急求一篇 表面技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)關(guān)系 的論文

【專家解說】：材  料  表  面  工  程  撰稿 :林光隆 繪圖 :鐘明錦成功大學(xué) 材料科學(xué)及工程學(xué)系一、簡(jiǎn)介材料表面工程相關(guān)技術(shù)1. 表面分析,特性描述如光學(xué)顯微鏡，掃瞄式電子顯微鏡，X光繞射，原子力顯微鏡，歐杰電子光譜，化學(xué)分析電子光譜（或稱X光電子光譜）。2. 性能,功能研究如微硬度，腐蝕，磨耗，電性，旋光性質(zhì)，電磁性質(zhì)等。3. 表面工程(制程技術(shù))本課程討論是以表面工程技術(shù)為主。表面工程技術(shù)分類表面工程可分為個(gè)別制程，且其表面僅具單一功能或性能，以及整合制程，且其表面具多種功能或性能。表面工程以技術(shù)原理區(qū)分可分類如下：1. 機(jī)械方法研磨, 拋光,布磨；噴砂-砂粒噴砂；壓接；機(jī)械式鍍鋅；珠擊2. 熱能方法熱浸鍍（鋅，鋁鋅，鋁）；焊錫(在引線架上)；擴(kuò)散被覆；熱熔射；雷射處理；滲碳；滲氮；電漿轉(zhuǎn)換電弧3. 化學(xué)方法化學(xué)蝕刻；脫脂；化成皮膜處理(如磷酸鹽皮膜)；無電鍍；溶膠－凝膠法；4. 電化學(xué)方法電拋光；電鍍；電鑄；陽極處理5. 真空方法化學(xué)氣相沉積－加熱式，電漿輔助式，有機(jī)金屬式；物理氣相沉積（離子鍍，濺鍍，蒸鍍）；離子布植；氮化法；碳化法6. 物理方法油漆；烤漆表面工程功能與目的﹕簡(jiǎn)言之，表面工程的功能與目的為增進(jìn)基材特殊的性質(zhì)，以賦予其原不具有之性能或延長(zhǎng)使用壽命，大致如下：1. 抗腐蝕/氧化l飛機(jī)蒙皮(鋁合金)-陽極處理；汽車車身板金(鋼材)-熱浸鍍鋅，電鍍鋅，上涂料；船的甲板(鋼材)-熱熔射，上涂料；建筑物-如橋梁，電塔可使用熱浸鍍鋅與上涂料等方式；個(gè)人計(jì)算機(jī)機(jī)殼-熱浸鍍鋅，電鍍鋅，上涂料；石化輸油管線-覆蓋披覆；2. 耐磨耗－硬鉻，氮化鈦，離子氮化，滲碳氮化，鉆石薄膜，雷射表面處理l軸承；軸心；鉆孔切割工具；硬盤3. 光學(xué)性質(zhì)l建筑用窗框；光學(xué)玻璃；單色光；相機(jī)機(jī)身，顯示器4. 磁性l記錄媒體；光盤；硬盤5. 導(dǎo)電性l半導(dǎo)體電路；聯(lián)接導(dǎo)線；微電子金屬化制程6. 裝飾l裝飾品；眼鏡；手表7. 熱傳導(dǎo)性/熱傳阻抗－黑鎳，黑鉻，氧化鋯l  渦輪葉片熱阻層l  太陽能電池吸熱層8. 機(jī)械壽命l  疲勞壽命9. 制造、加工l  電鑄，微機(jī)電表面工程技術(shù)選用考量因素選擇表面工程技術(shù)以進(jìn)行材料表面改質(zhì)有諸多考慮因素，如下所述：1. 材料（涂布,析鍍,沉積,即是指表面覆蓋）之可應(yīng)用性－單一/多種材料* 這是主要的考量因素*參考表面工程的功能與目的－ 腐蝕壽命：在使用環(huán)境下的腐蝕速率－ 磨耗壽命：使用條件下的磨耗速率－ 疲勞壽命：應(yīng)力作用下的壽命周期，熱疲勞的壽命周期（熱膨脹系數(shù)差異所造成）－ 光學(xué)性質(zhì)：亮度的需求，反射率的需求－ 磁旋光性質(zhì)：信號(hào)/噪聲比－ 導(dǎo)電性：電阻率－ 裝飾：顏色，視覺效果－ 熱傳導(dǎo)/阻抗：熱傳導(dǎo)性－ 制造：可加工性2. 