本書系統地介紹了納米表面工程及其相關力學問題，屬于新型表面納米結構材料與力學等學科交叉領域的書籍。全書共分8章。在納米表面工程方面，內容涉及表面工程、納米材料的制備技術與結構特性、 納米表面工程內涵及表面納米化技術的基本原理、表面納米結構材料的制備方法及結構特征和功能特性尤其是力學特性。在與納米表面工程相關的力學問題方面， 內容涉及納米薄膜/涂層材料微結構表征、納米結構表層材料的力學行為及其強化理論、納米實驗力學、納米表面工程與失效分析及控制、納米材料設計及其納米力學性能計算基礎等內容。此外， 書中還全面地介紹了當前納米表面工程及其相關力學問題具有實用價值的研究成果， 這對于設計開發力學性能優異的新型表面納米結構材料、 推動納米科技在表面工程乃至再制造工程中的應用具有重要意義。
本書可作為高等學校力學、材料類專業研究生的教材和高年級本科生的參考書，同時也可供相關專業科研、教學和工程技術人員參考。
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與傳統表面工程相結合，通過表面納米化技術或手段，改變固體材料表面的形態、成分、結構等，從而賦予表面全新功能的系統工程。在納米表面工程中，傳統意義上的基體主要起載體作用，而組裝、構筑或固化在表面上的分子有序膜、納米結構、納米薄膜或涂層等是實現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、磁方面表現出與宏觀材料不同的優良特性，因此傳統材料表面納米化顯得特別重要。納米結構薄膜或涂層可望在耐高溫抗氧化、減摩自潤滑、超硬耐磨、導電和電磁屏蔽、生物及智能材料等眾多領域獲得廣泛的應用，其應用前景不可估量。物理學家對原子尺度的薄膜和有序納米陣列生長動力學，化學家和材料科學家對微/納米結構薄膜材料的制備及應用，力學科學家對納米薄膜的小尺度力學行為等，都極為關注，相關研究與開發工作甚為活躍，重大突破層出不窮，成為近年來凝聚態物理、材料科學及微/納米力學領域十分重要的前沿方向。
隨著人類對納米科技將成為21世紀主導技術的認識加深，人們越來越迫切地需要了解和掌握納米科學技術的基本知識和發展趨勢，為我國在社會、經濟、科學技術等全方位實現跨越式發展奠定堅實基礎。納米表面工程及其相關微/納米力學問題的探索是納米科學技術的一個重要方面。我國科學家在納米表面工程、微/納米力學等相關研究領域也開展了比較深入、系統的研究，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工作的科技工作者和企業家，還是對微/納米力學及應用有興趣的學者、大學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問題有一個比較深入的了解。為了全面分析已經取得的大量成果，正確把握納米表面工程及其中最基本的微/納米力學研究的未來發展方向，促進和開拓納米材料獨特性能在表面工程中的實際應用，出版一本全面論述納米表面工程及相關微/納米力學的高質量專著是非常必要的。
目前納米表面工程發展較快的領域有兩個：一個是功能納米薄膜和迭層膜的制備，它使薄膜的力學、電學、磁學及光學性能等成倍提高；另一個領域是將金屬或非金屬的納米級顆粒應用到各種傳統、常用的表面工程技術中。由于納米表面工程是一個綜合、交叉、系統的新興學科，可以說其研究與應用目前還處于初級階段，在納米表面工程技術的基本原理、納米結構表層的制備方法及表面研究等方面還有待進行深入研究。表面研究的內容一般分為表面結構形態的觀察和表面性質的測量。在傳統的表面結構層的研究中，表面結構形態的觀察在微觀尺度上進行，而許多表面性質，如表面力學性質的測量卻是在宏觀范圍內進行，因此難以準確揭示表面層結構與其表面性質的內在聯系。為了適應目前國內納米結構表層材料結構及力學行為研究的需要，作者根據幾年來的教學體會和科研工作經驗，參考了國內外大量文獻資料，主要以納米結構表層材料的制備、微觀結構表征與微/納米力學性能測試、納米結構與力學性能優化設計及典型應用為主線編寫了此書。本書不僅系統講述了納米表面工程的原理與技術，還用較多的篇幅介紹了納米結構表層材料的力學行為及典型應用，旨在體現納米表面工程作為系統工程的理念。希望本書為我國納米科技工程實用化的科學研究與技術進步貢獻一份力量。
納米表面工程及力學前言主編周霞自擔任大連理工大學工程力學系生物與納米力學實驗室主任以來，與研究室的其他同志一直致力于納米薄膜/涂層制備、微觀結構表征、宏微觀力學性能及應用等方面的研究與開發，并取得了有意義的結果，受到國內外同行的關注。在此基礎上，編著者參閱大量國內外相關科技文獻與資料，總結國內外最新科研進展，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于納米表面工程及力學的交叉學科專著。全書共分8章。第1章簡要介紹了表面工程的定義與內涵及與表面工程相關的一些基本概念，在簡要介紹固體表面特性及表面層（包括改性層和涂層）結構特點的基礎上，依次向讀者講述了表面工程的核心——最新表面工程技術及其系統設計方法、表面工程所涉及的表面層表征測試及其界面力學性能分析方法等，最后介紹了表面工程的應用與發展動向且闡述了其與納米表面工程的關系。第2章側重講述了納米表面工程及其基本的力學問題。