2020年, 第49卷, 第2期　
刊出日期：2020-02-20

  

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专题——电磁功能材料
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  绿色建筑与电磁屏蔽材料

  曹茂庆

  表面技术. 2020, 49(2): 1-11. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.001

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  随着人类对工业化社会的反省和对后现代化社会的思考，人类寻求健康宜居的生存环境及追求社会可持续发展的欲望愈加强烈，绿色建筑成为当今热门话题。绿色建筑材料作为绿色建筑发展基石，是实现绿色建筑标准的核心和关键内容。系统地阐述了绿色建筑的内涵和绿色建筑材料的发展现状以及绿色建筑生态水泥材料、绿色建筑墙体砌筑材料、绿色建筑玻璃材料、绿色建筑屋顶材料、绿色建筑饰面涂料等绿色建筑材料的技术性能。同时阐述了人类宜居健康生活环境对于绿色建筑材料发展的需求，以及当今日益严重的电磁辐射污染对人类健康造成的侵害。重点论述了绿色建筑屏蔽材料的工作原理，提出了未来绿色建筑电磁屏蔽材料的发展策略，以及在绿色建筑电磁屏蔽生态水泥、绿色建筑电磁屏蔽墙体材料、绿色建筑电磁屏蔽门窗玻璃材料、绿色建筑电磁屏蔽屋顶饰面材料、绿色建筑电磁屏蔽饰面涂料等方面的实验研究成果，并对绿色建筑电磁屏蔽材料的研究进展和存在的主要问题进行了探讨。最后对绿色建筑电磁屏蔽材料的发展进行了预见和展望。
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  智能电磁材料与结构综述

  宋维力

  表面技术. 2020, 49(2): 12-17. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.002

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  随着智能化装备的发展与升级，传统的电磁响应材料与结构难以满足智能化需求，通过调控隐身材料本征物理参数或者改变隐身材料的结构设计与参数，在多个频段实现谐振吸收峰的移动，对信号作出响应功能，实现频率或者功能转变，能够改变隐身结构对外界目标电磁波频段的响应能力。基于智能电磁响应材料、结构、器件与系统四个层级，提出了相对粗略的电磁智能系统框架，并对各个层级进行了典型工作的梳理和简要讨论。最后，对智能电磁材料与结构在设计、制造、集成、机理评价等方面提出了发展愿景，期望从多个方面为发展新概念电磁材料与结构，以及在此基础上开发先进微波器件与系统，提供设计基础与应用指导，推动智能化产品与装备的发展与应用。
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  特色研究报告：低维电磁功能材料研究进展

  王希晰, 曹茂盛

  表面技术. 2020, 49(2): 18-28. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.003

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  电磁功能材料在军事隐身、信息对抗等国防军工以及电磁辐射防护、微波通信等民用技术领域有着广阔的应用前景。特别是，低维电磁功能材料具有独特的电磁特性，在电磁波吸收与屏蔽、通信与成像、传感与检测等方面受到越来越多的关注。总结了曹茂盛研究小组在低维电磁功能材料方面取得的重要研究进展，主要包括碳纳米管、石墨烯、碳化硅、氧化锌、过渡金属及其化合物、多铁材料等。系统论述了低维材料的电磁响应，包括电荷输运、偶极极化、磁共振、磁涡流等。重点总结了在电磁响应方面提出的重要的模型和公式，包括电子跳跃（EHP）模型、聚集诱导电荷输运（AICT）模型、类电容结构、等效电路模型以及等效串联电路方程和电导网络方程等。揭示了低维材料电磁响应与电磁屏蔽和吸收之间的重要联系，即电磁能量转换机制，包括极化弛豫和电荷输运协同竞争机制以及界面散射、微电流、微天线辐射和介质弛豫的竞争协同作用等。最后，深入剖析了该领域的发展进程，提出了该领域面临的重大挑战，并预测了未来的研究方向。
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  石墨烯基电磁功能材料

  疏金成, 曹茂盛

  表面技术. 2020, 49(2): 29-40. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.004

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  二维纳米材料拥有优异的电学、热学和力学性能，在高技术领域展现出巨大的应用潜力。其中，石墨烯具有大的比表面积和高的载流子浓度，是当代科技关注的对象。系统地展示了石墨烯基电磁功能材料的电磁响应机制以及吸波与屏蔽性能。在研究的电磁波频段（2~18 GHz），电磁损耗一般包括电导损耗、多重弛豫、磁共振及磁涡流。详细地介绍了这四种电磁损耗行为的物理形成机制和响应特性，总结了不同石墨烯基电磁功能材料的电磁损耗来源，并提出了设计高性能电磁功能材料的策略。随后，展示了高性能电磁功能材料的应用标准，给出了微波吸收与电磁屏蔽的响应规律，提出了两种改善电磁响应性能的方法。在电磁功能材料性能方面，介绍了石墨烯基电磁功能材料在微波吸收和电磁屏蔽领域最新研究进展。所涉内容涵盖石墨烯单相材料、异质材料及高温介电特性和电磁响应。另外，还系统地分析了石墨烯基电磁功能材料当前发展所面临的关键问题，并展望了未来的研究与发展方向。
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  高性能铁电吸波材料

  李雍, 杨会静, 郝喜红, 曹茂盛

  表面技术. 2020, 49(2): 41-55. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.005

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  铁电材料由于具有高极化以及良好的化学、热稳定性等性质，在微波吸收领域得到了广泛关注。过去二十年，开展了大量关于铁电吸波材料的研究。系统地综述了铁电材料微波吸收的损耗机制与几类典型铁电材料的微波吸收性能。在损耗机制方面，详细论述了铁电材料的电损耗机制，包括介电损耗、电导损耗及界面损耗机制，同时对于多铁材料与铁电-磁杂化复合材料，分析了磁损耗机制以及磁-介电损耗协同机制，并对各类损耗的形成原因及作用机理进行了总结。在微波吸收性能方面，重点阐述了近些年BiFeO3基与BaTiO3基等铁电材料的微波吸收表现，包括单相材料、掺杂材料及复合材料，并对其在室温及高温下的微波吸收性能进行了比较，同时基于材料的结构、微结构与微波吸收强度及有效吸收带宽等参数的演变联系，对其微波响应机制进行了归纳。最后详细分析了影响铁电微波吸收材料发展所面临的关键问题，并对其未来的研究方向进行了展望。
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  Co3O4/Biomass-rGO异质结构纳米片的微波吸收性能

  张德庆, 刘婷婷, 张慧斌, 程俊业, 曹茂盛

  表面技术. 2020, 49(2): 56-60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.006

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  目的 调节Co3O4纳米粒子的电磁匹配，以实现最佳的电磁波吸收性能，同时实现对轻质、强吸收、宽频带、小厚度电磁波吸收材料的追求。方法 通过玉米秸秆制备生物质-rGO，采用水热法将生物质-rGO引入到Co3O4纳米粒子中制备具有异质结构的Co3O4/biomass-rGO纳米片。通过X射线衍射分析仪、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜测试，分别对Co3O4/biomass-rGO异质结构纳米片的组成、形貌以及结构进行表征，同时通过矢量网络分析仪测试分析生物质-rGO的引入对Co3O4/biomass-rGO异质结构纳米片吸波性能的影响。结果 生物质-rGO的引入明显提高了Co3O4/biomass-rGO异质结构纳米片在2~18 GHz频率范围的电磁波吸收性能，不仅降低了有效吸收体厚度，同时还拓展了有效吸收频带宽度。在厚度为1.5 mm、频率为15.8 GHz时，达到–36.1 dB的最大反射损耗值。有效吸收频带宽度为15 GHz，在S、C、X、Ku波段均存在有效吸收，实现了在1.0~5.5 mm宽厚度范围内的全部有效吸收。结论 通过引入生物质-rGO可以有效改善Co3O4的电磁匹配和介电损耗。
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  不同结构磁性四氧化三铁纳米材料的介电特性和微波吸收性能

  王殿杰, 侯志灵

  表面技术. 2020, 49(2): 61-67. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.007

