2021年, 第50卷, 第3期　
刊出日期：2021-03-20

  

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特邀综述
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  新型碳纳米材料用于有机防腐涂层的研究进展

  王池嘉, 王子华, 刘书佩, 罗红欣, 范炜昊, 石楠奇, 汪怀远

  表面技术. 2021, 50(3): 1-15, 44. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.001

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  综述了碳纳米材料用于腐蚀防护中的研究进展，重点介绍了几种碳纳米材料，包括富勒烯、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、石墨炔以及碳点。碳纳米材料具有优异润滑性能、导电导热性能和屏蔽性能等，在涂层防护领域具有广阔应用前景。具有二维片层结构的碳纳米材料，可在涂层内部构建多重高效屏障，有效提升涂层的屏蔽性能。碳纳米材料的表面存在负电荷，可有效地抑制氯离子和氢氧根离子的渗透过程，降低涂层与金属界面间的阴离子浓度，减缓涂层与金属界面发生腐蚀的几率。碳纳米材料本身具有润滑性能，可实现减摩，提升涂层的耐磨性能。此外，对碳纳米材料涂层的制备、性能及防腐机理等进行了详细阐述，对碳纳米材料在有机防腐涂层中的发展前景进行了展望。
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  激光诱导材料表面着色研究进展

  钱静, 李阳博, 王关德, 沈丹阳, 娄孔昱, 付强, 赵全忠

  表面技术. 2021, 50(3): 16-29. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.002

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  概述了三种激光着色机理:氧化膜干涉着色，以纳秒激光为主要着色方式，具有成本低、工业应用成熟等特点;周期性结构衍射着色，除了传统的超快激光诱导条纹结构着色，近些年发展起来的多光束干涉着色，丰富了周期性结构的种类，又大大提高了着色效率，更加适用于工业应用;等离基元金属纳米结构着色，通过调节纳米结构的间距、纳米结构尺寸等参数，可以对单个纳米结构实现显色控制，因而可以打印出具有纳米尺度像素大小的超高分辨率彩色图案。根据各种着色机理，概述了激光着色在防伪标记、激光隐写、彩色全息图等领域的应用，并提出了激光着色面临的重复性和稳定性的共性问题，提出了下一步的研究方向，包括从理论上对工艺技术进行研究，提高模型与实际效果的一致性，优化工艺方式得到输入和输出的定量关系，提高着色效果和加工效率等。
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  油气管线钢土壤环境硫酸盐还原菌腐蚀研究进展

  韦博鑫, 许进, 高立群, 覃清钰, 付琦, 于长坤, 孙成, 王振尧

  表面技术. 2021, 50(3): 30-44. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.003

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  结合国内外埋地管线钢微生物腐蚀的研究，综述了腐蚀性土壤微生物种类和特点、环境因素对硫酸盐还原菌腐蚀的影响、生物腐蚀研究方法和进展，以及微生物腐蚀防护与监检测技术。最后，对埋地管线钢微生物腐蚀研究进行了展望。埋地管线钢服役环境复杂，受到土壤类型、杂散电流、阴极保护、应力、剥离涂层和微生物等多种因素的影响，而各种因素之间又存在着相互的耦合作用。多因素耦合作用下埋地管线钢微生物腐蚀将成为土壤微生物腐蚀今后的主要研究方向。土壤微生物腐蚀研究涉及土壤学、材料学、腐蚀科学和微生物学等多学科，是一个多学科交叉的研究课题，而化学和电化学分析技术、微生物分析技术以及材料表征技术等的联用也将为土壤微生物腐蚀行为和机制的研究提供更多的研究方法，这也有助于更好地理解微生物/材料之间的相互作用机制。随着对微生物腐蚀研究的深入，人们对硫酸盐还原菌腐蚀机理的认识也更加全面，“生物阴极催化还原”理论从生物能量学和生物电化学角度解释了微生物腐蚀的过程和机理。抗菌涂层开发和耐微生物腐蚀管线钢研发为MIC防治提供了一个新的研究路径。
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  钛合金微弧氧化生物膜制备与性能研究

  陈宏, 丁健, 陈永楠, 邢亚哲, 郝建民

  表面技术. 2021, 50(3): 45-50. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.004

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  综合国内外钛合金微弧氧化生物膜制备的方法，主要阐述了电参数与电解液对钛合金微弧氧化生物膜结构以及性能的影响机制。脉冲电源下，电流对膜层的制备具有良好的调整作用，且得到的膜层厚度显著增大。膜层厚度随氧化电压的升高而增加时，膜层表面颜色与腐蚀电位也发生变化。增加脉宽，降低频率时，单脉冲放电能量随之增加，微弧氧化成膜速率显著加快。不同体系电解液制备的膜层表面粗糙度、微孔结构等存在差异。在电解液中引入银、锌、铜离子能有效改善植入物涂层表面细菌黏附引起的异物炎症问题，增强其抗菌作用。基于目前钛合金微弧氧化的研究进展，展望了该研究方向，对钛合金植入物在临床医学应用发展中具有积极的促进作用。
研究综述
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  面向再制造的油漆清洗技术综述

  武爽爽, 贾秀杰, 熊胜, 王兴, 马明亮, 任远

  表面技术. 2021, 50(3): 51-65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.005

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  再制造清洗是再制造中极为重要的环节，清洗的质量会直接影响再制造产品的质量。油漆是再制造清洗中必不可少的一种污垢类型，相比于其他污垢，具有与基体结合时间长，结合情况复杂，清洗难度大的特点。目前，清洗油漆主要采用传统清洗技术，如酸碱溶液清洗、高温热分解、干喷丸清洗等，而对近几年出现的油漆绿色清洗技术的推广应用不够，并且没有一个系统的整理总结用于指导实际应用。针对这一现状，基于国内外学者对油漆绿色清洗技术的研究成果，首先从油漆的性质方面进行整理，如:油漆与基体的结合情况，油漆表面微观形貌以及主要成分等。然后总结了机械领域常用的绿色油漆清洗技术，如熔盐清洗技术、干冰清洗技术、激光清洗技术、高压水射流清洗技术、湿喷丸清洗技术、超声波清洗技术以及超临界CO2清洗技术，重点阐述了各种清洗技术的油漆清洗机理及优缺点，并以清洗效率为衡量标准，对各种清洗技术进行对比分析，为使用者选择清洗技术提供参考。最后根据现有油漆清洗技术存在的局限性，对清洗技术的发展前景进行了展望，提出了绿色化、复合化和智能化的发展理念，为新型油漆清洗技术的提升以及现有油漆清洗技术改进提供思路，促进清洗技术的进一步发展。
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  有机涂层防护性能的电化学研究进展

  刘玉欣, 何东昱, 孙哲, 王凯博, 李长青, 吕耀辉

  表面技术. 2021, 50(3): 66-78, 115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.006

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  曝晒、盐雾、浸泡、干湿循环、老化等传统的有机涂层防护性能研究方法，因测试周期长，测试结果多为定性分析，不能使涂层材料进行快速检验而投入评估使用。正是由于传统测试方法存在许多局限性，故综述了稳态电化学测试方法和暂态电化学测试方法这两种新技术在有机涂层防护性能中的应用与进展。介绍了动电位极化曲线法、极化电阻法等稳态电化学测试方法，这类方法主要反映涂层的极化电阻和腐蚀速度，并且方法简单，可直接分析实验数据，被广泛应用于有机涂层的失效分析中。而暂态电化学测试方法主要包括电化学阻抗法(EIS)、局部阻抗法(LEIS)、扫描Kelvin探针法(SKP)及电化学噪声(EN)等，主要用于研究涂层防护机制和局部缺陷。目前，在有机涂层防护性能和机理研究中，应用最多的是电化学交流阻抗法。丝束电极法(WBE)、扫描电化学显微镜(SECM)以及原子力显微镜(AFM)用于研究金属/涂层界面物理化学变化规律。阐述了上述方法在涂层防护研究中的应用成果及其优势和不足，指出对于深层次的涂层防护研究，需要应用多种测试手段，从不同的角度和方面综合分析，全面评估涂层的使用寿命。
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  基于热喷涂界面微纳结构设计的涂层力学性能研究进展

