2021年, 第50卷, 第8期　
刊出日期：2021-08-20

  

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专题——仿生材料表界面设计与制造
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  浸润性表面液滴定向输运研究进展

  原子超, 詹海洋, 刘聪, 卢晨光, 冯诗乐, 刘亚华

  表面技术. 2021, 50(8): 1-17. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.001

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  概述了固体表面润湿性等理论基础，随后重点综述了浸润性表面液滴定向输运的研究进展。浸润性表面液滴定向输运的驱动力主要来源于仿生结构或外场作用。其中对于仿生结构自驱动研究，概括总结了以蜘蛛丝、猪笼草和松针等自然界生物为仿生对象，依靠拉普拉斯压力差或表面能梯度实现液滴定向输运的相关研究，随后分析了其输运原理和优缺点，总结了其驱动力来源与理论公式。对于外场作用，其刺激源主要包括磁场、光场、电场、温度场和表面振动等，其中磁场作用力可以来源于液滴内部、液滴表面或液滴外部，光场主要包括近红外光、紫外光和可见光，电场主要包括静电吸引、静电排斥和电场间接作用等，温度场主要由蒸汽诱导、表面形变诱导以及热毛细作用诱导等，表面振动主要包括水平振动、垂直振动和声表面波作用等。接着基于不同输运原理分析对比了五种外场作用下液滴定向输运的特点。最后总结了浸润性表面液滴定向输运研究领域中存在的问题并展望了未来发展方向。
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  低冰粘附力涂层的设计与制备技术研究进展

  王喆, 沈一洲, 刘森云, 刘伟兰, 曾朝娇, 陶杰

  表面技术. 2021, 50(8): 18-27. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.002

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  基于飞机快速、高效除冰的目的，设计与制备低冰粘附力的涂层，以期实现较低(甚至超低)的冰层粘附强度，减轻对现有高能耗主动防/除冰技术的依赖程度。总结了现有疏冰涂层的发展历程，基于不同涂层的防覆冰机理，以冰粘附性能或除冰外力作为主要技术指标来评估涂层的防/除冰性能，依次阐明了超疏水涂层、超润滑涂层和低界面韧性涂层的除冰机理，具体介绍了三者的疏水/冰效果，对比分析了各自的优劣性。其中重点阐述了低界面韧性涂层大面积除冰的优势，即在大面积结冰条件下，以冰层剪切粘附强度定义的(超)疏冰涂层材料，其除冰外力都受限于结冰面积，随着结冰面积的增加而成比例增加。但新型的低界面韧性涂层通过诱导材料表面萌生固-冰界面微裂纹，降低其界面断裂韧性，使得微裂纹在较低的除冰外力(甚至冰层自身重力)作用下快速扩展，从而实现冰层脱离。以此总结了设计、制备新型(超)疏冰涂层的方法，展望了低冰粘附力涂层在防/除冰领域的发展方向。
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  表面动态脱水仿生技术及其应用

  郑益华, 张成春, 孙金焕

  表面技术. 2021, 50(8): 28-39, 50. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.003

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  应用于空中、陆上、海上及深海的一些重要装备关键构件表面的附着水严重削弱了其自清洁、防污抗锈蚀等特殊性能。利用基于仿生策略研发的表面快速脱水技术，可高效、实质性地剥离表面黏附水，具有重要的现实意义。总结了现阶段关于表面脱水的研究进展、科研趋势及应用局限性，从自然界中生物对润湿现象的优异控制行为与功能原理出发，概述了水的动、静态界面现象及其机理，重点阐述了三相接触线“去钉扎”(De-pinning)理论、接触时间等因素对表面水的动态剥离所起的决定作用。以黏附水在脱离表面时是否存在额外能量消耗，将脱水行为分为“被动脱水”和“主动脱水”两大类，归纳了表面的动态脱水行为及应用优劣势。概括了荷叶、鸟类羽毛等被动润湿控制行为与表面刚度、特殊宏观纹理、倾斜角度对表面脱水、固液接触时间的积极影响及应用研究。在此基础上，进一步总结翠鸟、蜂鸟、蚊虫、哺乳动物在其主观意识下的晃动、高速移动等主动脱水行为的功能原理，列举了采用动力装置驱动表面实现移动、振动脱水效果的仿生应用研究进展。最后，探讨并展望了应用移动、振动等仿生运动诱导，结合表面超疏水性、各向异性等优异特性协同的脱水策略，利用“仿生主动脱水”与“被动快速脱水”有机结合，实现表面水体实质性脱附的优缺点及其应用前景。
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  仿蛛丝纤维集水进展

