劉仁志（中國(guó)表面工程協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)專家）

工業(yè)4.0時(shí)代需要提升表面工程技術(shù)

劉仁志（中國(guó)表面工程協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)專家）

表面與表面工程

2016年9月，第19屆世界表面精飾大會(huì)（Interfinish 2016）將在北京召開(kāi)。這個(gè)4年一屆的世界表面精飾大會(huì)是首次在中國(guó)舉辦。在中國(guó)制造由大轉(zhuǎn)強(qiáng)戰(zhàn)略全面啟動(dòng)之時(shí)，這次大會(huì)在北京召開(kāi)，具有標(biāo)志性意義。屆時(shí)將有20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的表面技術(shù)專業(yè)人士和企業(yè)家、學(xué)者上千人聚集北京，交流現(xiàn)代表面精飾技術(shù)。同期并有國(guó)際表面精飾展覽公開(kāi)展示表面處理業(yè)的最新產(chǎn)品和技術(shù)成果。

表面精飾業(yè)雖然很專業(yè)，但是與大眾生活和現(xiàn)代制造密切相關(guān)，因此，向大眾普及與表面工程相關(guān)的知識(shí)，是很有必要的。

表面一詞從工程學(xué)的角度，指的是物質(zhì)暴露在空間與外界接觸的部分，如果從微觀的角度來(lái)表述，則是指固體表層一個(gè)或數(shù)個(gè)原子層的區(qū)域。由于位于表面的粒子（分子或原子）朝向空間或其他介質(zhì)的面沒(méi)有鄰居粒子，使其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)與固體內(nèi)部明顯不同。從而出現(xiàn)一些特殊的性質(zhì)。研究表面的這些性質(zhì)，形成了一門科學(xué)，并產(chǎn)生出相應(yīng)的技術(shù)，例如表面技術(shù)。當(dāng)然，表面這個(gè)詞同時(shí)也可以指事物的外在現(xiàn)象，即所謂表面現(xiàn)象、表象等。

那什么是表面工程呢？表面工程是應(yīng)用表面技術(shù)于產(chǎn)品的工藝和制程。也可以說(shuō)是指利用各種工業(yè)技術(shù)改變物質(zhì)表面的形態(tài)，使其符合預(yù)期效果的過(guò)程。這一過(guò)程也稱為表面處理。相應(yīng)的表面處理的方法也被稱為表面處理技術(shù)，這些技術(shù)從大類上可以分為表面涂覆、表面改性和表面修飾等。

表面工程與人們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，現(xiàn)代制造涉及的所有產(chǎn)品都必須經(jīng)過(guò)這樣或那樣的表面處理。沒(méi)有表面處理技術(shù)，就沒(méi)有現(xiàn)代制造。

我們?nèi)粘Ｉ钪信c表面工程直接相關(guān)的有各種各樣的表面裝飾技術(shù)。表面裝飾在裝飾產(chǎn)品和美化人們生活中起到了舉足輕重的作用。無(wú)論是金屬產(chǎn)品還是非金屬產(chǎn)品，包括家用電器、日用五金、健身器材、兒童玩具等等，都要用到各種表面裝飾技術(shù)。表面裝飾是表面工程中量大面廣的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。最典型的表面裝飾是顯示金屬質(zhì)感和珍貴的裝飾鍍鉻。這是應(yīng)用電鍍技術(shù)于金屬或非金屬表面的裝飾工程?，F(xiàn)代汽車從光亮鍍鉻鋁輪轂到ABS塑料鍍鉻裝飾條等，都一直采用這種技術(shù)，經(jīng)久不衰，成為經(jīng)典。至于各種色彩涂料的應(yīng)用，更是舉不勝舉，在大量產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，特別是建筑和汽車，無(wú)不是裝飾涂裝最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。成為現(xiàn)代社會(huì)亮麗的風(fēng)景。

但是，表面裝飾只是表面工程的一個(gè)部分。表面工程還有一些更為重要的應(yīng)用，例如表面腐蝕防護(hù)工程。

各種材料的腐蝕看起來(lái)并不十分起眼，深入考察卻令人觸目驚心。就拿我們最常見(jiàn)的金屬材料的腐蝕來(lái)說(shuō)，我們只引用去年剛出版的一本書(shū)的前言，就已經(jīng)足以說(shuō)明問(wèn)題：“銹蝕被稱為‘偉大的毀滅者’和‘惡魔’。五角大樓稱之為‘普遍而無(wú)所不在的威脅’。銹蝕毀壞了汽車，折斷了橋梁，沉沒(méi)了船只，引起了房屋的火災(zāi)，差一點(diǎn)搞垮了自由女神像。美國(guó)每年為銹蝕付出4000億美元的代價(jià)，超過(guò)所有其他自然災(zāi)害的總和……”。