基材適性－溫度；例如不均勻結(jié)構(gòu)的薄板金屬片不適用于熱浸鍍鋅－活性；鈍性的基材須要適當(dāng)?shù)那疤幚?，活性極佳的基材，如鈦，不易施以電鍍－機(jī)械強(qiáng)度;熱熔射會(huì)使薄件產(chǎn)生變形3. 技術(shù)的可行性－ 熱熔射通常需要表面粗度大的基材，不適用于陶瓷基材－ 化學(xué)汽相沉積需要?dú)庀嗟幕瘜W(xué)藥品以及真空處理－ 物理汽相沉積會(huì)因工作腔室的空間而限制了試樣的尺寸與形狀－ 電鍍通常會(huì)因拋鍍力差而使均勻性變差4. 經(jīng)濟(jì)因素需要考慮初成本與長(zhǎng)時(shí)間的保固成本，特別是建筑物的結(jié)構(gòu)可能影響成本的因素：鍍層的材料，化學(xué)藥品的來源，制程的困難度，市場(chǎng)占有率等5. 單一技術(shù)/技術(shù)整合單一技術(shù)—純金屬，合金或混合析鍍的單一鍍層技術(shù)整合-如多層鍍層，連續(xù)處理可選用之表面工程技術(shù)表面工程技術(shù)種類繁多，前節(jié)曾依技術(shù)原理分類，下述則依功能分類，并列出相關(guān)可能應(yīng)用之技術(shù)(I) 一般的前處理I-1 機(jī)械法1. 噴砂(砂粒噴砂)；2. 研磨/布磨/拋光I-2 化學(xué)法1. 脫脂；2. 酸洗I-3 電化學(xué)法1. 電拋光；2. 電解清洗I-4 干式1. 電漿蝕刻；2. 離子蝕刻(II) 耐蝕性覆層/改質(zhì)II-1 鋅覆層1. 熱浸鍍鋅；2. 電鍍；3. 熱熔射II-2 鋁覆層1. 熱熔射；2. 擴(kuò)散涂層；3. 熱浸鍍II-3 鎳覆層1. 熱熔射；2. 電鍍；3. 無電鍍II-4 涂料1. 有機(jī)涂料；2. 富鋅無機(jī)涂料II-5 化成皮膜1. 陽極處理；2. 鉻酸鹽皮膜處理；3. 磷酸鹽皮膜處理(III) 磨耗/裝飾涂層III-1 復(fù)合鍍層1. 電弧轉(zhuǎn)換電漿；2. 鎳/陶瓷復(fù)合電鍍；3. 無電鍍鎳/陶瓷或鐵氟龍（PTFE），鍍鉆石膜4. 雷射覆蓋III-2 陶瓷復(fù)層：氧化物，碳化物，氮化物，鉆石膜1. 熱熔射；2. 化學(xué)氣相沉積；3. 物理氣相沉積－濺鍍，離子鍍，電漿電弧III-3 硬鉻1. 電鍍III-4 無電鍍鎳1. 無電鍍析鍍III-5 表面硬化1. 滲碳法；2. 滲氮法；3. 雷射處理III-6 裝飾用/光學(xué)的1. 熱浸鍍鋅發(fā)色；2. 鋁陽極處理；3. 不銹鋼發(fā)色(IV) 覆層/改質(zhì)在電性上的應(yīng)用IV-1 電子的－氧化物；IrO2，PdO2等1. 電鍍2. 熱分解IV-2 太陽能電池－硫化物1. 電鍍(V) 電子的覆層V-1 聚亞醯銨介電質(zhì)1. 旋轉(zhuǎn)涂布V-2 銅導(dǎo)線－印刷電路板1. 電鍍V-3 焊錫導(dǎo)線－印刷電路板1. 電鍍；2. 波焊V-4 焊錫球－覆晶接合，卷帶式自動(dòng)接合1. 電鍍；2. 蒸鍍（物理氣相沉積）；3. 浸鍍焊錫V-5 黃金隆點(diǎn)（或稱凸塊）1. 電鍍V-6 鋁導(dǎo)線，鋁墊1. 蒸鍍（物理氣相沉積）V-7 隆點(diǎn)底層金屬，電極金屬1. 電鍍；2. 濺鍍；3. 