  李乔磊, 宋鹏, 黄太红, 邓春明, 孙晓峰

  表面技术. 2021, 50(3): 79-90, 100. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.007

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  热喷涂陶瓷涂层在航空航天、交通运输等众多领域具有广阔的应用前景，常见的热喷涂陶瓷涂层体系包括陶瓷层、金属/合金粘结层和金属基体。由于陶瓷层与粘结层具有较大的物化性能差异，使界面成为热喷涂陶瓷涂层易发生失效的区域，极大降低了涂层的服役寿命，遏制了热喷涂陶瓷涂层更为广泛的应用。以热喷涂界面的微观和宏观结构设计为出发点，综述了微观界面和扩散对界面力学性能的影响，总结了微米-纳米颗粒的界面结构、成分连续梯度变化的涂层结构和涂层缺陷对性能的影响。同时总结了三点弯曲、显微硬度和纳米压痕对界面力学性能的系统表征方法，并结合不同测试方法的特性，给出了对应的多尺度界面力学性能的计算公式。上述结果对设计和制备高性能复合涂层具有重要的理论意义，对延长涂层服役寿命具有实际的应用价值。
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  薄膜缺陷研究进展综述

  马永胜, 杨雨晨, 景泳淼, 孙飞, 董海义, 何平, 陈双凯, 张志伟, 陈子林, 杨馥羽, 刘佰奇, 张磊

  表面技术. 2021, 50(3): 91-100. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.008

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  在实际镀膜过程中，镀膜腔室内不可避免地会含有微米级的颗粒、灰尘，除此之外，衬底表面在加工过程中产生的缺陷、污染，即使经过清洗处理，往往也不能完全消除，甚至会带来新的缺陷、污染。阴极靶中的杂质、气泡以及微弧放电同样会产生颗粒物，这些因素将直接导致薄膜在生长过程形成缺陷。详细综述了薄膜缺陷的形成原因、分类以及对不同应用的影响。根据形成原因、微观形貌等，可将缺陷大致分为薄片形结构、凹坑结构、结节状球形滴锥结构、针孔/气孔结构等四种类型。不同类型缺陷在薄膜中的占比受环境因素变化而改变，在空间分布也有所不同。缺陷破坏了薄膜的完整性，对薄膜性能产生较大影响，如降低了硬质薄膜的耐摩擦性，腐蚀介质可通过缺陷达到基材表面，导致耐腐蚀薄膜丧失保护功能。对于超导薄膜，当缺陷尺寸远大于copper电子对相干长度时，剩余电阻大大增加。最后，总结了气压、偏压、电压、沉积时间、衬底安装角度、镀膜室屏蔽结构等对缺陷密度的影响，也说明通过优化以上参数与结构可以降低缺陷密度，改善薄膜质量。
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  不同应力条件下不锈钢局部腐蚀行为的研究进展

  李嘉栋, 陈超, 张世贵, 林冰, 王莹莹, 朱元强, 唐鋆磊

  表面技术. 2021, 50(3): 101-115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.009

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  不锈钢因具有良好的耐腐蚀性能而倍受重视，在众多工业领域内被广泛使用，但在实际应用中，由于受到腐蚀环境和应力的共同作用，不可避免地会产生点蚀或裂纹，导致服役性能下降，甚至引发各类安全事故。所以，应力条件下不锈钢的腐蚀行为一直是不锈钢材料腐蚀领域的重要研究课题。总结了部分代表性的不锈钢材料在应力作用下局部腐蚀行为的研究进展，主要总结与讨论了弹性应力、塑性应力以及残余应力对不锈钢点蚀及腐蚀开裂行为的影响规律。弹性应力如何影响不锈钢点蚀与腐蚀开裂还不是特别清楚，一般认为弹性拉应力会促进点蚀的萌生，使点蚀坑内产生应力集中，促进腐蚀扩展，但也发现了较小弹性拉应力会抑制点蚀的情况，而且机理也尚不明确，并且弹性压应力到底是促进还是抑制点蚀萌生也尚未达成一致。塑性应力对不锈钢局部腐蚀的影响机理已经比较明确，塑性应力会导致位错的产生，从而促进点蚀和裂纹的生长。残余拉应力会促进不锈钢点蚀和裂纹的生长，但残余压应力却能够有效抑制不锈钢点蚀和裂纹的生长。因此，在较低至中等弹性应力下的不锈钢局部腐蚀行为及其影响机理应该加强研究，而对于塑性应力与残余应力，则应该进一步深入探讨其作用下不锈钢局部腐蚀行为的各阶段特征和断裂临期特征，以期精确进行腐蚀断裂风险的评估和解决寿命评估的难题。
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  石墨烯及其衍生物在防腐蚀领域中的研究进展

  高正源, 孙程锦, 杨栋, 卢再亮, 孙鹏飞

  表面技术. 2021, 50(3): 116-127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.010

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  石墨烯及其衍生物对腐蚀介质具有良好的屏蔽性能。石墨烯化学惰性低、物理性质出色，且其衍生物氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯量子点和氧化石墨烯量子点，具有表面官能团丰富、易于改性以及分散性良好的特点，因此在防腐蚀领域中受到越来越多的科研人员关注。综述了石墨烯耐蚀薄膜和石墨烯衍生物耐蚀复合涂层的研究进展。介绍了“自下而上”和“自上而下”两种石墨烯及其衍生物的主要制备方法，并分别介绍了其在防腐蚀领域中的耐蚀性能和耐蚀机理。概述了石墨烯耐蚀薄膜由于自身的结构缺陷和基体的碳溶解度等原因，造成薄膜无法长期提供防腐蚀保护和不能在众多金属表面直接应用的主要问题，并且针对存在的问题归纳和探讨了新型薄膜制备方法、薄膜结构设计和薄膜参数优化3种主要解决方法。整理了石墨烯衍生物纳米填料在防腐蚀领域中的主要应用方式，包括防腐蚀有机涂料、电沉积和水热法等。还阐述了由于石墨烯纳米填料之间的相互作用力和自身疏水性导致其在涂层内部分散性差的问题，并且分别对氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯/氧化石墨烯量子点3类纳米填料的优缺点和改性方式进行了综合介绍和分析，探究了纳米填料通过共价结合、静电吸附等改性方式在分散性和疏水性等方面上的提升方法，以及通过锌离子和导电聚合物的电化学保护作用在纳米填料复合涂层长期防腐蚀性能上的改善途径。最后，对石墨烯及其衍生物在防腐蚀领域中仍然存在的问题和发展趋势进行了总结和展望。
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  金属光电化学阴极保护材料及其防腐功能化实现研究进展

  张雪菲, 李梦雅, 孔龙飞, 王猛, 闫璐, 肖凤娟

  表面技术. 2021, 50(3): 128-140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.011

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  与传统的腐蚀保护方法相比，光电化学阴极保护是一种节能、环保、经济的腐蚀防护技术。该技术的关键特征是，利用光电化学阴极保护材料在光照条件下产生光生电子，而光生电子以电势差作为驱动力转移到金属上，并富集在金属表面，导致金属的电位负移，从而实现对金属的强制保护。总结了近年来国内外光电化学阴极保护材料的制备方法与性能特点，针对目前TiO2薄膜材料存在的问题，阐述了通过形貌调控、元素掺杂、半导体复合、异质结构成、材料耦合等方式，提升光电化学阴极保护性能的策略和技术。概括了非TiO2类光电化学阴极保护纳米材料的性能及应用，主要有ZnO、SrTiO3、In2O3、g-C3N4、铋基金属氧化物等半导体材料。明确了近年来光电化学阴极保护材料防腐功能化实现的途径和方法，包括光阳极法和直接涂敷法，并比较了二者之间的优缺点。最后，提出了金属光电化学阴极保护材料及防腐功能化研究的发展趋势及存在的问题。
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  石墨烯导电涂料的研究进展

