2021年, 第50卷, 第11期　
刊出日期：2021-11-20

  

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特邀综述
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  用于工业系统腐蚀微生物的杀菌剂研究进展

  张天遂, 王军磊, 张斐, 黄红兵, 黄振洋, 陈兆喜, 李广芳<, 刘宏芳

  表面技术. 2021, 50(11): 1-17. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.001

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  工业水环境中微生物引起的腐蚀一直是造成工程材料失效的重要原因之一，杀菌剂作为一种简单高效的杀灭微生物的方法，在工业微生物腐蚀防控领域中发挥着重要作用。针对近年来硫酸盐还原菌和藻类引起的管线钢微生物腐蚀行为以及霉菌引起的铝合金材料的腐蚀行为，结合相应工业系统杀菌剂的研究和应用情况，综述了用于防控微生物腐蚀的多种杀菌剂的应用优势及其研究进展，总结了杀菌剂在工业系统应用所面临的问题和未来发展趋势。其中，季铵盐和季鏻盐作为油田系统中常用的阳离子杀菌剂，能够在低浓度下有效杀灭硫酸盐还原菌，并抑制微生物腐蚀。胍盐类杀菌剂以其稳定性和广谱性在工业系统中应用广泛。杂环类杀菌剂种类繁多，部分杂环类杀菌剂不仅具有抗细菌和真菌的效果，还具有一定的缓蚀作用。有机溴类物质则是一种逐步兴起的污水处理杀菌剂。此外，多种杀菌剂的复配使用也是一种经济有效的提升杀菌效果的方法。目前，通过改性、合成等方法将尽可能多的抗菌基团集中到一种杀菌剂或某种基底材料上，逐渐成为开发新型抗菌物质的趋势。
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  微生物矿化作用抑制金属腐蚀行为的研究进展

  郝湘平, 摆云, 娄云天, 张达威

  表面技术. 2021, 50(11): 18-29. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.002

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  概述了微生物矿化的基本过程，并总结阐述了常见诱导矿化作用的微生物类型及矿化产物类型，总结并举例说明了影响微生物矿化作用的主要因素。在此基础上，重点综述了微生物诱导矿化形成的矿化层类型，主要包括碳酸钙矿化层、磷酸钙矿化层、铁氧化物矿化层，并举例阐述了不同矿化过程之间的差异与形成的各类矿化层的特点。根据近年来微生物矿化作用在抑制金属腐蚀方面的研究进展，分别从微生物呼吸过程中耗氧过程和矿化层的屏蔽作用两方面阐述了微生物矿化作用抑制金属腐蚀的主要原因。最后，结合微生物矿化作用的常见环境，展望了微生物矿化作用在抑制金属腐蚀手段方面的发展方向。
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  荧光涂层的设计、制备与应用研究进展

  周少魁, 郭宏磊, 顾林

  表面技术. 2021, 50(11): 30-48. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.003

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  荧光材料能够在紫外或可见光的作用下产生荧光，并已广泛应用于日常生活中。然而，由于荧光材料通常为小分子，在使用过程中存在易流失、效率低、功能单一等问题。针对这些问题，近年来研究人员将荧光物质与树脂等基质结合制备荧光涂层。综述了荧光涂层的设计、制备与应用的研究进展，重点介绍了荧光物质与涂层的结合方式以及基于不同种类荧光基团的荧光涂层设计与构建。结合方式分为物理掺杂和化学键合。荧光材料分为四大类，有荧光蛋白、有机荧光基团、稀土配合物和发光纳米粒子，不同的结合方式、不同种类的荧光材料各有优缺点，选择恰当的结合方式和荧光材料对发挥荧光材料的功能至关重要。荧光涂层在特定条件下可以发射出荧光，在外部刺激(如离子、作用力、pH变化等)作用下发射的荧光会产生变化，基于此可应用于如腐蚀预警、离子检测、防伪加密等。对荧光涂层在生物医药、金属防腐预警、防伪加密等方面的应用等进行了详细阐述，同时对荧光涂层未来发展做了展望。
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  面向多功能非贵金属电催化剂的构筑和微尺度解析

  敬海峰, 宇博, 周兴伟, 刘尚, 张彩, 刘红艳, 宋可心, 邹旭, 张伟

  表面技术. 2021, 50(11): 49-74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.004

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  相对于贵金属电催化剂制作成本高、地球储量稀少、电化学稳定性低等缺点，制备廉价、能量转换效率高、使用寿命长、环境友好的非贵金属电催化剂是推动能源存储和转换技术快速发展的重要途径。根据电催化过程中电催化析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)、电催化析氧反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)及氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)这三个重要反应类型，概述了水裂解和燃料电池的电化学反应机制，同时归纳了单功能电催化剂、双功能电催化剂、多功能电催化剂及其他电化学材料的设计与制备方法、相互关系和各自功能特点。借助先进的电子显微技术，如扫描电子显微镜、原子力扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线能谱仪、电子能量损失谱仪等对其微观结构进行表征，重点对其表面形貌、结构、内部成分、元素分布等相关信息进行解析。从提供更丰富的缺陷空位、潜在活性位点、优化界面相互作用、增大电化学比表面积、形成协同效应等方面，分析其在降低成本的同时，提高电催化剂的电导率、增强稳定性的相关机理，以期为非贵金属电催化剂的研究和推广应用提供新策略。
激光表面改性技术
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  选区激光熔化TC4球化飞溅机理及其试验研究

  石文天, 韩玉凡, 刘玉德, 景艳龙, Bing Ren

  表面技术. 2021, 50(11): 75-82. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.005

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  目的 提升单熔道、单层面的成形质量和打印精度，通过对球化、飞溅缺陷机理的研究及试验探索，寻找减少其产生的最优工艺路径。方法 采用不同激光功率、点间距、线间距的打印策略成形单熔道，通过单熔道的成形质量，初步选取表面质量较好的成形工艺参数范围，进行单层面的成形试验。在单熔道、单层面成形试验中，进行球化、飞溅缺陷产生的研究和分析，探讨其产生机理及对表面质量的影响，并进一步进行单层面试验研究，找到合理的工艺参数取值范围，以此提升单层面表面质量。结果 球化、飞溅缺陷对于单熔道、单层面的成形质量及精度都有较大影响。能量密度是影响缺陷产生的主要原因，适当的能量密度可以提升表面质量，线能量密度在0.4~0.6 J/mm、面能量密度在4~6 J/mm²时，所成形的样件表面较为平整，球化、飞溅缺陷明显减少，成形质量好，精度较高。结论 当能量密度合适时，球化、飞溅缺陷明显减少，单熔道、单层面的成形效果好，流动均匀且连续。球化、飞溅缺陷有一定的规律性，可以通过最优工艺参数进行避免。
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  激光熔凝前处理对钛合金表面电沉积铜过程及耐蚀性的影响

  陆丹华, 徐叶蕾, 吴国龙, 王晔, 张天亮, 姚建华

  表面技术. 2021, 50(11): 83-92, 110. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.006

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  目的 通过激光前处理提高钛合金表面铜沉积层的质量及性能。方法 采用振镜激光器在电沉积铜前对钛合金基体表面先进行激光熔凝处理，整个熔凝过程在气氛保护下进行。研究了激光熔凝前处理对沉积层与基体结合力的影响机理，对传统化学前处理与激光熔凝前处理后铜沉积过程中的微观形貌、截面厚度、沉积层结合力和耐腐蚀性能进行了对比分析。结果 采用激光熔凝前处理后，钛合金表层组织得到细化并产生大量位错，从而削弱了沉积初期的选择性，表面沉积速率更快，获得的沉积层厚度更大，沉积层孔隙更少、更致密。1 h相同沉积时间下，激光熔凝前处理的沉积层厚度为163.65 μm，几乎达到化学前处理得到的沉积层厚度(97.97 μm)的两倍，且沉积层表现出与基体更佳的结合力。耐蚀性测试得到化学前处理与激光前处理所得铜沉积层的腐蚀电压分别为?0.441、?0.393 V，腐蚀电流密度分别为55.18、5.913 μA/cm²。结论 激光熔凝前处理提高了钛合金表面铜沉积层的沉积质量及其与基体间的结合力，同时提高了铜沉积层的耐腐蚀性能。
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  纳秒激光诱导TC4微结构表面抑冰特性实验研究

  杨广峰, 刘玲, 夏海洋, 崔静

  表面技术. 2021, 50(11): 93-102. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.007

