态，其中的非线性相互作用得以表现出来，就可能形成新的有序结构。

就物质结构体而言，表面正是发生能量和信息交换的区域，而当我们对表面有了深入的认识，对表面进行各种处理的基础就更加牢固。创新思维也因此油然而生。

2 表面的智能化

基于对表面的新认识，我们对材料表面的研究和应用就有了新的方向和新的课题。其中一个重要的课题，是表面的智能化。

广义地讲，意识也是一种智能。但是，我们现在谈论的当然是人工智能。这个是当代最热门的话题，早已经不只是科学幻想的题材。

人工智能的硬件系列中，传感器是一个重要的领域。收集环境信息是传感器的重要功能。模仿眼睛的摄像机镜头是目前读取各种形象信息的重要传感器，而常用的温度计则是最简单的传感器。现在检测气体、物质成分、质量变量、震动等各种环境变化的传感器都应需而生。这些各种各样功能的传感器研制，都需要相应的科学技术支持，包括表面科学与技术。

传感器是智能化系统的一个极为重要配置，由此派生出一个重要的产业。传感器的灵感来自仿生学。人类几乎所有的感知器官都被用来启发开发相应的传感器，从视觉到嗅觉，都是如此。而说起表面的感知功能，人类的皮肤也是极为敏感的传感器。表面技术的一个重要的课题，就是模仿皮肤的感知功能。从而对环境温度、湿度、气压等做出侦测。这类表面材料在可穿戴智能电子产品中将具有广泛用途。

当然，对表面性能的新功能的要求，源于新产品开发的需要。在机器人产业越来越发达的当代，仿生机器人的研制一直是各国关注的领域。智能化时代的典型和代表产品，就是各种机器人。而机器人是大量采用传感器的智能产品，其表面具有感知环境的功能，将是一个持续研发的课题。机器人的表面某些特定区域需要具有信息交换功能，特别是对环境的侦测。例如包括用手指测试环境或物体的温度、酸碱性、硬度等，以确定某些操作的安全性或采取相应的措施。这些可以在机器人局部例如手指贴装功能性表皮。

采用蒙皮或贴片的方式改善表面功能已经是表面工程中的一项有效的技术，这种技术其实在表面防护和功能化中早已经有应用，著名的如美国航天飞机的陶瓷贴片、战斗机的防雷达涂料和蒙皮等，都是早已应用的技术。因而，开发各种智能表面技术，包括智能表面高分子化学品，是强化表面处理技术的重要领域。

3 创新构想

表面新定义会带来很多创新构想，只要持续和深入探讨，会有很多值得探究的课题，出现一些新的学科交叉领域。这里仅只举几个简单的例子。

3.1 涂料领域

表面处理工程技术涉及的加工工艺种类繁多，应用也非常宽泛。从机械方法到物理方法、化学方法、物理化学方法等，各有所长，也都有一定局限。如果从应用广泛和施工方便角度，涂料技术应该是首屈一指的。事实上涂料技术也取得了非常惊人的进步和发展。一个最重要的进步是涂料的溶剂从油性到水性的转变。当然涂料的色彩和品种也是千姿百态，从建筑到家具，从汽车到飞机，涂料的应用深入到社会各个场景。如果再加上染料技术，可以说世界因涂料而美丽。涂料不只是美化表面和外观，而且是保护表面的卫士，更是增加表面各种功能性的重要涂层。而这种赋予表面新功能的涂饰技术，就有很大的创新空间。

例如为使某些设施或舰船、飞机不被雷达等微波探察发现的一种伪装涂料。它能将入射雷达的辐射能吸收、散射，使雷达波不大量反射而达到隐蔽目标的目的。主要由基料和填料组成。常用的基料有天然和合成橡胶（氯丁、丁基橡胶等)、沥青、醇酸、聚氯乙烯、聚氨酯树脂等，主要起黏合作用。填料是吸收雷达波的主要成分，由特制的MgO、FeO、Fe2O3、ZnO等的铁磁性材料组成，具有能连续吸收入射波的棱形结晶，并有一定的孔隙度，以利于内层吸收和造成由于入射波与反射波间发生干涉作用而产生波的散射，使反射回去的雷达波不超过入射波的10%-20%。这样就起到了保护军机不被敌方雷达发现的作用。还有一种示温涂料，应用到高速运转的易产生热量的运动件上，可以在温度达到某一临界值时发生颜色变化，从而直观地提示温度超标，起到传感器的作用。至于荧光涂料，在交通道路和标志上早就广泛在世界上应用。还有导静电涂料、杀细菌涂料等，这些都可以说是功能性涂料的例子。而下一代涂料，应该是向智能化发展。

目前已经流行在涂料的填料中使用纳米材料，这也可以说是通向涂料智能化的一个路径。实际上，涂料的智能化，很重要的一个因素，就是填料的智能化。例如，研究适合与相应介质配合的超分子填料，对实现自修复和多种信息载体的表面技术构想是可行的。

近30年来，零维、一维到多维结构的超分子配合物的研究已引起人们的广泛兴趣。在N a t u r e，Science，J.Am.Chem.Soc.和Angew. Chem.，Int.Ed.等杂志上报道这类化合物研究的文章逐年增多，涉足的学科遍及配位化学、有机金属化学和材料化学等多种化学学科以及生物学、物理学等自然学科领域。毫无疑问，这一类化合物的研究已经成为当今多学科前沿领域研究的交汇点。由此也诞生了一门专业学科，即超分子材料学。

