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2021年, 第50卷, 第10期　
刊出日期：2021-10-20
  

  • 全选
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    专题——仿生材料表界面设计与制造
  • 人工关节与仿生软骨材料的表面改性及其摩擦学研究进展
    赵蔚祎, 赵晓铎, 张云雷, 麻拴红, 马正峰, 蔡美荣, 周峰
    表面技术. 2021, 50(10): 16-28, 39. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.002
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    对患有严重关节疾病的患者进行人工关节置换手术，是临床上有效的治疗方案。现有的人工关节及仿生软骨制作材料主要以金属、陶瓷、聚合物材料及强韧水凝胶等为主，然而在苛刻的关节负载摩擦剪切环境下，上述材料均面临着一个共性技术问题——表面磨损严重，进而影响其使用寿命。因此，利用表面改性技术和仿生学材料设计理念，制备具有“低摩擦-高承载-长耐磨”功能一体化的新型人工关节具有重要的实际意义和工程价值。首先总结了金属、陶瓷、聚合物基硬质人工关节材料的研究和发展历程，并阐述了不同表面改性技术在提升硬质人工关节材料表面润滑和抗磨性能方面的优势。进一步，详细介绍了近年来以水凝胶基材料为代表的新型仿生关节软骨润滑材料的最新研究进展，具体包括高性能本体水凝胶与水凝胶软骨材料的表面改性，从承载和抗磨角度，强调了仿生层状结构化水凝胶材料作为新型关节软骨替代物的潜在优势。此外，结合国际上生物润滑领域最新动态，系统概述了在天然骨组织和硬质人工关节材料表面键合水凝胶润滑涂层这一新兴研究方向。最后，从材料仿生学设计和表面水润滑改性两方面，提出了新型人工关节材料未来的研究重点和发展方向。
  • 仿生防冰表面研究进展
    赵一鉴, 燕则翔, 苏建民, 吕湘连, 何洋
    表面技术. 2021, 50(10): 29-39. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.003
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    飞机、风电设备和输电线路等覆冰会降低工作效率，造成财产损失，严重时甚至威胁人民生命安全。仿生防冰表面具有低能耗、低污染等优点，成为国际研究热点。首先概述了仿生防冰表面的概念，根据作用机理将仿生防冰表面分为超疏水表面和超润滑表面。分别详细地介绍了两种防冰表面的防冰机理、仿生对象及制备技术。超疏水表面改变水的润湿状态，延迟水滴结冰，减小冰粘附强度，其仿生对象包括荷叶、水稻叶等，其制备技术包括光刻、等离子刻蚀等自上而下方法，及喷涂、化学气相沉积等自下而上方法。超润滑表面将固-气-液界面作用时的空气层替换为液体层，增强润滑，减小冰粘附，其仿生对象包括猪笼草、箭蛙皮肤等，其制备技术主要为多孔制备方法。随后介绍了仿生防冰表面技术的发展趋势。在保证表面疏水/冰性能的同时，直接或间接增强表面的稳定性和耐久性，构建具有良好环境适应性(如超双疏、柔性、透明、自清洁等)与防冰结合的多功能融合表面，是未来仿生防冰表面的重要发展趋势。最后，对当前仿生防冰表面的发展和挑战进行了展望。
  • 仿蝉翼超疏水疏油玻璃防指纹特性研究
    王威, 余新泉, 张友法
    表面技术. 2021, 50(10): 40-47. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.004
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    目的 解决传统的全氟聚醚疏油防指纹涂层对提高触摸屏防指纹效果不明显的问题。方法 基于对蝉翼表面纳米阵列微观结构形貌的表征，通过金快速热退火模板法和反应离子刻蚀技术，制备了仿蝉翼超疏水疏油防指纹表面。基于指纹图像阈值算法和表面粗糙度因子模拟计算，评价分析了其防指纹特性。结果 仿蝉翼超疏水表面水接触角为(152±1)°，指纹油接触角为(118±2)°，十六烷接触角为(111±2)°，表面透光率为95.6%，展现出卓越的超疏水疏油特性和光学特性。同时，仿蝉翼超疏水疏油表面的抗指纹性相对于全氟聚醚改性平玻璃疏油表面提升了28.3%以上，表现出良好的防指纹特性。此外，按压指纹后的仿蝉翼超疏水疏油表面经过1次标准无纺布擦拭实验后，表面指纹率相对于擦拭前降低了40%，指纹降低率远高于改性平玻璃疏油表面，说明了其优异的指纹易擦洗特性。另外，经过20 min落砂实验后，仿蝉翼超疏水疏油表面仍然可以保持良好的抗指纹特性，说明其具有良好的耐机械磨损特性。结论 仿蝉翼超疏水疏油表面具有优异的超疏水疏油特性和光学特性，同时，表面致密的纳米阵列赋予了其良好的抗指纹特性。经测试发现，该表面具有优异的指纹易擦洗特性和机械耐久性，为未来防指纹玻璃的设计提供了新的思路。
  • NIR驱动MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面液滴定向输运
    钱晨露, 陈召川, 李强, 陈雪梅
    表面技术. 2021, 50(10): 48-56. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.005
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    目的 制备多壁碳纳米管(MWCNT)修饰的超滑聚酰亚胺(PI)光热响应膜表面，实现近红外光(NIR)驱动液滴定向输运。方法 基于静电纺丝结合喷涂法制备MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面，分别通过扫描电子显微镜、接触角测量仪、红外热成像仪表征样品的微观形貌、润湿特性及光热特性，分析液滴大小与润滑油黏度对液滴定向输运的影响规律，研究NIR驱动液滴在MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面定向输运的作用机理。结果 MWCNT修饰PI膜表面的疏水性提高，液滴静态接触角从115°增大至160°。NIR连续照射MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面90 s，表面温度的最大上升速率为42.6 ℃/s，表面最大温度达到123.6 ℃。通过NIR照射超滑PI纳米纤维膜表面，表面局部温度上升，产生润湿梯度力，驱动液滴在表面定向输运。液滴定向输运与润湿梯度力及粘滞阻力有关。超滑PI光热响应膜表面的润滑油黏度相同时，液滴体积越小，粘滞阻力越小，液滴定向输运的速度越快。5 mL液滴在润滑油黏度为0.65 mm2/s的超滑PI光热响应膜表面的运动速度最大，运动速度为1.64 mm/s。液滴体积相同时，超滑PI光热响应膜表面的润滑油黏度越大，液滴受到的润湿梯度力越小。5 mL液滴在润滑油黏度为100 mm2/s的超滑PI光热响应膜表面的润湿梯度力Fwet-grad最小，润湿梯度力为6.39×10?6 N。结论 MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面具有良好的光热效应，NIR可精准驱动单液滴及多液滴在表面的定向输运。
  • 仿生亲水微轨道-超疏水复合表面液滴可控定向引导研究
    刘洋, 张辉, 周彬, 董光能
    表面技术. 2021, 50(10): 57-65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.006
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    目的 实现液滴在超疏水表面定向可控滑动。方法 通过一种简单而有效的方法制备复合仿水稻叶亲水微轨道的超疏水表面。首先使用NaOH腐蚀铝合金表面形成微纳结构，然后浸泡硬脂酸溶液使得粗糙表面自生长硬脂酸超疏水层，最后使用纳秒激光系统去除局部超疏水层，形成用于引导液滴的仿水稻叶微轨道。利用超疏水表面的超强憎水特性及亲水微轨道的亲水性，得到水滴运动各向异性的微结构化表面。通过优化微轨道参数，改变液滴各向异性润湿及滑动特性。结果 随着相邻亲水微轨道间隔的减小，平行微轨道方向接触角也明显减小，液滴沿轨道方向的滑动阻力明显增加。当相邻微轨道间距为500 μm时，达到平行亲水微轨道方向和垂直亲水微轨道方向滑动角的差值超过50°，为液滴可控定向引导最佳间距。进一步提出了具有变密度亲水微轨道和曲线排列亲水微轨道的超疏水表面，其具有在特定单方向液滴可控引导的特性，并引导水滴沿微轨道聚集到亲水末端点。通过机理分析得出，液滴在复合表面的各向异性润湿和定向滑动，是由于超疏水表面和亲水微轨道之间的表面能性质差异，以及毛细作用引起的预润湿效应等。结论 本研究制备的复合亲水微轨道超疏水表面可实现液滴定向引导，在集水、水滴混合及污渍去除等领域具有应用潜力。
