2020年, 第49卷, 第5期　
刊出日期：2020-05-20

  

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专题——基于团簇理论的薄膜成分设计
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  具有高耐蚀性和导电性的掺Cr类金刚石非晶碳的化学式解析

  吴爱民, 王同, 王清, 林国强, 董闯

  表面技术. 2020, 49(5): 1-10. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.001

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  Cr掺杂的类金刚石非晶碳具有良好的导电性和耐腐蚀性，这对于燃料电池金属双极板涂层改性特别重要。使用团簇加连接原子模型对其非晶结构进行了详细解析，在该模型中，良好的玻璃形成材料由覆盖特征性最近邻团簇加上几个下一壳层原子的结构单元来表述。根据文献，在Cr掺杂的类金刚石非晶碳中占优势的团簇是Cr中心和C壳层的[Cr-C4]四面体团簇，然后将该团簇与适当的连接原子匹配，以满足电子轨道饱和原理。由此推导出了两个最优组成式，即[Cr-C4]CrC3（22.2%Cr）和[Cr-C4]Cr3C2（40%Cr），它们显示出良好的非晶态结构稳定性。实验结果显示，所提出的这两组化学组成的涂层材料兼具低电阻率（低至10-4 Ω?cm）和优异的耐腐蚀性（腐蚀电流密度~10-2 μA/cm2）。在sp2键含量和渗流理论的框架内讨论了导电和耐蚀的协同行为。这项工作验证了团簇加连接原子模型在具有高耐腐蚀性和高导电性的涂层材料成分设计中的可行性。
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  金属玻璃薄膜的研究进展

  刘林根, 董闯, 吴爱民, 林国强, 万鹏

  表面技术. 2020, 49(5): 11-18. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.002

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  金属玻璃因具有良好的软磁特性、塑性好、耐磨损、耐腐蚀、表面光滑等特点，近几十年来受到广泛关注。块体状金属玻璃在室温下具有宏观脆性和加工性能差的缺点，限制了其应用，而薄膜态金属玻璃易于实现，并且可以克服块体玻璃本身的脆性缺陷，因而成为研究热点。综述了近十年来金属玻璃薄膜的研究成果，介绍了金属玻璃薄膜的制备方法，包括已经在工业中投入使用的物理气相沉积技术和电镀法，其中磁控溅射方法和电弧离子镀应用较多。阐述了金属玻璃薄膜的不粘性、抗疲劳性、耐腐蚀性、生物相容性、耐磨性、光学性能和催化性能以及相关影响因素，发现Zr基MGTF能够同时表现出多种性能，综合性能最佳，薄膜的不粘性值得特殊关注。表述了金属玻璃薄膜在改善合金性能、生物医疗领域和半导体领域的应用，在生物医用材料上镀膜可提高生物医用材料的不粘性和抗菌性，加速伤口愈合，具有很大潜力。最后，通过总结金属玻璃薄膜投入使用可能会面临的挑战和需要解决的问题，对今后的研究趋势进行了展望。
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  涂层和薄膜态准晶材料的研究现状及展望

  辛先峰, 董闯, 庞厂, 万鹏

  表面技术. 2020, 49(5): 19-25. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.003

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  准晶材料兼具硬度高、摩擦系数小、耐磨损、耐腐蚀、表面能低等特性，有着十分广阔的应用前景。但受限于本征脆性，准晶材料不能作为结构件单独使用，涂层和薄膜形态成为研究热点。综述了准晶涂层和薄膜的几种制备工艺，主要介绍了热喷涂技术、激光熔覆技术、电子束沉积技术、真空蒸镀技术、磁控溅射技术，并对这几种镀膜技术的特点进行了归纳、对比、总结。详细概述了制备过程中涂层和薄膜的生长过程、生长机理，为之后相关研究工作奠定了良好的基础。对结构和性能的研究现状及在界面结合、组织转变、后续热处理工艺中面临的问题进行了讨论，性能方面主要包括准晶涂层和薄膜优良的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性能及其优异的不粘性，并对存在的相关问题提出了一些可能的解决方案。最后对准晶涂层和薄膜更先进的制备方法以及准晶材料在热障涂层、不粘涂层和固体润滑剂等方面的应用前景进行了 展望。
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  Fe基金属玻璃的耐辐照性能研究进展

  李娜, 张小楠, 张立松, 关彤, 羌建兵, 李晓娜, 梅显秀

  表面技术. 2020, 49(5): 26-38. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.004

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  Fe基金属玻璃具有长程无序结构且内含大量的自由体积，相较于传统耐辐照晶体金属具有不同寻常的结构优势，且由于其具有较低的加工成本、超高的强度、较好的软磁性能与较宽的过冷液相区等优良的理化性质，而得到研究人员的密切关注，被认为或可以作为面向等离子体候选材料应用于聚变装置中，因而关于其耐辐照性能的研究得到了广泛开展。团簇加连接原子模型可以指导金属玻璃组分的设计，获得具有更高玻璃形成能力的Fe基金属玻璃，且具有更大负混合焓的组分原子可以提升金属玻璃的晶化开始温度，为突破尺寸限制以及提高Fe基金属玻璃的稳定性提供了一条崭新的思路。从团簇加连接原子模型设计金属玻璃的角度简述了本课题组研究的两种成分的Fe基金属玻璃Fe80B13Si7及Fe68B25Zr7的选择依据，同时根据国内外研究现状，总结了在离子束辐照下，Fe基金属玻璃的结构、表面形貌、磁性能以及光学性能的变化，探究了其辐照损伤的形成机制，并浅析了Fe基金属玻璃具有较好的耐辐照性能的原因，为其应用于聚变堆环境作为第一镜等构件材料以及开发具有更大极限尺寸、更好耐辐照性能的Fe基金属玻璃的研究提供一定的数据支撑。
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  半导体Fe-Si非晶薄膜的成分解析及设计

  张君仪, 李晓娜, 利助民, 毕林霞, 郑月红, 董闯

  表面技术. 2020, 49(5): 39-47. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.005

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  β-FeSi2作为直接带隙半导体，具有较大的光吸收系数和较高的理论光（热）电转换效率，是一种理想的光（热）电材料。首先综述了目前β-FeSi2材料的研究及应用现状，为了回避单相β-FeSi2制备困难及失配等瓶颈问题，提出了制备具有相似性能的Fe-Si非晶薄膜是有效的解决方法。局域（近程序）结构是决定非晶性能的主要因素，针对非晶薄膜成分、局域结构及性能的对应性研究至关重要。基于此，概述了在“团簇+连接原子”模型指导下，依据实验性能分区和团簇理论解析建立的Fe-Si非晶薄膜成分、局域结构及性能关联；概述了现有晶态和非晶态材料研究中添加元素的原子占位情况，并以此为基础讨论了多组元化对薄膜非晶形成能力及半导体性能的影响。结果证实“团簇+连接原子”模型对Fe-Si非晶薄膜局域结构解析及多组元化成分设计是十分有效的。通过精确成分设计可在较大成分范围内实现薄膜半导体性能可调，为廉价近红外探测和全太阳光谱覆盖提供良好候选材料。最后，展望了Fe-Si非晶薄膜的研究及应用前景。
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  基于稳定固溶体团簇模型的无扩散阻挡Cu合金薄膜的成分设计

  杨冕, 利助民, 李晓娜, 李南军, 郑月红, 朱瑾, 董闯

  表面技术. 2020, 49(5): 48-60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.006

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  随着超大规模集成电路的发展，器件特征尺寸不断缩小，必然会出现Cu互连扩散阻挡层厚度无法进一步减小等瓶颈问题。因此，开发新型无扩散阻挡层Cu合金薄膜（Cu种籽层）势在必行。该新型互连结构在长时间的中高温（400~500 ℃）后续工艺实施过程中，需同时具备高的稳定性（不发生互扩散反应）和低的电阻率。基于此，首先综述了目前无扩散阻挡层结构的研究现状及问题，然后对基于稳定固溶体团簇模型设计制备的无扩散阻挡Cu-Ni-M薄膜的研究工作进行了梳理，通过多系列薄膜微观结构、电阻率及稳定性的对比，深入探讨了第三组元M的选择原则及其对薄膜热稳定性的影响。为进一步验证稳定固溶体团簇模型的有效性，对第二组元的变化进行了相关讨论。结果证实，选取原子半径略大于Cu、难扩散且难溶的元素作为第三组元M，薄膜表现出良好的扩散阻挡能力；当M/Ni=1/12，即合金元素完全以团簇形式固溶于Cu基体时，薄膜综合性能达到最优，能够满足微电子行业的要求。所有研究表明，稳定固溶体团簇模型在无扩散阻挡层Cu合金薄膜的成分设计方面十分有效，该模型也有望在耐高温Cu合金及抗辐照材料成分设计方面推广使用。
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  PEMFC不锈钢双极板表面改性用Cr-C薄膜的成分设计与制备

