本書系統(tǒng)地介紹了納米表面工程及其相關(guān)力學(xué)問題，屬于新型表面納米結(jié)構(gòu)材料與力學(xué)等學(xué)科交叉領(lǐng)域的書籍。全書共分8章。在納米表面工程方面，內(nèi)容涉及表面工程、納米材料的制備技術(shù)與結(jié)構(gòu)特性、 納米表面工程內(nèi)涵及表面納米化技術(shù)的基本原理、表面納米結(jié)構(gòu)材料的制備方法及結(jié)構(gòu)特征和功能特性尤其是力學(xué)特性。在與納米表面工程相關(guān)的力學(xué)問題方面， 內(nèi)容涉及納米薄膜/涂層材料微結(jié)構(gòu)表征、納米結(jié)構(gòu)表層材料的力學(xué)行為及其強化理論、納米實驗力學(xué)、納米表面工程與失效分析及控制、納米材料設(shè)計及其納米力學(xué)性能計算基礎(chǔ)等內(nèi)容。此外， 書中還全面地介紹了當前納米表面工程及其相關(guān)力學(xué)問題具有實用價值的研究成果， 這對于設(shè)計開發(fā)力學(xué)性能優(yōu)異的新型表面納米結(jié)構(gòu)材料、 推動納米科技在表面工程乃至再制造工程中的應(yīng)用具有重要意義。
本書可作為高等學(xué)校力學(xué)、材料類專業(yè)研究生的教材和高年級本科生的參考書，同時也可供相關(guān)專業(yè)科研、教學(xué)和工程技術(shù)人員參考。
前言2000年才提出的“納米表面工程”的概念，是指將納米材料和納米技術(shù)與傳統(tǒng)表面工程相結(jié)合，通過表面納米化技術(shù)或手段，改變固體材料表面的形態(tài)、成分、結(jié)構(gòu)等，從而賦予表面全新功能的系統(tǒng)工程。在納米表面工程中，傳統(tǒng)意義上的基體主要起載體作用，而組裝、構(gòu)筑或固化在表面上的分子有序膜、納米結(jié)構(gòu)、納米薄膜或涂層等是實現(xiàn)其功能或性能的主體。由于材料在超高溫、超低溫、超高載或疲勞腐蝕環(huán)境等特殊條件下服役的情況越來越多，而納米材料在力、電、聲、光、熱、磁方面表現(xiàn)出與宏觀材料不同的優(yōu)良特性，因此傳統(tǒng)材料表面納米化顯得特別重要。納米結(jié)構(gòu)薄膜或涂層可望在耐高溫抗氧化、減摩自潤滑、超硬耐磨、導(dǎo)電和電磁屏蔽、生物及智能材料等眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用前景不可估量。物理學(xué)家對原子尺度的薄膜和有序納米陣列生長動力學(xué)，化學(xué)家和材料科學(xué)家對微/納米結(jié)構(gòu)薄膜材料的制備及應(yīng)用，力學(xué)科學(xué)家對納米薄膜的小尺度力學(xué)行為等，都極為關(guān)注，相關(guān)研究與開發(fā)工作甚為活躍，重大突破層出不窮，成為近年來凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)及微/納米力學(xué)領(lǐng)域十分重要的前沿方向。
隨著人類對納米科技將成為21世紀主導(dǎo)技術(shù)的認識加深，人們越來越迫切地需要了解和掌握納米科學(xué)技術(shù)的基本知識和發(fā)展趨勢，為我國在社會、經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)等全方位實現(xiàn)跨越式發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。納米表面工程及其相關(guān)微/納米力學(xué)問題的探索是納米科學(xué)技術(shù)的一個重要方面。我國科學(xué)家在納米表面工程、微/納米力學(xué)等相關(guān)研究領(lǐng)域也開展了比較深入、系統(tǒng)的研究，并取得了一系列的突破性進展，但無論是從事納米表面工程研究與開發(fā)工作的科技工作者和企業(yè)家，還是對微/納米力學(xué)及應(yīng)用有興趣的學(xué)者、大學(xué)生和研究生等各類人士，都急需對納米表面工程及其中的力學(xué)問題有一個比較深入的了解。為了全面分析已經(jīng)取得的大量成果，正確把握納米表面工程及其中最基本的微/納米力學(xué)研究的未來發(fā)展方向，促進和開拓納米材料獨特性能在表面工程中的實際應(yīng)用，出版一本全面論述納米表面工程及相關(guān)微/納米力學(xué)的高質(zhì)量專著是非常必要的。