  吕艾霖, 田野

  表面技术. 2021, 50(8): 40-50. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.004

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  水资源短缺已经是21世纪全球性的重大问题，如何解决水资源短缺问题迫在眉睫。清晨挂满硕大水滴的蜘蛛网为解决水资源短缺问题提供了一个良好的思路。全面总结了仿蛛丝纤维集水领域的研究进展，重点介绍了仿蛛丝纤维的常见制备方法，包括瑞利不稳定法、电动力学技术和微流控法，详细划分了各类制备方法的子类，并对每一种方法的制备步骤、原理和优缺点进行了详细介绍。同时，详细介绍了仿蛛丝纤维集水的主要原理，包括拉普拉斯压力差、表面能梯度、滞后效应、悬挂能力和交叉结构受力原理，为集水工程与技术的开发和改进提供了理论基础。另外，介绍了单根仿蛛丝纤维集水、纤维交叉结构集水和大规模集水等仿蛛丝微纤维的集水行为。最后，对仿蛛丝纤维集水的未来发展方向进行了分析和展望。将有助于全面了解仿蛛丝纤维的制备方法、集水机理及集水行为，对集水效率的提高、油水分离、材料界面、流体控制和功能材料等领域的发展起到促进作用。
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  基于多相界面的小尺度磁控仿生机器人研究进展

  窦斌宏, 陶然, 王兆一, 李兵, 郝崇磊

  表面技术. 2021, 50(8): 51-65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.005

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  小尺度机器人能够在狭窄的空间内运动并完成微操作，在生物医学工程(如药物靶向递送、微创手术)、环境保护、灾难救援等领域具有重要意义。以仿生工程为起点，综述了在液-气界面、固-液界面、固-气界面运动的昆虫及其他小型动物的界面行为，分析发现了这些行为的机理，发现润湿、动态粘附、可调节的各向异性摩擦等性质对小型动物的运动特性具有决定性作用，归纳总结了小型动物的界面行为在机器人小型化过程中潜在的利用价值。围绕小尺度磁控机器人，重点阐述了其运动机理、制备技术以及控制方法。其中，磁控机器人的运动机理主要包括磁梯度推进、螺旋推进以及摆动推进等。光刻技术、3D打印以及模具成型方法被广泛研究和使用，其中3D打印技术在小尺度磁控机器人制备中越来越重要。机器人的控制方法根据是否建模，可分为有模型和无模型的控制方法。最后，结合提出的生物启发灵感，分析了机器人在表面优化、形态设计、加工制备等方面潜在的创新空间，并对通过界面技术提升磁控机器人运动性能的愿景进行了展望。
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  液滴在仿“鸡皮疙瘩”表面的摩擦力动态调控

  张晋红, 石奎, 徐鹏, 李倩, 薛龙建

  表面技术. 2021, 50(8): 66-73, 83. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.006

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  目的 利用机械拉伸和松弛在仿“鸡皮疙瘩”表面实现不同粗糙度的动态调控，并且利用毛细管投影传感技术(MPCP)定量表征液滴在仿“鸡皮疙瘩”表面的摩擦力，揭示液滴在固体表面的详细运动特征。方法 模仿人体鸡皮疙瘩现象，制备了混有聚苯乙烯(PS)小球的聚二甲基硅氧烷(PDMS)仿生表面，利用机械拉伸和松弛，动态调控表面微结构，实现了对表面微观结构不同粗糙度的可逆调控。同时，利用毛细管投影传感技术，定量表征了液滴在平面和条纹结构表面的摩擦力，详细讨论了两种表面在不同拉伸状态下的拉伸量与拉伸方向、液滴体积和移动速度对液固界面摩擦力的影响规律。结果 随着样品延伸率的增大，PDMS表面突出的PS小球数量更多、高度更大，使表面粗糙度增大，从而减小了摩擦力。但在拉伸方向(DS)和垂直方向(DV)的摩擦力大小不同，表现出各向异性。随着液滴尺寸增大，DS和DV两个方向的摩擦力也增大。在测试范围内，液滴的移动速度对液固界面摩擦力的影响可以忽略不计。结论 利用PS小球/PDMS混合物制备的模仿人体“鸡皮疙瘩”现象的仿生表面，由于模量差异，在外力拉伸下，PS小球突出表面，导致表面粗糙度增大，模仿了人体的“鸡皮疙瘩”应激反应。移除拉力，“鸡皮疙瘩”消失，实现了表面粗糙度的可逆调控。用毛细管投影传感技术定量表征固体表面的摩擦力，揭示了滚动角测试所无法揭示的液固界面作用规律。
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  多功能木材表面太阳能海水淡化装置性能的研究