  邹宝捷, 林国强, 吴博, 王同

  表面技术. 2020, 49(5): 61-67. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.007

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  目的 根据质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）不锈钢双极板的表面镀膜改性要求，探索改性薄膜成分对性能的影响规律，并提供一种行之有效的薄膜成分设计方法。 方法 首先应用团簇加连接原子结构模型，结合电子轨道饱和原则，理论上设计出Cr-C二元材料体系的最佳团簇式和最佳成分，再利用电弧离子镀技术在316L不锈钢双极板上制备出一系列不同成分的CrxC1-x薄膜，对薄膜的成分、结构及性能进行表征和分析。结果 设计所得Cr-C材料体系的最佳团簇式为[Cr-C4]CrC3，对应的最佳原子比成分为Cr0.22C0.78。所制备的CrxC1-x薄膜的成分系数x在0.05~0.23之间变化，薄膜的导电性和耐蚀性能随着成分x的增加，呈明显增加趋势。其中Cr0.23C0.77薄膜的综合性能最好：在1.2 MPa压紧力下，接触电阻为2.8 mΩ?cm2；在模拟腐蚀环境下，腐蚀电流密度仅为9.1×10-2 μA/cm2。该性能已优于美国能源部DOE的标准指标要求。结论 Cr-C改性薄膜的成分对导电性能和耐蚀性能有着重要的影响。由于实验制备的性能最佳的薄膜成分Cr0.23C0.77与基于团簇加连接原子模型设计薄膜的最佳成分Cr0.22C0.78基本相同，从而证实了依据此模型进行双极板改性薄膜成分设计是行之有效的。
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  基于团簇加连接原子模型定量分析阳离子掺杂ZnO电子载流子浓度

  李军, 刘浩, 张鑫, 王全, 王华林, 张爽, 丁万昱

  表面技术. 2020, 49(5): 68-74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.008

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  目的 定量分析阳离子掺杂ZnO材料中最优化阳离子掺杂量及电子载流子浓度。方法 基于团簇加连接原子模型，解析并建立阳离子掺杂ZnO材料的团簇式结构，计算最优阳离子掺杂量条件下的电子载流子浓度。根据理论分析结果，设计Sn掺杂ZnO材料，并利用磁控溅射方法制备Sn掺杂ZnO薄膜。通过紫外可见分光光度计、霍尔效应测试仪等分别评价Sn掺杂ZnO薄膜的透光率和电子载流子浓度。结果 以纤锌矿ZnO为研究体系，基于团簇加连接原子模型，建立纤锌矿ZnO的团簇式{[Zn-O4]Zn3}。在此基础上，建立纤锌矿ZnO超团簇结构：{中心团簇式}—{第一近邻团簇式}6—{连接团簇式}={[Zn-O4]Zn3}— {[Zn-O4]Zn3}6—{[Zn-O4]Zn3}=Zn32O32。基于纤锌矿ZnO超团簇结构，建立阳离子掺杂ZnO的超团簇结构{[M-O4]Zn3}—{{[M-O4]Zn3}{[Zn-O4]Zn3}5}—{[M-O4]Zn3}=M3Zn29O32，给出最优化元素配比AM︰AZn=10.34%。根据阳离子掺杂ZnO的超团簇结构M3Zn29O32，定量计算出Al3Zn29O32的最优化电子载流子浓度为3.935× 1021 cm–3，并分析实际应用的AlZn31O32薄膜的电子载流子浓度仅为最优化理论值1/10的原因。最终，设计并制备SnZn31O32薄膜，其在可见光波段（450~800 nm）的平均透光率为80.25%±1.74%，电子载流子浓度为(7.72±1.68)×1020 cm–3。结论 团簇加连接原子模型能够定量解析阳离子掺杂ZnO材料体系中掺杂量与电子载流子浓度，可为设计高性能阳离子掺杂ZnO材料提供理论指导。基于团簇加连接原子模型设计的SnZn31O32薄膜，具备透明导电性质，通过进一步的研究，有望成为具有高电子载流子浓度的新型透明导电氧化物材料。
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  基于稳定固溶体团簇模型的含氮铜合金薄膜

  郑月红, 张娜, 李晓娜, 利助民, 董闯, 喇培清

  表面技术. 2020, 49(5): 75-80. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.009

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  目的 制备结构和性能稳定的含氮铜合金薄膜，提高铜合金的硬度。方法 基于稳定固溶体团簇模型在Cu-Ni基合金成分设计方面的研究，进一步利用Nb与N相对较大的负混合焓以及Ni的作用，将N带入Cu中，达到稳定N的目的。采用磁控溅射方法在N2/Ar比为1/30的气氛中制备了Si(100)基Cu-Ni-Nb-N四元合金薄膜和参比样品，并通过电子探针、X射线衍射仪和透射电子显微镜分别分析了薄膜的成分、结构和膜-基界面，采用双电测四探针测量仪和超轻微载荷努氏硬度计测量了薄膜的电阻率和硬度。结果 与Cu(N)薄膜相比，四元合金薄膜具有更好的结构稳定性和更高的硬度。溅射态时，四元薄膜由铜的纳米柱状晶和少量NbN组成，硬度均在5 GPa左右。550 ℃/1 h退火后，薄膜致密度好，部分N能以NbN化合物的形式稳定存在于薄膜中，大部分薄膜的硬度在3 GPa以上，并且具有较好的导电性。结论 采用稳定固溶体团簇模型选择固氮元素，能够制备出综合性能较好的含氮铜合金薄膜，为其进一步用于铜及其合金的表面改性奠定了基础。
专题——热喷涂技术研究及应用
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  感应等离子体球化热喷涂粉体材料研究进展

  赵阳, 朱锦鹏, 郝振华, 舒永春, 杨凯军, 何季麟

  表面技术. 2020, 49(5): 81-90. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.010

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  介绍了传统非等离子体法制备球形粉体方法——雾化法和喷雾造粒法，分析了其在热喷涂球形粉体制备过程中存在的优势和局限性。综述了等离子球化技术在热喷涂粉体材料领域中的应用现状，并深入讨论了感应等离子体球化过程中不同的工艺条件对粉体球化率和形貌的影响：原料粉体状态决定了球化后粉体的平均粒径，降低粉体原始粒径可以提高熔融程度，粒径分布较窄的原始粉体有利于得到高球形度粉体；适当增大输入功率和工作气体流量，可降低细小颗粒的粘附现象；工作气体的种类会影响等离子焰炬的热焓值；送粉速率需要结合粉体性质择优选取。这些关键影响因素对热喷涂粉体性能的调控机制，以及深入认识等离子体作用条件下的热喷涂粉体球化机理，提供了有力的理论支撑。总结和展望了感应等离子球化技术在热喷涂陶瓷粉体材料制备中存在的问题和发展方向，感应等离子体球化技术作为制备高纯度、无污染热喷涂球形粉体材料的一种新技术，具有广阔的应用前景。
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  基于太赫兹技术的热障涂层平行裂纹监测研究

  叶东东, 王卫泽, 周海婷, 方焕杰, 黄继波, 龚汉红, 李振

  表面技术. 2020, 49(5): 91-97. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.011

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  目的 监测热障涂层内部的平行裂纹。方法 针对采用大气等离子喷涂方法制备的热障涂层，在内部预制不同规格的两种平行裂纹，利用反射式太赫兹时域光谱系统进行测试，获取时域谱图，联合Hanning窗函数-小波降噪滤波方法进行反卷积处理，提取不同反射峰间的时间间隔，建立数学模型进行裂纹规格参数计算。结果 太赫兹时域光谱可以有效测量服役前未出现平行裂纹的热障涂层的陶瓷顶层厚度D。针对不同类型和规格的平行裂纹，通过提取时域光谱反射峰1和反射峰2的时间间隔Δt1，用于计算裂纹上端距涂层表面预制值d1和判断裂纹的位置类型。当d1
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  热处理对超音速火焰喷涂FeAl-Al涂层组织结构的影响

  向军淮, 吴志诚, 彭文屹, 白凌云, 刘学璋

  表面技术. 2020, 49(5): 98-102. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.012

