工业4.0时代需要提升表面工程技术

刘仁志（中国表面工程协会技术委员会专家）

工业4.0时代需要提升表面工程技术

刘仁志（中国表面工程协会技术委员会专家）

表面与表面工程

2016年9月，第19届世界表面精饰大会（Interfinish 2016）将在北京召开。这个4年一届的世界表面精饰大会是首次在中国举办。在中国制造由大转强战略全面启动之时，这次大会在北京召开，具有标志性意义。届时将有20多个国家和地区的表面技术专业人士和企业家、学者上千人聚集北京，交流现代表面精饰技术。同期并有国际表面精饰展览公开展示表面处理业的最新产品和技术成果。

表面精饰业虽然很专业，但是与大众生活和现代制造密切相关，因此，向大众普及与表面工程相关的知识，是很有必要的。

表面一词从工程学的角度，指的是物质暴露在空间与外界接触的部分，如果从微观的角度来表述，则是指固体表层一个或数个原子层的区域。由于位于表面的粒子（分子或原子）朝向空间或其他介质的面没有邻居粒子，使其物理性质和化学性质与固体内部明显不同。从而出现一些特殊的性质。研究表面的这些性质，形成了一门科学，并产生出相应的技术，例如表面技术。当然，表面这个词同时也可以指事物的外在现象，即所谓表面现象、表象等。

那什么是表面工程呢？表面工程是应用表面技术于产品的工艺和制程。也可以说是指利用各种工业技术改变物质表面的形态，使其符合预期效果的过程。这一过程也称为表面处理。相应的表面处理的方法也被称为表面处理技术，这些技术从大类上可以分为表面涂覆、表面改性和表面修饰等。

表面工程与人们的生产、生活息息相关。可以毫不夸张地说，现代制造涉及的所有产品都必须经过这样或那样的表面处理。没有表面处理技术，就没有现代制造。

我们日常生活中与表面工程直接相关的有各种各样的表面装饰技术。表面装饰在装饰产品和美化人们生活中起到了举足轻重的作用。无论是金属产品还是非金属产品，包括家用电器、日用五金、健身器材、儿童玩具等等，都要用到各种表面装饰技术。表面装饰是表面工程中量大面广的一个重要应用领域。最典型的表面装饰是显示金属质感和珍贵的装饰镀铬。这是应用电镀技术于金属或非金属表面的装饰工程。现代汽车从光亮镀铬铝轮毂到ABS塑料镀铬装饰条等，都一直采用这种技术，经久不衰，成为经典。至于各种色彩涂料的应用，更是举不胜举，在大量产品中广泛应用，特别是建筑和汽车，无不是装饰涂装最重要的应用领域。成为现代社会亮丽的风景。

但是，表面装饰只是表面工程的一个部分。表面工程还有一些更为重要的应用，例如表面腐蚀防护工程。

各种材料的腐蚀看起来并不十分起眼，深入考察却令人触目惊心。就拿我们最常见的金属材料的腐蚀来说，我们只引用去年刚出版的一本书的前言，就已经足以说明问题：“锈蚀被称为‘伟大的毁灭者’和‘恶魔’。五角大楼称之为‘普遍而无所不在的威胁’。锈蚀毁坏了汽车，折断了桥梁，沉没了船只，引起了房屋的火灾，差一点搞垮了自由女神像。美国每年为锈蚀付出4000亿美元的代价，超过所有其他自然灾害的总和……”。

这本书就是2015年3月出版的《生锈：最长的战争》，作者为美国环境领域记者乔纳森·沃尔德曼。这本书被《华尔街日报》评为2015年非虚构类最佳图书第八名。是以大量真实的生锈带来的危害的故事普及防腐知识的科普佳作。从而提醒人们要极为重视腐蚀的防护工作，也就是重视表面防护工程的应用。

腐蚀给人类社会带来的危害绝不只是金属材料的毁坏，包括水泥、木材等各种非金属材料，也深受其害。就是在太空和宇宙中，腐蚀也是危害航天的宇宙探索器材的恐怖杀手。因此，腐蚀学科和专业，一直是各国极为重视的领域和专业。几乎所有理工大学和院校都设置有腐蚀与防护专业。