在明確納米科技及其給傳統的表面工程的發展帶來一系列變化等內容的基礎上，理解納米表面工程是為適應上述變化而建立起來的新學科，它具有特定的內涵、特點以及力學問題，主要內容包括：納米科技的內涵及與表面工程相關的研究進展，如納米改性層和涂鍍層及薄膜的設計、合成等，納米表面工程的有關基本概念與內涵，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原理與應用以及納米表面工程中的力學問題。第3章介紹了納米表面改性層及納米薄膜/涂覆層的結構及其表征。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、納米復合涂（鍍）層結構特征的基礎上，講述了X射線衍射技術、電子顯微技術、探針顯微技術及拉曼光譜物相分析技術等四種基本表征技術的原理、結構表征方法及適用范圍，最后總結了納米表面及涂覆層結構表征的內容、相應的表征方法及應用實例。第4章主要介紹了薄膜生長過程及其內應力的演化。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應力演化等進行了系統的介紹。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、納米復合涂覆層的力學性能及其強化機理，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性能的實驗表征。內容主要涉及實驗納米力學，重點介紹納米壓痕和劃痕技術及其測試過程中力學現象的分析、微/納米力學性能的測試及其在納米表面工程中的應用實例。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系方面的研究成果，即根據材料表面失效機理，通過對工程構件所受應力和失效關系的分析，采用納米表面工程技術制備微/納米涂層，以顯著改善材料表面宏細觀力學性能。第8章結合納米材料設計、多尺度計算模擬與理論分析研究結果以及實例分析，重點介紹了納米涂層/薄膜微觀結構優化控制理論基礎、研究方法及制備工藝力學問題，從而達到納米涂層/薄膜性能可控的目的。這對于納米結構涂層的設計、制備工藝、微觀結構及性能之間關系的理解具有重要指導意義。
本書由大連理工大學周霞副教授主編。在本書的編撰過程中，大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室下屬生物與納米力學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。本書相當一部分內容是編著者及其所在生物與納米力學實驗室幾年來的研究及教學成果，這些成果是多年來在國家科技部高技術研究發展863計劃項目 (2006AA11A1A6）、國家科技支撐計劃項目 (2006BAE04B05-4-1)、國家自然科學基金(11272072)、遼寧省自然科學基金 (201102040) 、大連市科技創新項目 (201015014) 以及大連理工大學教學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微/納米力學的研究發展十分迅速，新的成果不斷涌現，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！
大連理工大學運載工程與力學學部工程力學系工業裝備結構分析國家重點實驗室大連理工大學工程力學系生物與納米力學實驗室周霞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涵1
1.2固體表面的原子結構及物理化學特性4
1.3與表面工程相關的實際表面層的結構與特點7
1.4表面技術及其最新進展9
1.5表面工程測試分析與界面力學研究方法16
1.6表面工程的應用進展及發展動向23
參考文獻25
第2章納米表面工程及其基本力學問題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問題37
2.4表面納米化基本原理及應用38
2.5納米表面工程研究及應用現狀61
參考文獻65
第3章納米表面及涂覆層的結構及其表征72
3.1引言72
3.2納米表面及涂覆層的微觀結構73
3.3納米表面及涂覆層的表征技術90
3.4納米表面及涂覆層的微觀結構表征研究進展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薄膜殘余應力127
4.5納米薄膜模擬存在的問題與發展方向134
參考文獻135
第5章納米表面及涂覆層的力學性能140
5.1引言140
5.2金屬表面自身納米化改性層的力學性能141
5.3超硬納米薄膜的力學性能145
5.4幾種典型的納米復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性能實驗表征163
6.1納米力學概述163
6.2納米壓痕力學164
6.3納米劃痕力學172
6.4納米壓痕和劃痕力學在表面工程中的應用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章納米材料設計與力學性能預測及控制211
8.1引言211
8.2納米材料的設計與計算方法213
8.3納米晶體材料微細觀結構設計及其力學性能預測222
8.4耐磨微/納米結構涂層性能控制實例234
參考文獻239
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