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  目的 通过超音速火焰喷涂（High Velocity Oxygen Fuel，HVOF）的粉末喂料设计，获取结构致密的铁铝金属间化合物涂层，并详细考察热处理对所制备涂层组织结构的影响。方法 在铁铝合金粉末喂料中添加质量分数为5%的铝粉，改善喷涂效果，在316L不锈钢表面制备致密的FeAl-Al涂层，并进行真空热处理。采用X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）及维氏显微硬度计，详细分析了涂层在不同热处理温度下的微观组织、成分、结构与显微硬度的变化。结果 喷涂态FeAl-Al涂层厚度约为150 μm，物相为Fe2Al5，未检测到单质Al。随着热处理温度升高，Fe2Al5相的衍射峰逐渐增强。500 ℃热处理后，喷涂态涂层中扁平粒子间存在的细微孔隙大量消失，涂层致密性明显提高。但是800 ℃热处理后，涂层中产生了与界面平行的裂纹。喷涂态FeAl-Al涂层的硬度为465.06HV0.1，500 ℃热处理2 h后增加至472.06HV0.1，继续提高热处理温度，涂层的显微硬度则明显下降。结论 在粉末喂料中引入质量分数为5%的Al粉，可明显改善超音速火焰喷涂效果，获得结构致密、与基体结合牢固的FeAl-Al涂层。合适的热处理能进一步消除喷涂缺陷，使涂层显微硬度增加，微观结构更加致密。
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  激光表面改性有机高分子材料的研究进展

  项徽清, 秦中立, 张奇, 刘建国

  表面技术. 2020, 49(5): 103-111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.013

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  有机高分子材料具有质轻、易成型、成本低等优点，在汽车、电子等领域有广泛的应用，但有机高分子材料的原始表面多数呈现化学惰性、表面能低，导致其应用受限。激光表面改性技术具有柔性化程度高、区域选择性好、可三维加工等诸多优势。简要综述了激光表面改性有机高分子材料的性能变化、机理和应用的国内外研究进展，表明通过激光改性可以在有机高分子材料表面形成诸如凸起、凹坑、沟槽、多孔和周期性结构等微观形貌，并使表面化学成分发生显著变化，进而影响其表面润湿性、表面能、吸附性、颜色和/或减阻等性能，这主要与有机高分子材料的自身特性、激光改性参数以及改性环境等因素密切相关，而且通过控制激光改性参数，还有可能实现对上述表面性能变化的精密调控。激光表面改性有机高分子材料在理论研究和实际应用中都具有巨大的价值，但目前对于激光表面改性有机高分子材料的理论研究落后于应用研究，还应进一步加强对改性技术和机理的探索与研究。
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  挤压镁合金腐蚀与防护研究进展

  宋雨来, 刘庆, 王海洋

  表面技术. 2020, 49(5): 112-119. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.014

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  随着挤压镁合金的广泛应用，如何改善其较差的耐蚀性自然成为无可回避的重要研究课题。通过综合分析国内外挤压镁合金腐蚀研究领域的相关研究成果，从腐蚀行为与防护技术两个方面进行了讨论。挤压镁合金易于受到多种腐蚀形式的破坏，其腐蚀行为、性能和机理受到材料特性和腐蚀环境等多种因素的影响，表现出多样性和复杂性，特别是应力和腐蚀协同所用下的挤压镁合金失效行为，尚需开展深入研究。通过优化制备工艺参数、合金化和热处理等技术进行组织和成分优化，基于应力条件、不同的腐蚀环境，开发新型耐腐蚀挤压镁合金，对于提高挤压镁合金抗腐蚀性能，扩大其应用领域具有实用价值。电化学镀、化学转化膜、自修复涂层等涂层技术在合金表面形成钝化膜、陶瓷膜以及释放缓蚀剂，对挤压镁合金提供了有效防护。其中，自修复涂层能够有效解决涂层破损产生的局部腐蚀问题，极大地改善了膜层的防护性能，拥有良好的应用前景，是涂层研发的新方向。
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  列车车轮踏面滚动接触疲劳研究进展

  王延朋, 丁昊昊, 邹强, 肖峰, 张晓峰, 王文健, 郭俊, 刘启跃

  表面技术. 2020, 49(5): 120-128. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.015

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  随着高速与重载铁路的发展，车轮踏面滚动接触疲劳损伤问题变得更加显著，不仅影响乘车舒适度，增加维护成本，还会直接危害行车安全，目前尚无根本的解决办法。对国内外车轮踏面滚动接触疲劳损伤的形成机理、研究方法及影响因素进行了归纳总结。车轮滚动接触疲劳损伤形式有很多，根据疲劳裂纹在踏面下方萌生位置的不同，将踏面滚动接触疲劳损伤分为表面滚动接触疲劳、次表面滚动接触疲劳和较深层次滚动接触疲劳。随着冶金和车轮制造技术的提高，由低周疲劳或棘轮效应造成的表面滚动接触疲劳损伤成为主要的疲劳损伤类型。车轮踏面滚动接触疲劳损伤的研究方法主要包括现场调研、数值仿真和试验研究。结合已有研究成果，主要从车轮材料、车轮既有损伤、线路条件、列车运行参数、轮轨间第三介质等方面对踏面滚动接触疲劳损伤的影响因素进行了总结，并进一步提出了减缓踏面滚动接触疲劳损伤的具体措施。此外，探讨了车轮踏面滚动接触疲劳损伤未来的研究方向。
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  石墨烯基涂层的性质及在抗菌和组织工程中的应用

  王欣, 田惠博, 于军, 刘洋, 李宁, 王丽丽, 王苹

  表面技术. 2020, 49(5): 129-139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.016

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  石墨烯材料——石墨烯纳米片（Graphene nanoflakes，GFs）、氧化石墨烯（GO）或还原氧化石墨烯（rGO）、化学气相沉积技术制备的石墨烯膜（CVD-G），自问世起，迅速成为社会各界广泛关注的新型碳纳米材料。通过转移方法或者溶剂助技术，可以将CVD-G和表面含有亲水基团的GFs或GO涂覆于基体表面，形成石墨烯基涂层，涂层以其独特的形貌、结构、物理化学性质，呈现出良好的抗菌活性和细胞外基质特点，显著影响细胞的粘附、增殖和分化等行为。经过近十年的研究，生物活性石墨烯基涂层材料在细胞培养、细胞生长、组织工程支架和生物医疗器械中展示出巨大的应用潜力。着重围绕石墨烯涂层的成分和制备方法，总结具有抗菌活性的石墨烯材料所取得的重要成果与最新进展，围绕石墨烯基二维涂层（涂覆于基底的二维表面）和石墨烯基三维结构（基底为三维支架）对多种哺乳细胞的相容性和细胞行为调控，综述了石墨烯材料在组织工程支架和植入体表面改性中的研究进展，提出了生物活性石墨烯基涂层的研制方向与应用展望等。
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  压力与温度敏感涂料用高分子粘结剂的研究进展

  陈振华, 周晓龙, 张宗波, 张明艳, 徐彩虹

  表面技术. 2020, 49(5): 140-147. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.017

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  压力敏感涂料（PSP）以及温度敏感涂料（TSP）是通过光学手段研究物体表面压力和温度的功能涂层。简述了气体在聚合物中的渗透机理，发光分子氧猝灭以及热猝灭机理，综述了国内外PSP、TSP中常用的高分子粘结剂，并对PSP、TSP所用高分子粘结剂的未来发展方向进行了展望。这两种涂层均由高分子粘结剂和发光分子探针组成，PSP通过发光探针与氧分子作用产生的光物理行为变化来反映压力大小，TSP是通过发光探针随模型表面温度变化导致光物理行为变化来反映温度高低。目前，已发展的PSP用高分子粘结剂主要为氧透过率较高的含硅聚合物及丙烯酸酯类聚合物；已发展的TSP用高分子粘结剂主要为氧透过率较低的聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚氨酯等。高分子粘结剂的主链结构、侧基种类与极性、分子间堆砌密度以及与发光分子相互作用，对涂层光物理性能、力学性能以及与基材结合力产生影响。因此，研究PSP与TSP中的高分子粘结剂对于未来两种技术的优化以及一定特殊要求下的应用有较为重要的意义。
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  受限颗粒体引发混合摩擦非线性的研究现状与展望

  鄢晓宇, 王伟, 刘小君

  表面技术. 2020, 49(5): 148-154. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.018

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  机械摩擦界面中多多少少存在一些受限颗粒体，这些受限颗粒体和复杂的微凸体接触，并与局部液体润滑膜共同形成了具有明显非线性的混合摩擦状态。受限颗粒体在机械副中的行为往往处于介观尺度，并且形式多样、机理复杂。首先阐述了摩擦非线性在机械摩擦副中的体现以及受限颗粒体在此问题中的机理，并概括了受限颗粒体在不同界面条件下可能起到的减摩、增摩、诱发噪声或摩擦力不稳定性等作用。针对混合摩擦状态下的受限颗粒体引发的摩擦非线性问题，对不同应用背景的含受限颗粒体的摩擦界面的实验研究，包括颗粒Couette流剪切实验、粉末层SEM观察实验、外来颗粒以及磨损颗粒实验，进行了归纳，并对摩擦界面内受限颗粒体实验研究的空白和难点进行了总结。针对受限颗粒体在摩擦界面中的行为的建模研究，包括FEM、DEM以及动力学建模，分析了各种建模方法的优劣，并提出了未来建模工作的趋势。最后，对受限颗粒体诱发的机械副的黏滑和爬行现象的机理进行了分析，并阐述了其研究意义。
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  雷达吸波涂层材料的研究进展