  文芳, 杨波, 彭小坡, 张双红, 黄国家

  表面技术. 2021, 50(3): 141-148, 157. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.012

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  石墨烯具有超高的导电性、机械性及导热性，是目前研究最广泛的二维纳米材料，石墨烯作为特殊的功能填料，在导电防腐涂料领域得到广泛研究。首先，简要概述了石墨烯的结构特点，特殊晶体结构使其具有优异的物化性能，石墨烯作填料能够利用优异的导电性及片层结构，提升涂料的导电性及防腐蚀性。其次，针对石墨烯在导电涂料应用过程中的具体问题进行了详细说明，添加助剂以及氧化石墨烯功能化改性解决石墨烯的分散性，适量的添加量是影响导电涂料性能的关键因素，复合材料能够减少石墨烯添加量并产生协同作用，制备工艺主要包括溶液混合法、熔融共混法、原位聚合法。然后，阐述了石墨烯导电涂料的导电机理，竞争机理认为掺杂型导电涂料的导电性是由导电通路、隧道效应、场发射三者竞争的结果，结合导电模型分析了导电机理。最后，对石墨烯导电涂料的应用前景进行了展望，从石墨烯的分散方法、机理研究、制备工艺等方向，提出了石墨烯在导电涂料领域的研究建议。
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  离子液体电沉积铝添加剂的研究进展

  彭冬, 张晶, 张敏, 丛大龙, 陈海涛, 宋凯强, 李忠盛

  表面技术. 2021, 50(3): 149-157. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.013

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  离子液体作为一种新型绿色室温电解质，具有蒸气压低、挥发性小、电化学窗口宽等优点，是电沉积Al的理想选择。但是采用离子液体电沉积Al，当沉积时间较长、电流密度较大时，沉积层的晶粒粗大，表面较为粗糙，甚至会出现树枝状沉积，容易剥落，严重影响到Al沉积层的质量与性能。离子液体添加剂可显著改善Al沉积层光亮度、平整度、致密度以及耐腐蚀性能。综述了添加剂对离子液体电沉积Al的影响，重点介绍了添加剂对Al沉积层微观结构、离子液体物理性质、Al沉积层耐腐蚀性能的影响，以及添加剂在离子液体电沉积Al中的作用机理。添加剂通过优化离子液体电导率、黏度等电化学性能与离子放电条件，来控制Al晶粒的形核与生长，从而调整晶粒的形核位置、细化晶粒尺寸、择优晶粒取向，甚至一些无机氯化物添加剂可与Al形成合金，最终获得光亮、平整、致密且耐蚀性能优异的Al沉积层。添加剂在离子液体电沉积Al中主要起整平剂与光亮剂的作用。最后，分析展望了添加剂在离子液体电沉积Al中的应用前景及未来的研究重点。
激光表面改性技术
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  扫描方式对中空环形激光熔覆层残余应力及基板变形的影响研究

  李广琪, 王丽芳, 朱刚贤, 赵亮, 石世宏

  表面技术. 2021, 50(3): 158-170. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.014

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  目的 揭示激光熔覆过程基材变形演变机理，同时研究不同扫描方式对中空环形激光熔覆层残余应力分布及基材变形的影响规律，以期减小熔覆层残余应力，控制基材形变量。方法 利用有限元分析软件ANSYS APDL编程语言，首先建立单道模型，探究了熔覆过程基板变形演变机理;其次建立单层多道有限元模型，模拟了6种不同扫描方式对激光熔覆层残余应力分布及基材翘曲变形的影响。基于“光束中空、光内送粉”熔覆工艺，开展了基板翘曲变形量实验研究。结果 数值模拟结果表明，基板在激光熔覆起始阶段产生了背向光源的弯曲变形，随着冷却的进行，开始转变为面向光源的翘曲变形。以减小熔覆层残余应力为评价指标，获得不同扫描方式的优越性排序为:沿长边往复扫描方式>沿短边往复扫描，外螺旋式扫描>分块式扫描>内螺旋式扫描>往复扫描。从降低基板翘曲变形程度来看，不同扫描方式的优越性排列为:沿长边往复扫描方式>沿短边往复扫描，分块式扫描>内螺旋式扫描>外螺旋式扫描>往复扫描。实验测量结果表明，基板变形程度的趋势与数值模拟结果一致，验证了数值模拟的正确性。不同扫描方式下，熔覆层残余应力水平与基材翘曲变形程度基本呈正相关趋势。结论 采用分块扫描方式可以显著降低熔覆层残余应力分布，改善基材翘曲变形程度，为提高中空环形激光熔覆成形质量路径规划选择提供参考。
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  WC-Ni-Co硬质合金表面激光熔凝修复组织与摩擦磨损性能

  高健, 刘奋成, 刘丰刚, 徐洋, 宋梦华, 汪志太

  表面技术. 2021, 50(3): 171-182. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.015

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  目的 为实现WC-Ni-Co硬质合金的表面疲劳裂纹缺陷修复，研究不同预热温度对合金表面激光熔凝层组织、显微硬度及摩擦磨损性能的影响规律。方法 采用4 kW光纤激光器制备了不同预热温度的WC-Ni-Co硬质合金熔凝层，用着色探伤剂检测表面裂纹，用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察熔凝层的显微组织，用能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)测定熔凝层的元素分布和相组成，用显微硬度计和磨损试验机测定熔凝层的硬度和耐磨性能，并观察了熔凝层的磨损形貌，分析熔凝层的磨损机理。结果 熔凝层包含原始WC相、α-Co基体相、共晶鱼骨状碳化物、弥散分布的细小二次碳化物等组织，与基材WC颗粒的不规则形状相比，经熔凝后WC颗粒发生了明显的长大和界面平直化，且共晶鱼骨状碳化物为WC、Cr7C3、CoCx和C6(CoCrNi)23的混合物。熔凝层的范围随着预热温度的升高逐渐增加，最大达866.7 μm;当预热温度达到400 ℃以上时，熔凝后得到的熔凝层没有产生裂纹。熔凝层的平均显微硬度达到934HV0.5，远高于基材硬度762HV0.5。预热温度的升高会降低熔凝层的摩擦因数，提高表面的耐磨性。结论 当预热温度达到或超过400 ℃时，熔凝层中的WC颗粒分布较为均匀，无裂纹等缺陷，具有较高的硬度和耐磨性。
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  纳秒激光对金属清洗着色机理及质量的研究

  丁帅帅, 刘国东, 黎相孟, 冯琪渊, 仝志宏, 程浩田

  表面技术. 2021, 50(3): 183-190, 197. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.016

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  目的 分析激光清洗着色工艺对有锈蚀层的304不锈钢着色质量的影响规律，探讨呈色原理，为实现清洗与着色的一次性成形提供理论及工艺支持。方法 采用COMSOL Multiphysics建立了激光加工有锈蚀层304不锈钢的有限元模型，分析了过程中温度场的分布和参数对材料烧蚀深度的影响，指导着色参数的选择。调整参数进行实验获得质量较好的着色样本，用扫描电子显微镜和X射线能谱仪对样本的微观结构及能谱分布进行测量，分析清洗质量、呈色原理。对粗糙度有差异的304不锈钢进行着色试验，分析粗糙度对颜色显示的影响。结果 仿真结果表明，温度场的分布与材料的导热系数相关，P=20 W、h=0.01 mm时，v减小，烧蚀深度加深。实验获得的黄、蓝、绿、红4色样本，能量密度最低的蓝色样本中氧的质量分数由19.87%到0%的改变，表明各色样本均已实现清洗，同时能够进行着色，且获得平整的高质量表面。粗糙度高的着色样本，在观测角为90°时依然可以保证样本颜色不失真。结论 通过优化参数可以实现清洗与着色的一次性成形。纳秒激光着色304不锈钢，其呈色原理与能量密度相关。对表面粗糙度Ra>1.6 μm的304不锈钢着色，可获得不失真的着色样本。
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  激光功率对17-4PH丝材激光熔覆组织及硬度的影响