    • 研究综述
  • 填料增强先驱体转化法制备陶瓷涂层的研究进展
    李恩重, 郭伟玲, 徐滨士, 刘军, 于鹤龙
    表面技术. 2021, 50(10): 66-79. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.007
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    先驱体转化陶瓷法是一种原位制备陶瓷涂层的新型方法。在先驱体转化陶瓷法制备陶瓷涂层时，选择陶瓷产率较高的先驱体和添加填料是降低陶瓷涂层气孔率和收缩率的重要途径。填料在先驱体转化陶瓷法制备陶瓷涂层中起着重要作用，通过添加填料，可进一步提高陶瓷涂层的性能并扩展其功能特性。填料主要包括惰性填料、活性填料、熔融型填料和牺牲型填料4种。对比了4种填料的类型和特点，介绍了填料增强陶瓷涂层的作用机制和选取原则，综述了填料增强先驱体转化陶瓷法制备陶瓷涂层的研究现状。在裂解过程中，惰性填料的质量和体积均保持不变，可加入较高体积分数的惰性填料制备厚涂层;活性填料可与先驱体、裂解产生的小分子气体、保护气氛等反应，实现陶瓷涂层的近净成形;熔融型填料熔融后，填充到涂层空隙中，可提高涂层的致密化程度，消除基体和陶瓷涂层以及填料和先驱体之间由于热膨胀系数不匹配产生的应力;牺牲型填料分解后，形成孔状涂层，可控制陶瓷涂层中的应力，降低陶瓷涂层的有效弹性模量，增强陶瓷涂层的应变强度。针对陶瓷涂层的服役工况，选择合适的填料类型，确定填料的临界体积分数，揭示填料对陶瓷涂层组成、晶界结构、涂层致密化、裂纹缺陷及裂解反应过程的影响规律，研发新型裂解技术和工艺以控制先驱体转化为陶瓷涂层过程中产生的应力，是后续研究中需要重点关注的问题。
  • CrN基复合薄膜研究进展
    关晓艳, 赵美艳, 史镐荣, 王志新, 张留学
    表面技术. 2021, 50(10): 80-93. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.008
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    主要综述了CrN基多元复合薄膜、多层薄膜及多元多层复合薄膜的研究进展，详细叙述了多元复合、多层结构设计及多元多层复合设计对薄膜力学性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响，并重点阐述了薄膜的腐蚀机理及其耐磨损机制。指出了多元复合、多层结构设计和多元多层复合设计，均可一定程度上提高CrN薄膜的力学性能、耐磨损性能和耐腐蚀性能。一般而言，多元多层设计可通过非晶/纳米晶微观结构调控、晶粒细化、界面强化、提高致密度、降低内应力等，使复合薄膜呈现出优异的耐腐蚀和耐磨损性能。最后对CrN基复合薄膜的发展及应用前景进行了展望，表明CrN基复合薄膜将继续朝着多元多层复合化、纳米多层化及超晶格等方向发展，其制备技术也更加多元复合化。随着CrN基复合薄膜综合性能的不断提高，其应用领域也将更加广泛。
  • 碳纤维和芳纶纤维的蚀刻改性及其复合材料界面结合性能研究进展
    胡建海, 唐鋆磊, 李湉, 许亮亮, 林冰, 杨明君, 王莹莹, 黎红英, 张志恒
    表面技术. 2021, 50(10): 94-116. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.009
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    纤维作为复合材料中的增强体，在实现应力传递、承担外部载荷等方面发挥了重要作用。通常纤维与树脂基体的结合性能极大地取决于纤维表面的微观形貌和化学性质，其界面结合的强度则决定了复合材料的综合性能和应用范围。为了最大提升纤维材料与树脂基体的界面结合能力，在应用前需对纤维材料进行有效的表面改性处理。其中，蚀刻法同时涉及了纤维表面的物理变化和化学变化，具有高效的表面改性能力，能显著地改变纤维表面的物理化学性质。综述了表面蚀刻这一改性思路分别在碳纤维和芳纶纤维中的实际应用，针对两种纤维各自的性质，提出了酸性溶液蚀刻、有机溶液蚀刻、电化学阳极氧化、等离子体处理、微波辐射、超声波蚀刻等常用蚀刻改性方法，对各方法的优缺点和应用进行了讨论。总结并对比了蚀刻介质、蚀刻工艺对纤维表面微观形貌、化学性质、力学性能以及复合材料界面结合性能等方面的影响。讨论了当前纤维材料与树脂基体界面结合的机理与界面表征方法的研究现状。此外，还对未来的发展方向和要求进行了展望，提出应该聚焦纤维表面腐蚀行为，优化传统改性方法，开发多种方法协同作用的改性新工艺。同时基于现有技术，发展更为先进的界面表征手段，进一步加深对纤维表面腐蚀行为与复合材料界面性能之间影响机制的理解。
  • 金属-石墨烯复合涂层研究进展
    王翔, 吴王平, 黄佳琪, 江兰兰, 孙致平, 江鹏, 陈从平, 张屹, 宋新隆, 刘坤明, 产国宏, 郑国城
    表面技术. 2021, 50(10): 117-125, 139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.010
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    对石墨烯与各种材料的复合涂层进行了详细的介绍，主要包括金属-石墨烯复合涂层的制备方式、制备工艺、石墨烯的分散性以及石墨烯的添加对涂层性能的影响。电沉积、化学镀和电刷镀等制备方式都可以获得均匀致密的复合涂层，石墨烯的加入细化了涂层的晶粒，使涂层的微观形貌发生了一定的改变。石墨烯作为第二相粒子添加时，机械超声分散效果较差，一般通过添加表面活性剂再配合机械超声分散的方式来分散石墨烯，表面活性剂中的阴离子活性剂与阳离子活性剂配合使用分散效果较好。另外，还有一种保持石墨烯在溶液中浓度动态平衡的方法也有较好的效果。石墨烯作为第二相粒子加入金属涂层中，增强了金属涂层的导热、导电、耐磨、硬度和耐腐蚀等方面性能。最后，分析展望了金属与石墨烯复合涂层的发展趋势。
  • 石墨烯防腐涂层“腐蚀促进行为”解决策略的研究进展
    朱建康, 李爽, 张双红, 王良旺, 尹宗杰, 冯大成, 杨波
    表面技术. 2021, 50(10): 126-139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.011
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    石墨烯凭借其良好的力学性能、高的长径比以及优异的不可渗透性，在涂层防护领域得到了人们的广泛青睐。然而，由于石墨烯超高导电性引起的“腐蚀促进行为”，限制了其在防腐涂料领域的进一步发展。综述了石墨烯的腐蚀促进行为对涂层防腐性能的影响，以及解决石墨烯腐蚀促进行为的策略。首先，概述了石墨烯的结构特点及其在防腐涂料领域应用过程中存在“微电偶腐蚀”的问题;其次，从3个方面(改善涂层的屏蔽性能、增强涂层的力学性能、改善涂层的阴极保护作用)对石墨烯的防腐机理进行了阐述;最后，从石墨烯的导电性、电势以及氧还原催化活性等角度，对其腐蚀促进行为的机理进行了分析。针对石墨烯在防腐涂层领域应用过程中存在“微电偶腐蚀”的问题，重点归纳了石墨烯表面绝缘化，石墨烯面内掺杂N、B、F等原子、开发石墨烯富锌涂层，设计石墨烯基自修复功能涂层，以及寻找h-BN等类石墨烯结构的二维纳米材料等多种解决策略，并对以上所有解决策略的最新研究进展进行了全面的综述。最后，展望了石墨烯在防腐涂料领域的发展趋势及主要研究方向。
  • 物理气相沉积中等离子体参数表征的研究进展
    曲帅杰, 郭朝乾, 代明江, 杨昭, 林松盛, 王迪, 田甜, 石倩
    表面技术. 2021, 50(10): 140-146, 185. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.012