  韩传龙, 李益飞, 张卫康, 尹军, 孙浩轩, 孙壮志

  表面技术. 2021, 50(8): 74-83. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.007

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  目的 研究不同处理工艺下蒸发器的蒸发性能，开发一种多功能木材表面的木质太阳能界面蒸发器。方法 采用化学处理和冷冻干燥技术，使木块通道内形成互联的纤维素纤维网络，室温下，通过原位聚合法，在木块表面制备海藻酸钠/聚丙烯酰胺(SA/PAM)作为有机骨架的光热吸水层，再利用激光雕刻法构筑减反层。用扫描电子显微镜和能谱仪(SEM-EDS)、X射线衍射仪(XRD)对不同样品的微观形貌、物相及元素分布进行表征分析。通过傅立叶红外光谱仪(FT-IR)、紫外可见分光光度计，分别记录不同样品的表面官能团以及透射光谱和反射光谱。利用红外相机分析不同处理工艺在热定位方面的影响。结果 六组不同处理工艺下的蒸发器中，CSE-wood蒸发器表现出更加优异的性能。在1个太阳强度下，蒸发率最大值为2.456 kg/(m².h)，蒸发效率为92.3%。结论 均匀构筑在光热吸水层上的减反层的毛细作用与马兰戈尼效应协同，实现了蒸发所需水分的快速输送，木块内部形成的纤维网络起到隔热的作用。另外，在基底表面制备光热涂层或吸水层，并构筑减反层时，可促进较宽波长范围的光吸收和光程延伸，使蒸发器表面温度迅速上升，实现热局域化，提高了光热转换效率和蒸发速率。这种木质太阳能界面蒸发器可应用在海水淡化、水净化等方面。
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  仿生表面的离心风机叶轮抗冲蚀性能研究

  秦晓静, 江佳廉, 张俊秋

  表面技术. 2021, 50(8): 84-94. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.008

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  目的 针对传统方法对提高离心风机叶轮抗冲蚀性能效果不显著的问题，从仿生学角度出发，对基于沙漠红柳优异抗冲蚀机理的仿生离心风机叶轮抗冲蚀性能进行了研究。方法 对沙漠红柳、垂柳树皮进行顺纹拉伸和冲蚀试验，定性定量分析沙漠红柳抗冲蚀磨损性能。基于对沙漠红柳树干、树枝体表形态表征测试，建立仿生表面模型，并利用Fluent对其进行数值模拟，比较分析不同仿生表面模型的冲蚀磨损性能及机理。参照ASTM-G76-83标准，设计制造离心风机冲蚀磨损试验装置。并基于有限元仿真结果和风机叶轮冲蚀性能的可视化研究，优化并制造离心风机仿生叶轮，对其进行冲蚀试验，评价分析各试验因素对叶轮冲蚀性能的影响。结果 沙漠红柳树皮弹性模量(509.17 MPa)大于垂柳树皮弹性模量(313.19 MPa)，沙漠红柳冲蚀磨损量最大值(21.6 mg)小于垂柳冲蚀磨损量的最小值(24.1 mg)，表明沙漠红柳具有较优的抗冲蚀性能。进一步观测沙漠红柳树皮形貌，发现其体表分布有大量的凹槽和凸包等特殊形态，通过模拟发现，这些特殊形态相较于光滑表面，可有效降低粒子对表面的冲蚀磨损量。基于对样件的冲蚀试验发现，影响叶轮冲蚀性能的主次因素依次为:单元形态、间距、特征尺寸。最优样件组合为:V形槽、间距2 mm、特征尺寸4 mm。结论 沙漠红柳树皮具有优异的抗冲蚀性能，这与其体表特殊形态紧密相关。基于沙漠红柳体表特殊形态设计的仿生离心风机叶轮较光滑叶轮，具有优异的抗冲蚀性能，经测试发现，最优组合样件的抗冲蚀性能较传统的光滑件提高了28.97%。
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  液滴在球面的钉扎:宏观前进与后退角的预测模型

  林昌盛, 朱张磊, 印万忠, 姜又华

  表面技术. 2021, 50(8): 95-100. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.009