  燕佳欣, 吴建华, 时君友, 张贤慧

  表面技术. 2020, 49(5): 155-169. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.019

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  讨论了电磁波的吸波机理，及其性能测量和计算方法，叙述了电阻型损耗、介电损耗、磁损耗型三种损耗机制的涂层材料及其电磁波吸收损耗机理，对不同种类的吸波材料在雷达波隐身方面的应用进行了全面的综述，介绍了这一研究方向的最新进展，并分析了每种材料的主要特点。重点讨论了铁氧体、碳纳米管、导电高聚物等吸波材料的微观结构、化学性质、电磁特性对吸波性能的影响。对于磁损耗材料来说，良好的磁性能是其不可忽视的优点，但其密度高，稳定性较差，影响了其性能发挥。针对其存在的缺点，通过掺杂改性、共混等方式可提升涂层材料的吸波性能。在碳系材料中，多壁碳纳米管的吸波性能较好，将磁损耗吸波材料与碳纳米管进行复合、包覆是目前吸波性能提高的主要手段。导电聚合物等新型吸波材料具有质量轻、导电性好的特点，单独使用时，阻抗匹配性差，通过对其掺杂改性或与磁损耗型材料复合，可增强其阻抗匹配性，提升吸波性能。最后，指出了雷达吸波材料未来的研究发展方向。
表面功能化
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  超疏水材料表面冷凝液滴自移除及液滴尺寸分布规律

  周宝玉, 杨辉, 冯伟, 姜玉凤, 陈跃

  表面技术. 2020, 49(5): 170-176. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.020

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  目的 优化电化学沉积法制备氢氧化铜纳米结构的实验参数，探究不同润湿性表面冷凝液滴尺寸分布规律。方法 采用正交试验法，综合考虑电解液浓度、反应温度、极化时间、电流密度对接触角的影响，并通过SEM分析其表面形貌。同时，基于MATLAB软件，提出一种能快速精确识别、提取并统计冷凝液滴特征值的图像处理方法。结果 正交试验最优参数为浓度0.5 mol/L、温度5 ℃、时间2000 s、电流密度4 mA/cm2，此时样品表面接触角高达168.8°，滚动角小于3°。冷凝实验结果显示，在超疏水表面，冷凝液滴会频繁的合并自移除，液滴平均粒径最小，粒径在1~10 mm范围内的液滴占比维持在50%左右；而在疏水与亲水样表面，冷凝液滴仅能发生合并现象，液滴平均粒径显著增大；冷凝后期，超疏水、疏水与亲水样表面冷凝液滴密度分别稳定在2000、1000、360 mm-2左右。结论 纳米针结构能最大限度地降低固液接触面积，降低冷凝液滴粘附力，提高冷凝液滴合并自移除频率，减少冷凝液滴直径，提高冷凝液滴更新率，有望实现高效冷凝传热。同时通过与Image-J图像处理结果比对，验证了该冷凝液滴尺寸分布图像处理方法的可行性。
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  采用盐类化学试剂制备减反增透膜层的方法

  郝霞, 潘国治, 崔永红, 赵会峰, 姜宏

  表面技术. 2020, 49(5): 177-184. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.021

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  目的 提高玻璃表面透过率，降低反射率。方法 利用Na2CO3、Na3PO4、Na4P2O7等碱性盐溶液对预处理后的玻璃表面进行化学刻蚀，通过对玻璃表面纳米多孔结构以及断面刻蚀膜层厚度的调控，实现入射光在传递过程中产生相消干涉，从而实现对光的减反增透效果。通过扫描电镜观察玻璃腐蚀前后的表面形貌和断面膜层厚度，用紫外可见分光光度计对刻蚀前后玻璃的透过率和反射率进行测试，进一步调节刻蚀液浓度、刻蚀时间和刻蚀温度，优化实验方案，提高透过率。结果 经碱性盐溶液刻蚀后，在24 h、92 ℃条件下，玻璃表面形成宽为20~30 nm，膜层厚度为100~150 nm，分布比较均匀的细微沟槽，玻璃的平均透过率达97.53%，比原始基片提高了7%，刻蚀前后成分基本无变化，光学性能得到了有效提高。固定刻蚀液浓度和刻蚀时间，样品透过率随刻蚀温度的升高，先增大后降低；固定刻蚀液浓度和刻蚀温度，样品透过率随刻蚀时间的增加，先增大后降低；固定刻蚀时间和刻蚀温度，样品透过率随刻蚀液浓度的增加，先增大后降低。结论 采用碱性盐类化学试剂对玻璃表面进行化学刻蚀，使玻璃表面的化学键断裂，在玻璃表面形成疏松膜层结构，当刻蚀层达到一定厚度时，一定波长的光在玻璃表面发生相消干涉，可有效提高玻璃表面的透过率，降低反射率。
表面摩擦磨损与润滑
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  2A12铝合金在两种体系中微弧氧化膜层的磨损性能研究

  黄利保, 郝建民, 张斌英, 马建基

  表面技术. 2020, 49(5): 185-190. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.022

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  目的 比较两种不同溶液体系中铝合金微弧氧化膜层的摩擦磨损性能。方法 以2A12铝合金为研究对象，通过微弧氧化技术，制备了在两种体系中的微弧氧化膜层。利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）、显微硬度计、摩擦磨损机，研究了两种不同溶液体系中的微弧氧化膜层的形貌、厚度、硬度和磨损性能的差异。结果 锆盐体系中膜层的生长速率较磷酸盐中的更大。锆盐和磷酸盐体系中膜层的硬度分别为1050HV和1250HV。锆盐体系的膜层主要由α-Al2O3、γ-Al2O3、c-ZrO2和少量的t-ZrO2组成，磷酸盐体系膜层的主要成分是α-Al2O3和γ-Al2O3。锆盐体系中，450 V电压下膜层的摩擦系数为0.425，500 V电压下膜层的摩擦系数为0.375；磷酸盐体系中，450 V电压下膜层的摩擦系数为0.328，500 V电压下膜层的摩擦系数为0.325。结论 锆盐膜层的摩擦系数总体大于磷酸盐膜层。在磨损过程中，被磨掉的GCr15材料填充到膜层的凹坑中。两种溶液体系下，膜层在高电压下表现出更小的摩擦系数。磨损起始阶段为磨粒磨损，稳定阶段为粘着磨损。
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  电流密度对喷射电沉积Co-Ni-Cr3C2复合镀层组织及性能的影响

  张庆, 谭俊, 谢凤宽, 孟令东, 臧艳, 朱晓莹

  表面技术. 2020, 49(5): 191-199. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.023

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  目的 研究不同电流密度下，Co-Ni-Cr3C2纳米复合镀层中纳米Cr3C2的含量变化及其对组织性能的影响，确定最佳电流密度。方法 采用喷射电沉积的方法，选择不同电流密度（30、40、50、60 A/dm2）制备Co-Ni-Cr3C2纳米复合镀层。利用SEM、XRD、显微硬度计、摩擦磨损试验机、3D 测量激光显微镜对Co-Ni-Cr3C2纳米复合镀层的形貌、成分、结构、硬度和耐磨性能进行研究，并对Co-Ni-Cr3C2纳米复合镀层和Co-Ni合金镀层在不同退火温度下的硬度变化进行比较。结果 纳米Cr3C2颗粒的加入未明显改变Co-Ni的异常共沉积，在电流密度为40 A/dm2时，Co-Ni-Cr3C2纳米复合镀层中Cr3C2纳米颗粒的质量分数最高，为12.05%。复合镀层表面凹凸不平，呈瘤状结构。电流密度的增加对复合镀层的成分及相结构影响不大，出现了Co和Cr3C2的衍射峰。Co-Ni-Cr3C2纳米复合镀层的硬度随电流密度的升高，先增大后减小，在电流密度为40 A/dm2时，硬度最高，为585HV0.05。复合镀层的摩擦系数在电流密度为30、60 A/dm2时波动较大，在40、50 A/dm2时波动较小。其磨损体积随电流密度的升高，先减少后增加，在40 A/dm2时，磨损体积最小。Co-Ni-Cr3C2纳米复合镀层硬度随退火温度的升高，先升高后降低，在退火温度为400 ℃时，显微硬度最高，为602HV0.05。结论 Co-Ni-Cr3C2纳米复合镀层在电流密度发生变化时，其Cr3C2纳米颗粒的沉积量、硬度及耐磨性均发生了变化，在电流密度为40 A/dm2时，沉积量最高，硬度和耐磨性能最佳。此外，Co-Ni-Cr3C2纳米复合镀层在高温退火条件下仍能保持较高的硬度。
表面失效及防护
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  强流脉冲电子束表面改性FeCrAl涂层的显微组织及耐高温腐蚀性能研究