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  目的 研究具有大接触角和低表面能的微纳疏水表面，以减少结冰引起的空气碰撞。方法 采用纳秒脉冲激光在TC4表面构建微结构，利用扫描电镜和EDS对TC4表面形貌和元素成分进行观测，应用接触角测量仪分析表面润湿性和表面能，搭建低温结冰结霜实验台，测试表面的抑冰抑霜性能。结果 随着激光功率的增大，TC4合金表面微米颗粒的尺寸增大;接触角逐渐减小，且均高于未加工表面;接触角滞后逐渐增加，且均低于未加工表面;表面自由能逐渐增加，且均低于未处理表面;粘附功逐渐增加，且都小于未处理过的表面。加工后表面液滴冻结时间比未加工表面最高延迟47 s，激光功率为7 W时的冻结时间最长，霜晶质量最小，表面覆盖率最低。结论 高接触角、低接触角滞后的微织构表面可以有效延迟结冰时间。
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  激光熔覆镍基合金磨损及电化学腐蚀性能研究

  韩晨阳, 孙耀宁, 徐一飞, 张瑞华, 路超, 赵芳

  表面技术. 2021, 50(11): 103-110. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.008

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  目的 为解决不锈钢零件在工程应用中表层由于磨损、腐蚀导致其使用寿命缩短的问题，修复和提升不锈钢表层的硬度、耐磨性及耐蚀性。方法 在总结前期大量实验数据及规律的基础上，采用激光熔覆法在304不锈钢表层制备无裂纹、熔覆质量良好的Ni60涂层。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等设备，系统地研究了熔覆层组织的形貌、元素分布及物相结构。采用显微硬度计、摩擦磨损仪、电化学工作站等设备，测试熔覆层的硬度分布、磨损特性及电化学特性。结果 涂层具有均匀致密的微观结构，主要以固溶态γ-(Ni,Fe)、碳化物M23C6(M=Fe、Ni、Cr)、硼化物CrB组成，熔覆涂层的显微硬度约为基材的2.5倍，熔覆过程中，硬质增强相的形成是其硬度提升的主要原因。熔覆涂层的磨损率、磨损深度、磨损后表面单位面积的粗糙度(Sa)分别为基材的8.5%、69%、22.2%，与基材相比，涂层的耐磨性能明显更优。涂层的腐蚀速率比基材低2个数量级，涂层表面形成的致密钝化膜是耐蚀性好的主要原因。结论 熔覆质量良好的Ni60涂层，较304奥氏体不锈钢基材有更加优异的硬度、耐磨及耐腐蚀性能。
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  S136D模具钢表面双激光抛光技术研究

  周浩, 赵振宇, 周后明, 李凯, 尹杰

  表面技术. 2021, 50(11): 111-120, 128. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.009

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  目的 改善S136D模具钢的表面粗糙度。方法 提出一种双激光抛光方式，采用两种不同的激光光束对S136D模具钢表面进行抛光实验。先采用较高能量的连续激光对材料表面进行抛光处理，使其表面粗糙度大幅度降低，再使用脉冲激光对S136D模具钢表面进行第二次抛光处理，进一步降低表面粗糙度。结果 采用连续激光抛光，可将表面粗糙度由7.973 μm降低至0.872 μm，摩擦系数由初始表面的0.650降低至0.609。采用双激光抛光，粗糙度进一步降低至0.67 μm，总降低率达91.6%，摩擦系数为0.590，耐摩擦性能进一步提高。在激光作用下，重熔区域、热影响区域以及退火区域的总厚度为175 μm左右，重熔区域、热影响区域的硬度和杨氏模量均高于基体，退火区域的硬度和杨氏模量略低于基体。结论 通过优化连续激光(P=190 W，v=30 mm/s，D=0.05 mm)和脉冲激光(P=30 W，v=20 mm/s，D=0.04 mm)的各类参数，双激光抛光技术可以显著降低材料的表面粗糙度，而且能有效地提高表面硬度和杨氏模量，并降低材料表面的摩擦系数和磨损量，提高材料表面的耐摩擦性能。
表面功能化
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  Zr-0.39Sn-0.32Nb合金微弧氧化膜变温介电性能研究

  曲尧, 关浩浩, 王兴平, 徐驰, 金小越, 杜建成, 薛文斌

  表面技术. 2021, 50(11): 121-128. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.010

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  目的 研究锆合金微弧氧化膜的介电性能随温度的变化规律，了解?100~250 ℃范围内它们的介电频谱特性。方法 采用恒压模式的双极性微弧氧化脉冲电源，在硅酸盐电解液中对Zr-0.39Sn-0.32Nb合金进行微弧氧化处理，用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及激光拉曼光谱仪(Raman)，分析微弧氧化陶瓷膜的形貌和相组成。采用变温介电谱仪测量?100~250 ℃范围内不同厚度微弧氧化膜的介电常数、介电损耗以及电导率随环境温度变化的频谱图(0.01 Hz~1 MHz)。结果 Zr-0.39Sn-0.32Nb合金表面制备出20~45 μm厚的微弧氧化陶瓷膜，它们都由m-ZrO2单斜相和少量t-ZrO2四方相组成。微弧氧化膜的致密内层对其介电特性影响较大，多孔外层降低其绝缘性能。在?100~250 ℃范围内，微弧氧化膜的低频区介电常数、介电损耗、电导率均随着温度的增加而快速增加，而温度对它们在高频区的影响较小。同时，在0~100 ℃范围内，锆合金微弧氧化膜介电性能稳定。在50 Hz工频和20 ℃环境中，微弧氧化膜的导电率约为10^?12 S/m。结论 环境温度对锆合金微弧氧化陶瓷膜介电特性有较大影响，特别在低频区变化显著。
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  堇青石表面13X-SiC吸附涂层微波法快速制备及评价

  潘娅婷, 魏强, 张立宪, 院小雪, 乔治, 魏悦凡

  表面技术. 2021, 50(11): 129-136. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.011

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  目的 利用微波烧结技术实现在堇青石表面快速制备整体分子吸附层。方法 在13X分子筛粉体中添加具有较强微波吸收能力的碳化硅(SiC)粉末介质，通过浸渍粘结，在堇青石蜂窝陶瓷表面形成13X-SiC复合涂层，利用微波烧结快速制备整体式分子吸附层。根据微波加热机理设计微波烧结时间，通过宏观观察、称量法和热循环试验判定堵孔率、负载率、涂层与基底的结合能力。采用SEM和XRD分析复合涂层的微观形貌与组织结构，采用氮吸附法表征复合涂层的气体吸附能力。结果 微波烧结2.1 min可在堇青石蜂窝陶瓷表面获得灰黑色吸附涂层，蜂窝堵孔率低于2.14%，复合涂层负载率约为18.69%，热循环脱落率约为0.47%。微波烧结未影响13X分子筛分子结构，仍存在5 nm左右的介孔。烧结后，SiC与13X分子筛堆积粘结在一起，形成了具有堆积孔隙的复合涂层，大孔和中孔占比增加。复合涂层中SiC的引入减少了13X分子筛占比，整体比表面积由517 m²/g降低至131 m²/g，仍具有一定吸附能力。可通过合理设计13X分子筛与SiC的比例，调节复合涂层的吸附能力。结论 利用微波法烧结制备出与堇青石基底结合力强、负载率高的13X分子筛与SiC灰黑色复合涂层，缩短了堇青石整体吸附器的生产时间，降低了物理吸附载体制造成本，将有助于密闭环境中气体污染问题解决，并为航天器在轨分子污染物控制提供了新途径。
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  聚酰亚胺封装涂层中水的传输行为以及涂层对水阻滞能力的劣化机制研究

  张杨, 都诗瑶, 孟美江, 李瑛

  表面技术. 2021, 50(11): 137-146. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.012