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    物理气相沉积作为制备表面防护薄膜的重要方法，一直是表面薄膜领域研究重点，而物理气相沉积中等离子体作为直接影响薄膜性能的关键因素，其参数的表征对优化沉积工艺和提高薄膜性能具有重要指导意义。概述了常用物理气相沉积方法及其发展，包括电弧离子镀、磁控溅射和电弧磁控复合技术的原理及发展历程。归纳了目前生产中常用的等离子体参数表征方法——Langmuir探针法、汤姆逊散射法、微波干涉法和发射光谱法，阐明了这些表征方法诊断等离子体参数的原理，分析了不同表征方法的优缺点和存在的主要问题，并对常用物理气相沉积中等离子体参数表征相关研究的发展和现状作了综合论述和总结，分别整理了电弧离子镀和磁控溅射中等离子体参数诊断的发展历程和近期研究。两种物理气相沉积方法最常用的等离子体参数表征方法都是Langmuir探针法和发射光谱法，早期的研究侧重于探索等离子体瞬态参数和薄膜结构性能的关系。随着现代技术的进步，早期诊断方法不断与新技术融合，研究方向也逐渐偏向于研究等离子体参数的时间变化和优化薄膜工艺、性能评价方法。最后分析了当前物理气相沉积中等离子体参数表征存在的问题和不足，展望了等离子体参数未来的研究趋势。
  • 类金刚石薄膜表面润湿调控研究综述
    孟可可, 张中一, 谭心
    表面技术. 2021, 50(10): 147-156. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.013
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    表面具有特殊润湿性特别是超疏水性的类金刚石薄膜，可满足在极端服役环境下(比如雨雪、潮湿环境中或者人体组织内)智能界面材料表面改性的需求。概述了类金刚石薄膜的生产工艺和性能优势及制备方法，介绍了具有特殊润湿性，特别是超疏水性的类金刚石薄膜的应用背景，同时提出了类金刚石薄膜表面润湿调控在理论和技术上的限制。在此基础上，阐述了类金刚石薄膜表面本征润湿性及与微观结构(包括杂化状态和短程或中程有序相团簇结构)间的关系。同时，基于经典的Wenzel和Cassie润湿理论，从表面化学组成和粗糙结构两个方面，重点论述了类金刚石薄膜表面润湿调控的方法及研究现状。通过等离子体表面处理、元素掺杂或者化学修饰改变DLC薄膜表面化学组成，实现DLC薄膜表面本征润湿改性。通过基体表面织构化或者薄膜表面形貌控制，构建DLC薄膜表面粗糙结构，控制界面润湿状态。二者共同作用可实现DLC薄膜表面润湿性在超亲水和超疏水之间变化。最后，总结并指出当前类金刚石薄膜表面润湿调控存在的一些关键科学问题，同时展望了未来的发展趋势。
    • 表面功能化
  • 月球车光伏玻璃表面微织构对月尘沉积量的影响
    薛玉君, 李嘉琪, 李航, 虞跨海
    表面技术. 2021, 50(10): 157-168, 229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.014
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    目的 减少月尘在光伏玻璃表面的沉积，提高光伏玻璃的自清洁性能，为月球车用太阳能光伏电池提供设计依据。方法 在光伏玻璃表面制备了形状规则、排布均匀的圆形、正方形和正六边形柱状凸起表面微织构。使用火山灰岩石制备模拟月尘颗粒来代替月尘进行试验。搭建月尘沉积试验系统，在不同工作角度、不同月尘量下，使用含有表面微织构的设计试样和不含表面微织构的对比试样进行月尘沉积试验。月尘沉积试验后，使用金相显微镜观察表面微织构试样和对比试样，统计月尘沉积量并进行比较分析。结果 不同工作角度以及不同月尘量下，3种结构形状的表面微织构均可以有效减少月尘在光伏玻璃表面的沉积，具有良好的自清洁性能。在工作角度为30°、45°、60°下，随着工作角度的增加，表面微织构的自清洁性能逐渐增加。工作角度为60°时，圆形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的21.74%，正方形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的26.92%，正六边形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的18.64%。在月尘量为3、5、7 g下，随着月尘量的增加，表面微织构的自清洁性能先增强后减弱。月尘量为5 g时，圆形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的26.71%，正方形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的26.43%，正六边形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的19.24%。3种结构形状的表面微织构中，正六边形表面微织构的自清洁性能最好，圆形表面微织构次之，正方形表面微织构最差。结论 通过在光伏玻璃表面制备出表面微织构，可以减少月尘在光伏玻璃表面的沉积，增强光伏玻璃的自清洁性能。
  • 前处理方式对壳核型Ag/SiO2电磁屏蔽涂层的影响
    闫家琦, 苏晓磊, 刘毅
    表面技术. 2021, 50(10): 169-176. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.015
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    目的 制备镀层密实均匀、不易脱落、与树脂结合性好的壳核型Ag/SiO2导电粉体，以获得性能优异的Ag/SiO2电磁屏蔽涂层。方法 分别使用敏化、偶联剂改性、高分子表面包覆前处理方式，以葡萄糖作还原剂，氨水作Ag+络合剂，进行化学镀银，制备Ag/SiO2微珠。测试了复合粉体的导电性能，并结合试验现象，分析了前处理反应机理和银层生长机理。采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪，对不同前处理方式的Ag/SiO2微珠结构进行表征与验证。用不同前处理方式制备的Ag/SiO2微珠为填料，不饱和聚酯树脂为基体，制备导电涂层，研究不同Ag/SiO2微珠与涂层的结合性能以及填料含量对涂层导电性能的影响。结果 采用敏化前处理法所制备的Ag/SiO2微珠银层均匀、密实、无脱落，明显优于其他两种前处理方式，其压实电阻可低至144.04 mΩ，并且Ag/SiO2微珠填料添加量在80%时，可形成最优的导电通路，体积电阻率低至0.0051 Ω.cm，电磁波频率8.2~12.4 GHz下的电磁屏蔽效能可达到51.9 dB。结论 采用敏化法前处理玻璃微珠表面可镀覆出质量优异的银层，且在树脂体系中导电性能好，可作为优质的电磁屏蔽剂制备导电涂层。
  • 镀银粉煤灰制备及其在柔性导电膜中的应用
    周瑞华, 李月霞, 行琳, 张耀文, 王艳芳, 张志毅
    表面技术. 2021, 50(10): 177-185. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.016
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    目的 在粉煤灰表面镀银，以优化粉煤灰在柔性基体中的润湿性，提高其与柔性基体之间的界面结合力。方法 首先对粉煤灰进行高温碱洗、粗化、敏化和活化预处理，随后进行化学镀银，通过研究镀液中硝酸银、氨水和甲醛用量等工艺参数，获得导电性能优异且镀层致密、均匀的镀银粉煤灰(简称Ag/FA)粉末。最后将导电性最佳的Ag/FA粉末作为中间填料，以液体硅橡胶为柔性基体，二甲苯为溶剂，制备三明治结构柔性导电膜。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射仪(XRD)以及电阻率测试仪等设备，对不同影响因素下Ag/FA粉末与柔性导电膜的微观形貌、组成和导电性进行表征。结果 研究结果显示，粉煤灰镀银最佳配方为:硝酸银10 g/L，氨水40 mL/L，甲醛40 mL/L，温度30 ℃，时间30 min。该工艺条件下，Ag/FA粉末的体积电阻率可达4.68×10?4 Ω.cm。当Ag/FA粉末在柔性硅胶膜中的质量分数为7.69%时，即可形成完整的导电通路;继续增加至25%时，三明治结构柔性导电膜的导电性优异，体积电阻率可达2.65×10?3 Ω.cm，可反复折叠、弯曲和拉伸。结论 采用简单的化学镀银工艺可使粉煤灰表面导电功能化，改善其与柔性聚合物材料之间的结合力，开拓功能化粉煤灰在电磁屏蔽和柔性电子材料领域的应用。
  • 真空退火对氧化石墨烯纸的还原特性研究