有了表面装饰和防护这两大重要领域，也还不是表面工程的全部。

表面工程还有一个更为重要的应用是对表面进行的功能性处理。也称为功能性表面处理。这是运用表面处理技术，让材料表面具备各种物理的或化学的性质的工程领域。例如功能性电镀、功能性涂料等等。这种表面改性处理，不是为了装饰表面，也不是或不只是为了提高表面的防护性能，而是要赋于表面一些基体材料所不具备的性质，使其表面具有电学的、磁学的、光学的、化学的、机械学、生物学的等等性质，从而使普通材料经过这类表面处理后，具有了稀有材料才具备的性质。其意义非同小可。仅以导电良好的银为例，我们不可能全部用纯银来制作高导电要求的导线和电子器件，但是在铜、铝等金属表面镀银，就能使铜、铝等具备有银的导电性能。又如采用不锈钢、钛等金属材料制作替代人的骨头等的构件植入人体是现代医学常用的手段。在这类材料表面形成与人体具亲和作用的生物亲和层是现代表面技术的一个重要分支。显然，我们都希望这个领域有长足的进步和发展。而这仅仅只是表面改性技术的一个很小的分支。更多的应用在微处理技术领域、现代传感器领域、微电子制造领域、纳米技术领域等都极具重要意义。

最后，表面处理技术中的有些专业技术，依据其原理，还发展成为直接制造产品或新材料的技术。典型的如印制线路板的制造、电铸成型、芯片互连、纳米材料制造、复合材料制造等等。显示出新颖制造能力和创新活力。而这些制造过程都很精细、精密，有些直接就属于微电子制造领域。

仅以印制线路板为例，现代所有电子产品都离不开印制线路板。而印制线路板的制造离不开电镀技术。从早期单层板到现流行的多层板，从硬质的刚性板到柔软的绕性板，在制造过程中都要用到电镀、化学镀、蚀刻、封装等表面技术。

因此，为了全面表达表面工程所包含的所有应用领域，人们用表面精饰一词来表述表面技术的应用。这时的精饰，不是指的装饰，而是包括装饰、修饰、防护、功能赋于和基于表面技术的精密成型。

表面工程与现代制造

我们在了解了表面工程在诸多领域的重要应用后，就可以想见其在现代制造中所具有的重要地位。显然，无论是日用工业产品还是专业工业产品，从家用电器到儿童玩具，从交通工具到工作母机，从通讯器材到仪器仪表，所有工业产品在制造过程中，都要用到表面处理技术中的一种或几种技术和工艺，以实现产品设计或市场需要的功能。

这些技术或工艺涉及产品的表面装饰、产品在各种使用环境中的防护和特定要求的功能性的获得等等。而这些表面技术在产品中应用时，具体化为一系列表面加工工种或工艺。成为现代制造中重要应用的这些工种或工艺，有些是我们熟悉的，有些则是大众较少了解的。我们熟知的如涂料施工、热处理、电镀加工等，更多则是比较专业的表面工程技术，例如热喷涂、真空镀（物理气相沉积、化学气相沉积）、激光表面处理、离子注入、热渗镀、刷镀、化学镀、电泳、转化膜、分子膜技术等。

以激光表面处理技术为例，这是一种以激光束为能量对材料表面进行改性处理的新技术。包括激光熔融、激光表面强化、激光修复和激光催化等。这种技术特别适合针对特殊材料进行局部表面处理。因为激光束可以高速集聚高能量光束的同时，只在所扫描到的部位发生作用，不影响未扫描区的性能。并且可以通过电子计算机实现3D立体扫描，从而可以用于需要3D电子线路互联的线路制造。现在几乎人人持有的手机中的内置天线，就是利用激光3D电镀技术制造出来的。由此可见表面处理技术在现代制造产业链中所起到的重要作用。