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  目的 揭示可植入电子器件(IEDs)封装用聚酰亚胺材料中水的传输行为及阻滞性能劣化机制，为寻求该封装材料的阻滞性能和寿命的评价方法、提高IEDs的保护能力提供基础试验数据和理论参考。方法 选择模拟体液为研究介质，采用称重试验、电化学阻抗谱(EIS)、形貌表征和孔隙率测定等技术手段，研究水在聚酰亚胺涂层中的传输行为及涂层阻滞性能的劣化机制，同时探讨生物大分子对涂层中水传输行为的影响。结果 涂层中水的传输行为包括4个阶段:第一阶段为水在涂层表面的润湿过程，此阶段吸水率在短时间内迅速增加;第二阶段为Fick扩散阶段，此阶段水的扩散系数仅为5.6×10^–15 cm/s;第三阶段，吸水率突增，此阶段有结合水形成;第四阶段，吸水达到饱和，水以自由水和结合水两种状态存在。涂层阻滞性能劣化是由于涂层在基体上的附着力较小，仅为1.78 MPa，当水等侵蚀性粒子进入涂层时，会导致涂层起泡，阻滞性能劣化。此外，由于涂层平均孔径小于体液中生物大分子的尺寸，吸附在涂层表面的大分子对水在涂层中的传输起到阻滞作用。结论 聚酰亚胺涂层中水的传输速度较慢，而且体液中的大分子会进一步阻止水的进入，故聚酰亚胺是较为理想的体内封装材料，通过提升涂层与基体的结合力，可以提高涂层的使役寿命。
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  改性硅溶胶-苯丙乳液复合涂层的制备及性能

  余茂林, 孙皓, 解亚, 邓安仲, 李胜波, 杨光

  表面技术. 2021, 50(11): 147-154. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.013

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  目的 以硅溶胶、苯丙乳液为主要原材料，制备高性能有机-无机复合涂层，并为其应用提供一定价值的参考。方法 采用KH550、KH560以及KH570等3种硅烷偶联剂依次对硅溶胶进行接枝改性，选用改性效果较好的硅溶胶，制备改性硅溶胶添加量为0%、35%、70%、105%(相对于苯丙乳液的质量百分比)的4种涂层。用傅里叶变换红外光谱仪、马尔文Zeta电位仪以及扫描电子显微镜对硅溶胶的改性效果进行表征，用多功能材料表面性能试验仪等涂层力学测试仪、紫外/可见/近红外分光光度计、扫描电子显微镜分别对4种涂层的力学性能、隔热节能性能及微观形貌进行表征。结果 KH560对碱性硅溶胶的接枝改性效果最优。向苯丙乳液中添加一定量的改性硅溶胶可以显著提升涂层性能。当改性硅溶胶添加量为苯丙乳液质量的70%时，涂层综合性能提升最高，此时涂层太阳光反射比为0.683，近红外反射比为0.624，附着力为3.85 MPa，1000圈磨损后的质量损失率为53%，抗拉强度为5.4 MPa，但断裂伸长率降低较为明显，仅为49.8%。结论 KH560更适合对碱性硅溶胶进行接枝改性。添加KH560改性硅溶胶后，苯丙乳液涂层的力学性能、隔热节能性能得到了显著提升。实际使用时，建议改性硅溶胶添加量为苯丙乳液质量的70%。
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  羰基铁粉复合多孔吸波涂层的优化设计

  杨平安, 黄宇轩, 李锐, 孙杨, 黄鑫, 寿梦杰, 杨健健

  表面技术. 2021, 50(11): 155-164. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.014

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  目的 解决吸波剂羰基铁粉颗粒(CIP)构成的吸波涂层存在密度较大、涂层厚度过大的问题。方法 利用三维多孔结构降低复合吸波涂层的密度并改善阻抗失配，从而构筑轻质宽频羰基铁粉复合吸波涂层。利用有限元分析软件建立了羰基铁粉/石蜡复合多孔吸波涂层的仿真模型，通过仿真研究了三维多孔结构的孔隙率、孔径和孔隙分布方式对复合吸波涂层性能(最小反射损耗、有效吸收带宽、峰值吸收频率和密度)的影响规律，揭示了羰基铁粉多孔结构的吸波机理，并确定了具有最佳综合性能的羰基铁粉三维多孔复合吸波涂层的结构参数。结果 随着孔隙率的增加，涂层密度减小且峰值吸收频率向高频移动;而随着孔径的减小，涂层除峰值吸收频率向高频移动外，最小反射损耗和有效吸收带宽分别呈减低和增加的趋势，吸波性能得到有效改善。孔隙分布方面，在随机、有序、梯度递减和梯度递增4种分布方式中，梯度递减分布表现出最佳的吸波性能。相较于无孔结构，羰基铁粉质量分数为75%、孔隙率为16%、孔径为0.325 mm、孔隙呈梯度递减分布的三维多孔涂层，其有效吸收带宽(RL<–10 dB)拓展了49.3%(从4.10 GHz增加到6.12 GHz)，密度降低了4%(从2.71 g/cm³降低到2.6 g/cm³)，而最小反射损耗仅仅损失0.7%。结论 多孔结构的引入可以实现羰基铁粉涂层轻质、宽频吸波的目的。
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  用于油水分离的超疏水-超亲油沙子的制备及其性能

  杨福生, 任永忠, 张振宇, 火灿, 马乐

  表面技术. 2021, 50(11): 165-171. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.015

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  目的 对沙漠中的沙子进行表面改性并将其应用于油水混合物的分离。方法 以沙子为基底，利用层层自组装法构筑纳米银粗糙结构表面，再经十二烷基硫醇修饰后，显示出超疏水-超亲油特性。采用低真空扫描电子显微镜、接触角测定仪，分别表征超疏水-超亲油沙子的表面形貌、润湿性能。结果 改性后的沙子表面负载“乳突”状纳米银薄层，水在该表面的接触角高达156°±1°，而油的接触角为0°，表现出良好的超疏水-超亲油特性。利用沙子表面对水和油显示出的相反润湿性，不但可以选择性分离水上轻油与水下重油，还可以高效分离油和水形成的乳液，且对不同类型油品和水混合物分离效率均在95.6%以上，经过20次连续分离，分离效率无明显变化，表现出良好的循环利用性。经强酸、强碱、NaCl溶液浸泡24 h及60~300 ℃不同温度加热30 min后，均表现出良好的超疏水特性。结论 通过自组装法在沙子表面负载纳米银晶体，随后用十二烷基硫醇进行表面接枝，所得到超疏水沙子不但能够分离具有明显界面油水混合物，还可以分离油和水形成的乳液，经连续分离，分离效率无明显降低。相关研究有望为沙子广泛利用及污水治理材料的制备提供一种新的思路。
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  基于PS模板的SiO2疏水膜制备与研究

  鲍田, 王东, 汤永康, 徐佳馨, 王金磊

  表面技术. 2021, 50(11): 172-178. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.016

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  目的 研究聚苯乙烯(PS)刮涂速率、溶胶提拉速率、催化剂和陈化对疏水膜的表面粗糙度、透过率和接触角的影响规律。方法 通过绕线棒刮涂和浸镀等工艺在玻璃基板上制备玻璃/聚苯乙烯/二氧化硅(Glass/PS/SiO2)膜系，热处理去除PS后，在表面涂覆氟硅烷(FAS)，得到透明疏水膜。采用光学轮廓仪和场发射扫描电子显微镜检测PS刮涂效果、膜层表面粗糙度以及微观膜层形貌。采用分光光度计测量样品的可见-近红外光学透过率。采用接触角测试仪得到疏水膜的静止水接触角。结果 当绕线棒刮涂速率为2 cm/s，采用碱催化SiO2溶胶，提拉速率由60 mm/min增至180 mm/min时，膜层表面粗糙度依次减小，150 mm/min对应的表面粗糙度为0.0251 μm，样品的水接触角为139°。当绕线棒刮涂速率为3 cm/s，采用陈化时间较短的酸催化溶胶，可以制备得到接触角为150.5°、波长为380~1100 nm、平均透过率为88.3%的疏水膜。结论 表面粗糙结构受PS刮涂速率、SiO2溶胶的提拉速率及其性质的影响。采用酸催化的低黏度SiO2溶胶涂覆于PS模板层，经过热处理和表面改性可以得到类蜂窝结构的SiO2疏水多孔膜。
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  钴基热致变色材料及多变色示温涂层的制备

  周磊, 何德良, 潘蓉, 周舟, 万涛

  表面技术. 2021, 50(11): 179-186. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.017