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  目的 研究不同的纳米结构对Fe3O4纳米材料微波吸收性能的影响。方法 采用水热法和高温碳热还原法，获得了纳米纺锤体、纳米管和开口空心球结构的三种磁性Fe3O4纳米材料，采用XRD、SEM和矢量网络分析仪研究了其物相、形貌和电磁特性。结果 在这三种结构纳米Fe3O4材料中，空心球结构具有最小的介电常数和最高的波阻抗匹配系数，其磁损耗表现出双共振特性，且在7.5~14.3 GHz范围内，Fe3O4开口空心球的衰减系数明显高于另外两种结构的Fe3O4纳米材料，有利于拓宽材料的微波吸收带宽。在1.8~ 3.0 mm厚度范围内，Fe3O4开口空心球的反射损耗带宽均大于其他两种结构，在2.2 mm厚度下达到了5.0 GHz的有效吸收带宽（90%吸收），覆盖的频率范围为7.3~12.3 GHz。结论 Fe3O4开口空心球由于特殊的结构而产生的双磁共振特性，增强了材料的微波衰减能力和阻抗匹配特性，其微波吸收能力明显优于纳米纺锤体和纳米管。经过超结构设计，可以实现宽带微波吸收。
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  钴-铁沉积碳化硅颗粒及其吸波性能

  王庆禄, 王莉, 李雍, 杨会静, 曹茂盛

  表面技术. 2020, 49(2): 68-74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.008

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  目的 提高碳化硅微粒的微波吸收性能。方法 利用改进的化学镀法，以硫酸钴和硫酸亚铁为主盐，次亚磷酸钠为还原剂，施镀温度为50 ℃，使用机械搅拌和超声分散相结合的方法，在预处理后的微米碳化硅颗粒表面沉积钴铁合金。通过X射线衍射仪（XRD）、X射线能谱仪（EDS）和扫描电子显微镜（SEM）分别对化学镀前后材料的结晶状态、组成成分和形貌特征进行了表征；利用矢量网络分析仪对化学镀前后材料在2~18 GHz频率范围内的电磁性能进行了测试，并通过计算得到了材料微波反射率损耗。结果 钴铁合金呈微球状均匀沉积在碳化硅表面，有效地改善了碳化硅材料的电磁性能和微波吸收性能。碳化硅的介电常数虚部存在界面极化和缺陷极化两个弛豫峰（9.1、13.8 GHz），而沉积钴铁合金后，碳化硅材料Co-Fe/SiC增加了两个弛豫峰：介电弛豫峰（11.7 GHz）和磁弛豫峰（12.6 GHz）。正是由于Co-Fe合金对微波信号的介电弛豫和磁弛豫，有效提升了材料的吸波性能。当吸波层厚度为2.4 mm时，反射率在10 dB以上的吸收带宽达到3.8 GHz，20 dB带宽可以达到1.5 GHz。当吸波层厚度为2.3 mm时，频率为12.7 GHz时达到最大吸收峰值–43 dB。结论 在碳化硅材料表面沉积钴铁合金是一种有效改进材料微波吸收性能的方法，且该材料是一种高效、宽频的微波吸收材料。
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  剥离的碳化钛（d-Ti3C2Tx）纳米片吸波性能

  何朋, 蔡永珠, 曹茂盛

  表面技术. 2020, 49(2): 75-80. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.009

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  目的 研究剥离的碳化钛（d-Ti3C2Tx）纳米片的吸波性能。方法 利用HCl/LiF刻蚀，通过高速离心的方法得到d-Ti3C2Tx纳米片。利用X射线衍射仪（XRD）分析d-Ti3C2Tx的物相组成。用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对d-Ti3C2Tx进行形貌分析。利用原子力显微镜（AFM）测量了d-Ti3C2Tx纳米片的厚度。利用矢量网络分析仪（VNA）测试了d-Ti3C2Tx纳米片与石蜡复合材料X波段的电磁参数。利用Cole-Cole图分析了复合材料的损耗来源，并通过电磁参数计算分析了d-Ti3C2Tx的吸波性能。结果 d-Ti3C2Tx纳米片与石蜡复合材料的介电实部/虚部随着d-Ti3C2Tx浓度的增加而增大，极化的增强和电导网络的扩大是导致复合材料介电实部/虚部增加的主要原因。Cole-Cole图分析表明，复合材料中存在多种类型的极化，这分别是由缺陷、官能团和界面等引起的多重弛豫极化。吸波性能分析表明，通过改变d-Ti3C2Tx浓度，可以调控复合材料的吸波性能。当填充量达到15%时，吸波性能最佳。其在厚度为4 mm下最小反射损耗为-20.1 dB，相应的微波吸收带宽（< -10 dB）为1.9 GHz。结论 d-Ti3C2Tx/石蜡复合材料表现了优异的微波吸收性能，且通过改变d-Ti3C2Tx浓度，可以调控d-Ti3C2Tx复合材料的微波吸收性能。
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  (SiC)p表面修饰及吸波性能研究

  宿辉, 曹茂盛

  表面技术. 2020, 49(2): 81-87. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.010

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  目的 提高(SiC)P的吸波性能。方法 采用低成本、环保型的化学镀镍方法对(SiC)P表面进行修饰，设计了氧化、亲水、敏化、活化系列增强前处理工艺，确定了(SiC)P表面修饰的最佳工艺流程。用SEM、EDS、XRD等分别表征了修饰前后(SiC)P形貌、成分、物相的改变，采用波导法测定了修饰后碳化硅复合粉体的介电性能，并以其为吸波剂在铝板上制备了吸波材料。结果 修饰后，获得了镀层连续、无光滑(SiC)P裸露的较高质量的碳化硅复合粉体（简写为(Ni/SiC)P）。(Ni/SiC)P较原粉(SiC)P，其形貌、组成、结构发生了明显改变，且介电常数、介电损耗、吸波性能明显增强，其中，介电常数的实部增强约为22%，虚部增强约为20%。涂覆1层(Ni/SiC)P涂料，在17.12 GHz时，RL= -15.47 dB，大于涂敷2层原粉(SiC)P涂料的吸收效果。涂覆2层(Ni/SiC)P涂料，在16.11 GHz时，RL= -23.51 dB。结论 采用低成本、环保型方法实现了(SiC)P表面高质量修饰，修饰后，复合颗粒(Ni/SiC)P的介电性能及吸波性能均明显提高。
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  纺锤状ZnO/还原氧化石墨烯异质结构及其微波吸收性能

  贺军哲, 孙新, 疏金成, 杨轩, 曹茂盛

  表面技术. 2020, 49(2): 88-94. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.011

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  目的 调节石墨烯的电磁匹配，以实现最优的微波吸收性能。方法 通过改进的Hummers法制备氧化石墨烯GO，以六水合硝酸锌、双六甲撑三胺、氧化石墨烯为原料，采用水热法在140 ℃获得了具有异质结构的包裹r-GO的纺锤状ZnO棒（S-ZnO/r-GO）。通过X射线衍射分析仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及透射电子显微镜（TEM）测试，分别对S-ZnO/r-GO的组成成分、形貌特征以及微观结构进行了表征，同时采用同轴法，通过矢量网络分析仪测试分析了不同填充浓度下S-ZnO/r-GO复合材料在2~18 GHz范围内的电磁特性，并通过计算得到了材料的微波反射率损耗。结果 尺寸均匀且相互交织的纺锤状ZnO棒被大量褶皱的还原氧化石墨烯所包覆，构建了一种相互连接的三维交织结构。纺锤状ZnO的引入以及三维结构的建立，明显改善了S-ZnO/r-GO异质结构在2~18 GHz频率范围内的电磁特性和微波响应。在厚度为2.0 mm，频率为14.8 GHz处，最大反射率损耗值达到-40 dB，有效吸收带宽几乎覆盖整个Ku波段。结论 纺锤状ZnO/r-GO复合材料表现出优异的微波吸收性能和较宽的有效吸收频段，具有一定的应用前景。
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  不同形貌羰基铁的复合对电磁特性及吸波性能的影响

  卢明明, 刘甲, 宫元勋, 赵宏杰, 曹茂盛

  表面技术. 2020, 49(2): 95-99. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.012

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  目的 增强羰基铁的低频吸波性能，掌握吸收峰频率的调控方法。方法 将球形羰基铁与片状羰基铁混合，制作复合材料。通过扫描电子显微镜对两种羰基铁的微观形貌进行分析。通过矢量网络分析仪测量5种质量配比下（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）羰基铁复合材料的复介电常数和复磁导率，分析不同形貌羰基铁的复合对电磁特性的影响。同时分析不同配比羰基铁复合材料的吸波性能。结果 随着球形羰基铁加入比例的提高，复合材料的复介电常数实部和虚部均逐步下降。羰基铁复合材料的复磁导率实部整体变化不大，虚部呈下降趋势。当片状羰基铁和球形羰基铁质量比为1∶2时，在3.08 GHz处最大吸波性能为-20.2 dB，有效吸波带宽（反射率损耗不大于-8 dB）为2.43 GHz。结论 球形羰基铁的加入可以有效调控复合材料的吸收峰在低频范围内定向移动，增强1~4 GHz范围内的低频吸波强度，扩宽有效吸波带宽。球形羰基铁的加入，降低了片状羰基铁的介电常数，复合材料的电磁阻抗匹配条件得到优化，电磁损耗耦合效应增强，从而提升了该复合材料的吸波性能。
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  轻质CB/RGO复合涂层的制备及其吸波性能研究