目前納米表面工程發(fā)展較快的領(lǐng)域有兩個：一個是功能納米薄膜和迭層膜的制備，它使薄膜的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)及光學(xué)性能等成倍提高；另一個領(lǐng)域是將金屬或非金屬的納米級顆粒應(yīng)用到各種傳統(tǒng)、常用的表面工程技術(shù)中。由于納米表面工程是一個綜合、交叉、系統(tǒng)的新興學(xué)科，可以說其研究與應(yīng)用目前還處于初級階段，在納米表面工程技術(shù)的基本原理、納米結(jié)構(gòu)表層的制備方法及表面研究等方面還有待進行深入研究。表面研究的內(nèi)容一般分為表面結(jié)構(gòu)形態(tài)的觀察和表面性質(zhì)的測量。在傳統(tǒng)的表面結(jié)構(gòu)層的研究中，表面結(jié)構(gòu)形態(tài)的觀察在微觀尺度上進行，而許多表面性質(zhì)，如表面力學(xué)性質(zhì)的測量卻是在宏觀范圍內(nèi)進行，因此難以準確揭示表面層結(jié)構(gòu)與其表面性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系。為了適應(yīng)目前國內(nèi)納米結(jié)構(gòu)表層材料結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為研究的需要，作者根據(jù)幾年來的教學(xué)體會和科研工作經(jīng)驗，參考了國內(nèi)外大量文獻資料，主要以納米結(jié)構(gòu)表層材料的制備、微觀結(jié)構(gòu)表征與微/納米力學(xué)性能測試、納米結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計及典型應(yīng)用為主線編寫了此書。本書不僅系統(tǒng)講述了納米表面工程的原理與技術(shù)，還用較多的篇幅介紹了納米結(jié)構(gòu)表層材料的力學(xué)行為及典型應(yīng)用，旨在體現(xiàn)納米表面工程作為系統(tǒng)工程的理念。希望本書為我國納米科技工程實用化的科學(xué)研究與技術(shù)進步貢獻一份力量。
納米表面工程及力學(xué)前言主編周霞自擔(dān)任大連理工大學(xué)工程力學(xué)系生物與納米力學(xué)實驗室主任以來，與研究室的其他同志一直致力于納米薄膜/涂層制備、微觀結(jié)構(gòu)表征、宏微觀力學(xué)性能及應(yīng)用等方面的研究與開發(fā)，并取得了有意義的結(jié)果，受到國內(nèi)外同行的關(guān)注。在此基礎(chǔ)上，編著者參閱大量國內(nèi)外相關(guān)科技文獻與資料，總結(jié)國內(nèi)外最新科研進展，充分融入編著者多年在科研工作中取得的成果和積累，探索性地編寫了這本關(guān)于納米表面工程及力學(xué)的交叉學(xué)科專著。全書共分8章。第1章簡要介紹了表面工程的定義與內(nèi)涵及與表面工程相關(guān)的一些基本概念，在簡要介紹固體表面特性及表面層（包括改性層和涂層）結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，依次向讀者講述了表面工程的核心——最新表面工程技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計方法、表面工程所涉及的表面層表征測試及其界面力學(xué)性能分析方法等，最后介紹了表面工程的應(yīng)用與發(fā)展動向且闡述了其與納米表面工程的關(guān)系。