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  目的 制备一种在120~200 ℃内具有多种热致变色行为的不可逆示温涂层，用于快速排查和准确记录电网设备过热故障发生地点。方法 首先以碳酸钴和氯化钴为原料，用简单的溶液法在水中制备了两种钴基热致变色材料。再以有机硅WB300树脂作为成膜物，自制的两种材料和偏钒酸铵作为变色颜料，高速研磨4~5 h，获得变色涂料。通过XPS、XRD、FT-IR和SEM等测试手段对变色材料进行结构和微观形貌表征。于干燥箱加热观察涂层在120~200 ℃内的热色性，并用色差计和图像处理软件对变色点进行数据化处理。结果 结合XRD、XPS、FT-IR和TG等一系列表征，证明深绿色的三草酸合钴酸钾在130 ℃变为粉红色的草酸钴，玫瑰红色的磷酸钴铵在180 ℃变为深蓝色的磷酸氢钴。涂层附着力达到一级，耐冲击性为50 cm未出现涂层破裂，硬度为2H，在120~200 ℃具有5~6个变色点，并建立了色-温函数模型。结论 成功自制两种钴基热致变色材料。通过配色，成功制备了色差明显的多变色示温涂层，基本物理性能均满足常规涂层国家标准，涂层加热至200 ℃都变为黑色，不再改变。
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  水基荧光增强复合涂层的制备与性能优化

  张宇, 吴建华, 张贤慧, 吴波, 杨阳

  表面技术. 2021, 50(11): 187-194. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.018

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  目的 制备出一种余辉亮度高、余辉时间长的荧光复合涂层。方法 涂层的主要发光材料为SrAl2O4:Eu²⁺,Dy³⁺，以溶胶凝胶法在其表面包覆SiO2。主要的成膜物质是工业级水基硅丙乳液。通过适量添加玻璃鳞片，在对涂层余辉效果影响较小的情况下，大幅增加涂层的机械性能，来提高涂层的应用性能，通过铝粉底涂层增加荧光涂层的余辉亮度和余辉时间。通过测定余辉亮度、余辉时间、反射率和拉拔附着力等相关性能，实验优化荧光涂料成分配比。结果 在荧光涂层厚度为550 μm时，余辉亮度为4.227 cd/m²，余辉时间为1471.6 min(24.5 h)。选择合适的片状铝粉粒径所制备的铝粉涂层的反射率可达64%以上，在增加反光层之后，余辉亮度增加到5.998 cd/m²，较单一荧光涂层增加约40%，余辉时间增加到1855 min(30.9 h)，较单一荧光涂层增加约26%。结论 在一定范围内，荧光复合涂层的余辉亮度和余辉时间受荧光粉的添加量和涂层厚度的影响较大，但达到一定含量后，余辉亮度增加趋于平缓。增加配套的铝粉底涂层进一步增加了余辉亮度和余辉时间，是提高荧光涂层余辉亮度和余辉时间的有效技术途径。
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  BN-1超高吸收导电消光镀层性能及其空间环境稳定性研究

  程德, 王景润, 覃业深, 赵潋景, 郭中增, 王旭光, 白晶莹, 李思振

  表面技术. 2021, 50(11): 195-201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.019

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  目的 研究BN-1超高吸收导电消光镀层(简称BN-1镀层)的微观结构、导电消光性能以及空间辐照环境对BN-1镀层消光性能的影响，以考核该镀层是否满足空间光学构件的长寿命使用需求。方法 首先对BN-1镀层进行微观形貌、元素组成、接触电阻、太阳吸收比(αs)的检测，考察镀层的导电性能和消光性能，并对镀层性能的结构基础进行分析。再分别对BN-1镀层进行总剂量为2×10²¹ atoms/cm²的原子氧辐照以及总剂量为5000 ESH的真空-紫外辐照试验，通过试验结果分析空间模拟辐照环境对BN-1镀层αs的影响规律，研究BN-1镀层的耐空间环境稳定性。结果 BN-1镀层表面具有微纳尺度的绒毛状光陷阱结构，从而具备优异的导电消光性能，镀层接触电阻<5 mΩ，αs>0.98。原子氧暴露后，BN-1镀层αs降低了0.0049，变化值小于0.01，具备良好的耐原子阳光辐照性能。真空-紫外辐照后，BN-1镀层αs增加了0.0009，变化值小于0.01，具有良好的耐真空-紫外辐照能力。结论 BN-1镀层的导电消光性能优异，经历原子氧、真空-紫外模拟辐照后，BN-1镀层αs变化较小，具有较好的耐空间辐照性能，可以满足星敏感器、空间相机等空间光学构件的长寿命服役需求。
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  原子层沉积技术改性CrN硬质涂层性能的第一性原理研究

  蒋钊, 高恒蛟, 周晖, 肖更竭, 成功, 汪科良

  表面技术. 2021, 50(11): 202-207. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.020

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  目的 基于密度泛函理论的第一性原理，对原子层改性氮化铬(CrN)涂层的关键性能进行仿真计算，以充分了解涂层微观组织结构演变和微观界面结构本质，为后续原子层沉积CrN工艺研究提供理论指导。方法 通过建立CrN(011)-CrN(011)复合体系模型，分析计算了涂层的界面性能、弹性性能及热力学性能。结果 模型结构经过优化后，各原子层间间距均发生不同程度的减小，且各层间距趋于一致。态密度分析表明:其优良的结构稳定性主要来自6.4~4.8 eV范围内Cr原子3d轨道和N原子2p轨道间的相互作用;基于应力应变的弹性常数满足波恩准则判定依据，力学性能稳定，计算结果为硬度30.29 GPa，体积模量409.83 GPa，剪切模量270.86 GPa。采用NVT系综模拟，当温度T≤1023 K时，温度波动振荡收敛;当温度T＞1023 K时，温度在某个时间点瞬时激增而不收敛，可以得出CrN涂层的极限使用温度为1023 K。结论 原子层沉积改性的CrN硬质涂层具有优良的界面相容性，成键强度高，界面能低，结构性能稳定。
摩擦磨损与润滑
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  石墨烯/高密度聚乙烯在水润滑条件下的摩擦学性能研究

  张栗源, 董从林, 袁成清, 吴宇航

  表面技术. 2021, 50(11): 208-217, 278. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.021

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  目的 探究石墨烯/高密度聚乙烯高分子材料在水润滑条件下的摩擦学性能，提高高密度聚乙烯的自润滑和耐磨损性能。方法 采用石墨烯纳米片填充高密度聚乙烯材料，利用RTEC摩擦磨损试验机，开展新型复合材料在水润滑条件下的摩擦学性能研究。通过分析新型复合材料的典型机械性能、摩擦系数、磨损形貌以及摩擦副接触表面的元素成分及分布情况，揭示石墨烯/高密度聚乙烯在水润滑条件下的摩擦磨损机理。结果 新型复合材料的拉伸强度、撕裂强度和肖氏硬度均随着石墨烯纳米片含量的增加而先增高后降低，1.5%石墨烯纳米片改性高密度聚乙烯表现出最高的强度，分别为19.81 MPa、31.34 MPa和92.6HSA。新型复合材料的平均摩擦系数和体积行程磨损率总体随着石墨烯含量的增加而减小，1.5%石墨烯纳米片改性的高密度聚乙烯平均摩擦系数和体积行程磨损率比纯高密度聚乙烯分别降低了53.6%和73.9%。Si3N4陶瓷球与1.5%、0.6%石墨烯纳米片改性高密度聚乙烯进行3600 s对磨试验，其磨损区域的碳元素质量分数分别约为3.5%和0.3%，表明含量较高的石墨烯纳米片有利于在微观界面形成石墨烯润滑层，从而降低摩擦系数。结论 石墨烯纳米片显著影响高密度聚乙烯的自润滑性能和耐磨损性能，适量的石墨烯纳米片促进了高密度聚乙烯磨损界面石墨烯润滑层的形成，降低摩擦系数和磨损量。该研究可为设计低摩擦、耐磨损的水润滑轴承复合材料提供参考。
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  内生氧化铝颗粒增强高熵复合涂层的制备及其减摩性能的研究

  唐秋逸, 纪秀林, 段峻, 王辉, 张映桃

  表面技术. 2021, 50(11): 218-225, 242. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.022