  汤进, 林斌, 王勇, 侯根良, 刘朝辉, 李浩, 林阳阳, 毕松

  表面技术. 2020, 49(2): 100-108. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.013

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  目的 制备吸波性能优异的碳基复合吸波涂层。方法 采用液相法在导电炭黑（CB）体系中原位生长还原氧化石墨烯（RGO）材料，合成了CB/RGO复合吸收剂，并以环氧树脂为基体制备了CB/RGO复合涂层。利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对制备的CB/RGO复合吸收剂进行微观结构表征，研究了吸收剂填充量和厚度对涂层电磁性能的影响规律。结果 微观结构分析表明，CB以一种类似“葡萄状”的结构形态附着在石墨烯片层之间，在其表面实现包覆性生长，分散均匀且具有较好的附着力；制备的CB/RGO复合涂层质地均匀，密度仅为1.1 g/cm3，兼具轻质柔性的特征。微波反射率测试结果显示，在高填充量3.0%和3.7%下，涂层均未表现出明显的强电磁吸收能力，而在低填充量1.6%和2.3%下，涂层表现出十分优异的微波吸收性能。结论 当填充量为2.3%、厚度为1.9 mm时，涂层表现出最佳的吸波性能，最大吸波强度为-17.1 dB，有效吸波频宽达到6.63 GHz，覆盖整个测量频段的66.3%，显示出良好的宽频吸波性能。另外，当厚度为2.5 mm时，填充量为2.3%的涂层实现了雷达波在X波段的微波全吸收。
研究综述
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  超疏水表面在金属防护中应用的研究进展

  蒋帆, 赵越, 胡吉明

  表面技术. 2020, 49(2): 109-123. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.014

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  超疏水表面由于具有独特的微纳米粗糙结构和低表面能性质，能形成空气垫物理屏障层，减小材料表面与水或其他腐蚀介质之间的接触面积，因此被广泛应用于金属的腐蚀防护。首先简单介绍了超疏水表面的相关理论，主要包括Young氏方程、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。然后，归纳总结了三种制备超疏水表面的有效途径：在低表面能物质上构建微纳米级粗糙结构；先构建出具有微纳米级的粗糙结构，再对表面进行低表面能修饰；一步法完成低表面能修饰和微纳米级粗糙结构的构建。在此基础上，详细地综述了常见的超疏水表面（薄膜或涂层）在金属防护中的应用。进一步介绍了通过在超疏水体系中引入缓蚀剂的方式，构建具有主动防护功能的超疏水表面，并介绍了此种超疏水表面在金属防护中的应用。最后指出了目前的超疏水表面在制备工艺以及耐久性等方面存在的问题，并对其在金属防护领域的应用前景和发展方向作出了展望。
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  金属表面腐蚀层及涂层的激光干式清洗研究进展

  马玉山, 王鑫林, 何涛, 常占东, 孙奇, 刘海波, 王学朋, 邓德伟

  表面技术. 2020, 49(2): 124-134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.015

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  激光干式清洗方法，因操作简单、清洗过程易于控制等优点，目前应用最为广泛。重点介绍了激光干式清洗在各种金属材质表面不同腐蚀层和涂层清除中的应用，包括有多种钢材表面的锈层，钢材表面的ZrO2、Cr2O3、Al2O3变性层，热轧钢表面高温氧化层，Ti合金表面富氧α相层，合金钢在H2S环境中腐蚀而形成的硫化层，钢、铝合金、钛合金表面漆层，热压成型钢板表面Al-Si涂层以及航空压缩机Ti合金叶片TiAlN涂层等。分类对比了不同清洗对象所需选用的合适激光清洗工艺参数，如波长、脉宽、频率、功率、扫描速率等。金属材料激光干式清洗多选用波长为1064 nm的纳秒激光器，清洗后表面粗糙度可达1 μm，且随着能量输入的升高而增大。锈层的去除主要依靠高温烧蚀作用，变性层是由于产生的热弹性应力而剥离，而漆层和涂层则是由于烧蚀气化、热振动、热冲击等机制实现清洗。最后，对激光清洗技术在国内不同工业领域中的应用前景进行了展望。
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  光热自修复涂层的研究进展

  范益, 王金科, 马菱薇, 张达威, 程学群, 李晓刚

  表面技术. 2020, 49(2): 135-142. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.016

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  综述了光热触发自修复涂层的结构设计与修复机制、填料的种类及其特点、涂层的修复效率与防腐应用，重点阐述了基于碳基填料、等离激元纳米材料、有机填料、四氧化三铁纳米颗粒等光热响应物质自修复涂层的国内外最新研究进展，详细分析了填料含量、光照波长、光照强度、基体类型等对涂层的自修复性能和耐蚀性能的影响规律。最后，提出了光热自修复涂层目前存在的问题以及发展前景，未来应进一步优化涂层的制备工艺，提升光热转换效率，降低制备成本，并将涂层的多重修复机制相结合，共同提升涂层的长效防护能力，使之早日实现工业应用。
表面摩擦磨损与润滑
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  基于微磨削方法的微织构刀具制备与切削性能研究

  梁志强, 李蒙招, 陈碧冲, 周天丰, 李世迪, 颜培, 张素燕, 王西彬

  表面技术. 2020, 49(2): 143-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.017

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  目的 研究表面微织构对硬质合金刀具切削性能的影响。方法 采用微磨削方法在硬质合金刀具前刀面加工出具有不同结构参数的横向、纵向和交叉微织构，通过AL6061切削试验和有限元切削仿真，研究表面微织构对硬质合金刀具的切削温度及刀具磨损的影响。结果 采用V形金刚石砂轮微磨削方法能够加工出几何形状规则且表面质量良好的表面微织构。与无织构刀具相比，微织构刀具的切削温度明显降低，高温区域明显减少，其中横向织构刀具降温效果最为显著。微织构刀具的切削温度随沟槽间距的增大而升高，沟槽间距为150 μm时，切削温度最低。表面微织构能够有效减轻刀具前刀面的粘结磨损，横向织构刀具减摩抗粘效果最好，且采用较小的沟槽间距更利于减轻刀具的粘结磨损。随着切削速度的增加，表面微织构的抗粘结作用更加明显，当切削速度为150 m/min时，沟槽间距为150 μm的横向织构刀具的切屑粘结面积最小。结论 在横向、纵向和交叉织构刀具中，沟槽间距为150 μm的横向织构刀具切削性能最好，即降温效果、抗粘结性能最为显著。
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  低温热循环处理Fe基非晶粉末对爆炸喷涂涂层摩擦学性能的影响

  李旭强, 李文生, 翟海民, 汤鹏君

  表面技术. 2020, 49(2): 151-157. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.018

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  目的 提高爆炸喷涂Fe基非晶涂层的摩擦学性能。方法 采用液氮-室温循环处理喷涂粉末，通过爆炸喷涂制备原始粉末和处理粉末对应涂层。利用X射线衍射仪（XRD）检测涂层非晶相，用维氏显微硬度计和球-盘式摩擦试验机分别测试涂层的显微硬度和摩擦学性能，用附带能谱仪的扫描电子显微镜（SEM）表征样品的组织形貌及特征区域的元素含量。结果 粉末经低温热循环处理后，仍为非晶态组织，且未发生开裂和破碎现象。与原始粉末制备的涂层相比，低温热循环处理粉末制备的涂层孔隙率由1.0%降低至0.4%；未熔颗粒明显减少，粉末铺展更加充分；显微硬度略有降低（由845.4HV降至813.5HV），但测试误差明显减小，威布尔分布拟合直线斜率由7.1196升高至9.6414；摩擦系数由0.76降低至0.73，磨损更加稳定；磨损率相近，均在10-6次方数量级。结论 Fe基非晶粉末经低温热循环处理后，其对应涂层的组织更为均匀致密，显微硬度分布更为均匀，摩擦磨损性能更为稳定，磨损机制由原始粉末制备涂层的疲劳剥层磨损，转变为以氧化磨损和塑性变形主导。
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  不同角度晶界对单层多晶二硫化钼摩擦性能的影响

  杨飞鹏, 郑学军, 张欢, 黄宽, 彭金峰

  表面技术. 2020, 49(2): 158-164. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.019