    王兰喜, 何延春, 卯江江, 左华平, 王虎, 王艺, 胡汉军, 刘兴光, 张凯锋, 周晖
    表面技术. 2021, 50(10): 186-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.017
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    目的 获得真空退火对氧化石墨烯纸的还原特性，为制备石墨烯纸柔性功能材料提供有效的还原方法。方法 通过不同温度真空退火对氧化石墨烯纸进行还原。利用X射线光电子能谱仪分析还原氧化石墨烯纸中的含氧基团及其含量，利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪和扫描电子显微镜表征还原氧化石墨烯纸的晶体质量，利用高阻计和四探针测试还原氧化石墨烯纸的电阻率。研究了真空退火还原氧化石墨烯纸中含氧基团、晶体质量和电阻率随退火温度的演化规律。结果 200 ℃真空退火可有效去除氧化石墨烯纸中的主要含氧基团——环氧基，使氧化石墨烯纸的电阻率大幅下降;600 ℃以下真空退火主要以含氧基团相互作用形成羰基，并形成原子空位缺陷;600~1000 ℃真空退火主要去除缺陷边缘的羰基和羧基，侵蚀原子空位形成较大的孔洞，使晶体质量变差;1200 ℃真空退火能够使石墨烯重结晶，同时修复缺陷，促进sp2结构的恢复，但仍残留少量含氧基团不易去除，晶体质量和电阻率与石墨比较也存在一定的差距。结论 真空退火是一种还原氧化石墨烯纸的有效方法，退火温度在1000 ℃以上具有良好的还原特性。为了获得深度还原的氧化石墨烯纸，需要进一步提高真空退火温度或发展较低温度下氧化石墨烯纸的增强还原方法。
  • pH响应性聚合物抗菌涂层的制备及性能研究
    罗静, 戴苗, 刘晓亚, 李小杰
    表面技术. 2021, 50(10): 194-204, 278. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.018
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    目的 制备一种具有pH响应性的智能聚合物抗菌涂层，能按需实现涂层从防污到杀菌功能的转换。方法 以季铵盐甲基丙烯酰氧乙基二甲基辛烷基溴化铵(DMAEMA-8C)、对-(2-甲基丙烯氧乙氧基)苯甲醛(MAEBA)和甲基丙烯酸异辛酯(EHA)作为共聚单体，通过自由基聚合制备了一种季铵盐聚合物PMQE-CHO，并将其利用浸涂技术在不锈钢316L(SS)表面制备季铵盐聚合物涂层SS-PMQE-CHO。随后，使用PEG-NH2对季铵盐涂层SS-PMQE-CHO表面进行接枝改性，得到pH响应性聚合物涂层SS-PMQE-PEG。对涂层的基本性能进行了表征。通过大肠杆菌和荧光素偶联的牛血清白蛋白(FITC-BSA)的附着力测试，评估涂层的防污和抗菌性能。利用抗菌实验表征涂层在不同pH条件下的抗菌效果。进行体外细胞毒性分析和溶血试验，评估涂层的生物相容性。结果 涂层结构致密规整、机械性能优异，具有良好的生物相容性和低溶血率，并且可以有效地防止BSA和大肠杆菌的粘附。在菌液里培养10 h后，涂层SS-PMQE-PEG-30和SS-PMQE-PEG-40表面的细菌与SS表面的细菌相比，分别减少了94%和96%。此时，PEG显示出有效的防污作用。在菌液里培养24 h后，菌液的pH值降低。涂层SS-PMQE-PEG-30和SS-PMQE-PEG-40的功能从防污转化为杀菌，杀菌效率分别为93%和92%。即使是在PBS中浸泡两周后，涂层仍呈现出良好的功能转化性能。结论 在正常条件下，涂层SS-PMQE-PEG中的PEG可以有效抵抗蛋白质和细菌的粘附。当涂层附近的微环境变为弱酸性时，席夫碱键发生断裂，此时涂层底部的杀菌层暴露出来，以杀死细菌并抑制感染的发生。
    • 摩擦磨损与润滑
  • Ni3Al合金蜂窝的制备及微观组织演变规律
    王志广, 孙小明, 杜令忠, 兰昊, 黄传兵, 张伟刚
    表面技术. 2021, 50(10): 205-213. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.019
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    目的 研究Ni-Al扩散偶在热扩散过程中的微观组织演变规律，提出Ni3Al合金蜂窝形成的模型。方法 采用电镀技术在易加工的Al蜂窝表面电镀一定厚度的Ni，研究热扩散温度和时间对Ni-Al扩散偶组织结构的影响。采用X射线衍射仪对Ni-Al扩散偶进行物相分析;通过扫描电镜技术对Ni-Al扩散偶截面进行形貌及能谱分析，推测微观组织演变规律。结果 热扩散温度为500 ℃时，随着热扩散时间的延长，Ni-Al界面处首先出现NiAl3，然后消失，最终形成以Ni2Al3为扩散层主体、NiAl和Ni3Al为过渡层的多层实心结构;热扩散温度为700、1100 ℃时，Ni-Al扩散偶会分别形成以Ni2Al3、NiAl为内芯，纯Ni为外壳，并以NiAl、Ni3Al薄层过渡的多层中空结构;热扩散温度为1300 ℃时，随着扩散时间的延长，Al相夹心层从Al、NiAl3、Ni2Al3三相混合结构依次转化为成分均一的单相Ni2Al3和NiAl结构，扩散时间继续延长，Ni层随之耗尽，Ni-Al扩散偶最终形成以γ′-Ni3Al为强化相的Ni-Al合金。结论 Ni-Al固相扩散反应过程中，随热处理温度的提升，Al原子发生了明显的外扩散。Ni-Al液固扩散反应过程中，随热处理时间的延长，Ni原子发生了明显的内扩散。在1300 ℃热扩散1 h的条件下，能成功制备Ni3Al基合金蜂窝壁。
  • 局部凹坑织构化径向滑动轴承流体动力润滑数值分析
    纪敬虎, 周莹超, 田朋霖, 陈天阳, 何玉洋
    表面技术. 2021, 50(10): 214-220, 278. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.020
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    目的 探究局部凹坑织构化表面对径向滑动轴承流体动力润滑的影响。方法 基于雷诺边界条件和Reynolds方程，建立凹坑织构化径向滑动轴承表面流体动力润滑理论模型，采用Gauss-Seidel松弛迭代方法数值求解，获得润滑油膜的压力分布和承载能力，分析其润滑油膜承载机制，探讨凹坑几何参数和分布规律对油膜承载力的影响规律。结果 理论模型的数值解与经典理论的数值解误差较小，能有效分析轴承的流体动压润滑特性。当偏心率较大时，摩擦力的上升幅度也变大，在轴承承载区进行凹坑织构化处理能明显减小摩擦力，并且随着凹坑深度的增大，摩擦力减小，可见凹坑起润滑减摩的作用。油膜承载力随着偏心率的增大而增大，通过凹坑织构的“楔形效应”能够改善非承载区的油膜压力，存在最佳凹坑深度使得轴承达到流体动力润滑最佳状态。摩擦力随着面积率的增大而增大，特别是在偏心率较大时，润滑减摩效果较为明显，面积率对油膜承载力影响不大。将织构布置在径向滑动轴承的不同区域，其中当织构完全在下半瓦(压降区)时，织构能明显增大油膜厚度，产生油膜压力，有效降低摩擦力，提升承载力。结论 凹坑织构能明显改善径向滑动轴承流体动力润滑性能，合理设计轴承的偏心率，合适的织构参数与分布位置，能使流体动力润滑效果最佳。
  • 石英与长石对搪瓷涂层组织和摩擦磨损性能的影响
    李翠霞, 杨晓永, 瞿学炜, 李文生, 孙永江, 赵久霆
    表面技术. 2021, 50(10): 221-229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.021
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    目的 通过等比例添加石英与长石，提高低碳钢搪瓷涂层的摩擦磨损性能。方法 采用一次浸搪法在Q235低碳钢表面制备等比例添加石英与长石的搪瓷涂层。采用SEM、HSR-2M型高速往复摩擦试验机，研究了不同石英与长石添加量的搪瓷涂层的组织形貌及摩擦磨损性能。结果 未添加石英与长石的搪瓷涂层硬度高、韧性差，且大气孔对裂纹形核扩展阻力小，摩擦时气孔边缘易脆性断裂。随着石英与长石添加量的增加，致使烧结体系的熔点和黏度降低，气孔形核位点增多，促进熔体扩散和气体排出，表层韧性和塑性提高，且小尺寸气孔阻碍裂纹扩展，磨屑填充气孔形成转移膜，显著降低了涂层脆性断裂倾向，发生轻微磨粒磨损和粘着磨损。然而当长石添加量过多(6%)时，Na2O的断网作用明显，致使更多Si─O键断裂，降低小气孔对裂纹扩展的阻力，因而导致涂层的耐磨性变差。结论 等比例添加石英与长石可降低涂层气孔率、提高涂层韧性，进而提高涂层的摩擦磨损性能。