這本書(shū)就是2015年3月出版的《生銹：最長(zhǎng)的戰(zhàn)爭(zhēng)》，作者為美國(guó)環(huán)境領(lǐng)域記者喬納森·沃爾德曼。這本書(shū)被《華爾街日?qǐng)?bào)》評(píng)為2015年非虛構(gòu)類最佳圖書(shū)第八名。是以大量真實(shí)的生銹帶來(lái)的危害的故事普及防腐知識(shí)的科普佳作。從而提醒人們要極為重視腐蝕的防護(hù)工作，也就是重視表面防護(hù)工程的應(yīng)用。

腐蝕給人類社會(huì)帶來(lái)的危害絕不只是金屬材料的毀壞，包括水泥、木材等各種非金屬材料，也深受其害。就是在太空和宇宙中，腐蝕也是危害航天的宇宙探索器材的恐怖殺手。因此，腐蝕學(xué)科和專業(yè)，一直是各國(guó)極為重視的領(lǐng)域和專業(yè)。幾乎所有理工大學(xué)和院校都設(shè)置有腐蝕與防護(hù)專業(yè)。

有了表面裝飾和防護(hù)這兩大重要領(lǐng)域，也還不是表面工程的全部。

表面工程還有一個(gè)更為重要的應(yīng)用是對(duì)表面進(jìn)行的功能性處理。也稱為功能性表面處理。這是運(yùn)用表面處理技術(shù)，讓材料表面具備各種物理的或化學(xué)的性質(zhì)的工程領(lǐng)域。例如功能性電鍍、功能性涂料等等。這種表面改性處理，不是為了裝飾表面，也不是或不只是為了提高表面的防護(hù)性能，而是要賦于表面一些基體材料所不具備的性質(zhì)，使其表面具有電學(xué)的、磁學(xué)的、光學(xué)的、化學(xué)的、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)的等等性質(zhì)，從而使普通材料經(jīng)過(guò)這類表面處理后，具有了稀有材料才具備的性質(zhì)。其意義非同小可。僅以導(dǎo)電良好的銀為例，我們不可能全部用純銀來(lái)制作高導(dǎo)電要求的導(dǎo)線和電子器件，但是在銅、鋁等金屬表面鍍銀，就能使銅、鋁等具備有銀的導(dǎo)電性能。又如采用不銹鋼、鈦等金屬材料制作替代人的骨頭等的構(gòu)件植入人體是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)常用的手段。在這類材料表面形成與人體具親和作用的生物親和層是現(xiàn)代表面技術(shù)的一個(gè)重要分支。顯然，我們都希望這個(gè)領(lǐng)域有長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。而這僅僅只是表面改性技術(shù)的一個(gè)很小的分支。更多的應(yīng)用在微處理技術(shù)領(lǐng)域、現(xiàn)代傳感器領(lǐng)域、微電子制造領(lǐng)域、納米技術(shù)領(lǐng)域等都極具重要意義。

最后，表面處理技術(shù)中的有些專業(yè)技術(shù)，依據(jù)其原理，還發(fā)展成為直接制造產(chǎn)品或新材料的技術(shù)。典型的如印制線路板的制造、電鑄成型、芯片互連、納米材料制造、復(fù)合材料制造等等。顯示出新穎制造能力和創(chuàng)新活力。而這些制造過(guò)程都很精細(xì)、精密，有些直接就屬于微電子制造領(lǐng)域。

僅以印制線路板為例，現(xiàn)代所有電子產(chǎn)品都離不開(kāi)印制線路板。而印制線路板的制造離不開(kāi)電鍍技術(shù)。從早期單層板到現(xiàn)流行的多層板，從硬質(zhì)的剛性板到柔軟的繞性板，在制造過(guò)程中都要用到電鍍、化學(xué)鍍、蝕刻、封裝等表面技術(shù)。

因此，為了全面表達(dá)表面工程所包含的所有應(yīng)用領(lǐng)域，人們用表面精飾一詞來(lái)表述表面技術(shù)的應(yīng)用。這時(shí)的精飾，不是指的裝飾，而是包括裝飾、修飾、防護(hù)、功能賦于和基于表面技術(shù)的精密成型。

表面工程與現(xiàn)代制造

我們?cè)诹私饬吮砻婀こ淘谥T多領(lǐng)域的重要應(yīng)用后，就可以想見(jiàn)其在現(xiàn)代制造中所具有的重要地位。顯然，無(wú)論是日用工業(yè)產(chǎn)品還是專業(yè)工業(yè)產(chǎn)品，從家用電器到兒童玩具，從交通工具到工作母機(jī)，從通訊器材到儀器儀表，所有工業(yè)產(chǎn)品在制造過(guò)程中，都要用到表面處理技術(shù)中的一種或幾種技術(shù)和工藝，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或市場(chǎng)需要的功能。