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  目的 考察不同角度晶界对单层多晶二硫化钼纳米片摩擦性能的影响，并探究其摩擦耗散机理。 方法 用化学气相沉积法（CVD）制备单层多晶二硫化钼（MoS2），通过原子力显微镜力曲线测试和摩擦力实验，分别得出无晶界区域和晶界处的粘附力、摩擦系数、摩擦耗散。结果 对于单层多晶MoS2，无晶界区域粘附力为7.20 nN，不同角度晶界处粘附力为11.11nN至11.40 nN。无晶界区域及-6°、33°、88°晶界区域（400 nm×400 nm）摩擦系数分别为0.006 19、0.006 45、0.007 37和0.017 60。在30~150 nN法向载荷范围内，探针经过无晶界区域产生的摩擦耗散变化范围为33.93×10-16~46.88×10-16 J，-6°晶界区域为37.15× 10-16~52.09×10-16 J，33°晶界区域为38.76×10-16~55.18×10-16 J，88°晶界区域为46.59×10-16~59.72×10-16 J。结论 晶界处吸附的极性粒子加强了探针与MoS2表面的相互作用，使得晶界处的粘附力比无晶界区域的大，但晶界角度对粘附力的影响不大。在一定测试范围内，晶界区域的摩擦系数要比无晶界区域的摩擦系数大，并随晶界角度增加而增大，摩擦过程中晶界区域产生的摩擦耗散也比无晶界区域多。晶界角度的不同可能会造成晶界处的弯曲刚度存在差异，从而探针滑移经过不同角度晶界时导致不同程度的褶皱效应。并且随着法向载荷的增大，探针在MoS2表面引起的面内变形程度越来越高，这样会引起表面褶皱效应，从而导致摩擦过程中产生的能量耗散随晶界角度和法向载荷增大而增加。
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  基于多重分形的可磨耗涂层相结构表征及高速刮磨行为分析

  纪朝辉, 张帅, 马祥, 丁坤英, 程涛涛

  表面技术. 2020, 49(2): 165-171. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.020

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  目的 研究不同结构铝硅聚苯酯（AlSi-PHB）低温封严涂层中聚苯酯相的分布在高速刮磨条件下与涂层刮削力的关系。方法 利用大气等离子喷涂方法制备三种不同结构的AlSi-PHB封严涂层，采用扫描电镜和激光共聚焦设备获得涂层截面形貌的金相照片，通过Matlab软件得出表征聚苯酯相分布的多重分形谱。采用UMT-2微摩擦磨损实验机得到摩擦系数。通过高速转子试验台测得涂层在给定高速刮磨条件下的刮削力，并分析涂层的摩擦磨损机制。结果 多重分形谱可以定量表征聚苯酯相的分布及大小颗粒数目比例。三种摩擦副得到的摩擦系数分别为0.64、0.56、0.55，高速刮磨过程中的刮削力分别为104、154、90 N。三种涂层都发生了微观切削和粘着磨损的摩擦磨损机制。结论 在聚苯酯相含量相差不多的情况下，平均摩擦系数与聚苯酯相含量、分布均匀程度及颗粒大小数目比例有关：聚苯酯含量越多，平均摩擦系数越小；在聚苯酯相含量相差不多的情况下，聚苯酯相分布越均匀，颗粒越细小，摩擦系数越小。同时，聚苯酯相的分布均匀程度会影响高速刮磨过程中的刮削力，聚苯酯相分布越均匀，涂层结合强度越高，刮削力越大，涂层越不容易发生脱落。
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  类金刚石膜对CoCrMo合金摩擦性能的影响

  郭飞飞, 胥光申, 任明基, 董光能

  表面技术. 2020, 49(2): 172-177. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.021

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  目的 研究类金刚石膜（DLC）在不同工况条件下的摩擦性能。方法 使用磁控溅射技术，在CoCrMo合金表面沉积掺杂Cr元素的DLC薄膜。通过X射线衍射能谱和拉曼光谱对DLC膜表面的化学成分进行分析，采用扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察DLC膜的表面形貌，借助摩擦试验仪测试DLC膜在不同工况条件下的摩擦性能。结果 薄膜表面呈现颗粒状结构，且薄膜表面粗糙度在10 nm左右，物相分析表明，DLC薄膜为非晶化结构。在牛血清白蛋白（BSA）和NaCl溶液润滑条件下，DLC/CoCrMo摩擦副的平均摩擦系数（COF）分别趋于0.08，磨损区域存在少量的刮痕；而在干摩擦条件下，摩擦系数曲线表现出由高到低的变化趋势，平均摩擦系数约为0.21，同时在销磨损表面能观察到石墨化转移层。当接触压力为1 MPa时，平均摩擦系数约为0.10；接触压力增加至8 MPa时，平均摩擦系数约为0.08。结论 润滑条件下，DLC膜表面悬键被钝化，减小其与配副表面之间的相互作用力，因此摩擦系数较低；干摩擦条件下，石墨化转移层充当固体润滑层，最终导致摩擦系数呈现下降趋势。DLC薄膜对摩擦配副具有明显的减摩效果。
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  硅烷偶联剂对表面微坑复合PTFE的减摩及缓释性能影响研究

  付景国, 徐长旗, 朱新河, 刘耕硕, 傅云徉, 马春生

  表面技术. 2020, 49(2): 178-184. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.022

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  目的 探究硅烷偶联剂对缸套表面微坑复合PTFE微粒的减摩和缓释性能的影响。方法 利用激光刻蚀机在缸套表面加工不同参数的微坑，并依据摩擦系数对表面微坑参数进行优化。选取最佳表面微坑参数，进行加工，并机械涂覆经硅烷偶联剂修饰的PTFE，制备复合润滑结构。采取往复式摩擦磨损试验机对复合润滑结构的减摩性能进行分析。利用SEM和EDS研究摩擦副的表面形貌和成分，采用三维共聚焦显微镜研究微坑内PTFE的释放情况。结果 在热压复合方法下，直径为0.4 mm、深度为120 μm的微坑复合PTFE具有最佳的减摩效果。硅烷偶联剂的加入会进一步改善摩擦副之间的减摩性能，其摩擦系数为0.1248。与未处理缸套试样、微坑处理缸套试样、热压复合PTFE缸套试样进行对比，其摩擦系数分别降低了24.3%、18.8%和11.2%。另外，硅烷偶联剂还可以减缓表面微坑内PTFE的释放，延长作用时效，与热压复合方法相比，微坑内PTFE颗粒的释放速率约降低96.3%。结论 复合润滑结构能够改善摩擦副之间的摩擦状况，其减摩和缓释机理是固体自润滑材料、表面微坑和硅烷偶联剂协同作用的结果。
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  F51双相不锈钢离子渗氮层的组织与性能

  毛圣玫, 许晓磊, 于志伟

  表面技术. 2020, 49(2): 185-191. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.023

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  目的 提高F51双相不锈钢的硬度以及耐磨性能。方法 将F51双相不锈钢进行低温（450 ℃）和高温（550 ℃）离子渗氮处理，利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）观察F51双相不锈钢渗氮层的微观组织，利用X射线衍射（XRD）方法对渗氮层沿深度方向相组成的变化进行分析，采用显微硬度计、摩擦磨损实验机分别对渗氮层的显微硬度及耐磨性能进行测试，采用激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）对磨痕形貌进行观察。结果 F51双相不锈钢低温渗氮层主要由γN相组成，由表及里为γN→γN+aN (少量)；高温渗氮层主要由CrN+aN相组成，由表及里为CrN+aN→aN+γN。高温渗氮层厚度约为低温渗氮层厚度的3倍。低温渗氮样品的平均表面硬度约为基体表面硬度的3.5倍；高温渗氮样品的平均表面硬度约为基体硬度的4倍。基体的摩擦系数约为0.71，低温和高温渗氮处理后样品的摩擦系数大大降低，分别为0.24和0.17。渗氮样品磨痕的宽度和深度较基体显著降低。结论 F51双相不锈钢低温渗氮层主要由gN相组成，高温渗氮层主要由CrN+aN相组成，两种温度渗氮后的样品硬度和耐磨性均得到显著提高。
表面失效及防护
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  Al/Cr复合涂层对Ti2AlNb合金抗热腐蚀性能的影响

  李阳, 缪强, 梁文萍, 林浩, 黄朝军, 赵子龙, 孙自旺

  表面技术. 2020, 49(2): 192-199. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.024