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  目的 研究铝含量对内生氧化铝颗粒增强高熵复合涂层的组织结构及其摩擦学性能的影响。方法 在激光熔覆过程中，利用铝热反应将金属氧化物还原，并沉积在Q235钢表面，制备内生Al2O3陶瓷颗粒增强的AlxCoCrFeNi(x=0, 0.3, 1, 1.5, 2)高熵复合涂层。通过XRD、SEM、EDS、XPS、RAMAN及摩擦磨损测试仪等检测方法，研究高熵复合涂层的组织结构及其摩擦学性能。结果 涂层中含有大量弥散分布的纳米级Al2O3陶瓷颗粒。随着Al含量的增加，高熵复合涂层逐渐由FCC与BCC共存的形式转变为单相BCC的显微组织。同时，载荷为10 N时，高熵复合涂层的摩擦系数和磨损率均随着Al含量的上升而下降。Al2CoCrFeNi具有最低的平均滑动摩擦系数(0.15)和最低的磨损率(1.01×10^–6 mm³/(N.m))，分别为Q235钢基体的1/4和1/38。当AlxCoCrFeNi系涂层中，当x增加至2时，磨痕表面的逐层剥落现象消失。涂层的主要磨损形式由氧化磨损和疲劳磨损转变为轻微的磨粒磨损。载荷为20 N时，Al2CoCrFeNi涂层的平均摩擦系数上升至0.325。结论 增加复合涂层中Al元素的含量可以稳定BCC相，并细化组织。同时，过量Al元素有抑制Fe元素氧化、降低摩擦表面Fe2O3含量、提高Fe3O4含量的作用，从而显著降低复合涂层的摩擦系数，并提高其减摩和耐磨性能。
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  超音速火焰喷涂铝青铜涂层微动磨损行为

  史周琨, 徐丽萍, 张吉阜, 肖根升, 邓春明, 宋进兵, 刘敏, 胡永俊, 文魁

  表面技术. 2021, 50(11): 226-232, 278. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.023

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  目的 改善铝合金的抗微动磨损性能。方法 采用超音速火焰喷涂技术在ZL114A铝合金表面制备铝青铜涂层，在不同温度(25、200、300 ℃)下对有、无涂层的ZL114A铝合金样品进行微动磨损测试，通过对涂层性能和磨痕形貌进行表征分析，探索铝青铜涂层的抗磨损性能。结果 铝青铜涂层均匀致密，与铝合金基体结合良好，显微硬度为279HV0.3，结合强度为74 MPa。不同温度(25、200、300 ℃)下，涂覆铝青铜涂层样品的平均微动摩擦系数分别为0.898、0.886、0.744，磨损率分别为10.249×10^–7、0.035×10^–7、0.207×10^–7 m³/(N.m)，相比基体的平均微动摩擦系数和磨损率，3种温度下分别下降了34.5%、42.9%和58.9%。对磨痕的形貌和三维轮廓的分析表明，在25、200、300 ℃下，铝青铜涂层的磨损机制不相同，25 ℃下为磨粒磨损和剥层，200 ℃下为磨粒磨损、剥层、氧化磨损和粘着磨损，300 ℃下为塑性变形、氧化磨损和粘着磨损。结论 制备的铝青铜涂层改善了基体的抗微动磨损性能。
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  具有复合型织构的水润滑轴承的摩擦学性能研究

  胡宇, 王优强, 李云凯, 左名玉, 房玉鑫, 莫君

  表面技术. 2021, 50(11): 233-242. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.024

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  目的 提升水润滑轴承的摩擦学性能。方法 采用流固耦合的方法，对具有该复合型织构的水润滑轴承进行研究，将拥有仿生硅藻的多孔结构(矩形-半球型复合型织构)应用在轴承的高压区位置。分析具有矩形-半球型的复合织构的水润滑轴承在不同载荷、织构宽度以及间距的作用下，其摩擦学特性的变化。结果 通过与光滑轴承和单层织构轴承进行对比可知，随着载荷的增大，矩形-半球型复合型织构轴承的承载力随之增加，摩擦系数随之减小，并且有最大的轴承承载力和最小的摩擦系数。随着第一层及第二层织构宽度的增加，复合型织构轴承的承载力虽有复杂波动，但总体呈现上升趋势，摩擦系数呈现下降趋势。在间距较小时，复合型织构轴承的摩擦学性能更优，在间距一定的情况下，存在最优的织构个数，使得轴承的摩擦系数最小。结论 具有矩形-半球型复合织构的水润滑轴承适合在重载条件下工作，织构尺寸较大时，能产生较好的摩擦学性能;在间距较小时，复合型织构的摩擦学性能较为优异，且存在最优的织构个数。
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  硬质薄膜与自润滑织物衬垫对磨的摩擦磨损性能研究

  詹华, 张艳, 李振东, 王亦奇, 李碧晗, 汪瑞军

  表面技术. 2021, 50(11): 243-249. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.025

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  目的 提高钛合金与自润滑织物衬垫对磨的耐磨性。方法 采用多弧离子镀在TC4钛合金表面制备TiN和CrAlN硬质薄膜，利用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪、销-盘摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪测试分析薄膜的形貌、结构、硬度、弹性模量、摩擦磨损性能和磨痕形貌。结果 在相同的测试条件下，TC4钛合金与自润滑织物衬垫对磨时，能更快地进入稳定摩擦阶段，且平均摩擦系数最低，仅为0.12;TiN薄膜进入稳定摩擦阶段所用时间和摩擦系数较TC4钛合金稍有增加;而CrAlN薄膜进入稳定摩擦阶段的用时最长且平均摩擦系数最大。测量摩擦磨损后自润滑织物衬垫磨痕的二维轮廓发现，当与CrAlN薄膜对磨时，自润滑织物衬垫的磨痕深度最大，但磨损率最低，这主要是软质织物衬垫的不均匀磨损引起的。进一步分析发现，所有的试验销表面均形成了转移膜，但CrAlN薄膜表面形成的转移膜最薄，从而导致其摩擦系数最大，磨损率最低。深入分析自润滑织物衬垫磨痕形貌发现，与TC4钛合金对磨的自润滑织物衬垫的磨痕表现为磨粒磨损和纤维束的破损;与TiN薄膜对磨的自润滑织物衬垫的磨痕表现为区域损失和表面不规则的凹痕;与CrAlN薄膜对磨的自润滑织物衬垫的磨痕中纤维束破损严重。结论 与自润滑织物衬垫对磨后，钛合金以及硬质薄膜表面均形成转移膜，CrAlN薄膜表面转移膜最薄，与之对磨的自润滑织物衬垫的磨损率最低。
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  cBN微粒粒径及含量对Ni-cBN复合镀层结构及高温耐磨性的影响

  刘静, 王帅星, 王万成, 汪镇涛, 杨由凯, 杜楠

  表面技术. 2021, 50(11): 250-259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.026

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  目的 探究立方氮化硼cBN微粒粒径及含量对复合电沉积的影响，提升Ni-cBN复合镀层的高温耐磨性。方法 在镀液中添加不同粒径(~0.5、3.0、10 μm)及不同含量的cBN颗粒制备Ni-cBN复合镀层，采用溶解称重法测试镀层复合量，通过扫描电镜(SEM)、显微硬度计和高温球盘磨损试验等评价不同复合镀层的微观结构、硬度及高温耐磨性。结果 cBN微粒粒径为0.5 μm时，颗粒易发生轻微团聚，复合量难以大幅度提高;选择3.0 μm和10 μm的cBN颗粒，一定程度上利于提高复合量。整体上说，复合量越高、微粒粒径越大，复合镀层的平均硬度越高。但在相近复合量下，3.0 μm颗粒复合的镀层颗粒分布均匀性更佳。相比于纯Ni层，Ni-cBN复合镀层中弥散分布的cBN颗粒，提高了镀层硬度，改善了镀层的耐磨性。对于不同粒径的颗粒，小颗粒(~0.5 μm)复合的镀层的摩擦系数略低，但粘着磨损较为严重;大颗粒(~10 μm)复合的镀层的粗糙度较高，以磨粒磨损为主。结论 镀液中cBN微粒的粒径及含量直接影响镀层复合量及耐磨性。选择粒径为3.0 μm的cBN颗粒、控制cBN复合量为40.5%时，Ni-cBN复合镀层的显微硬度>600HV，且高温耐磨性更佳。
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  Ag、Cu掺杂MoCN薄膜结构及摩擦性能的研究

  范军, 钱建国, 蒲吉斌

  表面技术. 2021, 50(11): 260-269, 286. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.027

