材料表面改性是不改变整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。

       现代材料表面改性的目的是以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成分和组织结构，增加材料表面的附着力，提高抗腐蚀性，改变表面导电性，提高材料硬度、耐磨性、抗疲劳性，增加材料的美观度和舒适性等新的复合性能和功能，实现新的工程应用，这些主要是应用物理、化学、电子学、机械学、材料学来实现。以下是关于材料表面改性的概述，介绍了一些主要的方法、技术和应用。

一、改性方法和技术

1、传统的材料表面改性技术

     传统的材料表面改性技术有表面热处理和表面渗碳。

     表面热处理是指通过钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。表面淬火是表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层，以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。表面淬火的方法简便，但设备较贵，性状复杂的感应器制造不易，不适合单件生产，而且淬火质量不稳定，使用有局限。

     表面渗碳是向材料表面渗入碳原子的过程。将含碳的钢经过淬火/回火，使工件的表面层得到碳含量高的钢，从而提高硬度、耐磨性和疲劳强度；而心部碳含量没有改变，所以具有较高的韧性。

2、六七十年代以来的材料表面改性技术

     60年代以来，传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热。高频加热设备是采用磁场感应涡流加热原理，锅炉体本身自行高速发热，然后再加热物质，并且能在短时间内达到令人满意的温度。70年代以来开始采用化学镀，是在不用外加电流的情况下，在同一溶液中使用还原剂使金属离子在具有催化活性的表面上沉积出金属镀层的方法。

3、近三十年来的材料表面改性技术

     主要是采用热喷涂的方法。热喷涂是利用某种热源(如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等)将粉末状或丝状的涂层材料加热到熔融或半熔融状态，以一定速度喷射到基体表面，沉积而形成具有特殊功能的表面涂层。

4、现代材料表面改性技术

     现代材料表面改性的方法中包含物理改性、化学改性和生物改性方法。

  （1）物理改性技术

     物理改性是通过改变材料表面的物理结构和形态来改善材料性能。常见的物理改性方法包括离子注入、电子束辐照和等离子体改性等。

    ①激光束技术

    光束的能量密度非常高，扫描到金属表面，使材料表面迅速达到相变温度，迅速熔化。移开激光束，熔化部分再迅速冷却，从而使表面迅速凝固，这是一种快速自冷的淬火方式。该方式可以提高材料表面的硬度、抗磨性、抗蚀性。另外，这种方式对材料表面的平整度没有严格的要求，而且对性状复杂的材料也可以进行处理，在机械制造中的应用很广泛。

图1、 激光技术对材料表面进行改性

②电子束技术

电子束加工特别适用于处理易氧化的金属、贵金属以及半导体材料，因为这种技术是在真空条件下进行的，污染小，材料不容易被氧化。该技术是通过电子束蒸发将涂层材料蒸发到基材表面，形成一层具有特定性质的新材料层，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。但该方式不适用于大型件和流水线操作，生产效率低，而且容易产生反射线，会有害健康，需要进行防护。