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  目的 改善Ti2AlNb合金在高温腐蚀盐环境中的耐热腐蚀性能。方法 在Ti2AlNb合金表面通过双层辉光等离子渗铬及磁控溅射镀铝技术制备Al/Cr复合涂层，分析涂层热腐蚀前后的微观形貌和物相组成，并探究涂覆Na2SO4盐膜的试样在不同温度下（750、850、950 ℃）的热腐蚀行为。结果 Al/Cr复合涂层组织均匀致密，且与基体结合良好，厚度约73 μm，由表及里依次由Al沉积层、Al/Cr合金层、Cr沉积层、Cr扩散层四部分组成。经不同温度Na2SO4盐热腐蚀后，Al/Cr复合涂层腐蚀程度均显著小于合金基体。涂层试样经750~850 ℃ Na2SO4盐热腐蚀后质量变化较小，850 ℃腐蚀增重仅0.525 mg/cm2，而经历950 ℃、40 h熔盐热腐蚀后失重达到73.571 mg/cm2，且试样截面出现剥离、脱落现象，Al/Cr复合涂层抵抗热腐蚀能力减弱。结论 具有涂层保护的试样抗热腐蚀性能明显优于合金基体。Al/Cr复合涂层在750~850 ℃ Na2SO4盐环境中具有良好的热腐蚀抗力，而更高温度段（850~950 ℃）的热腐蚀抗力下降。Al/Cr复合涂层在Na2SO4盐环境中良好的抗热腐蚀性得益于涂层中Al、Cr元素氧化形成以Al2O3、Cr2O3为主的混合氧化膜，有效阻碍外界氧气及腐蚀性介质侵入基体。
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  分布位错法研究钢轨表面边缘直裂纹的力学行为

  王强胜, 李孝滔, 昝晓东, 生月, 江晓禹

  表面技术. 2020, 49(2): 200-211. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.025

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  目的 钢轨表面损伤机理较为复杂，因此进行相应的理论研究来探究其力学原理，为实际的工程应用提供理论依据。方法 利用叠加原理将主问题分解成两个子问题，通过函数拟合得到轮轨接触力，基于弹性力学集中力的Flamant解求解子问题1，基于分布位错技术求解子问题2。进一步建立了两类关于位错密度的积分方程，利用Gauss-Chebyshev数值求积法解决位错密度的奇异积分方程，得到了相关的力学参量。结果 得到了列车在含边缘直裂纹钢轨上运行时的最危险位置，以及张开部分裂纹长度和不同类型裂纹的尖端应力强度因子等。分析了不同轮重大小、列车运行状态（稳态滚动和全滑动）等因素对裂尖应力强度因子及张开裂纹长度的影响，还分析了列车运行中裂纹面的滑移等。结论 列车稳态滚动于含初始边缘长裂纹的钢轨表面时，以剪切破坏为主，列车所处最危险位置是裂纹位于接触斑边缘附近；全滑动运行时，裂纹面上的应力大小和方向均会发生改变，导致裂纹面状态（张开或闭合）随之改变，裂纹较短时，钢轨表面容易发生沿深度方向的张开型扩展。
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  DH36钢在需钠弧菌、芽孢杆菌以及混菌腐蚀体系中的腐蚀行为

  董硕, 贺小燕, 白秀琴, 袁成清

  表面技术. 2020, 49(2): 212-219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.026

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  目的 研究需钠弧菌与芽孢杆菌分别单独培养以及混合培养时对海洋工程钢DH36腐蚀行为的影响，为海洋环境下材料的腐蚀发生规律探讨以及微生物腐蚀防治提供依据。方法 通过扫描电子电镜、能谱仪、电化学设备等仪器，分析DH36钢在不同腐蚀体系中的腐蚀形貌信息以及电化学特征。结果 SEM图显示，芽孢杆菌在DH36钢表面上的贴附量较大，需钠弧菌与混菌腐蚀体系中，生物膜、锈层构成的混合层存在很多的裂纹、缝隙，致密性较差。电化学结果显示，试样表面均出现两个时间常数，在低频处出现感抗特征。芽孢杆菌腐蚀体系中的腐蚀速率先增大后减小，浸泡3 d后需钠弧菌腐蚀体系中的腐蚀速率介于芽孢杆菌与混菌腐蚀体系之间。与单菌种腐蚀体系相比，混菌腐蚀体系中的开路电位最低，且浸泡7 d后的腐蚀速率最大，达到13.53 μA/cm2。结论 在浸泡后期芽孢杆菌显示出腐蚀抑制效果，在需钠弧菌与混菌腐蚀体系中，由于细菌代谢产生了腐蚀性产物以及形成了致密性较差的混合层，试样腐蚀速率不断加快，但混菌的促进作用更显著。
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  硬脂酸添加剂对AZ91D镁合金阳极氧化膜耐蚀性的影响

  张新宇, 唐聿明, 赵旭辉, 左禹

  表面技术. 2020, 49(2): 220-226. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.027

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  目的 通过含有硬脂酸添加剂的阳极氧化工艺，获得耐蚀性优异的镁合金阳极氧化膜。方法 采用直流电源阳极氧化法，在含有2 g/L硬脂酸的碱性氧化液中进行阳极氧化。通过SEM、ImageJ软件和TT230测厚仪分析氧化膜的微观形貌和膜厚，通过FTIR、XPS和XRD分析膜层成分，通过电化学测试检测膜层的耐蚀性能。结果 氧化液中添加硬脂酸后，制备的氧化膜层孔隙率降低，孔径减小，孔洞数量下降，厚度增大，致密度提高。膜层的自腐蚀电流密度为3.15×10–7 A/cm2，与未加硬脂酸制备的氧化膜相比，降低了2个数量级，耐蚀性显著提升。结论 硬脂酸添加剂通过提升成膜电压，增强火花放电效应、表面活性剂作用，改变膜层成分等机制，提升膜层耐蚀性能。
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  强流脉冲电子束作用下镍基高温合金GH3039表面铬合金化及其抗高温氧化性能研究

  钱振, 杨帆, 吕鹏, 蔡杰, 李玉新, 关庆丰

  表面技术. 2020, 49(2): 227-234. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.028

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  目的 改善GH3039合金的抗高温氧化性能。方法 在GH3039合金表面涂抹Cr粉末，然后借助于强流脉冲电子束装置（简称HCPEB）对该合金表面进行相应的处理，而后分别使用X射线衍射仪（XRD）与扫描电子显微镜（SEM）对合金表面进行观察，对比处理前后的物相和微观结构变化，然后以850 ℃恒温环境为基础，对样品合金化前后的氧化动力学与氧化机制进行相应的测试与分析。结果 该合金在HCPEB辐照处理后，其表层已经形成了相应的滑移带，表层晶粒显著细化，尤其是30次辐照样品中形成了尺寸约为100 nm的纳米晶结构。恒温氧化试验的测试结果显示，通过100 h的氧化处理，原始样品氧化增重数值最大，与此同时生成的氧化膜整体偏厚，达到6 μm，有一定程度的裂纹与孔洞，基体发生了严重的内氧化。通过辐照处理30次后的合金化样品，氧化100 h后的增重数值最小，由此生成的氧化膜厚度仅仅约为3 μm，同时氧化膜的主要构成为氧化铬，该氧化膜还呈现出连续生长属性，相应结构具有致密性且没有剥落，对基体有较为明显的保护功能。结论 HCPEB辐照可以将Cr原子熔入GH3039合金表层，快速实现Cr表面合金化。合金表面Cr含量的提高以及在微结构促进元素扩散的共同作用下，该合金抗高温氧化性能得到显著优化。
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  硼对AlMo0.5NbTa0.5TiZr难熔高熵合金组织和高温氧化性能的影响

  要玉宏, 梁霄羽, 金耀华, 王正品, 南條弘

  表面技术. 2020, 49(2): 235-242. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.029

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  目的 提高AlMo0.5NbTa0.5TiZr难熔高熵合金的抗氧化性能。方法 采用非自耗真空电弧熔炼法制备了AlMo0.5NbTa0.5TiZrBx（x=0、0.02、0.06）难熔高熵合金，通过系列高温氧化试验、X射线衍射分析和扫描电镜及能谱分析，研究了微量B元素的添加对该合金组织结构和高温氧化性能的影响规律。结果 铸态AlMo0.5NbTa0.5TiZr合金具有典型的枝晶状凝固组织，包括由黑色枝晶间区的富Al-Ti-Zr的BCC1相、明亮枝晶区的富Mo-Nb-Ta的BCC2相以及枝晶边缘灰色过渡区的富Al-Zr相。微量B的添加没有改变AlMo0.5NbTa0.5TiZr相组成，但使合金的枝晶组织明显细化。添加B以后，AlMo0.5NbTa0.5TiZrBx合金的放热峰强度由0.95 W/g降至0.05 W/g，氧化反应的峰值温度由880 ℃升至1020 ℃；添加适量的B可改善合金短时氧化过程中的氧化皮剥落现象，并可防止合金在长时氧化过程中出现灾难性氧化。由于B的添加，AlMo0.5NbTa0.5TiZrB0.06合金表面在800 ℃氧化50 h过程中形成了Nb4Ta2O15和AlNbO4等具有保护性的复杂氧化物。结论 添加适量的B元素不仅可抑制AlMo0.5NbTa0.5TiZr合金在800~1200 ℃之间的氧化反应和氧化增重程度，而且可以大幅提高合金在800 ℃+3 h和800 ℃+50 h条件下的氧化抗力。
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  开放环境下激光内送粉熔覆TC4钛合金的氧化行为