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  目的 利用液滴在二维平面所测得的本征前进与后退接触角(即气液界面与固液界面夹角)，预测液滴在不同曲率半径球面上的宏观前进与后退角(即气液界面与水平面夹角)。方法 基于吉布斯自由能、液滴体积、接触角和宏观角之间的关系，预测液滴在球面上的宏观角，并与试验数据进行对比验证。结果 液滴在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)平面的本征前进与后退接触角分别为(91±2)°与(55±3)°。对于处于前进或后退趋势的液滴，当体系吉布斯自由能值最小时，液滴在球面上的接触角等于其在平面上测得的本征前进或后退接触角，此时所对应的宏观角为宏观前进或后退角。因此，可利用体系自由能的最小值预测液滴在球面的宏观前进与后退角。结果显示，当球面曲率半径为2、4、6、8 mm时，测得的液滴宏观前进角分别为(118±3)°、(110±2)°、(103±2)°、(100±2)°，宏观后退角分别为(82±2)°、(71±2)°、(64±3)°、(62±2)°，该结果与预测值吻合。结论 通过本征前进与后退接触角、液滴体积与球面曲率半径等已知量，建立了一个可预测液滴在球面上的宏观前进与后退角模型。
热喷涂与冷喷涂技术
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  HVOF制备铝青铜涂层工艺优化及工艺参数对涂层性能的影响

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

  表面技术. 2021, 50(8): 101-108. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.010

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  目的 利用超音速火焰喷涂技术，在铸铝表面沉积质量优良的铝青铜涂层。方法 基于正交实验，研究煤油流量、氧气流量、送粉速率和喷涂距离对涂层厚度、孔隙率、显微硬度和结合强度的影响。通过XRD图谱，对喷涂粉末和涂层相结构组成进行分析。利用场发射扫描电子显微镜，观察涂层截面形貌，测量涂层厚度。使用ImageJ软件测量孔隙率。采用显微硬度计和电子万能试验机，测量涂层的显微硬度和结合强度。针对正交实验结果，采用极差分析法进行分析，确定最优的工艺参数。结果 由极差法分析得到最优工艺参数:煤油流量为22 L/h，氧气流量为900 L/min，送粉速率为80 g/min，喷涂距离为200 mm。采用最优工艺参数制备涂层，测得涂层厚度为405.43 μm，孔隙率为0.10%，结合强度为61.63 MPa，显微硬度为330.33HV0.3。结论 与粉末相比，涂层的相组成未发生改变，均为α相和β′相。通过极差分析可知，不同工艺参数对涂层孔隙率、厚度、显微硬度和结合强度的影响程度不同。在本实验选取的主要工艺参数中，送粉速率对涂层孔隙率和厚度的影响程度最大，喷涂距离对涂层显微硬度的影响程度最大，煤油流量对结合强度的影响程度最大。
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  正弦织构化表面等离子喷涂熔滴铺展成形分析

  战祥华, 刘衍聪, 伊鹏, 孙嘉伟, 李成凯, 贾德龙

  表面技术. 2021, 50(8): 109-121. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.011

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  目的 分析等离子喷涂熔滴在表面织构内的铺展、凝固规律，为了解表面织构化对等离子喷涂涂层结合机制的影响以提升涂层的结合强度提供理论辅助。方法 基于Flow 3D 建立熔滴填充微织构的数值模型，研究等离子喷涂熔滴填充正弦形织构的温度场及铺展成形规律，并对比分析织构边缘凸起及织构形状的影响。同时，基于激光织构化表面等离子喷涂试验，分析不同织构对涂层形貌的影响。结果 无边缘凸起织构的散热速度比有边缘凸起织构的快约0.7 μs，凹坑织构的散热速度最慢，计算结束时，其最高温依然高于熔滴液相线(1728.4 K)约44.7 K。基体最高温度约1680.5 K，其主要分布于织构边缘凸起顶端、基体平面与织构内壁的拐点以及织构内壁上的凸点位置。有边缘凸起正弦织构的凝固熔滴由中间向两侧逐渐变薄，熔滴在无边缘凸起织构外部呈规则的圆盘状，凹坑织构底部存在“空腔”特征。涂层截面形貌分析发现，有边缘凸起的织构表面的涂层形貌较优，凹坑织构涂层含有较多缺陷，形貌最差。结论 镍基涂层与织构化表面为机械结合。相比凹坑织构，正弦和直线织构更有利于提高涂层的质量。织构边缘凸起的存在对提高喷涂质量也是有利的。
研究综述
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  灌注液体型防污表面研究进展