③离子束技术

离子束技术是一种先进的技术，可以通过高能离子束的轰击，实现对材料的精细加工和改性。这种技术精度高、改性效果好、适用范围广。

图2 、离子束技术应用在纳米材料表面的改性

 （2）化学改性技术

化学改性是通过在材料表面添加或改变化学元素或基团，以改善材料表面性能。常用的化学改性方法有以下几种。

①表面涂层

通过化学反应将涂层材料与基材表面反应，形成一层具有特定性质的新材料层。这种涂层可以提供更好的耐磨性、抗腐蚀性和绝缘性能等。

②化学氧化

化学氧化是一种利用氧化剂将材料表面氧化，改变其化学性质的技术。可以通过化学氧化改变材料的表面能、化学性质和机械性能等。

③表面接枝

功能化修饰是通过在材料表面引入特定的功能基团，例如，可以在材料表面引入羟基、氨基、硅烷等基团，使其具备特殊的性能。

图3 、化学表面接枝示意图

④辐照改性

辐照改性是一种利用高能射线对材料表面进行改性的技术，可以改变材料的表面能、结晶度和力学性能等。

 （3）生物改性技术

生物改性是利用生物体或其代谢产物对材料表面进行改变。生物改性方法具有环境友好、生物相容性好等优点，被广泛应用于材料表面的改性。

图4 生物改性示意图

①生物酶法

生物酶法是利用生物酶在材料表面催化反应，改变材料表面的化学结构和性质。生物酶法可以进行高效、选择性的改性，被广泛用于纤维素、蛋白质类材料的表面改性。

②生物膜法

生物膜法是利用生物体自身的细胞膜、分泌膜等结构对材料表面进行改变。生物膜可以形成在材料表面的一层保护层，改变材料的表面形态和性质。例如，利用菌膜可以实现材料的抗菌性、抗生物污染等特性。

二、材料表面改性的设备和工艺

除了材料改性的方法外，表面改性设备也很重要，改性工艺是依托改性设备，按照改性方法和改性剂等条件实现改性目标的重要环节。

另外，材料表面改性的效果和质量需要调控各操作因素（如温度、浓度、时间等）和结果因素（如表面包覆量、包覆厚度等），还需要建立控制参数和指标之间的关系，以及过程的计算和自动控制等。

三、材料表面改性的应用

材料表面改性可以改善材料表面的化学成分，可以改善材料表面的物理结构，还可以改善材料表面的形态，因此材料表面改性的应用领域很广泛。

（1）在航天航空领域，通过表面改性技术可以制备高温防护涂层和超高温陶瓷涂层等，提高材料的耐磨性、抗腐蚀性，延长使用寿命。

（2）在汽车制造领域，可以增强汽车零部件的耐磨性、抗腐蚀性和疲劳耐久性等。

（3）在电子设备领域，可以用于制造微电子器件、光电子器件和传感器等，改善材料的导电性、导热性。

（4）在工业设备领域，可提高机械设备的高效率、高精度和高可靠性等。

（5）在生物医学领域，通过表面改性技术可以提高医疗器械、人造器官等产品的生物相容性，减少人体排异反应，提高治疗效果。

（6）在装饰、包装领域，通过表面改性，可以调整材料的颜色、光泽，提高其美观度。

此外，材料表面改性还广泛应用于石油化工、能源交通和环境保护等领域。

四、材料表面改性的发展趋势

（1）绿色环保

随着人们对环境保护的重视，绿色环保型的表面改性技术得到了越来越多的关注。这些技术通常采用环保型的改性剂，如水性分散剂、生物降解剂等，以减少对环境的污染。

（2）功能化

功能化是表面改性技术的一个重要发展趋势。通过在材料表面制备一层具有特定功能的改性剂，可以赋予材料新的性能，如导电性、磁性、光电性能等。这些功能化的表面改性技术在电子、能源、催化等领域有着广泛的应用。

（3）智能化

随着科技的不断进步，智能化成为了表面改性技术的一个新的发展方向。例如，通过在材料表面制备一层具有自适应性能的改性剂，可以实现材料表面的自动清洁、自修复等功能。这些智能化的表面改性技术在航空航天、汽车、建筑等领域具有巨大的应用潜力。

五、材料表面改性的挑战与展望

（1）挑战

尽管表面改性技术在改善材料性能和扩大其应用领域方面具有巨大的潜力，但在实际应用过程中仍然面临着一些挑战。这些问题主要包括：

①表面改性技术的稳定性和可靠性；

②表面改性技术的经济性和可生产性；

③表面改性技术的环境友好性。

（2）展望

针对上述挑战，未来表面改性技术的发展方向将包括：

①开发新型表面改性技术；

②优化现有表面改性技术；

③发展环保型表面改性技术。

总之，材料表面改性是一项重要的技术，在许多领域都有着广泛的应用。通过选择合适的改性方法、设备、工艺，可以显著提高材料的性能和质量，以满足不同的需求和应用场景。通过不断地创新和发展，表面改性技术将为人类社会带来更多的福祉。