第2章側(cè)重講述了納米表面工程及其基本的力學(xué)問題。在明確納米科技及其給傳統(tǒng)的表面工程的發(fā)展帶來一系列變化等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，理解納米表面工程是為適應(yīng)上述變化而建立起來的新學(xué)科，它具有特定的內(nèi)涵、特點以及力學(xué)問題，主要內(nèi)容包括：納米科技的內(nèi)涵及與表面工程相關(guān)的研究進展，如納米改性層和涂鍍層及薄膜的設(shè)計、合成等，納米表面工程的有關(guān)基本概念與內(nèi)涵，納米材料尤其是低維納米材料的制備與表面修飾，幾種最新實用的表面納米化技術(shù)原理與應(yīng)用以及納米表面工程中的力學(xué)問題。第3章介紹了納米表面改性層及納米薄膜/涂覆層的結(jié)構(gòu)及其表征。在介紹了三種典型的納米表面及涂覆層即金屬材料表面納米化涂層、納米薄膜、納米復(fù)合涂（鍍）層結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，講述了X射線衍射技術(shù)、電子顯微技術(shù)、探針顯微技術(shù)及拉曼光譜物相分析技術(shù)等四種基本表征技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)表征方法及適用范圍，最后總結(jié)了納米表面及涂覆層結(jié)構(gòu)表征的內(nèi)容、相應(yīng)的表征方法及應(yīng)用實例。第4章主要介紹了薄膜生長過程及其內(nèi)應(yīng)力的演化。提出了薄膜生長過程新模型，在新模型中考慮了薄膜生長過程中原子的三個動力學(xué)過程：原子沉積、原子擴散及原子脫附，并且認為這三個過程是相互獨立的。在此基礎(chǔ)上，本章還對薄膜初期生長過程及其影響因素、整個薄膜生長的三維蒙特卡羅模擬以及膜生長過程中的內(nèi)應(yīng)力演化等進行了系統(tǒng)的介紹。第5章主要介紹了納米表面及涂覆層的宏微觀力學(xué)性能及其強化機理。講述了金屬表面納米改性層、納米薄膜、納米復(fù)合涂覆層的力學(xué)性能及其強化機理，還著重介紹了超硬納米薄膜具有超高硬度和超高模量的致硬機理。第6章介紹了表面及涂覆層納米力學(xué)性能的實驗表征。內(nèi)容主要涉及實驗納米力學(xué)，重點介紹納米壓痕和劃痕技術(shù)及其測試過程中力學(xué)現(xiàn)象的分析、微/納米力學(xué)性能的測試及其在納米表面工程中的應(yīng)用實例。第7章以接觸疲勞失效情況為例，介紹了作者在納米表面工程與失效分析及控制關(guān)系方面的研究成果，即根據(jù)材料表面失效機理，通過對工程構(gòu)件所受應(yīng)力和失效關(guān)系的分析，采用納米表面工程技術(shù)制備微/納米涂層，以顯著改善材料表面宏細觀力學(xué)性能。第8章結(jié)合納米材料設(shè)計、多尺度計算模擬與理論分析研究結(jié)果以及實例分析，重點介紹了納米涂層/薄膜微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制理論基礎(chǔ)、研究方法及制備工藝力學(xué)問題，從而達到納米涂層/薄膜性能可控的目的。這對于納米結(jié)構(gòu)涂層的設(shè)計、制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)及性能之間關(guān)系的理解具有重要指導(dǎo)意義。
本書由大連理工大學(xué)周霞副教授主編。在本書的編撰過程中，大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室下屬生物與納米力學(xué)實驗室的同志參與了編寫工作，朱祎國副教授組織了本書第4章的編寫，楊春秋在全書內(nèi)容整理及核對等方面做了許多的工作，吳承偉老師對于本書的撰寫提供了寶貴的建議；大連新重表面工程有限公司的曲國輝高工、卜立杰高工等提供了不少資料。此外，我的學(xué)生宿德鵬、錢峰、李紅彩、唐占飛、高嵐、牟睿敏、張仁杰、趙昌美、騫耕等參與了資料編輯、圖表繪制、文字錄入等工作。特此表示感謝。