  陈军, 李伟, 贺冬云, 郝胜智

  表面技术. 2020, 49(5): 200-206. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.024

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  目的 改善FeCrAl涂层表面组织，提高其耐高温盐溶液腐蚀性能。方法 用电弧喷涂方法在45碳钢表面制备FeCrAl（Cr 25.5%，Al 5.5%，Fe余量）涂层。用强流脉冲电子束（HCPEB）对FeCrAl涂层进行表面改性处理，工作参数为：脉冲宽度200 μs，能量密度分别为20、25、30、40 J/cm2。处理脉冲次数均为1次。通过金相显微镜和扫描电子显微镜对改性层形貌进行分析，通过电子探针方法测量改性前后涂层中Fe、Cr、Al和O元素的分布变化，利用X射线衍射分析对比改性层的相成分组成。在温度650 ℃下，以Na2SO4+K2SO4饱和盐溶液为腐蚀介质，测试FeCrAl涂层的高温腐蚀性能，并对腐蚀表面形貌进行分析。结果 HCPEB处理FeCrAl涂层发生表层重熔，原始粗糙疏松的涂层组织变得光滑致密，表面出现分离的球冠状凸起，凸起内部由排列紧密的Fe-Cr柱状晶组成，Al元素向凸起结构的表面和周围凹陷处聚集。随HCPEB处理能量密度增大，凸起结构尺寸增加，涂层表面的Fe2O3相消失，α-Al2O3相含量增多。经120 h高温腐蚀后，原始涂层腐蚀增重63.8 mg/cm2，HCPEB能量密度20 J/cm2处理的样品腐蚀增重51 mg/cm2。结论 使用HCPEB在脉冲宽度200 ms和能量密度20 J/cm2下处理FeCrAl涂层后，其高温腐蚀增重较原始涂层减少20%，而使用过高的HCPEB能量密度处理会导致FeCrAl涂层表面结构和耐高温腐蚀性能变差。
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  激光冲击强化对2524铝合金疲劳寿命的影响

  李松柏, 张程, 李湘, 王冲

  表面技术. 2020, 49(5): 207-213. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.025

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  目的 探索激光冲击工艺参数对2524铝合金疲劳寿命的影响。方法 开展不同激光能量、不同冲击次数下的激光冲击强化实验，测试其残余应力和表面硬度，并进行裂纹扩展实验和显微组织观察。结果 激光冲击强化能显著提高材料的表面硬度，且材料的硬度值随着冲击能量和冲击次数的增加而递增，但硬度增长率随冲击次数增多而降低。激光冲击强化在试样表层形成较大的残余压应力，使用6.25 J的激光能量冲击1次，最大残余压应力可达-222 MPa，并且残余压应力随着激光能量和冲击次数增加而增加，但冲击强化次数存在阈值。相较于未冲击试样，激光冲击1次的试样的疲劳寿命提升32%，冲击2次的疲劳寿命提升41%。对试样断口进行微观形貌观察，在裂纹长度为28 mm处，未冲击试样、激光冲击1次和冲击2次试样的疲劳条带间距分别为1.06、0.628、0.488 μm，裂纹扩展速率分别为1.06×10-3、6.28×10-4、4.88×10-4 mm/N。结论 激光冲击强化能显著提高2524铝合金的表面硬度，并在表面产生较大的残余压应力。激光冲击强化能够有效迟滞2524-T3铝合金的疲劳裂纹扩展速率，进而有效延长疲劳寿命。
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  喷丸工艺对TC4钛合金梯度纳米晶结构的作用规律

  陈涵悦, 付天琳, 高岩

  表面技术. 2020, 49(5): 214-221. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.026

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  目的 通过改变喷丸的压力或时间，在钛合金表面制备出剧烈塑性变形（SPD）层较厚、硬度较高的梯度纳米晶结构。方法 改变喷丸压力（0.3~0.6 MPa）或喷丸时间（15~60 min），调控TC4钛合金表面梯度纳米晶结构的变形层厚度和纳米晶晶粒尺寸。利用金相显微镜观察塑性变形层截面的组织形貌，通过X射线衍射仪（XRD）和透射电子显微镜（TEM）确定喷丸表面纳米晶的晶粒尺寸，通过显微硬度计对塑性变形层的截面硬度进行研究。结果 一定喷丸压力（0.6 MPa）下，SPD层和总变形层厚度分别在喷丸25、30 min时达到饱和值78 μm和143 μm。一定喷丸时间（25 min）下，SPD层和总变形层的厚度随喷丸压力的增加而增厚，在0.4 MPa时达到饱和，分别为78 μm和120 μm。当SPD层厚度进入饱和阶段后，表层晶粒大小和硬度强化程度都趋于稳定；在0.6 MPa下，当表面α相细化至稳定阶段时，晶粒尺寸为30~90 nm，表面硬度提高约30%。结论 喷丸SPD层及总变形层的厚度随喷丸时间的延长或喷丸压力的增大而增厚，当SPD层厚度趋于饱和后，表面晶粒尺寸和硬度强化程度都已饱和。
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  喷丸对25CrNi2MoV钢滚动接触疲劳性能的影响

  秦海迪, 张亚龙, 刘海鹏, 屈盛官, 赖福强

  表面技术. 2020, 49(5): 222-229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.027

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  目的 提高25CrNi2MoV钢的滚动接触疲劳性能。方法 对25CrNi2MoV钢进行表面喷丸处理，并采用3D形貌仪、光学显微镜、显微硬度仪、X射线应力分析仪与滚动接触疲劳试验机等仪器，对试样表面形貌、表面显微组织、显微硬度、表面残余压应力与滚动接触疲劳性能等进行测试分析。结果 与未处理试样相比，经喷丸处理后，试样表面形貌由磨削加工槽型向酒窝状的弹坑转变，表面粗糙度增大，表面显微硬度由503HV0.2增大到577HV0.2，增加了14.7%，表面残余压应力由-90.0 MPa增大到-758.0 MPa。当喷丸强度为0.445 mmA时，试样具有最好的滚动接触疲劳寿命，其额定寿命（L10）、中值寿命（L50）、特征寿命（L63.2）分别为4.973×106次、6.578×106次和6.945×106次，分别是未处理试样对应寿命的11.1倍、7.3倍和7.0倍，试样滚动接触疲劳失效形式主要为疲劳剥落。当喷丸强度为0.596 mmA时，试样表面出现微裂纹，导致滚动接触疲劳寿命降低，此时试样疲劳失效形式主要为点蚀与疲劳剥落。未处理试样疲劳失效形式主要为分层。结论 喷丸处理能细化试样表层晶粒组织，增大试样表面粗糙度、表面硬度与表面残余压应力。合适强度的喷丸处理可以抑制试样表面与次表面裂纹的萌生与扩展，显著提高滚动接触疲劳性能。
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  表面渗硼对新型β-钛合金耐腐蚀性能的影响

  王昊, 张娇娇, 冯晓飞, 王鹤峰

  表面技术. 2020, 49(5): 230-236. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.028

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  目的 通过制备渗硼涂层，提高新型β-钛合金的耐腐蚀性能。方法 采用固体粉末包埋法，在空气及氮气气氛中，选取不同的渗硼温度，在Ti-33Nb-4Sn（简称334钛合金）表面渗硼。对比分析涂层的表面、断面形貌，总结渗硼涂层的生长规律。利用电化学测试方法，测定334钛合金制备渗硼涂层前后，在3.5% NaCl溶液中的电化学腐蚀性能。结果 在不同的制备条件下，都能在新型β-钛合金表面形成一层致密、连续的渗硼层。该涂层为双层结构，由致密的外涂层和针须状的过渡层组成。在相同气氛下制备的涂层，随着渗硼温度的升高，致密外涂层厚度增加。在氮气气氛下制备的涂层致密外涂层的厚度，大于同温度下在空气中制备的涂层。基体经过不同条件渗硼处理后，开路电位都明显提高。334钛合金基体的自腐蚀电位为0.6692 V，腐蚀电流密度为2.356 μA/cm2。在空气中经过900、950、1000 ℃温度渗硼后，自腐蚀电位分别为1.0993、0.7221、0.7639 V，腐蚀电流密度分别为3.377、2.274、1.584 μA/cm2。在氮气中经过900、950、1000 ℃温度渗硼后，自腐蚀电位分别为0.8617、0.6804、0.8143 V，腐蚀电流密度分别为1.358、1.445、1.525 μA/cm2。结论 渗硼涂层可提高334钛合金的耐腐蚀性能，氮气气氛下制备涂层的耐腐蚀性能明显优于空气气氛。
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  石墨烯纳米片对D16T铝合金微弧氧化膜层结构与性能的影响