  杨宗澄, 贺小燕, 白秀琴, 袁成清

  表面技术. 2021, 50(8): 122-136. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.012

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  生物污损已成为海运业面临的重大技术难题，构筑绿色防污表面是环保法规日益严格形势下，解决海洋生物污损的重要手段。基于猪笼草仿生的液体灌注型防污表面是近年来研究的焦点问题，具有广阔的应用前景。总结了仿生液体灌注型超滑表面的设计机理，重点介绍了基底粗糙多孔结构的制备工艺和粗糙结构尺度对于表面稳定性的影响。总结了仿生液体灌注型超滑表面的设计机理，重点介绍了粗糙多孔结构的制备工艺和结构尺度对于液体层稳定性的影响。研究表明，纳米孔隙结构提供的强大毛细作用力是形成稳定液体层的关键。分析了润滑液的选择种类与依据，对于海洋防污领域，绿色环保且价格相对低廉的润滑液将是较好的选择。阐述了基底化学改性的手段以及通过化学反应使润滑液与基底形成共价键的超滑表面制备。同时，介绍了润滑液注入工艺和油膜检测手段等制备过程中不可忽略的问题。总结了灌注液体型表面在海洋防污领域的研究进展，以及应用过程中存在的问题，同时展望了灌注液体型表面在防污领域应用的发展趋势。探索环保高效、具有经济性的灌注液体型涂层将会是其在防污领域大规模应用的发展方向。
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  叶尖抗冲蚀涂层的研究进展

  张一凡, 陈淑年, 张志强, 陈琳, 廖斌, 欧伊翔, 英敏菊, 张旭

  表面技术. 2021, 50(8): 137-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.013

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  从叶尖工况及损伤机理、涂层结构、研究现状、制备工艺等4个方面，综述了近年来国内外学者对于叶尖抗冲蚀涂层技术的研究进展。首先，介绍了压气机叶尖的实际工况及砂尘冲蚀损伤机理，如低入射角的微切削理论和高入射角的二次冲蚀理论。其次，着重强调了抗冲蚀涂层的硬韧匹配、材料与结构设计。对纳米多层结构、纳米复合结构和单相固溶体结构的微观结构进行了深入阐述，对其非本征强韧化机制和结构设计准则进行了详细归纳。随后，介绍了抗冲蚀领域的最新研究进展。最后，深入对比了4种国际主流的离子束沉积技术在涂层微结构设计、成分调控等方面的技术特点。发现磁过滤阴极真空弧技术在制备叶尖抗冲蚀涂层方面具有传统涂层制备技术不可替代的优势。本着优化涂层性能和促进实践应用的目的，对磁过滤阴极真空弧技术精细定制化制备的叶尖抗冲蚀涂层的应用前景及工业化生产进行了展望，为该技术在叶尖防护领域的推广提供参考。
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  高熵合金涂层的摩擦学性能研究进展

  刘一帆, 常涛, 刘秀波, 祝杨, 王港, 孟元, 梁金, 谢继昌

  表面技术. 2021, 50(8): 156-169. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.014

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  相比于传统合金的设计方法及性能规律，高熵合金这种新兴材料体系的出现，提供了一种新的研究发展思路，且在各应用领域上表现出了极好的性能及发展潜力，为合金领域注入了新的活力。以涂层这一领域为重点，简要介绍了高熵合金的定义，解释了其基本的四大核心效应(高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应以及“鸡尾酒”效应)，以及近年来研究者们对此的新理解、新拓展，发现这种特殊的随机结构中依然存在许多目前仍未深入研究及理解的特性及规律，不能准确预测及控制物相组成的取向。从不同的强化方式出发，以材料体系设计、第二相掺杂、工艺处理三方面进行分类，重点阐述了高熵合金涂层这一体系在摩擦学方向上的研究与应用，总结各自的强化机制。通过探讨不同元素组成、复合方法、制备工艺及后处理手段下的具体表现，总结影响涂层表面摩擦学性能的关键因素，发现新的提升减摩耐磨性能的可行性或研究潜力。目前存在的主要不足有:基础理论研究不够系统全面，工业应用上对于涂层成形质量的控制与传统合金的精确度仍有较大差距，在自润滑复合体系上的探索仍比较局限。以上这些方面的工作都将是摩擦学领域研究的重点。
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  弯管固体颗粒冲蚀理论与防冲蚀研究进展