  张津超, 石拓, 李刚, 史建军, 朱刚贤, 石世宏, 傅戈雁

  表面技术. 2020, 49(2): 243-251. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.030

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  目的 研究开放环境下激光熔覆TC4钛合金的氧化行为。方法 采用激光内送粉熔覆技术制备了不同氩气流量下的TC4钛合金熔覆涂层，通过SEM、EDS和XRD分析了不同氩气流量下涂层氧化层的表面和横截面微观形貌、微观组织、元素分布和物相组成，通过维氏硬度计分析涂层的显微硬度。结果 随着氩气流量的减小，涂层表面颜色逐渐变深，由银白色依次变成黄色、蓝色、深灰色。XRD分析表明，颜色的变化与有色氧化物有关，黄色氧化层主要为黄色TiO，蓝色氧化层主要为蓝色Ti2O3，深灰色氧化层主要为白色TiO2，呈现深灰色与厚的氧化层结构有关。无氩气保护下的涂层表面粗糙，氧化层为厚而疏松多孔结构，与涂层存在缝隙；有氩气保护且随着氩气流量的增加，涂层表面变得光滑，氧化层厚度逐渐减小，致密性好，且与涂层结合良好。随着氩气流量的增加，组织由板条状转变成针状，这主要与冷却速率有关。当涂层颜色为蓝色时，涂层硬度变高，说明氧扩散深度大且氧含量多。结论 在不同的氩气流量下，熔覆涂层表面形成多种不同氧化色。蓝色可作为可接受和不可接受氧化程度的临界颜色。
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  激光选区熔化Ti-6Al-4V合金纳米压痕蠕变研究

  董广辉, 杨诗婷, 姜爱峰, 郎风超, 田宪会, 李继军

  表面技术. 2020, 49(2): 252-259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.031

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  目的 研究原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的室温压痕蠕变特性。方法 利用光学显微镜观察原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的显微组织。基于纳米压痕技术结合恒载荷法，测量原始态和退火态合金在室温下的最大压痕深度、蠕变位移和蠕变速率敏感指数等压痕蠕变参数，并分析两种状态下合金的蠕变机理。结果 原始态合金的显微组织几乎全为α相，退火态合金的显微组织为网篮组织。荷载分别为200、300、400 mN时，加载阶段原始态合金的最大压痕深度比退火态合金的最大压痕深度分别提高43%、42%、34%；保载阶段，原始态合金的蠕变位移比退火态合金的蠕变位移分别提高129%、128%、139%。原始态合金的蠕变速率敏感指数m值分别为0.054、0.050、0.046，退火态合金的m值分别为0.041、0.032、0.022，相同荷载下原始态的m值均大于退火态的m值。结论 退火处理形成的网篮组织，使退火态合金的蠕变速率敏感指数m值降低，从而使其蠕变抗力增强。原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的蠕变机理均为位错蠕变。
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  S135钻杆材料等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层组织与性能

  吕东莉, 练章华, 龚颂

  表面技术. 2020, 49(2): 260-264. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.032

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  目的 选用石油钻井工程中常用的S135钻杆钢作为研究对象，在不破坏S135钢优异力学性能基础上，在S135钢基体上等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层，研究喷涂功率对涂层的组织与性能的影响。方法 在25、30、42 kW三种喷涂功率下，于S135钻杆材料基体表面制备Al2O3+TiO2涂层，对涂层表面进行SEM形貌观察及XRD物相分析，对端面进行金相组织观察，并测定不同位置的显微硬度，借助于材料表面性能试验仪进行涂层与基体结合强度测定，对不同功率下的喷涂涂层的组织、形貌及性能进行比较。结果 在三种功率条件下，涂层由α-Al2O3、γ-Al2O3、Al2TiO5及TiO2组成。随着喷涂功率的增加，涂层中γ-Al2O3、Al2TiO5的含量增加；粘结层中气孔、裂纹等缺陷减少，孔隙率下降。在42 kW喷涂功率下，涂层与基体的结合强度达到92 N。在热喷涂过程中，由于正火作用，靠近喷涂界面的S135基体的晶粒得到细化。涂层表面的硬度都高于粘结层及基体，在喷涂功率为30 kW时，涂层表面的硬度达到1419.6 HV。结论 通过改变喷涂功率，可在S135钻杆材料上得到具有较高硬度、与基体结合强度较高的Al2O3-TiO2涂层。
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  防火泥涂覆5052铝管的快速点蚀穿孔研究

  周海飞, 周飞梅, 汤翰博, 孙庆峰, 张杰, 陈明旭, 罗宏建

  表面技术. 2020, 49(2): 265-271. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.033

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  目的 对运行仅3 a的浙江近海某主变出线气室GIS筒体8 mm厚铝管SF6泄漏事故展开研究，以明确事故原因。方法 通过光谱、金相、表面形貌（SEM）与能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）等技术手段，从材料、结构、环境等角度探讨了该GIS筒体铝管点蚀穿孔可能的原因，并利用电化学测试技术进一步验证了模拟环境的腐蚀性，据此研究了某防火泥对5052铝管快速点蚀穿孔的影响。结果 腐蚀样基材材质为5052，与腐蚀铝材紧密接触的防火泥中的总氯质量分数达24.5%，按照GB/T 12007.3—1989，测得其无机氯质量分数为3.3%。腐蚀导致的微裂纹密布反过来促进了腐蚀介质的传输。此外，设备所处区域临海，2012年降雨的年均pH值低至4.64，为明显的酸性雨水，同年降雨中Cl-年均浓度高达1.8 mg/L，均有利于铝自催化反应的发生。结论 防火泥的高氯含量是导致该GIS筒体铝管快速点蚀穿孔的主要原因，微裂纹结构、酸雨及临海大气环境具有促进作用。
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  磁控溅射制备的Cr/CrN和Cr/CrN/CrAlN涂层耐腐蚀性能对比研究

  宋肖肖, 欧阳俊杰, 赵婕宇, 胡登科, 陈亚军

  表面技术. 2020, 49(2): 272-280. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.034

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  目的 比较Cr/CrN/CrAlN涂层和Cr/CrN交替涂层的耐腐蚀性能。方法 利用电化学极化曲线、阻抗谱和中性盐雾试验进行测量，结合扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征微观形貌，分析两种涂层耐腐蚀性能的差异。同时，为研究涂层在服役中的损伤工况，分析了预制划痕对Cr/CrN/CrAlN涂层耐腐蚀性能的影响。结果 Cr/CrN/CrAlN涂层的自腐蚀电流密度较Cr/CrN交替涂层和TC4基体低2个数量级，腐蚀速率较小。无损伤的Cr/CrN/CrAlN涂层的极化电阻Rp为868.7 kΩ?cm2，预制1条损伤划痕涂层的极化电阻为792.0 kΩ?cm2，而带有5条损伤划痕涂层的极化电阻Rp仅为77.2 kΩ?cm2，减小至原始涂层的8%。Cr/CrN/CrAlN涂层经288 h连续盐雾腐蚀后增重仅为0.1 mg/cm2，远小于CrN涂层和TC4基体，且增重速率趋于平缓。CrN涂层在连续盐雾腐蚀24 h后，腐蚀增重速率明显增加。结论 由于Cr/CrN/CrAlN涂层结构增加了微裂纹和位错运动的界面阻塞，避免孔隙的连通，阻碍了腐蚀介质进入基体，因此涂层的耐腐蚀性能提高。对于表面预制划痕的Cr/CrN/CrAlN涂层，首先发生涂层的局部腐蚀，通过阴极极化加速后，腐蚀凹坑延伸到涂层/基体界面，加剧涂层的局部剥离。
膜层材料与技术
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  9%Cr钢表面激光熔覆制备低Cr合金改性层组织及Cr含量分析

  陈智君, 丁玉明, 董刚, 沈红卫, 姚建华, 吴志伟, 沈磊

  表面技术. 2020, 49(2): 281-287. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.035