無電鍍V-8 微影膜1. 印刷制程V-9 半導(dǎo)體1. 有機(jī)金屬化學(xué)氣相蒸鍍（VI） 生物醫(yī)學(xué)所使用的涂層/薄膜/改質(zhì)VI-1 氫氧基磷灰石1. 熱熔射VI-2 復(fù)合析鍍－牙齒研磨機(jī)1. 電鍍二、一般前處理 (General Pretreatment)前處理大抵是所有表面工程技術(shù)生產(chǎn)流程的第一步驟（如下流程所述），本單元敘述各種的處理技術(shù)，并不針對(duì)特定鍍層技術(shù)所需討論?；抹で疤幚悫じ采w表層à機(jī)械前處理à化學(xué)前處理à覆蓋表層à刷磨，噴砂à研磨，布磨à拋光，珠擊à脫脂à酸洗à覆蓋表層前處理的主要目的與功能一般而言，前處理主要目的包括： (1) 清潔表面清除附著在基材表面的雜質(zhì)，鍵結(jié)化合物，瑕庛等。 (2) 表面活化/敏化活化基材表面或使鈍性基材敏感化。經(jīng)各種前處理之后，所發(fā)揮的主要功能為增加附著強(qiáng)度，即增加覆層(涂布，析鍍，沉積)與基材間的附著強(qiáng)度。以下即敘述各種前處理技術(shù)1. 機(jī)械法 (Mechanical Pretreatment)1.1 噴砂 (Abrasive Blasting)操作—利用水或空氣將砂粒噴出，以擊打?qū)ο蟮谋砻?。濕式噴砂—將砂粒與水溶液混合以噴砂的方法。            主要應(yīng)用在：l     需要精細(xì)處理的工件表面l     易燃的環(huán)境，如管線或是儲(chǔ)油槽干式噴砂—主要應(yīng)用在大量的處理l       清除鍵結(jié)較強(qiáng)的化合物如：鐵銹，厚的油漆或泥土 l       清除深埋的鑄砂 l       清除鉆孔機(jī)，鑄件與切割產(chǎn)品的毛邊 l       使對(duì)象表面粗糙以增加后續(xù)覆層的附著強(qiáng)度如熱熔射鍍層 1.2 砂粒 （Abrasives ）砂粒 — 金屬或非金屬的微小顆粒，用于撞擊對(duì)象表面金屬：(a) 鋼珠：圓形的鋼球或是鋁線，鋼線，鋼球的大小約0.1424    ~2.82mm，金屬線約0.51~1.54mm(b) 角粒：不規(guī)則形狀的銳角，硬度為HRC45，56，或65，大小約0.043~2.82mm非金屬： (a) 硅砂 (b) 金鋼砂 (c) 玻璃珠1.3 刷磨/ 研磨/布磨/拋光 (Brushing/Grinding/Buffing/Polishing)除了刷磨外，其余多用以處理較干凈的工件表面。1.3.1 布磨、帶磨、拋光 (Buffing, Belt Grinding, Polishing)應(yīng)用在大型的工件操作：將布包裹滾輪或是將角粒(碳化硅)黏于皮帶上，應(yīng)用于表面平整處理或是最后的處理。 1.3.2 刷磨(Brushing) 利用鋼刷或鋼棉作表面平整處理，應(yīng)用在大型的工件。1.4 大量研磨/拋光 (Mass finishing)應(yīng)用在量多的小型工件，無法使用于局部面積處理。1.4.1 滾磨、拋光（Barrel Tumbling, Polishing）應(yīng)用在量多的小型零件 操作：將對(duì)象與角粒放入滾桶中作研磨與拋光。