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  目的 利用软金属Ag、Cu等改性来提升MoCN薄膜材料的宽温域润滑性能。方法 通过多靶磁控溅射制备了MoCN-X(X=Ag、Cu或Ag-Cu)复合薄膜。采用XRD、SEM、SPM 3种测试方法分析了复合薄膜的微观结构，并利用纳米压痕仪和高温摩擦试验机分别测试了薄膜的常温力学性能和不同温度下的摩擦性能。结果 3种复合薄膜中，MoCN-Ag薄膜表面的粗糙度最低。与MoCN-Cu薄膜相比，MoCN-Ag复合薄膜具有更好的抗氧化能力，在300 ℃下，由于热驱动作用，薄膜表面析出的Ag仅发生部分氧化，在500 ℃下，薄膜表面生成的双金属氧化物(钼酸银)能有效降低薄膜的摩擦系数。在常温下，MoCN-Cu复合薄膜具有很好的抗磨损能力，且和MoCN-Ag具有相近的摩擦系数。MoCN-Ag-Cu复合薄膜的硬度和弹性模量相对于MoCN-Cu均得到提升。在300 ℃下，MoCN-Cu薄膜和MoCN-Ag-Cu复合薄膜的摩擦系数比MoCN-Ag薄膜高。在500 ℃时，3种薄膜的摩擦系数均在0.3左右。常温下，薄膜主要表现为磨粒磨损，而在500 ℃下，薄膜主要是氧化磨损和粘着磨损。结论 软金属Ag和Cu都能在一定程度上改善MoCN薄膜的中温摩擦性能，可以尝试采用Ag和Cu共掺杂的方式降低薄膜的成本。
腐蚀与防护
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  定向凝固Fe-18%Cr-3%B-Si合金组织及高温抗氧化性能

  王天元, 马胜超, 程霜, 陈翰韬, 吕萍, 王嘉琪, 邢建东, 马胜强

  表面技术. 2021, 50(11): 270-278. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.028

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  目的 研究Si对Fe-18%Cr-3%B合金高温抗氧化性能的影响，并开发新型抗氧化轧辊材料。方法 采用定向凝固技术制备出Si质量分数分别为0.0%、1.0%、2.0%、3.0%的Fe-Cr-B定向凝固合金，并用增重法表征合金的氧化动力学，通过SEM、XRD等手段分析定向合金氧化膜表面和截面形貌、结构和物相组成，并评价Si对定向合金抗氧化性能的作用。结果 Si的加入明显细化了定向凝固Fe-Cr-B合金的组织，有利于合金中硬质相M2B硼化物的定向生长。氧化结果表明，经800 ℃氧化100 h后，Si的加入可使合金氧化速率从0.052 28 g/(m².h)降至0.009 28 g/(m².h)，抗氧化性能提升5倍以上。Si的加入使定向合金表面氧化膜变得光滑平整、致密连续且无开裂和剥落。表面膜结构分析表明，该定向合金氧化膜从合金基体到表面依次为Cr2O3、FeCr2O4、Fe3O4尖晶石和最外层的Fe2O3复合氧化物，而Si的加入促进了最内层SiO2氧化膜的形成，该层呈连续曲折形态存在于定向合金与Cr2O3的界面。同时，定向合金中取向排列的M2B硬质相与内氧化层SiO2呈现出“嵌入式”的嵌合界面，改变了界面结合形态和内界面结构，显著提高了复合氧化膜与定向合金界面的附着力。定向合金的氧化过程中，相对粗大的初生硼化物失效主要源于初生硼化物的剥落与氧内扩散诱致M2B开裂。结论 Si显著提高定向Fe-Cr-B合金的抗氧化性，主要机制为Si促进内氧化层SiO2的形成，并导致“互嵌入式”的SiO2/M2B双向嵌合界面结构的产生，这种氧化膜/合金界面“取向性互嵌型钉扎膜结构”可有效提高膜基界面附着力。
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  桥梁缆索钢丝热浸镀Zn-Al-Mg镀层的组织与耐蚀性能研究

  胡璠, 徐巍, 王林烽, 罗国强, 方峰, 蒋建清

  表面技术. 2021, 50(11): 279-286. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.029

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  目的 研究Mg元素含量对桥梁缆索钢丝微观组织及耐蚀性能的影响，在保证桥梁缆索强度要求的同时，进一步增强其耐蚀性能。方法 在450 ℃左右，在桥梁缆索钢丝表面热镀Zn-Al-xMg(x=0.5, 1.0, 1.5)镀层。使用扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)研究镀层的组织结构特征。通过中性盐雾试验，表征钢丝Zn-5Al-xMg(x=0.5, 1.0, 1.5)镀层的腐蚀速率。用X射线衍射仪(XRD)探究镀层与腐蚀产物的具体成分。利用电化学工作站测试Mg元素含量变化时Zn-Al-Mg镀层的腐蚀行为变化规律。结果 Zn-5Al-xMg镀层组织主要由Zn-Al-MgZn2三元共晶相、富Zn相与少量富Al相组成。Mg元素的加入使得镀层的自腐蚀电流密度降低，促进了覆盖性优异且难溶的Zn5(OH)8Cl2.H2O的生成，阻止了镀层表面腐蚀后产生无保护性的ZnO，防止基体发生腐蚀。分析阻抗与中性盐雾试验结果可以发现，随着Mg元素含量的增加，Zn-5Al-Mg镀层的电化学交流阻抗值不断增大，腐蚀速率不断降低。结论 当Mg元素含量为1.5%(质量分数)时，Zn-5Al-xMg镀层的耐蚀性能最佳，Zn-5Al-1.5Mg镀层的耐蚀性能约为Zn-5Al镀层的2.4倍。
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  聚苯胺原位聚合改性氧化石墨烯制备复合涂层及其耐腐蚀性能研究

  李凤英, 鞠鹏飞, 陈磊, 吉利, 周惠娣, 陈建敏

  表面技术. 2021, 50(11): 287-296. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.030

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  目的 提高聚苯胺(PANI)涂层的腐蚀防护性能，并明确其防腐机理。方法 通过原位聚合的方法，采用PANI对氧化石墨烯(GO)进行功能化修饰，并对其在GO表面的生长状态进行调控。利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、拉曼光谱仪(Raman)和场发射高分辨扫描电镜(FESEM)，对功能化GO的结构和形貌进行表征和分析;然后将其引入到聚苯胺涂层中，制备PANI/GO复合涂层。采用电化学阻抗谱(EIS)详细研究PANI涂层以及不同的PANI/GO复合涂层对不锈钢基材的腐蚀防护效应，并对其耐腐蚀机制进行探讨。结果 PANI均匀地生长在GO片层上，其结构与形貌可以通过控制苯胺的添加量进行有效调控，且PANI的原位聚合促进了GO的片层剥离及舒展，改善了其分散性以及与涂层间的相容性。与单一PANI涂层相比，PANI/GO复合涂层的稳定开路电压值较大，且当苯胺与GO的质量比为5︰1时，获得的功能化GO的分散效果最佳，对聚苯胺涂层的腐蚀防护性能增强效果最为显著。此时复合涂层表现出最大的容抗弧直径，且电化学阻抗谱拟合后的电荷转移电阻最大，双电层电容最小。结论 PANI涂层本身可以在金属表面形成具有屏蔽作用的保护层，但其非致密的形态结构及腐蚀环境下的分子构型变化损害了涂层的腐蚀防护性能。通过功能结构化GO的复合，尤其是在GO分散性最佳的状态下，可有效提高涂层的致密性和抗渗透性，并且可抑制因质子反应导致的分子构型变化对涂层结构的破坏，从而增强涂层的腐蚀防护性能。
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  Al-Zn-In-Si牺牲阳极在模拟海水及海泥环境中的电化学性能

  龙晓竣, 方翔, 梅英杰, 范志宏, 张伟

  表面技术. 2021, 50(11): 297-305. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.031

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  目的 分析A13型Al-Zn-In-Si牺牲阳极在海水、海泥中的电化学性能。方法 采用恒电流极化进行4 d的加速实验，使用电化学阻抗谱(EIS)分析电化学腐蚀过程，通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)及三维超景深显微镜观察分析腐蚀形貌及表面化学成分，对比研究了Al-Zn-In-Si牺牲阳极在模拟海水和海泥环境下的腐蚀形貌、电化学性能。结果 在模拟海水和海泥环境中，尽管Al-Zn-In-Si牺牲阳极都满足DNVGL-RP-B401的要求，但在海泥环境中，其电化学效率仅为65.97%，远低于海水环境中的89.43%。牺牲阳极在海水环境中发生均匀腐蚀，而在海泥环境中却呈现严重的不均匀腐蚀现象，表面腐蚀坑为疏松多孔蜂窝状。结论 在海泥环境下，Al-Zn-In-Si牺牲阳极的腐蚀产物扩散困难，局部呈现腐蚀坑，自腐蚀速率高，导致电化学效率降低。溶解过程中，由于组织脱落，自身消耗增加，电化学容量降低，从而导致阳极在模拟海泥环境中的电化学性能低于海水环境，并揭示了阳极在模拟海水、海泥环境中的腐蚀机理。
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  钢在流动人造海水中的冲刷腐蚀行为与防护研究