  • nc-(Ti,Al)(C,N)/a-SiNx纳米复合薄膜的制备及性能研究
    陈强, 张而耕, 周琼, 黄彪, 梁丹丹, 韩生, 李耀东
    表面技术. 2021, 50(10): 230-238. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.022
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    目的 研究Si、C单元素掺杂及其共同掺杂TiAlN涂层对涂层性能的影响。方法 基于阴极电弧+辉光放电技术，在SUS304不锈钢基体及硬质合金刀具上分别制备nc-(Ti,Al)N、nc-(Ti,Al)N/a-SiNx、nc-TiAlCN及nc-TiAlCN/a-SiNx/a-C纳米复合薄膜，通过SEM观察涂层的微观组织形貌，并借助EDS表征涂层的元素成分，用XRD分析涂层的物相构成，探究C、Si元素对涂层生长的影响。采用纳米硬度仪测试涂层的硬度，采用二维轮廓仪及三维形貌仪表征涂层的表面粗糙度及表面形貌，通过滑动摩擦磨损试验测定涂层的耐磨性，用纳米划痕仪表征涂层的摩擦系数及涂层与基体的结合强度，用铣削实验表征涂层的切削性能。结果 该技术制备的TiAlN涂层，内部晶相结构复杂，硬度为29.57 GPa，主要归因于Ti2AlN、Ti2N等硬质相及TiN0.3相的形成降低了涂层的晶格常数。此为首次报道通过物理气相沉积方法制备含TiN0.3相的涂层。TiAlSiN涂层的硬度最高，为37.69 GPa，且耐磨性最好，主要原因是Si的添加起到了细晶强化和晶界强化的作用。C掺杂TiAlN使涂层析出更多非晶相，涂层硬度降低。C、Si元素共同掺杂，使得nc-TiAlCN/a-SiNx/a-C涂层表现出较低的摩擦系数及表面粗糙度，但与基体的结合性能最差，nc-(Ti,Al)N/a-SiNx薄膜的结合强度最好。结论 涂层均提高了基体表面的显微硬度，Si、C元素的掺杂可使涂层的某些性能得以大幅提升，但在实际应用中，还需根据应用需求选择合适的涂层。
  • 表面毛化对巴氏合金MIG堆焊层界面组织及结合强度的影响
    阙铭鑫, 柏兴旺, 周祥曼, 张海鸥
    表面技术. 2021, 50(10): 239-245. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.023
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    目的 利用MIG焊在表面毛化处理的Q235钢基体上堆焊SnSb11Cu6合金，研究表面毛化作用对界面组织及结合强度的影响。方法 设计毛化形貌分别为直槽和网格槽的毛化形式，槽深分别为0.15、0.3 mm，槽间距分别为1、1.5 mm，采用MIG焊方法在毛化钢基板上堆焊巴氏合金。利用X射线衍射仪分析巴氏合金堆焊层的组织成分。利用金相显微镜、扫描电镜和X射线能谱仪表征巴氏合金堆焊层的界面组织、微观形貌和元素分布。利用电子万能试验机、体视显微镜检测巴氏合金与钢基体间的结合强度以及润湿角。结果 毛化处理虽然会降低巴氏合金与钢基体的浸润性，但是增加了巴氏合金与钢基体间的接触面积;毛化凹槽中嵌合部分巴氏合金，使基体与合金层之间产生机械咬合作用;毛化轮廓边缘的材料易于熔化，从而促进了界面反应。以上因素的共同作用下，巴氏合金与钢基板之间的结合强度由无毛化试样的39.67 MPa提升至毛化试样的50.14 MPa。虽然网格槽毛化试样可以获得比直槽毛化试样更大的接触面积，但增强了毛化轮廓峰对三相线位移产生的钉扎作用，巴氏合金在网格槽毛化基体表面的浸润性更差，使得不同毛化参数试样的结合强度变化不大。结论 通过增加接触面积、生成金属间化合物以及机械咬合等因素共同作用，毛化处理可以有效提升巴氏合金与钢基体之间的结合强度。
  • 镧化合物对煤间接液化柴油碳烟颗粒摩擦学特性的影响
    刘天霞, 秦建, 康凯, 王建
    表面技术. 2021, 50(10): 246-254. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.024
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    目的 研究镧化合物对含煤间接液化柴油碳烟润滑油摩擦磨损性能的影响。方法 利用四球长时摩擦磨损试验机，分别考察不同浓度氟化镧(LaF3)和氧化镧(La2O3)对含煤间接液化柴油碳烟(Fischer-Tropsch synthesis diesel soot，F-T DS)与0#柴油碳烟(Diesel soot，DS)白油的润滑性能的影响，利用多功能万能工具显微镜、扫描电镜与能谱、X射线光电子能谱等仪器对磨斑直径、结构、形貌、组成及元素价态进行表征。结果 在含F-T DS白油体系中，添加0.4%(质量分数)镧化合物LaF3或La2O3时，减摩抗磨效果最优，平均摩擦系数(AFC)分别为0.070、0.058，较未添加时(0.094)分别下降25.5%和38.3%，平均磨斑直径(AWSD)分别为0.4318、0.4207 mm，较未添加时减少了33.6%和35.2%。在含DS白油体系中，添加0.6% 镧化合物LaF3或La2O3时，减摩效果最佳，AFC分别下降11%和16%;添加0.8% 镧化合物时，抗磨效果最优，AWSD降幅分别为24.8%和33.7%，La2O3抗磨效果优于LaF3。结论 添加少量镧化合物可以改善含F-T DS与DS白油的减摩抗磨效果。其减摩抗磨机理可能是，通过形成转移膜，或在摩擦进程中添加剂吸附在接触表面形成镧系边界润滑保护膜，改善了润滑状态，起到了减摩抗磨作用。
  • 表面粗糙峰坐标点云重构的金属-橡胶接触分析
    邹龙庆, 黄聪聪, 付海龙, 王玥
    表面技术. 2021, 50(10): 255-262. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.025
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    目的 通过金属-橡胶微观接触面粗糙峰坐标点云重构，建立外部载荷与接触面积、微观接触状态之间的联系。方法 基于粗糙表面的自相关函数和高斯分布函数，获得金属-橡胶粗糙接触面数据点云坐标，利用ANSYS APDL方法，建立金属-橡胶接触模型，对两种表面粗糙度(分别为1.6 μm和3.2 μm)的4种接触情形进行有限元接触分析，确定模型的可靠性。结果 随着外部载荷的增加，经数据点云重构后的粗糙表面，其接触面积呈非线性增加。载荷较小时，外加载荷每增加0.1 MPa，接触面积增加约6%;大载荷时，外加载荷每增加0.1 MPa，接触面积增加约1.5%。接触状态中，滑移占比为12%左右，近场和粘着呈完全相反的变化趋势。结论 随着外加载荷的增加，界面的真实接触面积呈幂指关系增加。同一载荷下，真实接触面积随表面粗糙度的增加而减小;随着外加载荷的增加，界面间的接触状态由近场接触向粘着接触转变。接触面积和粘着状态是界面间磨损粒子的分布范围和大小的确定因素，对于准确描述载荷传递和随之发生的磨损过程有着重要意义。根据橡胶表面的应力分布和变形情况，解释了粘着接触状态促使橡胶一侧微凸体脱落成为磨损颗粒，证明磨粒磨损是刚柔接触界面的主要磨损形式。
  • 氩气流量对非晶碳膜结构及力学和摩擦学性能的影响
    冯兴国, 周晖, 张延帅, 郑宇, 张凯锋, 汪科良, 杨拉毛草, 张宝荣, 赵志勇, 郑军, 刘兴光, 郑玉刚
    表面技术. 2021, 50(10): 263-269. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.026
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    目的 提升9Cr18不锈钢表面的耐磨损性能。方法 在不同氩气流量条件下，采用激光引弧磁过滤阴极电弧离子镀制备非晶碳膜。利用拉曼光谱、X射线光电子能谱仪(XPS)和原子力显微镜(AFM)表征薄膜的微观结构和化学态。利用薄膜综合性能测试仪和大气球-盘摩擦试验机，测试薄膜的力学性能和摩擦学性能。结果 拉曼光谱分析表明，随着氩气流量从0 mL/min增大到80 mL/min，ID/IG值从0.62逐渐增大到2.84，而G峰的半高宽随着氩气流量的增大而降低。XPS分析表明，随着氩气流量的增加，薄膜中sp3杂化键含量逐渐降低，氩气流量为0 mL/min时，sp3杂化键的原子数分数为55.1%，氩气流量为80 mL/min时，sp3杂化键的原子数分数降低至31.0%。氩气流量为0 mL/min时，制备的薄膜硬度和弹性模量最大，分别为46.4 GPa和380.5 GPa。不同氩气流量制备的薄膜，其摩擦系数为0.1~0.2，薄膜的磨损率随着氩气流量的增加而增大。结论 氩气流量对非晶碳膜的耐磨性能具有显著的影响，氩气流量为0 mL/min时，所制备的薄膜的磨损率为3.8×10–17 m3/(m.N)，相较氩气流量为80 mL/min时所制备薄膜的磨损率(1.1×10–16m3/(m.N))降低了1个数量级，说明其具有优异的耐磨损性能。