1.4.2 振動(dòng)拋光(Vibratory Polishing)類似滾桶拋光，但是將轉(zhuǎn)動(dòng)改為振動(dòng)1.5 珠擊（ shot peening）增加金屬的疲勞壽命并預(yù)防應(yīng)力腐蝕的冷加工制程操作：利用鋼球撞擊對(duì)象表面作用：每個(gè)撞擊的動(dòng)作就像極小的鐵錘在敲打，藉以增加表層的壓縮應(yīng)力，使表層的疲勞壽命增加與減少應(yīng)力腐蝕的破壞機(jī)制?？赡墚a(chǎn)生的壓縮應(yīng)力約是材料最大抗拉強(qiáng)度的一半。例子：l     汽車所使用的彈簧l     軸心與輪軸，傳動(dòng)帶，連桿l     硬度在Rc50以上的鋼材(抗拉強(qiáng)度在250000psi以上，如飛機(jī)的齒輪)l     鍍鉻前使用珠擊法l     無電鍍鎳析鍍前使用珠擊法l     曲柄軸與焊接的熱效應(yīng)區(qū)2. 化學(xué)法 (Chemical Pretreatment)    利用化學(xué)反應(yīng)清除表面的污染物    污染物包括：                i) 油脂：產(chǎn)生于其它機(jī)械的接觸或是抗腐蝕/氧化的保護(hù)層               ii) 化合物：化學(xué)成分產(chǎn)生反應(yīng)或氧化2.1 脫脂 (Degreasing)目的：清除表面吸附的油脂脫脂方法(Types of Process)2.1.1 高溫氧化，如燃燒l       在200~400℃的高溫下，碳?xì)浠衔飼?huì)生成二氧化碳或水蒸氣而蒸發(fā)；蒸發(fā)可避免氧化時(shí)所產(chǎn)生的碳化物。操作：將對(duì)象曝露在高溫，含有保護(hù)氣氛的通風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行脫脂。應(yīng)用例子：連續(xù)式熱浸鍍鋅，電鍍2.1.2 有機(jī)溶劑脫脂l  許多油脂可溶于脂肪族酯類的有機(jī)溶劑中 (低閃點(diǎn)使用于冷脫脂如煤油，石油脂)或是含氯的碳?xì)浠衔锶軇?無閃點(diǎn)使用于冷脫脂或蒸氣脫脂，如二氯甲烷，四氯乙烯，三氯乙烯，1,1,1,-三氯乙烷，三氯氟乙烷(CFC)).這些溶劑都有極性，且有高蒸氣壓，故易造成空氣污染。應(yīng)用：初始的脫脂，因?yàn)橛行┤軇?huì)再吸附于對(duì)象表面操作：利用浸泡或是蒸氣清洗的方法 2.1.3堿洗脫脂 l在較高溫的條件下，油脂會(huì)與堿性的溶液產(chǎn)生皂化反應(yīng)。一般使用的堿性溶液包含：氫氧化鈉，碳酸鈉，碳酸氫鈉，硫酸鈉，亞磷酸鈉。操作：在70-80℃的溫度下使用堿性水溶液進(jìn)行堿洗，有時(shí)會(huì)加入適 當(dāng)?shù)奶砑觿?yīng)用場(chǎng)合：i) 有機(jī)化合物可能會(huì)破壞對(duì)象，或是有空氣污染與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顧慮。ii) 一些氧化物，如三氧化二鋁亦會(huì)溶于堿性溶液，因此堿性水溶液可清洗表面達(dá)到清潔的效果。特別注意的問題：化學(xué)藥品有可能會(huì)破壞對(duì)象表面，故要依對(duì)象材料的不同來選擇堿洗的溶液。例如，高濃度的氫氧化鈉只適用于鋼材，有時(shí)亦會(huì)添加硅酸鈉或其它適當(dāng)?shù)囊种苿员苊鈱?duì)象表面受到嚴(yán)重的破壞。