  王强, 李洋洋, 杨洪波, 牛文娟, 苏成明, 曹鹏, 杨驹, 王永刚, Dong QIU

  表面技术. 2021, 50(3): 191-197. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.017

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  目的 研究激光功率对17-4PH不锈钢丝材激光熔覆组织及硬度的影响，以确定最佳激光熔覆功率，为17-4PH不锈钢丝材激光熔覆的应用提供参考。方法 在27SiMn钢活塞杆表面，对17-4PH不锈钢丝材进行了不同激光功率熔覆试验，利用金相显微镜和扫描电子显微镜表征不同激光功率熔覆层的微观组织，使用硬度计测量不同激光功率熔覆层和基体的硬度。结果 当激光功率分别为1600、1800、2000、2200 W时，熔覆层的高度由1119 μm降低到1006 μm，基体的穿透深度和热影响区宽度都随激光功率的增加而增大，熔覆层的组织主要为较短无方向性的板条马氏体。当激光功率为2400、3000 W时，熔覆层的高度、基体的穿透深度和热影响区宽度均随激光功率的增大而增加，最大值分别达到1119、310、638 μm，熔覆层的组织主要由具有方向取向的板条马氏体组成，靠近基材的位置由晶粒细小而致密的等轴晶组成，随着激光功率的增加，熔覆层弥散析出的沉淀颗粒越来越多。此外，熔覆层和热影响区的显微硬度均高于基体，随着激光功率的增加，熔覆层的显微硬度明显增大，最高可达479.4HV0.2。结论 综合考虑激光功率对17-4PH不锈钢丝材激光熔覆组织及硬度的影响，2600 W为最佳激光熔覆功率。
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  低功率激光辐照对弯曲成形件表面残余应力的影响

  高欢, 李正阳, 彭青, 闫世兴

  表面技术. 2021, 50(3): 198-205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.018

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  目的 针对航空铝合金构件维修加工后存在残余拉应力，进而影响部件使用寿命的难题，研究一种基于低能量输入激光辐照消减构件表面残余应力的方法。方法 采用激光辐照材料残余应力集中区域，通过激光热作用诱导弹性内能转化为塑性功，从而降低残余应力。为了验证该方法的可行性，对2A12铝合金试样进行四点弯曲加载，通过不均匀塑性变形产生残余应力，再通过激光扫描应力集中区域诱导表面残余应力局部释放。结果 采用X射线衍射法测量表面残余应力的结果表明，激光扫描后，试样表面的残余拉应力完全消除，当激光功率增大到95 W时，残余应力可以消除77%左右。通过理论分析和微观形貌对比，发现材料在激光辐照前后并没有相变。通过分析材料Al(311)晶面X射线衍射峰半高宽的变化，发现激光辐照使材料表面位错密度下降，随着激光功率增大，位错密度下降幅度增大，这也是残余应力降低的原因之一。结论 在不改变材料微观组织的前提下，采用低功率激光辐照可以显著降低材料表面残余应力分布。
热喷涂与冷喷涂技术
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  纳米ZrO2-8%Y2O3水相悬浮液分散稳定性研究

  许艳华, 颜文煅, 何惜琴

  表面技术. 2021, 50(3): 206-211, 238. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.019

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  目的 探究Y2O3为8%的纳米ZrO2-8Y2O3(8YSZ)水相悬浮液的分散机理。方法 选用PAA、PEG600、PEG2000三种不同分散剂，在不同分散剂含量和pH值条件下，制备固相含量(以质量分数计)为20%的纳米8YSZ水相悬浮液。采用Zeta电位、粒度分布和悬浮液黏度对纳米8YSZ水相悬浮液的分散稳定性进行表征。结果 pH为中性时，悬浮液中分散剂PAA、PEG2000、PEG600的最佳用量(以质量分数计)分别为2.4%、2.4%、3.2%，对应的最低黏度分别为4.08、3.84、3.36 mPa.s。加入分散剂PAA后，纳米8YSZ等电点的pH值由6左移到4附近。当PH值为8时，纳米8YSZ颗粒的Zeta电位最高，达–44.5 mV。结论 纳米8YSZ水相悬浮液的分散稳定性与分散剂的种类、含量和pH值有关。仅添加分散剂或调节pH值均不能使纳米8YSZ水相悬浮液分散稳定。分散剂PAA同时具有静电稳定和空间位阻稳定的作用。分散剂的总体分散效果由高到低依次为PAA、PEG2000、PEG600。制备固相含量为20%的纳米8YSZ水相悬浮液的最佳条件为:pH=8，PAA含量为2.4%。此时悬浮液的分散效果最好，黏度最低，为2.56 mPa.s。
表面功能化
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  硼掺杂金刚石厚膜电极对高浓度工业废水的降解实验研究

  杨志亮, 鲁新如, 徐健, 王朝阳, 李义锋, 孙振路, 唐伟忠

  表面技术. 2021, 50(3): 212-218. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.020

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  目的 探索BDD厚膜电极处理高浓度有机废水方案的可行性。方法 利用直流电弧等离子体喷射法制备BDD厚膜电极，对其结构和电化学性能进行表征，并利用BDD厚膜作为电解阳极对高浓度模拟废水(葡萄糖溶液)和实际工业过程产生的橡胶助剂废水进行电化学氧化处理。结果 对电极样品的表征表明，其在0.5 mol/L H2SO4溶液中的电化学窗口和析氧电位分别为3.02 V和2.07 V。对模拟废水(葡萄糖溶液)和橡胶助剂工业废水的电化学降解实验表明，BDD厚膜电极对废水中的有机物有很好的去除效果。对于初始COD(化学需氧量)值为18 940 mg/L的高浓度葡萄糖溶液，在电解8 h后，COD值的去除率为91.02%。对于初始COD值为18 380 mg/L的高浓度橡胶助剂废水，在电解10 h后，COD值的去除率为97.42%。 结论 直流电弧等离子体喷射法制备的重掺杂BDD厚膜电极有着较宽的电化学窗口和高的析氧电位，能有效地降低有机溶液的COD值。BDD厚膜电极的最佳工作条件为:在高有机物浓度环境下，为提高降解效率，应选择较高的电流密度。对于高COD值葡萄糖溶液和橡胶助剂废水，最优电流密度为200 mA。在低有机物浓度环境下，为降低能耗，应该选择较低的电流密度。对于低COD值葡萄糖溶液，最优电流密度为50 mA。
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  基于纳米划痕的电子束光刻胶微观力学性能研究

  潘俊臣, 郎风超, 王时雨, 张伟光, 姜爱峰, 李继军, 邢永明

  表面技术. 2021, 50(3): 219-224, 260. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.021

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  目的 研究不同厚度的ZEP-520电子束光刻胶胶层的韧性以及其与衬底间的结合强度等力学性能，为解决光刻胶层在使用过程中的开裂及脱落问题提供实验支持。方法 利用纳米划痕技术对不同厚度下的ZEP-520电子束光刻胶进行了划痕测试，分析了光刻胶开始破损和完全脱粘时的临界载荷，研究了胶层厚度与光刻胶韧性的定量关系，并以光刻胶胶层与硅基底的结合能评价了其结合强度。此外，在厚度为587 nm的光刻胶胶层上，利用电子束曝光技术成功制备了频率为10 000线/mm的高质量正交光栅，采用几何相位分析法对栅格间距误差进行了定量表征。结果 ZEP-520光刻胶胶层的韧性、结合力以及结合能均随胶层厚度的增加而增加，结合能在光刻胶胶层厚度大于529 nm时，趋于定值0.17 J/m²。利用几何相位分析法测得所制备的光栅间距误差在1.3%以内，并且未存在开裂以及脱粘等现象。结论 在ZEP-520电子束光刻胶胶层微纳米成形过程中，适当增加光刻胶胶层厚度可以有效增强胶层韧性和其与衬底之间的结合力，缓解光刻胶胶层在使用过程中出现裂纹与脱落的现象。
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  直流磁控溅射技术在柔性基底上制备光电屏蔽薄膜的研究