    • 腐蚀与防护
  • 不同强度恒定磁场下杂色曲霉对PCB-Cu腐蚀行为的影响
    陈娜娜, 王吉瑞, 刘璇, 易盼, 宋嘉良, 白子恒, 刘倩倩, 冯亚丽, 黄一中, 肖葵
    表面技术. 2021, 50(10): 270-278. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.027
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    目的 研究不同强度恒定磁场下杂色曲霉对PCB-Cu的腐蚀行为与机理。方法 对PCB-Cu试样表面喷涂孢子悬浮液，沿垂直于试样表面方向分别施加不同恒定强度的磁场。采用3D共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、拉曼光谱仪，研究杂色曲霉的生长状况，分析表面腐蚀形态和产物组成。采用扫描开尔文探针(SKP)测试分析PCB-Cu上的表面电势变化。结果 通过观察表面形貌可以明显看出，无磁场组霉菌生命活动更旺盛，并且磁场强度越高，对霉菌生长的抑制作用越强，这使得霉菌孢子数量减少、生长状况变差。磁场影响霉菌生长和腐蚀性离子的迁移，在恒定强度为15 mT时，出现腐蚀拐点。通过对腐蚀产物的成分进行测定，表明腐蚀产物成分存在不同，无磁场区比磁场区的O、Cl含量更高。结论 磁场主要通过影响霉菌生长对PCB-Cu的腐蚀起到抑制作用，但是磁场也会影响离子的迁移，进而加速电化学腐蚀，在磁场强度为15 mT时，腐蚀程度最轻微。无磁场的腐蚀产物主要由CuO、少量的Cu2O和铜的氯化物组成，施加磁场后，CuO和铜的氯化物成为主要腐蚀产物。
  • 高速列车车轴用EA4T钢腐蚀疲劳性能研究
    张浩楠, 张继旺, 李行, 卢琪, 朱守东
    表面技术. 2021, 50(10): 279-285, 300. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.028
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    目的 研究腐蚀环境中EA4T车轴钢疲劳性能，为车轴的腐蚀检测和使用寿命评估提供依据。方法 采用旋转弯曲疲劳试验机，在人造雨水模拟的腐蚀环境和空气环境中，对EA4T车轴钢试样进行疲劳试验，以获得不同环境下试样的疲劳S-N曲线、表面损伤以及裂纹扩展规律。然后对扩展裂纹进行概率统计，通过扫描电镜对疲劳失效的断口进行观察，并分析对比不同环境中裂纹扩展门槛值的变化。结果 空气环境中，试样的疲劳极限为355 MPa，而在腐蚀环境中，试样不存在疲劳极限，107循环周次对应的疲劳强度降低到245 MPa，相比空气环境中降低了31%。Gumbel分布统计与Weibull双参数分布统计相比，更适合描述EA4T车轴钢试样表面腐蚀裂纹长度随加载次数的变化。腐蚀环境中，疲劳裂纹萌生于表面腐蚀坑，并存在多个裂纹源。腐蚀环境显著降低了试样裂纹扩展门槛值，空气环境下，该值为6.29 MPa.m1/2，腐蚀环境下降低到4.1 MPa.m1/2。结论 腐蚀环境降低EA4T钢疲劳寿命的主要原因是，腐蚀环境降低了裂纹扩展门槛值，加快了裂纹萌生以及短裂纹扩展。而当裂纹达到一定长度时，腐蚀环境对裂纹扩展几乎没有影响。
  • 全氢罩式退火冷轧带钢的表面氧化色研究
    曲晓帅, 唐正友, 冯运动, 邹宇明, 丁桦
    表面技术. 2021, 50(10): 286-292. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.029
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    目的 探究全氢罩式退火条件下，冷轧带钢表面氧化色的形成原因及影响因素，为优化全氢罩式退火工艺和消除实际生产中带钢的表面氧化色提供理论基础和实践指导。方法 使用全氢罩式退火炉研究了试验钢成分和退火温度对其表面氧化色的影响。使用X射线光电子能谱仪(XPS)，并结合扫描电子显微镜(SEM)和能量分散谱仪(EDS)，对试验钢表面氧化色的成分和微观形貌进行了表征。结果 退火后产生氧化色的试验钢表面附着有大量直径为100~300 nm的颗粒状氧化物，其组成主要为Mn2O3、MnO、SiO2/SiOx等。这些颗粒状氧化物使试验钢表面在宏观下呈浅蓝色。随退火温度从570 ℃升高到585 ℃，36Mn和50Mn钢产生氧化色钢卷的比例分别从1.69%和21.9%上升至6.27%和53.1%;17Mn和25Mn钢在570 ℃至585 ℃之间退火，不产生氧化色，当退火温度提高到660 ℃时，全部产生氧化色。结论 带钢产生表面氧化色的主要原因是，在退火过程中，发生了合金元素的表面富集和选择性氧化。在退火过程中，没有发生Fe的氧化。退火温度和Mn含量对氧化色的产生有显著影响，退火温度和Mn含量越高，越易产生表面氧化色。
  • PS-PVD制备锆酸钆热障涂层及其性能研究
    付朗, 毛杰, 邓子谦, 邓春明, 刘敏, 曾德长
    表面技术. 2021, 50(10): 293-300. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.030
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    目的 采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺制备出柱状结构完整、力学性能优异的锆酸钆热障涂层。方法 以纳米团聚的8YSZ、Gd2Zr2O7(GZO)及(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7(GYbZ)粉末为原料，采用PS-PVD工艺在镍基高温合金表面分别制备单层GZO涂层、GZO/YSZ双层结构涂层及GYbZ/YSZ双层结构涂层。采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析等检测手段，表征了热障涂层的相组成、微观结构及化学成分变化。采用纳米压痕试验仪测试了涂层的力学性能。采用电子万能试验机测试涂层的结合强度。结果 GZO涂层与GYbZ涂层均为缺陷萤石相，涂层均呈现典型的羽毛柱状结构，且柱晶间隙存在大量的未熔粒子。在制备过程中，单层GZO涂层便出现了剥落，双陶瓷层结构中的GZO涂层未剥落但内部存在大量微裂纹，而Yb掺杂的GZO涂层((Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7，GYbZ)内无裂纹存在;和GZO涂层相比，GYbZ涂层具有更高的硬度(5.4 GPa)、杨氏模量(111.6 GPa)和结合强度(41.3 MPa)。结论 采用现有的PS-PVD工艺参数，成功制备出柱状结构的单层GZO涂层、GZO/YSZ及GYbZ/YSZ双陶瓷层热障涂层，YSZ作为中间过渡层能改善GZO涂层与粘结层的热膨胀不匹配，而Yb元素的加入，可以有效提高GZO涂层的硬度和结合强度，但同时也会造成涂层的杨氏模量升高。
  • 不同循环周期Cr/NiCrN多层涂层腐蚀磨损行为
    杨英, 王芳, 巫业栋, 张宝荣, 赵志勇, 郑军
    表面技术. 2021, 50(10): 301-308, 383. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.031