一个有趣的现象是，被电镀领域视为重要有毒物的氰化物离子，在超分子研究中扮演了重要角色。研究表明，氰根阴离子不仅能连接多种金属原子组装成不同维数的超分子配合物（即以前教科书中说的络合物），而且能够形成电子交换通道传递各顺磁中心电子间的磁相互作用。对在3d、4d、5d及4f金属离子的超分子配合物解析其单晶结构，可以得到零维、一维、二维、三维到三维穿插多种拓扑结构的超分子配合物。其中有些化合物具有三维纳米孔洞。

随着超分子配位化学和材料科学的发展，分子磁体的设计合成与研究成为近来最引人关注的课题。氰基桥联配合物以其独特的光化学和物理性质使得它在该领域占有尤为重要的地位。现在，超分子研究已经成为大学相关学科的重要专业，其应用前景十分广泛。

3.2 电镀领域

超分子材料具有自组装和自修复性能，这种性能对表面处理工程领域具有重要的意义。表面处理技术界对这一领域的研究，值得关注和深入探讨。这也不仅仅是从涂料角度的关注，从配合物化学角度、从化学转处理角度、从电镀添加剂角度等，都可以从中找到切入点和受到相应启发。例如，从分子结构上寻找类似于氰根的无氰分子结构，将扩展以前局限于络合物常数的为标的研究方向，采用超分子结构的配体，有可能开发出电镀新的镀液，实现新镀层特别是合金镀层的开发。

与传统冶金技术相比，电沉积金属合金技术即湿法冶金技术有显著优势。目前已经能够获得的合金镀层达60多种，而研发过的合金品种达260多种。新型电镀用化学助剂的开发有利于达成原来电沉积困难的金属在特定工作液中共沉积，甚至可以直接在镀槽中完成双金属层的电沉积，这都是极有应用价值而又具有挑战性的课题。

电镀添加剂技术已经大大改进了电沉积过程，特别是在多层印制板和芯片制造的中的应用引人关注。在微电子制造与互连中，实现原子级别的增量制造对电沉积过程中电子跃迁的隧道非常重要，研制具有桥接作用的表面活性剂，将有利于电子有序进入离子空轨而形成致密金属结晶。基础理论方面的深入发展，也同样对电镀技术创新有积极的推动作用。

3.3 功能性分子膜

超分子的各种化学应用中，分子器件技术是一个引人注目的领域。例如我国已经研制出单分子电子开关器件。北京大学分子科学国家实验室的科学家以石墨烯为电极、通过共价键连接来稳定单分子器件的关键制备方法，突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子开关器件，这是世界上首个真实稳定可控的单分子电子器件。这种单分子电子器件在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。分子膜技术已经在一些领域中应用，而功能性分子膜将拓展这一应用领域。例如光电功能膜，可以将光能转化为化学能。这方面的研究已经在进行中，例如多层的有机-无机薄膜成功地产生了光电流。

将分子器件技术引进表面技术，例如研制功能膜，是极有意义的课题。这个领域同样受到仿生学的影响。例如叶绿素的光合作用，可以考虑用超分子结构模拟某些光化学转化过程。

超分子的三维纳米孔的一个性质也是特别重要的。这种材料制成的膜可以具有某些存储与释放功能，根据对环境的侦测而做出相应的表面反应。

正如前所述，对于表面的智能化技术研发的膜技术，既可能是涂料模式，更可能是膜材料产品。这是因为分子器件的构造需要有一定的成型条件和环境。在溶剂中随机生成的有效性将难以控制。因此，采用蒙皮或贴片工艺，可以对这类膜技术的应用是有益的。特别是在较大体积构件或复杂造型需要的表面，进行贴装加工更为方便。贴装功能膜可以在多种场合应用，特别是临时需要而又不可能拉到生产线去施工的制件，这种表面处理工艺就可以一显身手。

4 展 望

作为与环境进行信息交换的物质表面，对环境进行识别并根据获得的信息作出相应反应或将信息传达到执行机构，是表面智能化的最重要的应用。研究和开发具有这种功能的表面技术和产品，是表面技术创新的一个重要领域，值得关注和投入研发力量。跟进这一进展，会产生系列表面新技术和新的应用场景。这需要多学科的交叉配合和集中优势资源持续攻关。随着各种新材料和膜技术的发展，特别是基础研究和科学原理方面的深入，表面微观结构与性能的相关性更加显现，这对表面技术创新有极为重要的推动作用。这也是需要重视基础理论研究的一个重要理由。

一个值得关注的领域是仿生表面。正如我们在前面已经提到的，仿生表面的功能是模仿皮肤的感知功能。这种表面不仅可以感知环境参数变化，将信息转达到执行组织，而且在受到环境侵害时具有自修复能力，还可以在需要的时候发生表面状态例如颜色的变化，就像变色龙一样。进一步，表面与环境的互动中，不只是被动的接受信息，还可以主动发出信息，就如一种智能显示屏。

总之，在深入认识了表面与环境的关系以后，创意会有如泉涌，从而令人有将奇思妙想付诸实施的冲动。不可否认，好奇心也是推动科学技术进步的一种动力。