  高恒蛟, 徐友慧, 熊玉卿, 王艺, 王虎, 李林, 何延春

  表面技术. 2021, 50(3): 225-231. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.022

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  目的 研究离子束清洗活化和直流磁控溅射工艺参数对聚酰亚胺-铝薄膜光电性能的影响，确定最佳的制备工艺参数。方法 单一改变离子束活化工艺参数(离子源功率、气体流量和走带速率)和磁控溅射控制参数(真空度、离子能量、离子束流、温度、气体流量、走带速率及走带张力)，研究薄膜吸收率、附着力和薄膜外观变化规律。借助扫描电镜、光学仪器和电磁信号测试设备，对最佳工艺条件下制备的薄膜的形貌、透过率、电磁信号衰减频率进行了测试。结果 在离子源功率为1260 W、气体流量为120 mL/min、走带速率为0.3 m/min，镀膜辊温度为10 ℃，溅射功率为10 000 W的条件下，制备的聚酰亚胺-铝光电屏蔽膜太阳吸收率最小为0.09，膜层附着力强，没有异常放电现象，表面光滑。铝在微观状态下呈现微小颗粒状态，表面致密。在0.4~14 μm波段范围内，薄膜透射率<3.5%;在3~15 GHz频率范围内，薄膜电磁信号衰减率>30 dB。结论 通过直流磁控溅射技术制备的聚酰亚胺-铝光电屏蔽膜具有优异的光学性能和电磁屏蔽性能，在热控薄膜、屏蔽膜等领域具有广泛的应用前景。
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  负离子粉表面改性方法与聚合物包覆性能研究

  邓爱民, 穆锐, 苏昭玮

  表面技术. 2021, 50(3): 232-238. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.023

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  目的 比较三种不同改性方法对负离子粉表面改性的效果。方法 以KH-570为改性剂，分别采用球磨法、溶剂回流法和干研磨法对超细负离子粉进行表面有机化改性。将改性后的负离子粉分散到丙烯酸酯单体中，通过悬浮聚合在负离子粉表面生成聚合物包覆层，并制备成包含负离子粉的聚合物微球体。通过7230G分光光度计对比粉体在甲基丙烯酸甲酯单体中的悬浮性能。采用扫描电镜观察粉体的形貌特征以及聚合物包覆后粉体表面与聚合物的结合状况。分离出未被聚合物包覆的负离子粉，计算负离子粉的有效包覆率。采用COM-3010PRO负离子测试仪测试聚合物包覆前后负离子的释放性能。通过综合对比和分析，判断改性方法的优劣。结果 三种改性方法都可以实现对负离子粉表面的有机化改性。负离子粉表面有机化改性后，平均粒径减小，在甲基丙烯酸甲酯中分散悬浮稳定性明显增加。通过悬浮聚合可以得到聚合物包覆的负离子粉体微球，负离子粉在聚合物中分布均匀、结合牢固，聚合物有效包覆率最高可达79.2%。从改性后负离子粉的悬浮稳定性、聚合物包覆率、在聚合物中的分布状态以及负离子释放性能等方面，均体现出球磨法最优，溶剂回流法次之，干研磨法最差的规律。结论 球磨法是最佳的处理方法，负离子粉在聚合物中分布均匀，聚合物有效包覆率高，负离子释放量大。
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  新型耐久超疏水墙面涂层的制备与性能评价

  庄良雨, 李娟, 刘维仪, 张延宗

  表面技术. 2021, 50(3): 239-246. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.024

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  目的 从改善建筑墙体环境的角度出发，制备既能实现墙面自清洁，又具备耐久性的超疏水涂层。方法 将溶胶凝胶法制备得到的改性SiO2/硅藻土复合溶胶溶液与氟硅树脂乳液混合，喷涂在墙面上，得到了一种新型耐久的超疏水墙面涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)和接触角测量仪对涂层的微观形貌、化学结构和浸润性进行了观察分析，研究了硅藻土浓度对涂层超疏水性能以及机械强度的影响，并测试了涂层的耐酸碱能力、耐候性和自清洁能力。结果 硅藻土的最佳质量分数为7%，所制备的涂层拥有最佳性能，此时涂层的水接触角为160.74°±2°，滚动角为0.8°±1°。经11次胶带剥离后，涂层保持154.43°的接触角和4.8°的滚动角;经15次胶带剥离后，水滴仍可在其表面滚落，机械稳定性良好，超疏水性能优异。对于pH值为2~13的液体，涂层可保持150°以上的水接触角。在24个温度交替周期内，涂层水接触角保持在160°左右。在30 h的紫外辐射后，涂层水接触角下降至148.51°。涂层具有抵御颗粒污染物粘附以及有色溶液浸染的能力，能够保持墙面干净，具有良好的自清洁能力。结论 涂层的超疏水性能优异，具有耐久性和耐候性，能够有效地实现墙面的自清洁。
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  CVD法制备6.5%Si硅钢过程中的微观结构对硅扩散的影响研究

  徐洲, 陈建钧, 叶东东, 印长东, 秦宗慧, 张琦刚

  表面技术. 2021, 50(3): 247-254. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.025

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  目的 研究渗硅过程中的晶界占比对渗硅质量的影响，从而探究出制备6.5%Si硅钢的合理工艺。 方法 通过CVD法，利用真空管式炉制备6.5%Si硅钢。通过高温金相实验探究温度对晶粒尺寸的影响，利用高温与常温下的金相实验、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)分别统计平均晶粒尺寸、平均晶界宽度和扩散方向上晶粒内部与晶界上的硅含量，再利用MATLAB和Abaqus软件求解扩散系数和模拟分析微观渗硅。结果 1200 ℃下反应60 s，再扩散至140 s时，平均晶粒尺寸为140.45 μm，平均晶界宽度为76.31 nm，由实验数据计算得到的晶粒内部扩散系数为9.026×10^–6 mm²/s，晶界扩散系数为2.924×10^–3 mm²/s，晶界占比为0.163%。结论 晶界会影响渗硅扩散的速率与时间，晶界占总体积的比例越高，硅扩散越快，但相同时间内扩散越不均匀，导致硅钢片塑性下降。
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  气凝胶预封装高焓值定型相变水性热控涂层制备与性能研究

  孙理理, 陈红波, 王树浩, 李炜, 王萌, 李俊峰, 姜舟, 贺晨, 雷辉, 孟凡辉, 曾一兵

  表面技术. 2021, 50(3): 255-260. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.026

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  目的 研制一种气凝胶预封装的高焓值定型相变水性热控涂层。方法 以烷烃类相变材料为功能填料，研究了相变材料与常用溶剂的相容性，及不同预封装方式对涂层性能的影响。通过优化配方设计，制备出一种可以采用喷涂施工方式的高焓值定型相变水性热控涂料。结果 以水性树脂作为基料，以气凝胶作为预封装材料，当m(相变材料(二十二烷))∶m(水性树脂)∶m(气凝胶)=5∶2.5∶1时，涂层相变焓可达139.3 J/g，涂层表面不开裂，且在高于相变温度时不发生渗漏，可弥补传统相变材料在复杂形貌结构件应用困难、结合不紧密的缺点。结论 创新地采用SiO2气凝胶将烷烃类相变材料吸入孔隙中进行预封装，后将预封装的相变材料加入水性树脂中，制备成兼具有机成膜物柔性的高焓值定型相变水性热控涂层，在力学性能优异的树脂包裹下，可避免其在形变时发生脆性断裂。涂料简单易行的施工方式，使其不再受被保护部件复杂形状的限制，从而极大地拓展了相变材料的应用范围。
摩擦磨损与润滑
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  考虑相变诱导塑性的埋弧堆焊过程数值模拟方法研究