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    目的 在低碳钢表面制备硬质涂层，以提高其腐蚀磨损性能。方法 使用电弧离子镀制备技术在低碳钢基体(42CrMo)表面沉积Cr/NiCrN多层涂层，在保持涂层厚度基本一致的前提下，通过改变子层沉积时间来调控涂层循环周期(分别为1、5、10、15)。通过扫描电子显微镜及X射线衍射仪研究涂层的微观组织结构，并利用洛氏、维氏硬度计以及自制的腐蚀磨损试验机分别评价涂层的力学性能及腐蚀磨损性能。结果 不同循环周期下，Cr/NiCrN多层涂层物相组成基本相同，主要包括Ni和Cr金属相、CrN陶瓷相以及少量Cr2N相。随着循环周期从1增加至15，涂层的结合强度提高，显微硬度从882HK0.025逐渐上升为964HK0.025。经过磨损、腐蚀16 h后，4种涂层试样的磨损、腐蚀失重分别占腐蚀磨损失重的12%~14%和61%~77%，其中，循环周期为15的Cr/NiCrN多层涂层显示出最佳的腐蚀、磨损及腐蚀磨损性能。结论 由于多层涂层具有“自愈”作用，能显著减少贯穿性腐蚀通道的数量，同时Cr-NiCrN界面的存在起到了增强、增韧和延长腐蚀介质传输路径的作用，因此随着循环周期的增加，涂层的腐蚀磨损性能提高。此外，涂层在腐蚀磨损过程中还存在一定的交互作用。
  • 超声铣削对镁合金在模拟体液中腐蚀性能的影响
    李甜, 马保吉, 边建潇, 屈锋, 程杰
    表面技术. 2021, 50(10): 309-321. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.032
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    目的 研究超声振动铣削加工参数对镁合金(AZ31B)腐蚀性能的影响规律，降低表面粗糙度，提高耐蚀性。方法 基于响应曲面法(RSM)的中心复合试验(CCD)，对镁合金进行超声铣削试验，并在模拟体液(PBS)中进行电化学腐蚀试验。试验建立了工艺参数(主轴转速 、进给量 、铣削深度 和振幅 )和响应目标(表面粗糙度 、表面硬度 和腐蚀速率 )之间的预测模型，之后对模型进行显著性分析，并探讨了4个因素与3个响应之间的变化规律，确定了最佳工艺参数组合。结果 通过方差分析 、 和 的回归模型，发现其对应的F值分别为11.45、9.20和9.58，均大于2.424，P值均小于0.0001，因此对于 、 和 ，影响最大的因素分别为 、 和 。超声铣削工艺参数对 的影响次序为 ，对 影响最大的因素为 ，对 影响最大的因素为 ，通过分析超声铣削4因素与3响应之间的影响规律，得到不同参数下较为一致的表面粗糙度与腐蚀速率的变化曲线，且随振幅的增大， 值增大。通过验证试验，得到最佳工艺条件下 和 的预测值与试验值的误差均小于5%， 的误差小于15%。结论 、 和 的预测模型精度较高，可作为其相应的预测模型。超声铣削的4个工艺参数中，对 影响最大的因素为 ，对 影响最大的因素为 ，对 影响最大的因素为 。镁合金的腐蚀性能与表面粗糙度的变化规律密切相关，振幅增大导致表面粗糙度增大，加剧了已加工表面的腐蚀。 、 和 的预测值与试验值的一致性较好。
  • 改性纳米SiO2/环氧树脂杂化涂层对镁合金耐腐蚀性能的影响
    赵碧芳, 邹德宁, 佟立波
    表面技术. 2021, 50(10): 322-329, 336. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.033
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    目的 研究硅烷改性纳米SiO2/EP(epoxy resin)杂化涂层对镁合金的腐蚀防护作用及其长效服役性。方法 使用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)改性纳米SiO2，利用旋涂法在Mg-6.0Zn-0.5Ca-0.6Zr(质量分数)合金表面制备纳米SiO2/EP复合防护涂层。借助扫描电镜(SEM)观测涂层表面及断面形貌，使用原子力显微镜(AFM)表征涂层表面的三维形貌，采用红外衰减全反射光谱仪(ATR-FIIR)分析涂层的化学成分。通过电化学测试研究复合涂层对腐蚀介质的阻隔作用，以及对镁合金试样耐腐蚀性能的影响。结果 纳米SiO2/EP复合涂层内部形成了致密的三维网络状结构，具有良好的致密性。由极化曲线得，涂覆复合涂层的镁合金试样的自腐蚀电流密度由1.31×10?5 A/cm2降低到了2.40×10?9 A/cm2，减小了4个数量级;腐蚀速率由1.61 mm/a降低到1.32×10?5 mm/a，减小了5个数量级，表明SiO2与EP之间强烈的交互作用使涂层具有优异的阻挡作用，有效地改善了镁合金试样的耐蚀性能。由涂层长效服役性看，SiO2/EP涂层在3.5%NaCl溶液里浸泡336 h后，没有出现腐蚀介质在涂层内部扩散的情况。结论 SiO2/EP杂化涂层显著提高了镁合金试样的耐蚀性能，其致密的三维网络状结构有效地阻隔了H2O、Cl?等腐蚀介质在涂层内部的扩散。
  • 两种水性聚氨酯涂层在3种加速老化试验中的性能对比
    张晨, 朱占勃, 赵景茂
    表面技术. 2021, 50(10): 330-336. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.034
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    目的 研究目前水性涂料中两种应用广泛的水性脂肪族聚氨酯涂层与水性丙烯酸聚氨酯涂层的耐候性与防腐性能的差异，探讨加速老化方法对涂层性能的影响。方法 利用3种加速老化试验(中性盐雾、紫外-冷凝以及中性盐雾-紫外冷凝循环试验)对涂层进行240 d的加速老化。通过涂层的失光率、色差以及红外吸收光谱变化，研究涂层老化情况。利用交流阻抗法判断涂层防腐性能强弱，分析两种涂层体系在不同加速老化试验中的性能变化。结果 在各加速老化试验条件下，水性脂肪族聚氨酯涂层相比于水性丙烯酸聚氨酯涂层，失光率与色差变化小，阻抗下降较少，涂层基体官能团分解程度小，说明水性脂肪族聚氨酯涂层老化程度小，防腐性能更好。3种老化加速试验对涂层阻抗影响顺序为:中性盐雾试验>循环试验>紫外-冷凝试验。对涂层色差、失光率影响顺序为:紫外-冷凝试验>循环试验、中性盐雾试验。结论 连续的盐雾渗透对涂层的防腐屏蔽性能影响最严重。紫外线对涂层官能团分解具有加速作用，是涂层老化的主要原因。水性脂肪族聚氨酯涂层比水性丙烯酸聚氨酯涂层具有更好的耐候性以及防腐性能，可以应用在强紫外线、高湿热的环境。
  • 局部碳酸钙沉积对N80碳钢腐蚀行为的影响
    尹泽斌, 钟显康, 扈俊颖
    表面技术. 2021, 50(10): 337-344, 383. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.035
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    目的 研究局部碳酸钙沉积对N80碳钢腐蚀行为的影响，为解决碳酸钙沉积引发的腐蚀问题提供新思路。方法 采用恒电位阴极极化法诱导碳酸钙沉积。采用电化学阻抗谱、丝束电极、扫描电镜和能谱仪对N80碳钢的均匀腐蚀、局部腐蚀、电偶腐蚀、微观形貌和化学组成进行表征，揭示局部碳酸钙沉积对N80碳钢腐蚀行为的影响规律。结果 碳酸钙沉积会使电极的腐蚀电位正移约100 mV。相同条件下，碳酸钙覆盖电极的容抗弧直径远大于裸电极。随着浸泡时间的延长，裸电极的容抗弧直径不断增大，而碳酸钙覆盖电极的容抗弧先增大后减小。电偶测试中，碳酸钙覆盖电极作为阴极，裸电极作为阳极，在168 h内，二者没有发生极性反转，电偶电流密度最终稳定在–0.4 μA/cm2左右。WBE结果显示，浸泡开始时，碳酸钙覆盖区域的电位较高且均为阴极电流，24 h后，该区域逐渐出现阳极点。浸泡72 h后，电位最负的位置开始向碳酸钙覆盖区域转移。微观分析结果表明，碳酸钙覆盖电极表面有一层完整且致密的腐蚀产物膜，可能对基体起到了一定的保护作用。去除腐蚀产物后，基体存在明显的点蚀坑。结论 局部沉积的碳酸钙虽然对基体有一定的保护作用，但会导致电偶腐蚀的发生。随着浸泡时间的延长，覆盖碳酸钙的区域会由于氧浓差电池和酸化自催化效应发生局部腐蚀。
  • 加速腐蚀试验下PCB-ENIG的腐蚀电化学行为
    谭晓明, 战贵盼, 张丹峰, 彭志刚, 王德
    表面技术. 2021, 50(10): 345-352. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.036