  刘婉颖, 刘颖, 陈龙, 林元华, 石云升, 高婷艳, 邱宇洪

  表面技术. 2020, 49(5): 237-250. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.029

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  目的 研究石墨烯纳米片对D16T铝合金耐磨耐蚀性的影响，为铝合金表面微弧氧化处理技术在油气领域的应用提供理论依据。方法 利用微弧氧化技术在含与不含石墨烯的电解液中在D16T铝合金表面制备微弧氧化膜层，采用XRD、SEM、EDS分析了膜层相结构和表面形貌，测试了膜层的粗糙度和显微硬度，通过摩擦磨损和电化学实验研究了石墨烯纳米片对D16T铝合金微弧氧化膜耐磨性和耐蚀性的影响。结果 微弧氧化膜层主要由α-Al2O3和γ-Al2O3相组成，石墨烯的添加使Al2O3相的衍射峰值和衍射峰的数量增加，Al衍射峰明显降低；膜层表面平整，表面熔融颗粒较少，表面有大块团聚物堆积。膜层由外部疏松层和内部致密层组成，疏松层微孔数量和微裂纹较少，膜层厚度稍有增加，致密层厚度由不含石墨烯时的0.6 μm增至1.6 μm。含石墨烯的膜层容抗弧半径明显增加，Bode图中低频阻抗值由5′105 Ω×cm2提升至106 Ω×cm2，疏松层电阻由1.57′105 Ω×cm2增至1.98′105 Ω×cm2，致密层电阻由3.07′105 Ω×cm2提升至1.24′106 Ω×cm2；膜层自腐蚀电位由-0.53 V提高至-0.41 V，自腐蚀电流密度由3.15′10-7 A/cm2降低至3.97′10-8 A/cm2；膜层质量磨损量明显降低，摩擦系数减小，耐磨性增加。结论 石墨烯纳米片通过放电通道进入膜层填充膜层中的孔和裂纹，部分石墨烯形成团状覆于膜层表面，使膜层更加平整、致密，膜厚增加，膜层耐磨性和耐蚀性得到明显提升。
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  基于扫描振镜的激光淬火温度特性模拟与实验研究

  陈凯烨, 王晔, 吴国龙, 王淼, 张群莉, 姚建华

  表面技术. 2020, 49(5): 251-258. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.030

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  目的 与传统激光淬火（CLQ）进行对比研究，获得使用飞行光路的振镜扫描式激光淬火（GLQ）的温度变化特性和规律。方法 使用两种淬火方式对45钢进行表面处理，将组织形貌和硬度分布进行比较，并结合数值模拟，研究两种激光淬火方式的温度变化特性和规律。结果 在相同的总能量输入、扫描区域和扫描时间下，两种淬火方式硬化层横截面形貌呈现巨大差异：CLQ试样硬化层深度为753.66 μm，宽度为3787.21 μm，横截面形貌为“月牙形”；GLQ试样硬化层深度为256.61 μm，宽度为5808.77 μm，形貌为“均匀性更好的近似月牙形”。截面硬度分布相似：均为中间主体区域高（GLQ试样硬度810~900HV，CLQ试样硬度790~830HV），两侧边缘区域低（均约为760HV）。模拟结果表明，CLQ试样特征点激光辐照时长共1.25 s，温度从508 ℃变为1063 ℃，奥氏体相变时间为1.17 s；GLQ试样特征点激光辐照时长共0.628 s，温度从500 ℃变成718 ℃，其波峰温度奥氏体相变时间为0.38 s，波谷温度均保持在马氏体转变温度以上。沿激光扫描方向，GLQ的温度变化率比CLQ大1个数量级；垂直激光扫描方向，GLQ温度变化率比CLQ大2个数量级。结论 GLQ具有温度变化率更大、升降温多次循环、热处理相变时间更短、热积累更小等特点，有望在薄层大面积淬火上获得应用。
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  Cr颗粒对Ni-Graphene复合沉积层组织结构及性能的优化

  孟良, 胡勤友, 施朝健, 黄常海

  表面技术. 2020, 49(5): 259-268. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.031

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  目的 电沉积技术制备Ni-Cr-Graphene复合沉积层，调查不同Cr颗粒浓度对复合沉积层组织结构及性能的优化影响。方法 利用电沉积技术在镍铝青铜（NAB）表面制备出Ni-Cr-Graphene复合沉积层。采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）与拉曼光谱仪（Raman），对复合沉积层的形貌、成分与组织结构（晶粒大小、结晶形状及结晶织构）进行表征，并采用显微硬度计与电化学工作站分别对沉积层的硬度及耐腐蚀性能进行调查。结果 Graphene颗粒使得纯Ni沉积层中的Ni晶粒尺寸由175.3 nm减小到Ni-0Cr-4Graphene沉积层中的Ni晶粒尺寸60.5 nm。随着Cr颗粒质量浓度进一步从0 g/L增加到100 g/L，Ni-Cr-Graphene复合沉积层中的Cr质量分数从0%增加到23.8%，且Ni晶粒尺寸进一步减小到Ni-100Cr-4Graphene沉积层的29.1 nm，Ni[200]结晶织构被消除。Graphene与Cr颗粒显著提高了Ni-Cr- Graphene复合沉积层的表面硬度，所有复合沉积层的显微硬度均高于纯Ni沉积层（260.1HV0.2），且在100 g/L Cr颗粒浓度下，沉积层平均显微硬度为489.8HV0.2。同时Graphene与Cr颗粒改善了Ni-Cr-Graphene复合沉积层在3.5%NaCl溶液中的耐腐蚀性能，在100 g/L Cr颗粒浓度下，复合沉积层的自腐蚀电位（Ecorr）为-0.21 V，自腐蚀电流密度（Jcorr）为0.25 μA/cm2，其相对纯Ni沉积层Jcorr（7.01 μA/cm2）降低了1个数量级。结论 溶液中Cr颗粒浓度的增加引起了Ni-Cr-Graphene复合沉积层中Cr含量的增加，使得更多Cr颗粒与Graphene颗粒共同作为Ni金属结晶形核点，促进了Ni的晶粒细化与织构转变，最终提高了复合沉积层的硬度与耐腐蚀性能。
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  恒载荷下的微弧氧化后7050铝合金在不同pH值NaCl溶液中的腐蚀行为

  花天顺, 宋仁国, 宗玙, 蔡思伟

  表面技术. 2020, 49(5): 269-278. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.032

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  目的 研究pH值对恒载荷下微弧氧化后铝合金腐蚀行为和耐蚀性的影响。方法 采用恒载荷应力环，研究微弧氧化后的7050铝合金（AA7050）在不同pH值3.5% NaCl溶液中的腐蚀行为。采用动电位极化曲线和原位电化学阻抗谱（EIS），评价pH值对恒载荷下的微弧氧化后AA7050耐蚀性的影响，以及在不同pH值的3.5% NaCl溶液中膜层的腐蚀过程，并建立相应的等效电路模型。结果 恒载荷试验结束后，在pH=7的溶液中，试样表面的微弧氧化膜基本完整，表面覆盖一层腐蚀产物；在pH=3的溶液中，试样表面膜层部分被腐蚀；在pH=13的溶液中，试样表面膜层已经完全脱落。腐蚀初期，在pH为3、7和13的溶液中，试样的低频阻抗模值分别为35 000、90 000、500 Ω?cm2，其腐蚀电位分别为–1.41、–1.43、–1.46 V，腐蚀电流密度分别为2.85×10–5、9.17×10–6、1.75×10–4 A/cm2。恒载荷实验后，在pH为3、7和13的溶液中，试样的伸长率分别为3.41%、3.98%、1.63%。结论 溶液的pH值对恒载荷下微弧氧化后AA7050的耐蚀性和塑性产生了显著的影响。在pH=7的溶液中，微弧氧化铝合金的耐蚀性和塑性最好，在pH=3的溶液中次之，在pH=13的溶液中最差。根据试样的EIS，整个腐蚀阶段被分为腐蚀初期、中期、后期三个阶段。腐蚀初期，在不同pH的溶液中，微弧氧化试样的耐腐蚀性先降低后提高。腐蚀中期，耐蚀性先下降后稳定，在pH=13的3.5%NaCl溶液中，试样膜层完全剥落。腐蚀后期，在不同pH的溶液中，微弧氧化试样的耐蚀性再次下降。
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  不同NaCl浓度对油气集输管道用钢冲刷腐蚀协同作用的影响

  李恩田, 张建伟, 周昊, 杨足膺, 刘雯, 王磊, 贾勇

  表面技术. 2020, 49(5): 279-284. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.033