  黄庆春, 李昌, 张大成, 高鹤芯, 韩兴, 李云飞

  表面技术. 2021, 50(3): 261-269. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.027

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  目的 通过数值计算预测埋弧堆焊修复失效轧辊工艺过程中相变塑性应力、组织相变对堆焊效果的影响。方法 利用CALPHAD(Calculation of Phase Diagram)方法计算了堆焊材料温变物性参数，基于COMSOL多物理场耦合平台，对轧辊埋弧堆焊过程的瞬态温度场、马氏体相成分及相变诱导塑性(TRIP)应力演变过程进行了数值计算。结果 轧辊堆焊过程的温度场分布、马氏体相变均对传热速率影响敏感。靠近基体一侧的焊缝，相比于堆焊层其传热更快，导致马氏体相变更加迅速，其相变塑性应力值呈更大的宽带分布。冷却过程中因马氏体相变使焊缝热影响区的应力值缓慢下降，焊件完全冷却后的残余应力最大值为376 MPa，马氏体相占比为94%。采用Zeiss - ?igma HD场发射扫描电镜观察了轧辊堆焊切片金相组织，验证了模型的准确性。结论 该数值模拟方法能准确预测轧辊埋弧堆焊过程中塑性应力变化及组织演变规律，为减小和消除残余应力提供了有效途径与方法，且为预防轧辊堆焊层开裂等缺陷提供了一定的理论基础。
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  石墨烯层间摩擦的面内局部应变调控

  张红卫, 刘帅磊, 张苹

  表面技术. 2021, 50(3): 270-275, 307. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.028

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  目的 揭示面内应变对石墨烯层间摩擦行为的影响。方法 利用分子动力学模拟方法，基于支撑的石墨烯基底与单层六边形石墨烯滑片接触模型，重点考察滑片在加载面内局部拉伸应变的基底表面的滑动摩擦过程。着重分析滑片所受侧向力(即瞬时摩擦力)随滑动距离的变化规律，计算滑片分别与基底的加载应变区和非应变区的层间作用，通过计算层间作用势能、接触原子数、能量耗散等，直观揭示应变对摩擦的影响机制。结果 当滑片在基底的局部应变加载区域滑动接触时，由于滑片与基底界面公度性和层间势能降低，接触原子数减少，导致滑片所受侧向力的振幅比其在基底的非应变区滑动时明显降低。具体来讲，当应变由0增加至10%，处于应变区的滑片所受侧向力由1.33 nN减小至0.86 nN，降幅达35%。通过计算加载均匀应变的基底与滑片层间的摩擦力，表明摩擦力随应变的增加而逐渐减小，且载荷越高、滑片尺寸越大时，摩擦力降幅越明显。结论 局部应变可以有效调控摩擦的分布规律，降低石墨烯层间摩擦力大小。
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  氧化石墨烯对树脂基摩擦材料性能的影响

  仇溢, 种详远, 甄明晖, 王傅巍

  表面技术. 2021, 50(3): 276-283, 322. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.029

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  目的 提高树脂基摩擦材料和对偶件刹车盘的摩擦磨损性能。方法 采用摩擦材料预混料装置，结合犁耙式混料机，将氧化石墨烯(GO)均匀分散到酚醛树脂基制动摩擦材料中。对材料进行物理性能和力学性能测试，采用LINK2900惯量台架试验机进行摩擦磨损研究，采用SEM和EDS进行摩擦界面微观形貌和成分分析。结果 当GO体积分数从0增加到1.00%时，摩擦材料的比热容、摩擦界面切向热导率和剪切模量显著增大，摩擦材料的弹性模量减小。确定了GO的最佳体积分数为0.75%，此体积分数下，名义摩擦系数和一衰系数达到最大，分别为0.437和0.363，摩擦材料和对偶件刹车盘的耐磨性最佳。相比未添加GO配方，摩擦材料的磨损量减小13.70%，对偶件刹车盘的磨损量减小12.32%。结论 适宜体积分数的GO提高了基体树脂的热结构稳定性、耐热性和系数稳定性，摩擦材料和对偶件刹车盘表面发生材料转移形成摩擦层，有效改善了摩擦材料表面裂纹和对偶盘表面孔洞。GO改变了摩擦片和盘之间的热流分配以及垂向传导散热和切向对流散热比例，可有效提高摩擦材料和对偶件的摩擦磨损性能。
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  偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

  李洪, 李玉婷, 林松盛, 石倩, 郭朝乾, 苏一凡, 代明江

  表面技术. 2021, 50(3): 284-292. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.030

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  目的 通过系统研究电弧离子镀偏压对四面体非晶碳膜(ta-C膜)结构及性能的影响规律，阐明偏压对ta-C膜结构及性能的影响机制，为拓展ta-C膜的应用提供一定的理论依据。方法 改变电弧离子镀偏压工艺，在硬质合金基体表面沉积ta-C单层膜。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)表征ta-C膜表面及截面显微形貌，采用Raman光谱和X射线电子能谱(XPS)表征ta-C膜物相结构，利用划痕仪测量ta-C膜结合力，采用应力仪测试ta-C膜残余应力，利用压痕试验及纳米硬度计测量ta-C膜韧性及硬度，采用摩擦磨损试验机测试ta-C膜摩擦磨损性能。结果 随着偏压升高，ta-C膜表面大尺寸碳颗粒数量逐渐增加，小尺寸碳颗粒由于反溅射作用，其数量逐渐减少;ta-C膜硬度、sp³键含量及残余应力先升高后降低，偏压为?180 V时达到最大;ta-C膜与基体结合力先增加后降低，偏压为?140 V时达到最大;耐磨性表现为先升高、后下降的趋势，偏压为?140 V时，磨损率最低，达1.39×10^?7 mm³/(N.m)。结论 随着偏压升高，ta-C膜沉积到基体表面入射能量升高，表面大颗粒数量逐渐增多，膜层内残余应力增加，硬度升高，耐磨性增加;但随着偏压的继续升高，膜层表面小尺寸颗粒由于反溅射作用逐渐减少，膜层内石墨化程度增加，ta-C膜耐磨性下降。
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  氮化和喷涂MoS2涂层的不锈钢试样振动后抗咬死性能分析

  张乐, 姚远, 马燕青, 马国佳, 吴晗, 靳磊

  表面技术. 2021, 50(3): 293-300. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.031

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  目的 研究氮化和喷涂MoS2涂层的异种不锈钢试样，经振动试验后的抗咬死性能及失效原因。方法 利用三角级数法转化得到了振动参数，对底座(Ⅰ型不锈钢)和拉杆(Ⅱ型不锈钢)的模拟件进行了气体氮化和常温喷涂MoS2涂层处理，采用三维显微镜、XRD、SEM、EDS和模拟振动试验平台对试样进行了表征。结果 Ⅰ型和Ⅱ型不锈钢氮化后的表面物相主要是γ′-Fe4N、ε-Fe2-3N和CrN。Ⅰ型不锈钢和Ⅱ型不锈钢表面的MoS2涂层厚度分别为30~40 μm、20~30 μm，氮化层的总厚度分别约为165、230 μm。在模拟振动平台上，底座与拉杆咬死失效时间在30~45 min之间。底座和拉杆的上、下接触面磨损较严重，内接触面发生了轻微磨损。拉杆的下接触面发生旋转，上接触面继续保持接触，上下接触面的摩擦力大于拉杆的重力，从而发生了咬死现象。结论 底座和拉杆局部表面粗糙度增加、拉杆直径比底座内表面高度方向尺寸大0.28 mm、互溶性大且含立方晶体结构氮化物的氮化层之间直接接触，是振动45 min并旋转后试样发生咬死的主要原因。建议改进底座和拉杆的尺寸、表面处理层和工艺参数。
腐蚀与防护
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  铝酸钠溶液中S2O32–浓度对12Cr1MoV钢腐蚀行为的影响