這些技術(shù)或工藝涉及產(chǎn)品的表面裝飾、產(chǎn)品在各種使用環(huán)境中的防護(hù)和特定要求的功能性的獲得等等。而這些表面技術(shù)在產(chǎn)品中應(yīng)用時(shí)，具體化為一系列表面加工工種或工藝。成為現(xiàn)代制造中重要應(yīng)用的這些工種或工藝，有些是我們熟悉的，有些則是大眾較少了解的。我們熟知的如涂料施工、熱處理、電鍍加工等，更多則是比較專業(yè)的表面工程技術(shù)，例如熱噴涂、真空鍍（物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積）、激光表面處理、離子注入、熱滲鍍、刷鍍、化學(xué)鍍、電泳、轉(zhuǎn)化膜、分子膜技術(shù)等。

以激光表面處理技術(shù)為例，這是一種以激光束為能量對(duì)材料表面進(jìn)行改性處理的新技術(shù)。包括激光熔融、激光表面強(qiáng)化、激光修復(fù)和激光催化等。這種技術(shù)特別適合針對(duì)特殊材料進(jìn)行局部表面處理。因?yàn)榧す馐梢愿咚偌鄹吣芰抗馐耐瑫r(shí)，只在所掃描到的部位發(fā)生作用，不影響未掃描區(qū)的性能。并且可以通過(guò)電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)3D立體掃描，從而可以用于需要3D電子線路互聯(lián)的線路制造。現(xiàn)在幾乎人人持有的手機(jī)中的內(nèi)置天線，就是利用激光3D電鍍技術(shù)制造出來(lái)的。由此可見(jiàn)表面處理技術(shù)在現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)鏈中所起到的重要作用。

但是，傳統(tǒng)的表面工程技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中大多數(shù)工藝都涉及環(huán)境問(wèn)題。這是因?yàn)楸砻嫣幚硭玫牟牧媳旧砘蚬に囘^(guò)程中都涉及各種化學(xué)品和有機(jī)物。這些物質(zhì)在生產(chǎn)制造過(guò)程中所產(chǎn)生的廢氣、廢水和廢渣，如果隨意排放，對(duì)環(huán)境會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重危害，并且在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)生產(chǎn)人員的身體也構(gòu)成威脅。因此，表面處理業(yè)是工業(yè)污染中比較突出的一個(gè)行業(yè)。這個(gè)行業(yè)在工業(yè)粗放發(fā)展時(shí)期，已經(jīng)對(duì)環(huán)境造成污染，成為背在工業(yè)社會(huì)身上的一個(gè)沉重的包袱。因此，各國(guó)都制定有嚴(yán)格的污染治理法律法規(guī)，對(duì)包括表面處理行業(yè)在內(nèi)的所有可能產(chǎn)生污染的行業(yè)實(shí)行嚴(yán)格的環(huán)境評(píng)價(jià)和準(zhǔn)入制度，以保護(hù)越來(lái)越脆弱的生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用對(duì)環(huán)境友好的綠色表面處理技術(shù)與工藝，是表面精飾業(yè)需要持續(xù)追求的目標(biāo)。

無(wú)可諱言，我國(guó)制造業(yè)大而不強(qiáng)的局面，在表面工程領(lǐng)域顯得更為突出。這是因?yàn)楸砻嫣幚砑夹g(shù)的原理在應(yīng)用的過(guò)程中，對(duì)裝備有寬泛的適應(yīng)性，使大量低端的、依靠人工操作的工藝，仍然有應(yīng)用空間。這些傳統(tǒng)和落后的工藝，既對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅，又產(chǎn)能低、能耗高，勢(shì)必被淘汰。而現(xiàn)代制造需要強(qiáng)大的表面處理業(yè)的支持，表面處理業(yè)所消減的落后產(chǎn)能，需要先進(jìn)的產(chǎn)能替代和填補(bǔ)，這是我國(guó)制造業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)過(guò)程中面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，同時(shí)也是表面工程業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。