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  目的 量化不同Cl–浓度下的冲刷腐蚀协同作用。方法 利用旋转圆柱电极实验装置，在模拟油田采出液中，通过腐蚀质量损失、形貌观测和电化学分析（包括Tafel曲线测试和阻抗谱测试等方法）得到20号钢在不同Cl–浓度下的冲刷腐蚀规律。基于纯冲刷、纯腐蚀和冲刷腐蚀在不同Cl–浓度下的质量损失速率和电化学拟合结果，得到纯腐蚀、纯冲刷及其相互作用对冲刷腐蚀的贡献。结果 在模拟油田采出液中，当NaCl溶液质量浓度小于4.5%时，冲刷腐蚀质量损失率随Cl–浓度的增大而增大，最高增至0.44 mg/(cm2?h)。由于在每种Cl–浓度下施加相同的电位保护，因此，由纯冲刷导致的质量损失变化不大。从图像来看，随着Cl–浓度的增大，材料表面逐渐出现明显的腐蚀坑。结论 Cl–浓度对材料腐蚀有明显的促进作用，并且存在临界Cl–浓度。冲刷腐蚀质量损失率与形貌观测有良好的一致性，且不同Cl–浓度下的冲刷腐蚀均为电化学腐蚀-冲刷混合控制，其中电化学腐蚀占据主导地位。对于协同作用方面，随着Cl–浓度的增加，腐蚀对冲刷的促进作用逐渐增大，而冲刷对腐蚀的促进作用先逐渐增大再减小。
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  石墨烯浓度对镁基陶瓷膜生长及耐蚀性的影响

  陈宏, 李佩, 朱晓宇, 康亚斌

  表面技术. 2020, 49(5): 285-292. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.034

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  目的 研究石墨烯浓度对AZ91D镁合金微弧氧化陶瓷膜生长及耐蚀性的影响。方法 通过超声分散获得石墨烯分散液，添加到锆盐体系电解液中，采用微弧氧化技术，在AZ91D镁合金表面制备微弧氧化陶瓷膜。采用SEM、EDS对陶瓷膜微观结构进行分析，采用XRD对陶瓷膜物相组成进行分析，采用电化学工作站测量陶瓷膜在3.5%NaCl溶液中的极化曲线，并对其耐蚀性进行分析。结果 随着石墨烯浓度增加，陶瓷膜微孔中的C含量先增加后减小，微孔外的C含量增加，陶瓷膜表面孔径和粗糙度先减小后增加，孔隙率增加，厚度几乎没有变化。并且石墨烯浓度对陶瓷膜相成分没有影响，主要相组成为MgF2、ZrO2、MgO和Mg2Zr5O12。与未添加石墨烯的试样相比，添加石墨烯后，腐蚀电流密度降低了1~2个数量级，极化电阻增加了1~2个数量级。在石墨烯质量浓度为0.15 g/L时，陶瓷膜表面微孔孔径达到最小，腐蚀电流密度最小，为9.46×10-7 A/cm2，极化电阻最大，为1.95×106 Ω?cm2，耐蚀性最好。结论 一定浓度石墨烯能够减小微弧氧化陶瓷膜微孔孔径，增加孔隙率，提高陶瓷膜的耐蚀性。
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  碳钢表面喷丸诱导低温B-Cr-Re共渗研究

  郑铖武, 王泽力, 王大政, 袁兴栋

  表面技术. 2020, 49(5): 293-298. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.035

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  目的 进一步拓宽低温B-Cr-Re共渗技术的应用。方法 采用喷丸技术对20钢表面进行预处理，处理的时间分别为0.5、1.0、1.5 h，然后进行低温B-Cr-Re固体共渗及其力学性能研究，共渗温度为600 ℃和650 ℃，保温时间6 h。利用高分辨透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等，对预处理后基体表层结构和B-Cr-Re低温扩散层组织结构及力学性能进行表征。结果 经喷丸处理后，基体表层发生严重塑性变形，晶粒发生破碎并逐渐细化，获得平均晶粒尺寸分别为50、58、65 nm的纳米结构层，晶界明显增多。预处理时间越长，基体表层变形程度越严重，获得的纳米结构越明显；同时由于原子排列发生错排，阻碍了基体表层位错等缺陷的运动，故在基体表层观察到高密度位错等结构缺陷。经喷丸处理后，600 ℃下处理不同时间的B-Cr-Re低温共渗层组织连续、均匀，存在孔洞，平均深度约为7、8、7 μm，650 ℃下处理不同时间的B-Cr-Re低温共渗层组织连续、均匀、致密，平均深度约为21、24、22 μm，力学性能良好。结论 喷丸处理后，基体表层存在较多的晶界和高密度位错，为后续B-Cr-Re的低温共渗提供了更多结构和能量支持，降低了B原子的扩散激活能，提高了B原子的扩散速度。这项工作为低温B-Cr-Re共渗技术的应用拓宽了领域。
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  低红外发射率陶瓷层/金属层/陶瓷层复合薄膜高温性能研究

  李擎煜, 曾鲜, 程旭东

  表面技术. 2020, 49(5): 299-307. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.036

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  目的 研究热处理工艺对陶瓷层/金属层/陶瓷层复合薄膜低红外发射性能的影响，并分析复合薄膜的有效工作温度。方法 采用多弧离子镀方法在Ni基K424合金基底上制备了AlCrN/Cr/AlCrN和AlCrSiN/Cr/AlCrSiN两种复合薄膜，分别在700~800 ℃和800~900 ℃大气环境下对样品进行了热处理。利用X射线衍射仪、场发射高分辨率透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、电子探针显微分析仪、辉光放电质谱仪和傅里叶变换红外光谱仪，对样品的微观结构、化学组成和表面辐射特性进行了分析。通过建模计算了两种样品在不同温度下的氧化活化能和扩散系数，对比了其抗氧化性能和抗扩散性能。结果 样品中的陶瓷层呈纳米晶-非晶结构特征，AlCrN和AlCrSiN陶瓷层中的纳米晶分别为hcp-Cr2N和 hcp-AlN。非晶AlCrN介质会在750 ℃结晶形成面心立方相的Cr(Al)N，加入Si元素可以将其结晶温度提高至850 ℃。在氧化初期，由于纳米晶的不同，AlCrN和AlCrSiN陶瓷层的表面分别形成富Cr和富Al的氧化层，而由于fcc-Cr(Al)N的形成，以及氧化铬和氧化铝之间极高的溶解度，最终样品表面会形成铝、铬混合的氧化层。当非晶AlCrN介质结晶后，O元素通过晶界深入样品内部导致样品的红外发射率急剧增大，使其低发射特性失效。同时，结晶后的复合薄膜中陶瓷层的氧化活化能降低，Ni元素的扩散系数增大。结论 纳米晶-非晶结构的陶瓷层具有更优异的抗氧化性能和抗扩散性能，加入Si元素可以提高样品的抗氧化性能，AlCrSiN/Cr/AlCrSiN复合薄膜可应用于850 ℃以下的低红外发射率应用。
膜层材料与技术
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  TC4钛合金阳极氧化着色膜显色规律探讨

  张斌英, 郝建民, 陈永楠, 黄利保, 马建基, 杨泽慧

  表面技术. 2020, 49(5): 308-316. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.037

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  目的 在不同电解液、电压等工艺参数下对TC4钛合金进行阳极氧化，获得彩色膜，分析探讨着色膜颜色随不同工艺参数变化的显色规律，并通过该显色规律分析着色膜显色机理。方法 分别选用NaOH电解液、H3PO3电解液、Na2SiO3盐溶液对Ti6A14V钛合金进行氧化着色。通过金相显微镜、SEM、XRD、AFM和3nh色差仪等测试方法，分析氧化膜层显微组织、形貌特征、物相成分、膜层厚度与颜色变化。结果 3nh色差仪测得膜层颜色值（L*、a*、b*）随电压具有周期变化规律。在电压参数为120 V左右的起弧电压之前，三种电解液阳极氧化着色膜均是由非晶态的钛氧化物组成，显色规律一致，氧化膜层致密均匀，只是生长速率稍有不同。膜层显色是干涉加强光色与干涉减弱光色的互补光色的共同作用。通过钛合金氧化膜干涉光程差公式修正，推导出了薄膜厚度的理论计算公式，且AFM测试结果与理论计算得出的膜厚基本一致。随着电压继续升高，电解反应剧烈，宏观表面观察到微弧放电现象，电解过程过渡到微弧氧化阶段。结论 在低电压阳极氧化阶段，TC4钛合金着色膜层是由致密均匀的非晶态钛氧化物组成，膜层生长方式是随电压均匀层状生长，显色原理主要是薄膜干涉原理。通过控制电压参数，可控制膜层厚度，继而得到理想的颜色。在Na2SiO3盐溶液中的膜层生长速率为1~1.7 nm/V。
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  化学气相沉积温度对AZ31镁合金表面制备DLC薄膜微观结构及机械性能的影响

  杨利, 张桐, 陈东旭, 王亚男, 周艳文, 陈树江

  表面技术. 2020, 49(5): 317-324. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.038