  苑京久, 陈朝轶, 李军旗, 权变利, 付慧, 盖家萱

  表面技术. 2021, 50(3): 301-307. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.032

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  目的 通过模拟氧化铝生产过程中的母液蒸发条件，研究在含S2O3^2?的铝酸钠溶液中12Cr1MoV钢的腐蚀行为，探讨S2O3^2?浓度对腐蚀的影响。方法 在高压反应釜中对12Cr1MoV钢进行浸泡腐蚀，考察钢的腐蚀速率、腐蚀产物形貌、元素分布及物相组成。结合交流阻抗和极化曲线测试，分析S2O3^2?浓度对12Cr1MoV钢的腐蚀影响。结果 12Cr1MoV钢的腐蚀速率随着铝酸钠溶液中S2O3^2?质量浓度的增加而加快，质量浓度由1 g/L增加至5 g/L时，腐蚀速率由0.78 g/(m².d)增加至1.67 g/(m².d)。腐蚀产物主要由Fe、O及少量的Al和S元素组成。当S2O3^2?的质量浓度小于4 g/L时，腐蚀产物主要为Fe2O3、FeO和Fe(1?x)AlxOOH(x≤0.19);当S2O3^2?的质量浓度大于4 g/L时，产物主要为Fe3O4及少量的Al2O3。Rf和Rct随S2O3^2?浓度的升高而先增大后降低，4 g/L时达到最大值，分别为1284 ?.cm²和816 ?.cm²;5 g/L时，Rf和Rct分别降到963 ?.cm²和434 ?.cm²。腐蚀电流密度随S2O3^2?浓度的升高而逐渐增大，由1 g/L增加到5 g/L时，腐蚀电流密度由25.25 μA/cm²增加至238.28 μA/cm²并达到最大。极化曲线测量与高温浸泡获得的腐蚀速率规律一致。结论 铝酸钠溶液中S2O3^2?浓度对12Cr1MoV钢的腐蚀速率产生重要影响，浓度的增大会加快钢的腐蚀速率。S2O3^2?的质量浓度为4 g/L时，钢表面生成的Fe3O4层对钢基体的保护作用最好。S2O3^2?浓度越大，12Cr1MoV钢的腐蚀电流密度越大。
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  磁控溅射镀CrAlSiN涂层的抗高温水蒸气氧化性能

  刘海勇, 祝涵, 董悦, 葛芳芳, 黄峰, 舒杰

  表面技术. 2021, 50(3): 308-314. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.033

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  目的 提高锆合金包壳管的事故容错能力。方法 采用磁控溅射法，在锆基底上沉积CrAlSi和CrAlSiN两种涂层，表征了涂层的结构形貌、机械性能和抗高温水蒸气氧化行为等。结果 CrAlSi涂层呈致密的柱状晶结构。CrAlSiN涂层结构致密，晶粒尺寸小，接近非晶质地。CrAlSiN涂层与Zr基底之间的结合力(~46 N)高于CrAlSi涂层与Zr基底之间的结合力(~27 N)，2种涂层的硬度大约为Zr基底硬度的3~4倍，表现出良好的机械性能。同时，这2种涂层均较大幅度提高Zr基底的抗高温水蒸气氧化能力。经1000 ℃水蒸气氧化15 min后，4.3 μm厚的CrAlSi涂层使Zr(O)层的厚度减少了~67%，而4.6 μm厚的CrAlSiN涂层则抑制了Zr(O)层的形成。14 μm厚的CrAlSiN涂层使Zr基底在1200 ℃高温水蒸气中保持未氧化状态大于60 min。结论 磁控溅射制备的CrAlSi涂层和CrAlSiN涂层均能有效地抑制Zr合金的高温水蒸气氧化，且后者的防护效果更佳。
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  改善SiO2涂层与聚酰亚胺基体界面结合性能的研究

  邱心宇, 王丹, 徐灿, 郭云, 刘惠涛, 高原

  表面技术. 2021, 50(3): 315-322. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.034

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  目的 利用硅烷偶联剂(SCA)有机官能基对有机物具有反应性或相容性的特点，探讨通过SCA改善SiO2涂层与聚酰亚胺(PI，Kapton)基体界面粘附力的实验方法，提高SiO2涂层与PI基体的结合强度，同时削弱因温度变化而引起的内应力。方法 水热条件下，用低浓度碱液对PI表面进行处理，选取γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)等三种不同的SCA，在溶剂热环境中与碱处理后的PI表面进行作用。用水汽辐照试验评价SCA与PI的结合状况。样品表面形貌用SEM扫描电镜和材料分析显微镜表征，表面润湿性用接触角测量仪测定，透光率用紫外可见分光光度计表征。结果 经0.1 mol/L NaOH水热处理后，Kapton表面的水接触角由77°下降为53°。KH-550溶剂热环境下，在Kapton表面形成均匀的水解层。水汽辐照试验后，该水解层依然保持完整，透光率没有下降。但KH-560和KH-570水解层出现脱落，透光率分别下降了4.4%和9.3%。结论 SCA虽然可以有效改善聚合物基体的润湿性，提高无机涂层与基体的界面粘附性，但在SCA选取上，必须考虑其与聚合物表面的相互作用。若SCA与聚合物基体的结合不牢固，反而更易造成涂层开裂、脱落，成为潜在的不稳定因素。
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  热处理对SLM AZ91D镁合金组织及腐蚀行为的影响

  崔博帅, 王建刚, 张欣, 冯志浩, 杨光, 岳彦芳, 李建辉

  表面技术. 2021, 50(3): 323-329, 365. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.035

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  目的 研究热处理对激光选区熔化成形(Selective Laser Melting, SLM)AZ91D镁合金组织与耐蚀性能的影响。方法 利用SLM技术成形了AZ91D镁合金，对试样进行固溶处理(T4)、固溶+时效处理(T6)。采用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、电化学工作站分别对SLM、T4热处理、T6热处理的AZ91D镁合金试样的微观组织和耐蚀性能进行观察与测试。结果 SLM试样经420 ℃保温6 h固溶处理后，β-Mg17Al12相基本固溶于基体中，晶粒尺寸由5 μm增大至60 μm左右。加热至200 ℃保温2 h时效处理后，β-Mg17Al12相从基体析出，随着时效时间由2 h增加至6 h，析出相数量逐渐增多。在3.5% NaCl溶液中浸泡120 h后，SLM试样表面腐蚀坑较小;T4热处理试样表面出现较大的腐蚀坑;T6热处理试样的表面腐蚀坑大小及深浅不一，腐蚀最严重。极化曲线结果表明，SLM试样的腐蚀电流密度Jcorr最小，为(1.889±0.2)×10^–5 A/cm²，耐蚀性能最好;固溶+时效处理2 h的试样Jcorr最大，为(1.225±0.2)×10^–4 A/cm²，耐蚀性能最差。不同热处理试样的耐蚀性能优劣排序为:SLM试样>T4试样>T6试样。结论 未经热处理的SLM试样晶粒尺寸最小，耐蚀性最好。经420 ℃保温6 h固溶处理后，β-Mg17Al12相基本溶解，晶粒尺寸增大1个数量级;加热至200 ℃时效2 h处理后，耐蚀性最差，当时效时间继续延长至6 h后，β-Mg17Al12相的数量逐渐增多，耐蚀性能反而有所增强。
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  镁合金表面高转速搅拌摩擦加工区的微观组织和耐腐蚀性能

  刘奋军, 张媛媛, 刘建勃, 姬姸

  表面技术. 2021, 50(3): 330-337. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.036