但是，传统的表面工程技术在应用过程中大多数工艺都涉及环境问题。这是因为表面处理所用的材料本身或工艺过程中都涉及各种化学品和有机物。这些物质在生产制造过程中所产生的废气、废水和废渣，如果随意排放，对环境会带来严重危害，并且在生产过程中对生产人员的身体也构成威胁。因此，表面处理业是工业污染中比较突出的一个行业。这个行业在工业粗放发展时期，已经对环境造成污染，成为背在工业社会身上的一个沉重的包袱。因此，各国都制定有严格的污染治理法律法规，对包括表面处理行业在内的所有可能产生污染的行业实行严格的环境评价和准入制度，以保护越来越脆弱的生态环境。同时，开发和应用对环境友好的绿色表面处理技术与工艺，是表面精饰业需要持续追求的目标。

无可讳言，我国制造业大而不强的局面，在表面工程领域显得更为突出。这是因为表面处理技术的原理在应用的过程中，对装备有宽泛的适应性，使大量低端的、依靠人工操作的工艺，仍然有应用空间。这些传统和落后的工艺，既对环境构成威胁，又产能低、能耗高，势必被淘汰。而现代制造需要强大的表面处理业的支持，表面处理业所消减的落后产能，需要先进的产能替代和填补，这是我国制造业由大转强过程中面临的一个重要挑战，同时也是表面工程业面临的最大挑战。

表面工程与工业4.0

表面工程业所面临的挑战给行业带来强大压力的同时，也带来了极大机遇。这是因为我国制造业开启由大转强战略的时机，正好与世界发达工业体系向工业4.0过渡的时机重合。这使得我国从工业1.0时代以来一直处在落后地位的工业体系，有可能在这个拐点实现超车，从而与发达工业国并驾齐驱。表面处理业的转轨变型正好赶上了这个机遇。

随着工业4.0时代的来临，一些新型智能工业产品进入市场。由自动控制和互联网技术结合衍生出来的工业新产品层出不穷，从无人机到自动驾驶汽车，到智能机器人等，大量改变传统生产生活模式的新产品的更新换代将会是今后工业产品中的常态。而这些新产品无一例外地都要用到表面处理技术。例如没有电镀技术，这些现代电子产品的互联互通就无法实现，一些功能就不能达致完美。

从市场的角度，国际和国内都已经有了明确的布局。“一带一路”规划所产生的产能需求应该是重要的出口机遇。国内第一个百年目标的实现，则需要国内产能的支持，这些都预示着良好的市场机遇。但是，这些机遇不是给落后产能的，是给先进生产力的。

在表面处理业自动化方面走在前列的是汽车工业的涂装自动化。由于汽车大量采用机器手自动涂装，为自动涂装向智能化发展提供了良好的基础。同时也为其他行业采用智能机器人提供了样板。但是还有大量的产品的涂装仍然在采用人工喷涂。替代人工的机器人的研发正在积极推进中。

表面处理业中另一重要行业是电镀行业。我国电镀业的自动化程度相对较低，即使在实行电镀工业园制度后，装备仍然是一个瓶颈。园区提出的只有采用自动线生产的企业才能入园的标准，对推进电镀业自动化方面有积极作用。但这些自动生产线严格来说仍然是半自动的。重要工艺参数的控制和原材料的添加，仍然需要人工操作。上下挂具也需要大量人工。因此，开展对电镀生产所需要的智能机器人或智能电镀生产线的研制，是行业面临的重要课题。重要的不只是装备的智能化，还有工艺的绿色化，即着力开发环境友好的绿色表面工程技术与工艺，淘汰污染环境和浪费资源的落后技术与工艺。针对这些课题做出规划和投入，就有可能后来者居上，进入发展的快车道。

因此，对工业4.0时代的表面工程产业来说，确实是重要的发展机遇。当然，这首先取决于是否有足够的实力应对技术和环境提出的挑战。

将落后的产能转变为先进的生产力，就能抓住这次世界性工业转型换代的跨世代机遇。而这个过程对于表面处理业来说，就是生产装备的自动化和智能化。这对装备落后的表面处理业既是挑战也是机遇。只有使行业首先向工业4.0的生产模式发展，才能为现代制造生产出智能化时代的产品。

更重要的是，这个机遇不只是一个行业的，也是全社会的。希望有更多的人关注表面工程行业，有更多学子学习和从事这个专业。有更多的单位和企业重视在表面工程领域的投入，包括科研机构和大专院校的相关专业，都可以从中开发出许多科研课题，从而为推动我国表面工程行业的由大转强，进入智能化时代做出贡献。