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  目的 提高镁合金表面硬度及耐磨性，给出最佳性能薄膜的制备温度。方法 采用化学气相沉积（PECVD）技术在AZ31镁合金表面制备了含氢DLC薄膜，研究了沉积温度对DLC薄膜厚度、表面形貌、硬度、杨氏模量、耐磨性能、膜基结合力以及sp3键含量的影响，并对相应的影响机制进行了讨论。结果 沉积温度对AZ31镁合金表面DLC膜的组织及性能有显著影响。温度较低时，碳粒子能量较低，无法注入薄膜亚表层，只能停留在表面以sp2杂化方式生长。随着温度的升高，碳粒子能量增加，更多的sp3杂化键形成。沉积温度为75 ℃时，薄膜中sp3杂化键含量最多，此时薄膜最厚约为7.67 μm，硬度最大可达5.95 GPa，杨氏模量值最高达到43.2 GPa，并且摩擦系数最低仅为0.03。随着温度进一步升高，碳粒子能量持续增加，轰击薄膜表面时会使碳-氢键断裂，造成氢的脱附，使薄膜中sp3杂化键减少，从而降低了薄膜的硬度及耐磨性等机械性能。结论 在本研究工作温度范围内，75 ℃为AZ31镁合金表面制备DLC薄膜的最佳温度。
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  工艺参数对连续碳纤维表面电磁搅拌化学镀镍的影响

  乔英铭, 甘春雷, 曲迎东, 王顺成, 曲彦平

  表面技术. 2020, 49(5): 325-334. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.039

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  目的 解决连续碳纤维在镀覆过程中易出现黑心现象以及无法完全浸泡于镀液中的问题，制备镀层均匀的连续碳纤维镍镀层。方法 引入外加电磁搅拌对连续碳纤维进行化学镀镍，研究了施镀时间、镀液温度、镀液pH值以及电磁搅拌转速对连续碳纤维表面微观形貌及镀层沉积速率的影响规律。结果 当搅拌转速一定时，随着施镀时间、镀液温度、镀液pH值的不断增加，碳纤维表面镀层逐渐变得均匀完整，且镀层厚度逐渐增大。但当施镀时间超过20 min，镀液温度超过75 ℃，镀液pH值超过8时，镀层表面沉积了大量形状不一的胞状镍颗粒，形成粗糙的表面形貌。镀层的沉积速率随着镀液温度、镀液pH值的升高而增大。当搅拌转速由200 r/min增加到300 r/min时，镀层的沉积速率随着搅拌转速的增加而不断增大；当搅拌转速由300 r/min增加到400 r/min时，镀层的沉积速率随着搅拌转速的增加而不断减小。结论 电磁搅拌辅助连续碳纤维化学镀镍的最佳施镀工艺参数为：施镀时间15~20 min，镀液温度75 ℃，镀液pH为8，搅拌转速200～250 r/min。采用此工艺参数能获得表面致密、均匀完整的镍镀层。
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  表面接枝含氟树脂改性HGB的制备及性能研究

  潘越, 文庆珍, 朱金华

  表面技术. 2020, 49(5): 335-342. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.040

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  目的 对中空玻璃微珠（HGB）进行表面接枝含氟树脂改性，以其为填料制备含氟树脂涂料，并进行性能研究。方法 将中空玻璃微珠分别经NaOH溶液、硅烷偶联剂KH550、HDI三聚体、含氟树脂处理，并通过FTIR、SEM、EDS等表征手段对接枝情况进行验证。以制备的表面接枝含氟树脂HGB（F-HGB）为填料，制备了含氟树脂隔热涂料，研究了HGB改性温度、时间对F-HGB接触角的影响，以及HGB粒径、添加量、改性、涂层厚度对涂料的疏水性能、隔热性能、拉伸强度的影响。结果 成功制备出F-HGB，50 ℃下接枝含氟树脂反应8 h，F-HGB与纯水的静态接触角为149.21°。与HGB/含氟树脂涂料相比，F-HGB/含氟树脂涂料的疏水性能、隔热性能、拉伸强度均有较大幅度的提高和改善。当F-IM16K添加量为20 phr时，F-HGB/含氟树脂涂层与水的接触角为100°，模拟曝晒实验涂层试板温差为7.4 ℃，拉伸强度为10.39 MPa。当F-K1添加量为20 phr时，F-HGB/含氟树脂涂层的导热系数为0.0701 W/(m?K)，同时涂层隔热性能随HGB粒径、添加量的增大而增强，拉伸强度随之降低，但表面改性能有效减小涂料拉伸强度的降低幅度。结论 F-HGB具有疏水、隔热、与含氟树脂相容性好的特点，可作为功能填料制备疏水、隔热、力学性能优良的多功能涂料。
表面质量控制及检测
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  基于环形非均匀热源的磨削温度场建模与实验研究

  李晓强, 戴士杰, 张慧博

  表面技术. 2020, 49(5): 343-353. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.041

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  目的 解决杯形砂轮平面磨削复合材料时的热损伤及温度实时监测困难等问题，对磨削温度场的动态变化规律进行相关研究。方法 通过分析杯形砂轮平面磨削时材料的去除机理，在柱坐标系下提出周向和径向呈不同函数分布的非均匀热源模型，并基于该模型建立磨削温度场的数值模型用于预测磨削温度，最后提出杯形砂轮平面磨削时磨屑带走热量所引起温度预测误差的计算方法。开展人工热电偶测温验证实验，对比不同热源模型下的预测值和实验值，验证非均匀热源及其温度场数值模型的准确性。结果 相较于均匀热源下的温度场，非均匀热源下的温度场与实际温度场具有更高的吻合度，将温度预测的误差从约23%降低到6.5%以下。结论 磨削深度对磨削温度具有较大的影响，且在进行高效深磨的时，为保证温度预测的精度，需考虑磨屑带走热量所引起的误差。
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  聚磁盘形状对磁粒研磨加工管件内表面的影响

  李文龙, 陈燕, 吕旖旎, 程淼, 赵杨

  表面技术. 2020, 49(5): 354-359. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.042

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  目的 提高磁粒研磨法加工管件内表面的质量及加工效率，探究磁粒研磨法中不同形状的聚磁盘对管件内表面的影响。方法 利用Maxwell软件对轴向开槽聚磁盘与不开槽聚磁盘进行磁场强度模拟和磁感应线模拟，分析不同形状的聚磁盘的磁感应强度变化和磁场强度分布。利用磁粒研磨法对工件内表面进行研磨加工，对研磨之后的工件表面粗糙度进行测量，并对微观形貌进行观察。结果 在磁粒研磨工具转速为500 r/min、加工时长为15 min的条件下，聚磁盘为未开槽时，表面粗糙度由原始的0.509 μm降至0.127 μm，表面粗糙度改善率（%ΔRa）为75.04%；当聚磁盘为轴向开槽时，工件表面粗糙度由原始的0.553 μm降至0.097 μm，工件的表面粗糙度改善率（%ΔRa）为82.45%。结论 在相同的加工条件下，当聚磁盘轴向开槽时，相对于轴向不开槽的聚磁盘，磁粒研磨管件内表面的研磨效果更好，表面粗糙度改善率和研磨效率更高。
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  球形开槽磁极辅助研磨H63黄铜弯管内表面

  赵杨, 陈燕, 吕旖旎, 李文龙, 陈松

  表面技术. 2020, 49(5): 360-367. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.05.043

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  目的 改善H63黄铜弯管内表面质量，缩短加工周期，提高使用寿命。方法 通过六自由度机械手臂，拖动磁场发生装置，带动弯管内辅助磁极进行研磨试验。分别采用球形磁极与球形开槽磁极作为辅助磁极研磨，并利用Ansoft软件，分析加入两种辅助磁极后，磨削区磁力线和磁感应强度的变化情况。探究两种光整加工形式的原理及研磨轨迹。使用触针式表面粗糙度测量仪和超景深3D电子显微镜，对两种辅助磁极研磨试验前后的样品进行对比和分析。结果 添加球形辅助磁极研磨60 min，H63黄铜弯管内表面粗糙度Ra由原始的0.833 μm减小到0.238 μm，继续研磨15 min后，Ra降低到0.194 μm。添加球形开槽辅助磁极研磨60 min，H63黄铜弯管内表面粗糙度Ra由原始的0.834 μm减小到0.172 μm，继续研磨15 min后，Ra变为0.176 μm。球形开槽辅助磁极研磨加工弯管内表面，效率提高20%。结论 球形开槽辅助磁极磨削弯管内表面的轨迹为致密均匀的双螺旋线，能够避免球形辅助磁极研磨时产生的尖点效应。同时，该加工形式促进磁性研磨粒子滑擦弯管内壁时的动态翻滚更新，进而减缓切削刃钝化，缩短研磨时间，解决弯管内壁的原始缺陷问题。