表面工学

表面工学は、固体の表面を扱う材料科学のサブ分野です。化学、機械工学、電気工学（特に半導体製造に関連して）に応用されています。

固体は、表面で覆われたバルク材料で構成されています。バルク材料を囲む表面は表面相と呼ばれます。表面相は周囲の環境とのインターフェースとして機能します。固体内のバルク材料はバルク相と呼ばれます。

固体の表面相は周囲の環境と相互作用します。この相互作用により、時間の経過とともに表面相が劣化する可能性があります。時間の経過とともに表面相が環境によって劣化する原因としては、摩耗、腐食、疲労、クリープなどが挙げられます。

表面エンジニアリングでは、表面相の特性を変えて、経時劣化を軽減します。これは、使用される環境に対して表面を堅牢にすることで実現します。堅牢な設計のためのコスト効率の高い材料を提供します。表面エンジニアリングの分野の多様性を表すトピックの範囲には、メッキ技術、ナノテクノロジーと新興技術、表面エンジニアリング、特性評価、テストが含まれます。

表面エンジニアリング技術は、自動車、航空宇宙、ミサイル、電力、電子、生物医学、繊維、石油、石油化学、化学、鉄鋼、セメント、工作機械、および道路舗装を含む建設業界で使用されています。表面エンジニアリング技術は、必要な基板表面の物理的、化学的、電気的、電子的、磁気的、機械的、耐摩耗性、耐腐食性など、幅広い機能特性を開発するために使用できます。金属、セラミック、ポリマー、複合材料など、ほぼすべての種類の材料を、類似または異なる材料にコーティングできます。新しい材料 (例: 金属ガラス、ベータ-C ₃ N ₄ )、傾斜堆積物、多成分堆積物などのコーティングを形成することもできます。BAM (AlMgB 化合物) などの超硬質材料の最近の開発を含む高度な材料と堆積プロセスは、最近の書籍で完全に説明されています [R. Chattopadhyay:Green Tribology、Green Surface Engineering and Global Warming、ASM International、米国、2014]

1995 年、表面エンジニアリングは英国で 100 億ポンドの市場規模でした。摩耗や腐食に対して表面寿命を長くするためのコーティングは、市場の約半分を占めていました。

近年、表面エンジニアリングでは、昔ながらの電気メッキから、レーザー、プラズマ、太陽光、マイクロ波、摩擦、パルス燃焼、イオン、電子パルスアーク、火花、摩擦、誘導などの熱源を使用する気相堆積、拡散、溶射、溶接などのプロセスへのパラダイムシフトが起こっています。[Ref:R.Chattopadhyay:Advanced Thermally Assisted Surface Engineering Processes、Springer、ニューヨーク、米国、2004]

米国における摩耗と腐食による損失は約 5,000 億ドルと推定されています。米国には、23,466 の業界からの支援を受けて人工表面に依存している約 9,524 の事業所 (自動車、航空機、電力、建設業界を含む) があります。

表面工学の研究と教育に携わる学術機関は世界中に約 65 あります。

表面洗浄は、ドライクリーニングとも呼ばれ、表面の汚れ、ほこり、汚れ、虫の糞、付着物、その他の表面堆積物を減らすために使用される機械的洗浄技術です。(紙の保存で使用される用語であるドライクリーニングでは、有機溶剤は使用されません。) 表面洗浄は、独立した洗浄技術として、より包括的な処理の 1 つのステップ (通常は最初のステップ) として、または汚れを紙の繊維に不可逆的に定着させる可能性のある追加の処理 (例: 水浸漬) の前段階として使用できます。

表面洗浄の目的は、研磨性、酸性、吸湿性、または分解性の異物を除去することで、紙の工芸品が損傷する可能性を減らすことです。表面の汚れが画像や情報の視認性を妨げる場合、美観上の理由から表面の汚れを除去することもあります。各オブジェクトの考えられる手入れと表面洗浄に関連する起こりうる問題とのバランスをとって決定する必要があります。

部品に表面工学を適用すると、耐用年数（耐腐食性など）や効率（摩擦低減など）が向上し、部品に関連する排出量が直接削減されます。革新的な表面工学技術をエネルギー分野に適用すると、2050年には年間CO2換算排出量を最大1.8 Gt、2100年には3.4 Gt削減できる可能性があります_。これは、2050年と2100年のエネルギー分野の年間削減率にそれぞれ7%と8.5%相当します。^[1]これらの利点にもかかわらず、環境上の大きな欠点は、部品のライフサイクル全体にわたって発生する散逸損失と、それに伴う環境への影響です。熱スプレー表面工学アプリケーションでは、散逸損失の大部分（最大39%）がコーティング段階で発生し、スプレーされた粉末の一部が基材に付着しません。^[2]

• エネルギー的に改質されたセメント – 反応性を変換するために機械的に処理されたセメントのクラス
• 表面仕上げ – 特定の特性を実現するためにアイテムの表面を変更する一連のプロセス
• 表面科学 – 2つの相の界面で起こる物理的および化学的現象の研究
• 表面計測学 – 表面上の小さな特徴の測定
• トライボロジー – 相対運動する表面の相互作用に関する科学と工学

• R. Chattopadhyay、「Advanced Thermally Assisted Surface Engineering Processes」、Kluwer Academic Publishers、MA、US（現在はSpringer、NY）、2004年、ISBN 1-4020-7696-7、E- ISBN 1-4020-7764-5。  
• R. Chattopadhyay、「表面摩耗 - 分析、処理、および予防」、ASM-International、Materials Park、OH、US、2001、ISBN 0-87170-702-0。 
• Sanjay Kumar Thakur および R. Gopal Krishnan、「Advances in Applied Surface Engineering」、Research Publishing Services、シンガポール、2011 年、ISBN 978-981-08-7922-8。 

• ウルム大学表面化学・触媒研究所