另外，鋅或鋁的合金最常使用的堿洗溶液是碳酸鈉或碳酸氫鈉。2.1.4 電堿洗脫脂：在脫脂的堿洗溶液中有時(shí)會(huì)加入電解質(zhì)形成電解液，使對(duì)象在陽極/陰極發(fā)生氣泡生成反應(yīng)以產(chǎn)生攪拌去除附著性較強(qiáng)的油脂，如碳鋼的電解液成分如下：55 g/l 氫氧化鈉，18 g/l 碳酸氫鈉， 6 g/l 磷酸鈉， 1 g/l琥珀酸，對(duì)象放在陽極，電流密度為10 A/dm22.2 酸洗 (Pickling, Acidic cleaning, Etching)目的：清除表面的氧化物，碳化物或其它的化合物，如鐵銹。應(yīng)用：電路制程時(shí)蝕刻金屬，析鍍前塑料蝕刻操作：將對(duì)象含浸在適當(dāng)?shù)臒o機(jī)酸水溶液中，常在脫脂后使用酸洗。2H+ + MO à H2O + M+22H+ + MCO3 à M+2 + H2O + CO2特別注意的問題：化學(xué)藥品的添加會(huì)影響酸洗的效能，而有些鈍化膜需要強(qiáng)酸來蝕刻。加入適當(dāng)?shù)奶砑觿┛杀苊膺^蝕刻如：硫尿，有機(jī)酸，銨等。經(jīng)酸洗后的對(duì)象須用水(最好是去離子水)清洗，以完全清除所吸附的酸。范例：                   鋼鐵 碳鋼：5~20%硫酸                              5~20%鹽酸                              抑制劑                   不銹鋼：用10%硫酸加10%鹽酸酸洗                   接著再用10%硝酸加10%氫氟酸                   鋁﹔鋁合金：1~2%氫氟酸                       10~30%硝酸                   鋁鎂合金：用15%硫酸酸洗                             接著用5%氫氧化鈉                      最后用50%硝酸                   鎳合金：英高鎳（Inconel）－硫酸﹕酒石酸鈉 = 1﹕1蒙鎳（Monel）－鹽酸﹕氯化銅﹕水 = 1﹕1﹕2塑料蝕刻：塑性鍍層的功能：1. 使塑料表面強(qiáng)化2. 防止塑料過熱，受光老化，風(fēng)化3. 耐磨耗4. 避免靜電產(chǎn)生可析鍍的塑料：丙烯睛－丁二烯－苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）聚丙烯（Polypropylene，PP）聚氧化亞苯（Polyphenylene Oxide，PPO）聚多芳基酯（Polyaryl Ether ，PAE）蝕刻作用：蝕刻出分子產(chǎn)生微小裂紋，使金屬層與塑料有”釘住”的效果。例如，對(duì)于丙烯睛-丁二烯-苯乙烯(ABS)，1 μm的丁二烯分子(或塑料分子 )在丙烯睛苯乙烯中分解。塑料的蝕刻溶液：1.丙烯睛－丁二烯－苯乙烯，聚烯化亞苯，聚多芳基醚可使 用高濃度的鉻酸水溶液2.聚丙烯可使 用低濃度的鉻酸水溶液例如：丙烯睛－丁二烯－苯乙烯可使用硫酸180ml/l，鉻酸430 g/l，添加劑與在65℃下含浸5分鐘聚丙烯可使用硫酸390 ml/l，磷酸425 ml/l，鉻酸40   g/l，與添加劑在85℃下含浸15分鐘