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    目的 针对化学镀镍金印制电路板(PCB-ENIG, Electroless Nickel Immersion Gold Printed Circuit Board)模拟舰载机服役的海洋大气环境，研究其腐蚀电化学行为。方法 基于实测的环境数据，编制适用于电子设备的加速腐蚀试验环境谱，在实验室条件下开展加速腐蚀试验研究。采用电化学工作站定期测试分析试样的电化学阻抗谱，以电荷转移电阻Rct的倒数(1/Rct)为腐蚀速率表征参数，分析其宏观电化学行为。采用扫描Kelvin探针技术(SKP)定期测试试样表面伏打电位分布特征，以电位均值μ和标准差s等参数表征微区电化学特性。结果 第0~1周期，电荷转移电阻Rct由217.43 kΩ.cm2增至283.41 kΩ.cm2，腐蚀速率小幅度降低，主要发生微孔腐蚀。第1~4周期，随着腐蚀周期的延长，微孔表面附着的腐蚀产物出现龟裂、剥落等现象，对腐蚀介质的阻挡作用减弱，阻抗弧半径不断减小，腐蚀速率不断增大;第4周期，Rct达到最小，仅为44.62 kΩ.cm2，腐蚀速率达到最大，表面伏打电位均值μ降至?381.37 mV，s增至55.52，呈现明显的阴阳极，腐蚀倾向较大。第5~7周期，腐蚀加重，表面腐蚀产物不断积聚，形成一层较厚的腐蚀产物层，腐蚀速率不断减小;第7周期，电荷转移电阻达到最大，为311.31 kΩ.cm2，表面电位均值升至?256.45 mV，电位标准差较大，电位分布较为分散，说明腐蚀产物的积聚会降低腐蚀速率。结论 不同腐蚀周期，PCB-ENIG试样表面微区Kelvin电位服从正态分布;随着加速腐蚀时间的增长，PCB-ENIG腐蚀速率呈减小-增大-减小的变化规律。
    • 精密与超精密加工
  • 基于磁控磨料定向的SiC固相芬顿反应研抛盘制备及性能研究
    路家斌, 曾帅, 阎秋生, 熊强, 邓家云
    表面技术. 2021, 50(10): 353-362. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.037
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    目的 提出结合磁控磨料定向和固相芬顿反应的研抛方法，研制新型研抛盘，提高单晶SiC精密加工效率及表面质量。方法 通过磁场控制磁性粒子形成的链串结构，促使磨料定向分布，制备研抛盘。利用研抛盘中的磁性粒子与过氧化氢发生的固相芬顿反应生成羟基自由基(.OH)，进而氧化单晶SiC，在其表面生成结合力小、硬度低的SiO2氧化层。通过定向分布的磨料运动，去除氧化层，实现高效率、高表面质量的研抛加工。同时，研究磁场强度、磨料定向、固相芬顿反应及其协同作用对单晶SiC研抛性能的影响。结果 选用在磁场强度为100 mT条件下制备的研抛盘研抛60 min后，SiC C面的粗糙度Ra由100 nm降为1.19 nm，材料去除率达到33.71 nm/min。单纯磨料定向作用使单晶SiC C面和Si面的材料去除率分别提高了60.23%和111.19%，单纯固相芬顿反应作用则分别提高了78.5%和100.09%，两者的协同作用使材料去除率分别提高了100%和144.55%，表面粗糙度Ra分别下降了345.83%和118.78%。结论 新型研抛盘综合运用了固相芬顿反应的化学作用和磨料定向的机械去除作用，能大幅度提高材料去除率，获得较好的研抛质量，有望在单晶SiC的精研和抛光阶段得到较好的应用。
  • Si3N4陶瓷轴承套圈端面磨削实验及表面质量分析
    李颂华, 李祥宇, 孙健
    表面技术. 2021, 50(10): 363-372. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.038
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    目的 确定加工氮化硅陶瓷轴承套圈端面的最优磨削加工参数，并构建表面粗糙度的预测模型。方法 首先，使用双端面磨床对氮化硅陶瓷轴承套圈进行多组单因素实验，实验设置的2个变量分别为砂轮转速和砂轮进给速度，并对两变量分别设置4个加工参数水平，以分析砂轮进给速度和砂轮转速对加工后表面质量的影响;再利用MATLAB中的工具箱，构建表面粗糙度预测模型。结果 通过实验得到最优的加工参数(砂轮转速为1400 r/min，砂轮进给速度为200 μm/min)，最优的表面粗糙度达到0.0827 μm，符合工程中对高精度全陶瓷轴承端面的质量要求。建立了预测模型，并对该预测模型进行了优化，优化后的预测模型较实际测量的表面粗糙度Ra绝对值最小的相对误差为–0.56%，预测值与实际测量的表面粗糙度值的最大误差为 0.0113 μm。结论 表面粗糙度与砂轮转速和砂轮进给速度呈负相关，从实验结果与预测模型中可以看出，随着砂轮转速和砂轮进给速度的提高，表面粗糙度呈下降趋势。磨削氮化硅陶瓷轴承套圈的端面时，适当提高砂轮转速和砂轮进给速度有助于降低表面粗糙度，提高表面质量。
  • 介电泳辅助水溶解抛光过程中微水滴分布的仿真与实验研究
    缪跃琼, 王旭, 邓乾发, 周文慧, 毛越初, 黄林彬, 袁巨龙
    表面技术. 2021, 50(10): 373-383. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.039
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    目的 为解决KDP晶体无损表面的制造难题，进一步提升水溶解抛光方法的抛光质量和效率，研究介电泳效应对水溶解抛光液的影响。方法 提出一种介电泳辅助水溶解的抛光方法，最终获得超光滑表面，采用有限元软件模拟极化后微水滴的运动行为，并搭建验证性平台观测介电泳力作用下抛光液的吸附行为，验证抛光原理。之后数值模拟不同的电极形状对微水滴受到介电泳力的影响规律，优化得到最优电极形状参数。最后搭建试验平台，验证介电泳对水溶解抛光效率和质量的提升效果。结果 微水滴会在介电泳力作用下发生形变，并聚集在晶体表面附近，从而提高抛光过程中参与溶解的微水滴数量，加快溶解去除速率。同时，上电极也会对抛光液产生“吸附”作用，延长抛光液在晶体表面的作用时间，减小抛光液甩出率，进一步提高抛光效率。双螺旋结构电极具有最大的电场梯度，能够使水滴受到最大的介电泳力而向晶体表面聚集。经过20 min抛光后，采用传统水溶解抛光的KDP晶体表面粗糙度Ra由抛光前的590 nm降低至1.637 nm，而采用介电泳辅助水溶解抛光的KDP晶体，表面粗糙度降至1.365 nm，表面质量更高。与传统水溶解抛光相比，介电泳辅助水溶解抛光效率提升24%，同时能够更快地获得光滑表面。结论 在介电泳效应的辅助作用下，KDP晶体水溶解抛光质量和效率均得到了提升。
  • 基于响应面法的镍钛合金血管支架管材内壁磁粒研磨工艺参数研究
    邓曰明, 赵玉刚, 刘广新, 刘谦, 高跃武, 代迪, 张夏骏雨, 宋壮
    表面技术. 2021, 50(10): 384-393. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.10.040
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    目的 研究磁粒研磨工艺参数对超细长镍钛合金血管支架管材内壁表面粗糙度的影响。方法 搭建镍钛合金血管支架管材内壁磁粒研磨加工实验设备，使用自由降落气固两相流双级雾化快凝磁性磨料制备方法，制备了铁基金刚石磁性磨料，对内径为1.0 mm、外径为1.2 mm、长度为1800~2000 mm的镍钛合金血管支架管材内壁进行磁粒光整加工。以表面粗糙度为评价指标，设计4因素3水平的响应曲面实验，探究管材旋转速度、磁极进给速度、磨料填充量和磨料粒径对表面粗糙度的影响规律及其相互作用关系，并建立4个工艺参数关于表面粗糙度模型的回归模型。使用Design-Expect 12软件对工艺参数进行优化，得到最优工艺参数组合，并加以试验验证回归模型的准确性。结果 根据响应面分析结果，管材旋转速度与磁极进给速度、管材旋转速度与磨料填充量以及管材旋转速度与磨料粒径，对表面粗糙度的交互影响作用显著。以表面粗糙度为评价指标，各工艺参数对表面粗糙度的影响因素大小排序为:管材旋转速度＞磁极进给速度＞磨料填充量＞磨料粒径。以表面粗糙度值最小为目标，得到工艺参数组合为:管材旋转速度100 r/min，磁极进给速度5 mm/min，磨料填充量0.1 g，磨料粒径100.00 μm。预测表面粗糙度Ra为0.101 μm，试验实际表面粗糙度Ra为0.112 μm，实际值与预测值的误差为10.9%。结论 使用磁粒研磨法对镍钛合金血管支架管材内壁进行光整加工，解决了超细、超长的镍钛合金血管支架管材内壁的光整加工问题。响应曲面法可对镍钛合金血管支架管材内壁磁粒研磨工艺参数进行优化，建立的表面粗糙度模型具有良好的预测能力，对实际工程应用具有指导意义。
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