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  目的 通过对比分析1CrMo合金激光熔覆和埋弧堆焊层中Cr元素含量分布，研究激光熔覆替代堆焊技术用于9%Cr钢汽轮机转子轴颈表面改性的可行性。方法 采用与1CrMo合金焊丝成分相同的合金粉末作为激光熔覆材料，利用半导体激光熔覆系统在9%Cr钢表面制备低Cr合金熔覆层。用直读光谱仪、金相显微镜、扫描电镜和显微硬度计等仪器，分析熔覆层中Cr含量分布、熔覆层组织结构和性能，并与堆焊层进行了对比。结果 利用激光熔覆技术成功在9%Cr钢表面制备了不同厚度、无缺陷的1CrMo合金熔覆层，熔覆层组织主要由铁素体和颗粒状碳化物相构成。多层熔覆层硬度在220～250HV0.3之间，与基体硬度接近。激光熔覆可有效减少基体对熔覆层的稀释，熔覆层中Cr含量降低明显，在熔覆层约2 mm厚处的Cr含量已低于2%的工作面Cr含量要求，而堆焊需8 mm左右才能达到相同的降Cr效果，激光熔覆所需熔覆层数明显少于埋弧堆焊法的堆焊层数。结论 与堆焊相比，激光熔覆用于9%Cr钢汽轮机转子轴颈表面改性需熔覆层数少，表面降Cr效率更高。
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  热处理对氮化铝化学镀铜组织性能的影响

  郝洋洋, 林颖菲, 高唯, 郑开宏, 王海艳, 郑志斌, 陈恒

  表面技术. 2020, 49(2): 288-294. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.036

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  目的 优化化学镀铜氮化铝（AlN）基板的综合性能，掌握热处理对其镀层致密度、界面结合强度和热导率的作用机理，并对划痕膜层失效行为进行分析。方法 采用化学镀铜法实现AlN陶瓷基板表面金属化，对其进行200~500 ℃热处理。利用X射线衍射仪、扫描电镜、激光导热仪，对Cu-AlN基板的物相结构、显微形貌、热学性能进行分析。采用划痕法对镀层结合力进行评价，并通过划痕形貌对膜层失效行为进行分析。结果 未热处理的Cu-AlN基板表面存在鼓泡现象，结合强度为24.7 N，热导率为156.8 W/(m?K)。热处理消除了Cu-AlN基板的鼓泡现象，300 ℃热处理的Cu-AlN基板综合性能优异，表面Cu颗粒分布均匀，结构较为致密，结合强度为32.6 N，热导率达163.8 W/(m?K)；当500 ℃热处理时，Cu-AlN基板表面存在氧化现象，形成CuO，结合强度急剧降低为18.5 N，热导率为161.2 W/(m?K)。Cu-AlN基板的基膜失效方式为点剥离，随着载荷的增加，点剥离增多，膜层开裂，AlN逐渐裸露，Cu膜层磨损形貌宏观上表现为由塑性变形引起的犁沟磨损，芯部发生拉伸变形，边界呈现卷曲变形。结论 对Cu-AlN进行合理热处理，可改善镀层表面组织与致密度，提高结合强度和导热性能。
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  Cu掺杂类金刚石薄膜应力降低机制的第一性原理研究

  张而耕, 牛帅, 陈强, 潘文高, 李朝阳

  表面技术. 2020, 49(2): 295-300. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.037

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  目的 比较不同浓度Cu掺杂类金刚石薄膜的性能变化规律，并分析Cu掺杂对薄膜性能变化的作用机制。方法 建立密度为2.03 g/cm3、2.87 g/cm3的不同Cu原子数分数（1.56%~7.81%）掺杂类金刚石薄膜（Cu-DLC）初始模型，采用NVT和NOSE温度调节法模拟熔融退火及淬火过程，以及基于广义梯度近似（GGA）的共轭梯度法优化几何模型，运用CASTEP计算Cu-DLC模型的径向分布函数（RDF）、sp3-C含量、体积模量、键长和键角分布等，并探讨Cu掺杂对DLC膜应力变化的影响机制。结果 随Cu含量的增加，薄膜中sp3-C杂化比例增加。与DLC相比，Cu掺杂DLC的RDF中第一峰和第二峰的位置发生显著偏移，薄膜中残余应力随着Cu含量的增加先减小后增大，Cu含量为1.56%时，残余应力最小（7.2 GPa）。Cu含量增加导致总键角分布的峰值降低，峰宽向小键角移动，总键长分布峰值降低，在长键长方向产生小而宽的峰。结论 C—Cu的弱键特性及扭曲的键角、键长得到松弛，对薄膜残余压应力的降低有显著作用，在较高Cu浓度条件下，扭曲的C—C键比例增加，形成了更多扭曲的C—Cu和Cu—Cu结构是导致残余应力增加的关键因素。
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  TC4表面激光熔覆Ni60基涂层温度场热循环特性数值模拟研究

  赵盛举, 祁文军, 黄艳华, 雷靖峰

  表面技术. 2020, 49(2): 301-308. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.038

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  目的 确定TC4钛合金激光熔覆的最优工艺参数，研究其热循环特性，分析激光熔覆温度对组织的影响规律。方法 采用3D高斯热源，基于Sysweld软件平台，对TC4钛合金激光熔覆Ni60A-50%Cr3C2粉末过程进行数值模拟仿真，研究温度场云图及其热循环特性，模拟计算激光熔覆最高温度、加热速度和冷却速度，以及熔池最大深度和热影响区宽度，进行激光熔覆实验验证，结合熔覆层显微组织扫描电镜（SEM）图像，研究冷却速度对熔覆层组织的影响。结果 由仿真可知，激光熔覆工艺参数中的光斑直径和送粉速度主要影响熔覆层的高度和宽度，对温度场分布起主要影响作用的是激光功率和扫描速度。激光功率为500 W，扫描速度为4 mm/s时，熔覆层区域熔化完全，与基体结合良好。激光熔覆最高温度为2700 ℃，最大加热速度约为2200 ℃/s，最大冷却速度约为1200 ℃/s，熔池最大深度在0.33~0.66 mm之间，热影响区宽度约为1.2 mm。模拟与实验得到的熔覆层截面形貌基本一致。不同冷却速度得到的熔覆层组织不同，随着冷却速度的降低，显微组织由短小的胞晶和树枝晶逐步转变为柱状晶、胞状晶和平面晶，最终形成淬火态的针状马氏体。结论 最佳工艺参数为：激光功率500 W，扫描速度4 mm/s。冷却速度是影响熔覆层组织的重要因素，仿真模型的正确性及方法的可行性得到了实验验证。
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  激光抛光表面形貌的误差复映规律

  李健, 杨叶, 金卫凤, 曾子涵, 严思琴

  表面技术. 2020, 49(2): 309-315. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.039

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  目的 探究激光抛光工艺中的表面形貌误差复映规律。方法 首先采用纳秒光纤激光对不锈钢表面进行标刻加工制备微结构，再通过纳秒光纤激光对预制微结构的表面进行抛光加工，通过超景深显微镜测量加工后的表面形貌，分析表面形貌随加工参数的变化规律。其中纳秒光纤激光波长为1064 nm，脉宽约200 ns，最大激光功率为20 W。进行标刻时，激光功率设置为18 W，激光脉冲频率为20 kHz，扫描速度500 mm/s，通过多次重复标刻在不锈钢表面标刻出一定深度的凹槽。采用低功率（6、4、2、1、0.2 W）的纳秒激光对预制的局部微结构进行激光抛光处理，抛光过程的扫描线间距设置为10 μm，扫描速度设置为200 mm/s，对包含凹槽的2 mm×2 mm的区域进行两次抛光处理。结果 经标刻加工的微凹槽周围存在较大的边缘凸起；激光抛光能够有效降低凹槽边缘凸起高度，选择合适的抛光参数可将凹槽边缘凸起高度降低到2 μm以下。对于高度大于10 μm的边缘凸起，在激光功率大于2 W时，抛光后的边缘凸起高度随激光功率的增大而线性减小；在激光功率小于2 W时，边缘凸起高度随激光功率变化不明显。对于高度小于10 μm的边缘凸起，激光抛光存在抛光饱和的现象——凸起高度随激光功率密度变化不明显。结论 已有微结构的不锈钢表面经激光抛光会形成残留微结构，从而表现出一定的形状复映规律。经抛光处理后的沟槽边缘凸起的高度随着所使用的激光能量密度的增大而减小，基本服从线性变化规律。
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  基于神经网络遗传算法的磁粒研磨TC4材料工艺参数优化