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  目的 采用高转速搅拌摩擦加工技术在AZ31B镁合金表面制备一层组织结构均匀化和致密化的加工层，改善镁合金表面的耐腐蚀性能。方法 采用高转速搅拌摩擦加工技术对AZ31B镁合金表面进行单道次加工，并利用XRD、OM、EBSD、TEM和SEM分析不同转速下加工区的相组成、晶粒形貌、织构特征、二次相分布和表面腐蚀形貌，利用无纸记录仪和电化学工作站分别测试加工区的热循环曲线和表面耐腐蚀性能。结果 经高转速搅拌摩擦加工之后，在AZ31B镁合金表面制备了宏观成形美观且微观组织结构明显细化、均匀化和致密化的加工区。加工区相组成与基材一致，均由α-Mg和β-Al12Mg17组成。加工区平均晶粒尺寸较基材明显细化，织构强度明显增大。随着转速的增大，加工区平均晶粒尺寸逐渐粗化，织构强度逐渐减弱，β-Al12Mg17相分布更加均匀弥散。加工区耐腐蚀性能较基材明显提升，自腐蚀电位由基材的–1.49 V增至–1.28 V，自腐蚀电流由基材的2.08×10^–4 A减小至9.51×10^–5 A。在转速为3000 r/min和加工速度为100 mm/min的工艺条件下，加工区展现出较佳的耐腐蚀性能。结论 高转速搅拌摩擦加工可显著细化晶粒，均匀化和弥散化析出相分布，有效改善镁合金表面耐腐蚀性能。
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  基于配方均匀试验优化微弧氧化电解液浓度配比

  杨登科, 马颖, 安凌云, 张睿峰, 吴雄飞, 孙乐, 王占营

  表面技术. 2021, 50(3): 338-347. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.037

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  目的 研究电解液中各电解质不同浓度配比下微弧氧化膜层的制备、微观结构及耐蚀性能，以确定最优配方。方法 基于配方均匀试验方法，在硅酸盐系电解液中对AM60B镁合金进行微弧氧化处理。引入微弧氧化反应的可行性和微弧氧化膜层的成膜性两个试验指标，分别评判本研究中某电解液配方是否具有实际应用价值，以及评价在某个电解液配方下所制得膜层的合格程度。利用涡流测厚仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子探针(EPMA)、硝酸点滴实验以及电化学实验等方法，分别表征膜层的厚度、微观结构、物相组成、元素成分及耐蚀性能。结果 当电解液中NaOH的质量浓度小于10 g/L时，方能获得表观完整且色泽均匀的微弧氧化膜层。当NaOH和KF的浓度配比接近，且两者之和约为Na2SiO3所占配比时，即Na2SiO3为19.24 g/L、NaOH为8.80 g/L、KF为11.96 g/L时，膜层中孔径的尺寸小，缺陷少，致密度最高，此时膜层的耐蚀性最好，与基体相比，该膜层的硝酸点滴耐蚀性提高了39倍，电化学耐蚀性提高了3个数量级。膜层主要由MgO、Mg2SiO4及少量的MgF2、MgAl2O4组成，但含量有差别。结论 实验设计方法的选择是保证本研究结果有效性的核心和关键。电解液中NaOH的浓度高低是决定某电解液配方是否具有实用价值的首要因素。只有Na2SiO3、NaOH和KF三者间具备适当的配比时，才能降低膜层中的微孔尺寸，减少微裂纹，提高其致密度，并能够在膜层中沉积更多的优质物相，这些是增强膜层耐蚀性的前提和保障。
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  KOH浓度对LA103Z镁锂合金微弧氧化成膜过程及膜层耐蚀性的影响

  曹雅心, 王梦杰, 周凡, 杨鸿飞

  表面技术. 2021, 50(3): 348-355. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.038

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  目的 探索电解液中KOH浓度对LA103Z镁锂合金微弧氧化成膜过程及膜层耐蚀性能的影响规律。方法 通过恒压微弧氧化法，在KOH质量浓度分别为2、4、6 g/L的硅酸盐系电解液中制备微弧氧化膜层。采用扫描电子显微镜(SEM)观察微弧氧化膜层的表面形貌和截面形貌，采用Image-J软件分析膜层的孔隙率和厚度，通过电化学试验表征膜层的耐腐蚀性能。结果 随KOH浓度的升高，微弧氧化过程中通过试样的电流密度增大，膜层表面微孔数目减少、孔径增大，膜层厚度也增加，试样的耐蚀性先升高后降低。当KOH的质量浓度为4 g/L时，膜层表面微孔大小均一、分布均匀，孔径尺寸较小，为2~4 μm，孔隙率最低，为3.56%，膜层内部结构较致密，耐蚀性最好，其自腐蚀电流密度为0.26 μA/cm²，与基体相比降低了2个数量级。结论 KOH浓度的改变主要影响微弧氧化成膜过程火花放电阶段的形貌。适当升高KOH浓度可有效改善膜层表面的微孔分布，增加膜层厚度，提高膜层致密度，从而提高膜层耐蚀性。当KOH浓度过高时，膜层内部大孔洞和裂纹等缺陷增多，膜层耐蚀性降低。
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  L245管线钢及焊缝在硫酸盐还原菌环境下的腐蚀行为研究

  李鑫, 李子墨, 尚东芝, 于浩波, 陈长风

  表面技术. 2021, 50(3): 356-365. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.039

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  目的 通过实验模拟硫酸盐还原菌对L245钢及焊缝的腐蚀行为，探究硫酸盐还原菌对母材和焊缝的腐蚀过程及差异。方法 采用静态浸泡法研究了L245管线钢及焊缝在硫酸盐还原菌(SRB)条件下的3个不同浸泡时段的腐蚀行为。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、聚焦离子束显微镜(FIB-SEM)和激光共聚焦显微镜(CLSM)等测试设备，对试样母材及焊缝区的膜生长过程和腐蚀特征差异进行了表征分析。结果 焊缝区和母材区的腐蚀特征均表现为微生物膜下的局部腐蚀，且点蚀程度随着浸泡时间延长而加重。在腐蚀初期(24 h)，焊缝区胞外聚合物(EPS)生长速度要高于母材区，浸泡72 h后，微生物膜已完全覆盖试样表面。腐蚀末期(168 h)膜结构的研究结果表明，大量SRB个体存在于膜中，这是造成点蚀的关键原因。试样去除微生物膜后，经测量发现，焊缝区平均点蚀深度和最大点蚀坑深度均高于母材区，熔合线附近区域的点蚀尤为严重。结论 微生物膜生长对碳钢L245的腐蚀萌生及加速起到了关键作用，焊缝区对SRB引发的点蚀敏感性更高。初步揭示了细菌生长趋势、膜生长过程、点蚀发展这三者之间的对应关系。成分组织差异和SRB电活性选择特征是造成焊缝区腐蚀的直接因素。
精密与超精密加工
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  精密轴承磨削金刚滚轮修整工艺优化研究

  迟玉伦, 顾佳健

  表面技术. 2021, 50(3): 366-375. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.03.040

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  目的 通过对轴承套圈表面修整工艺优化的研究，实现对轴承套圈表面优质高效的磨削加工。方法 首先基于金刚滚轮修整原理和力学原理，建立修整过程系统简化模型，根据模型求得系统固有频率，再根据频响函数曲线图确定主轴最佳转速。然后建立砂轮与滚轮的运动轨迹方程，根据方程求得曲率半径，再根据曲率半径求得使砂轮表面粗糙度较低的修整速比。接着引入一个新的物理量干涉角，根据经验确定一个较优的干涉角，将修整速比代入，求得最后的滚轮进给速度。最后通过间接获得的磨削力大小来优化整个修整过程，若磨削力偏大，则重新选择主轴转速。结果 根据该方法得到优化结果，选用砂轮转速为23 994 r/min、滚轮转速为5473 r/min、修整进给速度为1.77 mm/min、磨削力为37.2 N时，轴承套圈表面能获得较高的质量。对比优化前后轴承套圈沟形，由优化前的不合格变为优化后的合格，有了显著的改善。结论 将修整参数运用多个方法进行确定，并通过磨削力进行最后的优化。根据加工产品表面呈现出的问题，可以找到对应的参数，进而对参数进行单独优化，为企业优化轴承套圈表面质量提供了一套科学有效的方法。