  夏江敏, 李竹影, 王晓强, 陈页骍, 林育锋

  表面技术. 2021, 50(11): 306-312. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.032

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  目的 研究钢在流动人造海水中的冲刷腐蚀行为及防护方法。方法 采用自制的冲刷试验平台，利用扫描电镜、电化学阻抗、电化学噪声、最大熵值变换等方法，分析钢在流动人造海水中各阶段的冲刷腐蚀行为特征，验证材料表面涂覆新型环氧涂层的方法对提高钢耐流动人造海水冲刷腐蚀的有效性。结果 钢在2 m/s流动人造海水中30 d的冲刷腐蚀行为特征可以分为三个阶段，第一阶段，金属开始发生点蚀，生成网状腐蚀产物，反应电阻上升后持续减小至400 Ω，电化学噪声电位发生负移，SE值较大，电化学腐蚀速率增强;第二阶段，点蚀速率减弱，开始出现颗粒状腐蚀产物，反应电阻相对稳定在300 Ω左右，电化学噪声电位发生正移，SE值数值较小，电化学腐蚀速率保持相对稳定;第三阶段，外层腐蚀产物剥离，反应电阻和SE值发生较大的波动，冲刷作用导致了腐蚀产物的快速形成和脱离。涂覆绝缘涂层的钢试样总电阻稳定在6.0×10⁵ Ω左右，高出无涂层裸露试样总电阻(1.0×10³ Ω)2个数量级。结论 钢在2 m/s流动人造海水中30 d的冲刷腐蚀行为特征可以分为加速腐蚀-动态平衡-平衡破坏三个阶段，新型环氧涂层具有较好的耐冲刷腐蚀性能。
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  ChCl-OxA低共熔溶剂中铜的电沉积行为研究

  孙海静, 杨帅, 丁明玉, 孙杰

  表面技术. 2021, 50(11): 313-320. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.033

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  目的 研究铜在氯化胆碱-草酸(ChCl-OxA)低共熔溶剂中的电化学行为、电结晶机理及电沉积历程。方法 采用循环伏安法(CV)和计时电流法(CA)研究了铜在ChCl-OxA低共熔溶剂中的电化学行为和不同电位阶跃下的电结晶机理。采用扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射技术(XRD)对铜镀层的微观形貌和物相组成进行了表征。结果 ChCl-OxA低共熔溶剂的电化学稳定窗口为2.10 V。铜离子经过两个连续的电化学步骤还原为金属铜，两个还原峰电位(vs. Ag)分别为0.686 V(Cu²⁺/Cu⁺)和0.365 V(Cu⁺/Cu⁰)，还原电位均位于正电位区，说明铜离子具有强还原性。不同扫描速度下的CV曲线表明，两个还原峰电位Ep均随扫描速度v的增加而呈现负移的趋势，符合不可逆电极反应的特征。对Ip和v^1/2之间的关系进行了线性拟合，发现Ip与v^1/2之间均为线性关系，故可认为该体系中Cu(Ⅱ)的两步还原反应均是受扩散控制的，进一步计算出扩散系数DCu(Ⅱ)、DCu(Ⅰ)分别为7.27×10^–9、5.70×10^–9 cm²/s。在–0.60~–0.68 V下测定CA曲线，通过拟合CA曲线和理论曲线对比发现，Cu(Ⅱ)在ChCl-OxA体系中的电结晶过程符合Scharifker-Hill三维瞬时形核模型。SEM结果表明，不同沉积时间下的铜晶粒具有不同形态，如球形、短棒状等，可获得均匀、致密的铜镀层。XRD结果表明，镀层由面心立方结构(FCC)的单质铜组成，最优结晶面为(111)。结论 Cu(Ⅱ)在ChCl-OxA低共熔溶剂中的电沉积过程为受扩散控制的不可逆电极过程，且形核机制为三维瞬时形核。在该体系中可得到均匀、细致的铜镀层，且铜镀层平均晶粒尺寸为45.34 nm。
精密与超精密加工
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  钨合金超声椭圆振动切削表面完整性研究

  康仁科, 宋鑫, 董志刚, 潘延安, 张园, 鲍岩

  表面技术. 2021, 50(11): 321-328. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.034

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  目的 研究钨合金超声椭圆振动切削表面完整性的变化规律，为实现钨合金高表面完整性加工提供理论基础。方法 设计单因素试验，采用单晶金刚石刀具开展钨合金超声椭圆振动切削试验，并与普通切削进行对比，研究不同切削深度下超声椭圆振动对工件表面形貌、表面粗糙度、微观组织、位错密度、显微硬度以及表面残余应力的影响。结果 普通切削或超声椭圆振动切削后，工件表面的位错密度、显微硬度以及残余应力均随着切削深度的增加而增大，且亚表面的晶粒都发生了一定程度的塑性变形，并出现了晶粒细化。与普通切削相比，超声椭圆振动切削可以有效抑制加工过程中鳞刺和犁沟的产生，改善表面粗糙度;工件表面会产生更高的硬化程度、残余压应力和位错密度，位错密度的量级在10⁸ mm^–2;亚表面的变质层厚度更小。结论 相比于普通切削，超声椭圆振动切削可以降低表面粗糙度，增大表面残余压应力，提高工件表面完整性。
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  水平振动抛磨颗粒介质流场特性分析

  吴远超, 李秀红, 王嘉明, 李文辉, 杨胜强, 师世豪

  表面技术. 2021, 50(11): 329-338. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.035

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  目的 探索不同振动参数下水平振动抛磨颗粒介质的流动模式和流场特性。方法 基于离散元法(DEM)，对水平振动抛磨工艺下的颗粒介质运动特性进行模拟，分析颗粒介质的流场特征和不同参数下颗粒介质的流态变化，研究颗粒介质床层高度比、空区变化和对流面积比对整个颗粒系统对流强度的影响，以及颗粒介质的平均速度对流场的影响，并通过高速摄影速度测试实验验证模拟的有效性。结果 在外部振动作用下，颗粒介质流场可分为对流区、混流区和稳流区3个区域。随着频率的增加，颗粒介质的平均速度在18 Hz达到最大，然后减小。随着振幅的增加，颗粒介质的平均速度增大。颗粒介质的床层高度比、空区和对流面积比的变化与平均速度随振动参数的变化趋势一致。结论 随着振幅增大或是频率达到18 Hz左右时，平均速度变大，颗粒介质床层逐渐由上层到下层从只有稳流类固态转变为有对流与混流的类液态。颗粒介质的平均速度与对流强度的变化趋势一致，因此可通过前者预测后者的变化，而且增加振幅比增加频率能够更有效地提升对流的流化程度。
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  晶体取向对蓝宝石晶片抛光加工的影响研究

  曹霖霖, 郭路广, 袁巨龙, 张翔, 吕冰海, 马毅, 杭伟, 赵萍

  表面技术. 2021, 50(11): 339-345, 353. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.036

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  目的 对比分析不同晶向蓝宝石晶圆抛光结果，优化加工参数，探究晶体取向对抛光结果的影响规律。方法 选取A、C面蓝宝石晶片(50.8 mm)为研究对象，采用控制变量法，分别以加工载荷(9.87、14.81、19.75 kPa)和抛光盘转速(20、40、60、80 r/min)为变量，以表面粗糙度Ra和材料去除率MRR为评价指标，对两种晶体取向的蓝宝石晶片进行抛光加工试验，借助3D表面轮廓仪与扫描电子显微镜SEM，对加工前后蓝宝石晶片的表面形貌进行对比，并根据试验结果优化加工参数。结果 A、C面蓝宝石晶片的表面粗糙度与材料去除率，随时间均表现出先快速下降，然后逐渐变缓，最后趋于稳定的趋势。当选取转速60 r/min、载荷14.81 kPa的参数组合时，两种晶片获得目标最小粗糙度和最大材料去除率，最终得到A面Ra=24.874 nm，MRR=3.715 nm/min，C面Ra=2.763 nm，MRR=7.647 nm/min，C面材料去除率为A面的2.1~2.5倍。结论 蓝宝石晶体取向作用对材料加工结果存在显著影响，在相同的加工条件下，相较于A面蓝宝石，C面蓝宝石更容易获得纳米级的表面质量和更高的材料去除率，即C面更易加工。
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  超声辅助微细磨料水射流冲蚀K9玻璃的实验研究