  赵传营, 赵玉刚, 刘宁, 宋盼盼, 高跃武, 张勇, 刘广新

  表面技术. 2020, 49(2): 316-321. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.040

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  目的 利用磁粒研磨光整加工技术提高TC4材料的表面质量，使用BP神经网络建立加工工艺参数和表面粗糙度之间的关系，使用遗传算法寻找最优工艺参数组合。方法 使用双级雾化快凝法制备的金刚石磁性磨料对TC4材料工件进行L9(34)正交试验，借助Matlab软件建立结构为4-12-1的BP神经网络，根据正交试验结果训练BP神经网络，探究工艺参数主轴转速n、加工间隙δ、进给速率v、磨料粒径D和表面粗糙度Ra之间的关系。使用决定系数R2评判BP神经网络训练结果，基于训练好的BP神经网络使用遗传算法对工艺参数进行全局寻优。使用计算得到的优化工艺参数进行试验，并测量工件表面粗糙度，与计算得到的表面粗糙度做对比。结果 BP神经网络的预测误差在1.5%以下，通过决定系数R2优化的模型可在训练样本较少的情况下进行有效可靠的预测。遗传算法优化的结果，在主轴转速为1021.26 r/min、加工间隙为1.52 mm、进给速率为1.04 mm/min、磨料粒径为197.91 μm下，获得最佳表面粗糙度，为0.0951 μm。使用调整后的工艺参数，在主轴转速为1020 r/min、加工间隙为1.50 mm、进给速率为1.0 mm/min、磨料粒径为196 μm下，试验得到的表面粗糙度为0.093 μm，与计算得到的最佳表面粗糙度误差为2.21%。结论 采用磁粒研磨光整加工技术与寻优参数结合，可以有效提高TC4材料加工后的表面质量。
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  高速内冷铣孔空蚀机理的数值模拟与实验研究

  沈灿, 李广慧, 尹凝霞, 徐红, 薛姣, 谭光宇

  表面技术. 2020, 49(2): 322-330. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.041

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  目的 预测高速内冷铣孔过程中空蚀的发生，并初步揭示高速内冷铣削过程中铣刀空蚀失效机理及已加工工件表面的空蚀损伤机理。方法 采用三维数值分析与实验相结合的方法，在建立高速内冷铣削封闭流场的基础上进行数值计算，搭建了高速内冷空蚀试验平台并进行实验，通过粗糙度仪对分段后工件样条的已加工表面进行测定，通过电子显微镜对实验后的分段工件样条已加工表面和铣刀形貌进行分析。结果 仿真分析发现用f40 mm立铣刀以14 500 r/min转速铣削f60 mm′50 mm孔时，流场中的含气率达到10%左右，预测了高速内冷铣削过程中空蚀现象的存在，空蚀后楔形发散区的孔壁粗糙度Ra为0.311~0.478 mm，楔形收缩区的孔壁粗糙度Ra为0.138~0.317 mm。工件已加工表面出现麻点和海绵状为主的空蚀针孔，铣刀侧后面出现蜂窝状和鱼鳞状的空蚀坑。结论 仿真分析和实验共同验证了高速内冷铣削过程中空蚀现象的存在，空蚀位置可能出现在内冷铣刀侧后刀面及部分工件已加工表面，且铣刀侧后刀面空蚀程度远超工件已加工表面，为高速内冷切削加工过程中空蚀机理的研究提供依据。
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  α-Al2O3纳米粒子抛光浆料稳定性及其对蓝宝石抛光性能的影响

  张曼, 张启凯, 邹兰梅, 所世兴, 于少明

  表面技术. 2020, 49(2): 331-338. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.042

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  目的 制备分散稳定性良好的α-Al2O3纳米粒子抛光浆料，提高对蓝宝石的化学机械抛光性能。 方法 将α-Al2O3分散在硅溶胶、氧化铈溶胶、水等不同分散介质中，于不同pH值、不同硅溶胶浓度及硅溶胶粒径等条件下制备出α-Al2O3纳米粒子的抛光浆料，考察抛光浆料的稳定性及抛光浆料对蓝宝石化学机械抛光性能的影响。采用Zeta电位仪测量抛光浆料中α-Al2O3的电势，进而对其分散稳定性进行分析。采用原子力显微镜（AFM）和分析天平分别对蓝宝石表面粗糙度（Ra）和材料去除速率（MRR）进行评价。结果 分散介质为硅溶胶时，抛光浆料的稳定性及对蓝宝石的抛光性能较好。当抛光浆料pH值为10时，其分散稳定性较好，且化学腐蚀与机械研磨达到动态平衡，抛光浆料对蓝宝石的抛光性能较好。随着α-Al2O3浓度的增大，浆料的抛光性能呈现先增加后降低的趋势，当α-Al2O3的质量分数为10.0%时，抛光浆料对蓝宝石的抛光性能较好。当硅溶胶的质量分数为0.02%时，抛光浆料的分散稳定性及对蓝宝石的抛光性能较好。随着硅溶胶粒径的增加，抛光浆料的稳定性及对蓝宝石的抛光性能逐渐变差，所以选择最小粒径5 nm的硅溶胶作分散介质。即在10.0%的α-Al2O3、0.02%粒径为5 nm的硅溶胶、pH值为10等条件下的抛光浆料稳定性较好，该浆料对蓝宝石抛光的材料去除速率为15.16 nm/min，抛光后的表面粗糙度为0.272 nm，满足蓝宝石后续外延工艺要求。结论 适宜浓度的硅溶胶能明显改善α-Al2O3抛光浆料的分散稳定性，分散效果明显优于水或氧化铈溶胶作分散介质，且对蓝宝石的抛光性能得到显著提高。
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  基于支持向量机的蠕墨铸铁表面粗糙度预测

  鲁娟, 张振坤, 吴智强, 马俊燕, 廖小平, 胡珊珊

  表面技术. 2020, 49(2): 339-346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.043

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  目的 准确预测蠕墨铸铁加工过程中的表面质量，指导加工参数调整，保证加工过程中加工质量的稳定，运用差分进化算法优化的SVM模型（DE-SVM）构建蠕墨铸铁表面粗糙度（Ra）预测模型和加工参数选择方法。方法 采用DE-SVM提高支持向量机回归模型的预测精度，建立针对实际加工材料的表面粗糙度预测模型，基于构建的预测模型，挖掘表面粗糙度与加工参数之间的关系，从而获得较优的加工参数。结果 结合蠕墨铸铁的铣削加工实验数据，对比DE-SVM与常用优化算法（粒子群优化算法（PSO）和遗传算法（GA））优化的SVM模型，DE-SVM模型获得的MAPE（0.122）和R2（0.9559）值均优于粒子群和遗传算法优化的支持向量模型获得MAPE和R2值。在给定的加工参数范围内，切削速度和进给速度对表面粗糙度的影响较大，且表面粗糙度与切削速度成正比关系，与进给速度成反比，而切削深度对表面粗糙度影响不显著。结论 由实验的对比结果可知，采用DE-SVM模型建立的蠕墨铸铁表面粗糙度模型具有更高的预测精度，基于DE-SVM获得的加工参数对表面粗糙度的影响，可有效指导加工参数的选择与调整，对保持蠕墨铸铁优良的加工质量具有较好的指导意义。
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  连续激光高速抛光冷作模具钢的表面粗糙度及性能

  周泳全, 张卫, 肖海兵, 徐晓梅, 朱颖

  表面技术. 2020, 49(2): 347-353. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.02.044

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  目的 解决连续激光高速抛光模具钢的表面质量与效率问题。方法 将连续激光高斯光束通过缩束镜和DOE衍射整形器，转变成平顶激光光束。通过激光抛光工艺参数的优化，将光斑直径为470 μm的平顶连续激光束，以之型与方波型组合扫描路径和500 mm/s的高速扫描速度，抛光冷作模具钢Cr12MoV，并通过白光干涉仪和SEM电镜检测其表面性能。结果 连续激光高速抛光可将表面粗糙度由原始的1.942 μm快速降低至0.26 μm，抛光效率比传统机械抛光提高了67%，比人工抛光提高了94%，表面显微硬度提高了125%。结论 工艺试验表明，连续激光的光斑扫描路径和直径对抛光表面质量产生深远的影响，对冷作模具钢进行高速抛光时，需要对激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描路径和扫描间距等激光加工参数进行优化，在达到相同质量效果的前提下，抛光效率是传统机械抛光效率的8倍以上，是熟练技师人工抛光效率的30倍以上。同时，连续激光抛光显著提高了模具钢的表面显微硬度，无任何污染，是一种绿色制造技术。