本書由大連市人民政府資助出版。本書相當一部分內(nèi)容是編著者及其所在生物與納米力學(xué)實驗室?guī)啄陙淼难芯考敖虒W(xué)成果，這些成果是多年來在國家科技部高技術(shù)研究發(fā)展863計劃項目 (2006AA11A1A6）、國家科技支撐計劃項目 (2006BAE04B05-4-1)、國家自然科學(xué)基金(11272072)、遼寧省自然科學(xué)基金 (201102040) 、大連市科技創(chuàng)新項目 (201015014) 以及大連理工大學(xué)教學(xué)改革基金項目支持下取得的，在此一并表示衷心感謝。還要特別感謝機械工業(yè)出版社高水平著作出版基金對本書的資助。
納米表面工程及其相關(guān)微/納米力學(xué)的研究發(fā)展十分迅速，新的成果不斷涌現(xiàn)，文獻資料浩瀚無邊，限于編著人員水平，書中難免有疏漏與不妥甚至錯誤之處，懇請專家和讀者批評指正！
大連理工大學(xué)運載工程與力學(xué)學(xué)部工程力學(xué)系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室大連理工大學(xué)工程力學(xué)系生物與納米力學(xué)實驗室周霞2012年9月
前言
第1章表面工程概述1
1.1表面工程的定義與內(nèi)涵1
1.2固體表面的原子結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)特性4
1.3與表面工程相關(guān)的實際表面層的結(jié)構(gòu)與特點7
1.4表面技術(shù)及其最新進展9
1.5表面工程測試分析與界面力學(xué)研究方法16
1.6表面工程的應(yīng)用進展及發(fā)展動向23
參考文獻25
第2章納米表面工程及其基本力學(xué)問題27
2.1納米科技與納米表面工程27
2.2納米科技及其在納米表面工程中的研究熱點28
2.3納米表面工程基本力學(xué)問題37
2.4表面納米化基本原理及應(yīng)用38
2.5納米表面工程研究及應(yīng)用現(xiàn)狀61
參考文獻65
第3章納米表面及涂覆層的結(jié)構(gòu)及其表征72
3.1引言72
3.2納米表面及涂覆層的微觀結(jié)構(gòu)73
3.3納米表面及涂覆層的表征技術(shù)90
3.4納米表面及涂覆層的微觀結(jié)構(gòu)表征研究進展109
參考文獻112
第4章納米薄膜生長過程蒙特卡羅模擬與薄膜殘余應(yīng)力118
4.1引言118
4.2薄膜生長初期的蒙特卡羅模擬119
4.3薄膜生長的三維蒙特卡羅模擬124
4.4薄膜殘余應(yīng)力127
4.5納米薄膜模擬存在的問題與發(fā)展方向134
參考文獻135
第5章納米表面及涂覆層的力學(xué)性能140
5.1引言140
5.2金屬表面自身納米化改性層的力學(xué)性能141
5.3超硬納米薄膜的力學(xué)性能145
5.4幾種典型的納米復(fù)合涂覆層的強化機理154
參考文獻159
第6章表面及涂覆層納米力學(xué)性能實驗表征163
6.1納米力學(xué)概述163
6.2納米壓痕力學(xué)164
6.3納米劃痕力學(xué)172
6.4納米壓痕和劃痕力學(xué)在表面工程中的應(yīng)用176
參考文獻180
第7章納米表面工程與失效分析及控制184
7.1固體表面的接觸力學(xué)與疲勞失效184
7.2凸輪/挺柱接觸疲勞失效分析及控制實例197
參考文獻209
第8章納米材料設(shè)計與力學(xué)性能預(yù)測及控制211
8.1引言211
8.2納米材料的設(shè)計與計算方法213
8.3納米晶體材料微細觀結(jié)構(gòu)設(shè)計及其力學(xué)性能預(yù)測222
8.4耐磨微/納米結(jié)構(gòu)涂層性能控制實例234
參考文獻239
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