  张旭, 秦世康, 齐欢, Viboon Tangwarodomnukun

  表面技术. 2021, 50(11): 346-353. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.037

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  目的 提高微细磨料水射流对硬脆材料的加工能力，改善加工表面的形貌和质量。方法 引入超声振动作为辅助手段，使工件在垂直于加工表面方向作小振幅超声频振动。以K9玻璃为加工对象，利用自主设计搭建的超声辅助微细磨料水射流加工装置进行微孔冲蚀加工实验，并以无超声振动时的微孔加工实验作为对照。借助超景深三维显微镜对各实验条件下所加工的微孔进行观测，获取其尺寸和截面轮廓数据，研究超声振动对微孔尺寸、形貌的影响。结果 微孔的深度和顶部直径与射流压力的大小和加工时间的长短呈正相关。超声振动的引入，显著增加了微孔的深度，实验中深度的最大增幅达54.6%，但微孔顶部直径略有减小，最大降幅为8.2%，总体的材料去除量有所提升。塑性冲蚀作用主导了材料的去除过程，微孔的截面呈典型的“W”形。在引入超声振动后，“W”形截面形貌得到了改善，微孔中心凸起部分的材料得到更多的去除，底面平坦程度得到提升。结论 超声振动的引入增强了微细磨料水射流对K9玻璃的冲蚀性能，超声辅助微细磨料水射流加工技术可以实现对K9玻璃等硬脆材料的高质量、高效率加工。
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  旋转超声磨削氧化锆陶瓷孔的质量控制研究

  李颂华, 马超, 孙健

  表面技术. 2021, 50(11): 354-361, 371. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.038

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  目的 确定在旋转超声磨削加工下使氧化锆陶瓷出孔端面崩边面积最小时的最优磨削参数，并证明在工件底部加辅助支撑抑制崩边策略的合理性，为实际生产提供理论指导。方法 以出孔端面崩边面积与加工后理想孔面积之比Hd值作为出孔质量评价指标。首先对氧化锆陶瓷进行孔磨削正交实验，实验设置为三因素四水平，因素分别为主轴转速、进给速度及超声波振幅，得到各因素对Hd值的影响趋势及初步预测最优磨削参数组合;其次利用单因素实验，进一步分析各因素对Hd值的影响及确定最优的磨削参数范围;最后通过在工件底部加辅助支撑来进一步降低Hd值。结果 通过实验得到最优的加工参数范围，主轴转速为15 000~17 000 r/min，进给速度为0.5~0.6 mm/min，超声波振幅为6~8 μm时，可将Hd值控制在3.308×10^－3以内。采用辅助支撑后，Hd值最多可再降低11.83%。结论 旋转超声磨削加工下，氧化锆陶瓷出孔Hd值随主轴转速、进给速度和超声波振幅的增加呈先减小、后增大的趋势，在保证进给速度最优时，适当提高主轴转速及超声波振幅有助于提高出孔表面质量，并可提高加工效率。采用在工件下方加辅助支撑的策略，能有效降低出孔端面崩边面积，并从理论和实验上证明其可行性。
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  晶面对单晶硅高功率绿光飞秒激光加工的影响

  张欣, 黄婷, 肖荣诗

  表面技术. 2021, 50(11): 362-371. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.039

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  目的 研究不同晶面取向对飞秒激光刻蚀加工硅的影响。方法 采用515 nm绿光高功率飞秒激光器，通过改变激光平均功率和扫描次数，对硅(111)和(100)面进行刻蚀加工，对比研究两个晶面的凹槽刻蚀深度和凹槽底部粗糙度差异。利用电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)技术，研究不同晶面在飞秒激光刻蚀加工中的微观行为特性，对比硅不同晶面的非晶化阈值和烧蚀阈值，同时对比不同晶面的非晶化能力和再结晶能力。结果 随着激光平均功率和扫描次数的增大，激光刻蚀形成的凹槽越来越深，相同条件下，硅(111)面的凹槽深度比(100)面的凹槽深度更大，且硅(111)面凹槽底部的粗糙度比(100)面凹槽底部的粗糙度更大。当凹槽刻蚀深度达到300 μm时，(111)面的凹槽深度比(100)面约深20 μm，粗糙度约高4 μm。通过EBSD技术获得硅两个晶面的非晶化阈值，两个晶面的非晶化阈值近似，约为0.16 J/cm²。在相同的非晶化阈值下，(111)面的非晶程度比(100)面大。在较少的激光扫描次数下，观察到硅(111)面的激光吸收率比(100)面高。结论 晶面取向不仅影响到飞秒激光多脉冲作用下硅的微观结构，而且还影响到硅的宏观飞秒激光加工效果。加工参数相同时，(111)面单晶硅的刻蚀深度明显大于(100)面单晶硅，原因是硅(111)面的非晶化能力比(100)面强，导致(111)面吸收更多的激光能量，材料去除效率更高。
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  基于廓形识别的弯管内表面精密磨削试验研究

  程淼, 陈松, 徐进文, 张霄烽, 陈燕, 韩冰

  表面技术. 2021, 50(11): 372-382. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.040

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  目的 解决弯管内表面磁粒研磨工艺中手动采点所产生的随机误差大、研磨间隙无法保证以及位姿不准确等问题。方法 结合工业机器人与工业相机，设计并实现了弯管廓形中线的快速获取及研磨位姿计算的工艺方法。首先，分析了弯管内表面磁粒研磨工艺的基本原理，根据研磨过程中单颗磨粒的受力状态以及对研磨区域的磁场模拟，得出影响研磨压力的主要工艺参数;其次，利用工业相机获取弯管图像，通过图像处理算法，得到弯管的廓形中线;最后，将中线上的坐标点进行坐标转换、拟合、离散，并结合磁粒研磨工艺特点，计算出研磨过程中机器人的运动位姿，同时与手动采点法的试验结果进行对比分析，以检验该方法的可行性。结果 廓形识别法提取出的研磨轨迹较为平滑，用时少，能够保持稳定的研磨间隙且更贴近实际弯管中线。在相同试验条件下，对具有180°转角的铜弯管进行研磨，经廓形识别方法研磨60 min后，表面粗糙度Ra由原始的0.854 μm降至0.236 μm，达到最佳。表面划痕细致且均匀，无过磨、深度划痕等缺陷，平均研磨速率比手动采点法提高了约35.8%，粗糙度的下降率提高了约3.8%。结论 在弯管内表面磁粒研磨过程中，廓形识别法能快速准确地获取弯管廓形中线并计算机器人研磨位姿，在保持正确研磨位姿的同时，能够维持稳定的研磨间隙，可有效提高弯管内表面磁粒研磨效率及表面质量。
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  新型高硬度硅溶胶的制备及其在化学机械抛光中的应用

  孙运乾, 李薇薇, 赵之琳, 钱佳

  表面技术. 2021, 50(11): 383-389. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.041

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  目的 制造新型高硬度硅溶胶，满足硅晶圆化学机械抛光(CMP)既要高抛光速率，又要高抛光质量的要求。方法 利用恒液面聚合生长法制备硅溶胶的工艺特点，通过在合成过程中加入pH值稳定剂异丙醇胺，提升硅溶胶的硬度和稳定性。采用透射扫描电子显微镜、红外光谱等对硅溶胶的成分、形貌等胶体的性质进行表征和分析。结果 通过设计对比实验，发现新型高硬度硅溶胶抛光时的pH值稳定性较普通市售硅溶胶有很大提升，3组新型高硬度硅溶胶平均抛光速率分别为1.580、1.544、1.582 μm/min，较普通市售硅溶胶分别提升了17.41%、17.91%、18.25%。新型高硬度硅溶胶抛光后，硅晶圆的平均表面粗糙度只有0.157 nm，最低达到了0.132 nm，而市售普通硅溶胶抛光后的硅晶圆平均表面粗糙度为0.216 nm。同时，通过检测抛光前后硅溶胶粒径和形貌的变化，发现新型高硬度硅溶胶均优于普通市售硅溶胶。结论 新型高硬度硅溶胶作为抛光的研磨料在去除速率、表面粗糙度等方面都有一定的优势，验证了新型高硬度硅溶胶作为抛光研磨料的实用价值。