表面工程與工業(yè)4.0

表面工程業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)給行業(yè)帶來(lái)強(qiáng)大壓力的同時(shí)，也帶來(lái)了極大機(jī)遇。這是因?yàn)槲覈?guó)制造業(yè)開(kāi)啟由大轉(zhuǎn)強(qiáng)戰(zhàn)略的時(shí)機(jī)，正好與世界發(fā)達(dá)工業(yè)體系向工業(yè)4.0過(guò)渡的時(shí)機(jī)重合。這使得我國(guó)從工業(yè)1.0時(shí)代以來(lái)一直處在落后地位的工業(yè)體系，有可能在這個(gè)拐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)超車，從而與發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)并駕齊驅(qū)。表面處理業(yè)的轉(zhuǎn)軌變型正好趕上了這個(gè)機(jī)遇。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的來(lái)臨，一些新型智能工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。由自動(dòng)控制和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合衍生出來(lái)的工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮，從無(wú)人機(jī)到自動(dòng)駕駛汽車，到智能機(jī)器人等，大量改變傳統(tǒng)生產(chǎn)生活模式的新產(chǎn)品的更新?lián)Q代將會(huì)是今后工業(yè)產(chǎn)品中的常態(tài)。而這些新產(chǎn)品無(wú)一例外地都要用到表面處理技術(shù)。例如沒(méi)有電鍍技術(shù)，這些現(xiàn)代電子產(chǎn)品的互聯(lián)互通就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，一些功能就不能達(dá)致完美。

從市場(chǎng)的角度，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都已經(jīng)有了明確的布局。“一帶一路”規(guī)劃所產(chǎn)生的產(chǎn)能需求應(yīng)該是重要的出口機(jī)遇。國(guó)內(nèi)第一個(gè)百年目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，則需要國(guó)內(nèi)產(chǎn)能的支持，這些都預(yù)示著良好的市場(chǎng)機(jī)遇。但是，這些機(jī)遇不是給落后產(chǎn)能的，是給先進(jìn)生產(chǎn)力的。

在表面處理業(yè)自動(dòng)化方面走在前列的是汽車工業(yè)的涂裝自動(dòng)化。由于汽車大量采用機(jī)器手自動(dòng)涂裝，為自動(dòng)涂裝向智能化發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)也為其他行業(yè)采用智能機(jī)器人提供了樣板。但是還有大量的產(chǎn)品的涂裝仍然在采用人工噴涂。替代人工的機(jī)器人的研發(fā)正在積極推進(jìn)中。

表面處理業(yè)中另一重要行業(yè)是電鍍行業(yè)。我國(guó)電鍍業(yè)的自動(dòng)化程度相對(duì)較低，即使在實(shí)行電鍍工業(yè)園制度后，裝備仍然是一個(gè)瓶頸。園區(qū)提出的只有采用自動(dòng)線生產(chǎn)的企業(yè)才能入園的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)推進(jìn)電鍍業(yè)自動(dòng)化方面有積極作用。但這些自動(dòng)生產(chǎn)線嚴(yán)格來(lái)說(shuō)仍然是半自動(dòng)的。重要工藝參數(shù)的控制和原材料的添加，仍然需要人工操作。上下掛具也需要大量人工。因此，開(kāi)展對(duì)電鍍生產(chǎn)所需要的智能機(jī)器人或智能電鍍生產(chǎn)線的研制，是行業(yè)面臨的重要課題。重要的不只是裝備的智能化，還有工藝的綠色化，即著力開(kāi)發(fā)環(huán)境友好的綠色表面工程技術(shù)與工藝，淘汰污染環(huán)境和浪費(fèi)資源的落后技術(shù)與工藝。針對(duì)這些課題做出規(guī)劃和投入，就有可能后來(lái)者居上，進(jìn)入發(fā)展的快車道。

因此，對(duì)工業(yè)4.0時(shí)代的表面工程產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，確實(shí)是重要的發(fā)展機(jī)遇。當(dāng)然，這首先取決于是否有足夠的實(shí)力應(yīng)對(duì)技術(shù)和環(huán)境提出的挑戰(zhàn)。

將落后的產(chǎn)能轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M(jìn)的生產(chǎn)力，就能抓住這次世界性工業(yè)轉(zhuǎn)型換代的跨世代機(jī)遇。而這個(gè)過(guò)程對(duì)于表面處理業(yè)來(lái)說(shuō)，就是生產(chǎn)裝備的自動(dòng)化和智能化。這對(duì)裝備落后的表面處理業(yè)既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。只有使行業(yè)首先向工業(yè)4.0的生產(chǎn)模式發(fā)展，才能為現(xiàn)代制造生產(chǎn)出智能化時(shí)代的產(chǎn)品。

更重要的是，這個(gè)機(jī)遇不只是一個(gè)行業(yè)的，也是全社會(huì)的。希望有更多的人關(guān)注表面工程行業(yè)，有更多學(xué)子學(xué)習(xí)和從事這個(gè)專業(yè)。有更多的單位和企業(yè)重視在表面工程領(lǐng)域的投入，包括科研機(jī)構(gòu)和大專院校的相關(guān)專業(yè)，都可以從中開(kāi)發(fā)出許多科研課題，從而為推動(dòng)我國(guó)表面工程行業(yè)的由大轉(zhuǎn)強(qiáng)，進(jìn)入智能化時(shí)代做出貢獻(xiàn)。