  谢振强, 曹学文, 吴超, 孙晓阳, 赵湘阳, 熊妮

  表面技术. 2021, 50(8): 170-179. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.015

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  在石油化工领域，管道输送系统的弯管非常容易遭受管内固体颗粒的冲蚀，使管道承压能力降低，增加管道输送的安全风险。首先对油气行业广泛采用的API RP 14E和DNV冲蚀准则进行了描述和分析，进而概述了国内外被较多专家学者提及的弯管固体颗粒冲蚀理论和模型，包括经典的微切削理论模型、变形磨损理论模型以及适用性较强的E/CRC冲蚀模型和Oka冲蚀模型。并在此基础上，对不同冲蚀理论和模型进行了对比和分析，指出各个冲蚀理论模型之间的内在联系，以及各自的优势和缺陷。在工程应用方面，对近年来工业中常见的防冲蚀涂层和防冲蚀几何结构进行了系统的归纳和总结。其中，防冲蚀涂层包括金属防冲蚀涂层、非金属防冲蚀涂层以及复合材料防冲蚀涂层，防冲蚀几何结构包括涡旋结构和各种形式的仿生肋条结构。最后，对弯管固体颗粒冲蚀理论模型的研究方向、纳米防冲蚀涂层以及仿生学防冲蚀肋条结构的发展前景进行了展望。为油气管道系统完整性管理、油气储运安全和流动保障等方面的研究提供借鉴。
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  冷喷涂粒子速度-温度协同作用及复合喷涂新工艺研究进展

  罗政刚, 陈永雄, 程延海, 张志彬, 王鑫, 梁秀兵

  表面技术. 2021, 50(8): 180-191, 200. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.016

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  从冷喷涂粒子速度与温度协同问题出发，归纳总结了影响冷喷涂涂层质量的主要因素，并在此基础上，重点综述了喷嘴结构、气体类型与性质、粒子形态与材料等工艺参数与粒子速度-温度的作用关系。提高喷枪喷嘴扩张段膨胀比，改善黏性效应，提高高速区面积，使用高热扩散系数材料的喷嘴，均能够显著改善粒子速度-温度的协同效果。在工业应用中，可采用喷丸辅助冷喷涂、激光辅助冷喷涂、静电辅助冷喷涂、真空冷喷涂等新型复合沉积技术，实现高强低塑性喷涂粒子材料的沉积成形。最后，就如何深入研究速度-温度高质量协同并获得高质量涂层进行了展望。
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  质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的腐蚀行为及其表面防护的研究进展

  谭茜匀, 王艳丽

  表面技术. 2021, 50(8): 192-200. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.017

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  质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种环境友好型电池装置，在倡导人与自然和谐相处的现代社会日渐受到重视。双极板是PEMFCs的重要组成之一，其性能的好坏与PEMFCs的发展密切相关。不锈钢双极板虽具有优异的导电性和强度，但在PEMFCs的严苛工作环境下，仍面临着腐蚀与钝化等问题。近年来，国内外的研究者为解决不锈钢双极板的表面防护问题展开了广泛的探索，深入研究发现，解决这一问题的有效途径是在其表面制备高导电性、高耐蚀性的防护涂层。简述了PEMFCs的工作原理以及对双极板的性能要求，从不锈钢双极板的运行环境和工作要求出发，提出其自身存在的问题和所面临的改性难题。另外，对近年来不锈钢双极板的表面防护涂层进行了分类，分别阐述了碳基涂层、金属及其化合物涂层和疏水涂层在不锈钢双极板防护上的研究进展，分析对比了不同方法制备涂层的优缺点，在此基础上，明确了不锈钢双极板表面防护的发展方向和未来表面改性技术的研究热点。
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  激光辅助涂层技术和表面改性质量的研究概述

  王士顺, 张婷, 向梦辉, 邱国桥, 吴艺韫

  表面技术. 2021, 50(8): 201-209. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.018

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  激光辅助涂层技术的目的是保护暴露的工业产品或易受化学损伤的部件和结构。概述了想要在材料表面的高性能和昂贵部件中权衡制造成本，主体部件可由更便宜的材料制成，通过涂覆技术以达到成本设计的最优化。重点综述了近年来激光辅助技术的研究进展。使用激光作为热源制造机械零件的一组革命性工艺，包括采用基于激光的工艺在所选区域上产生材料沉积以提供保护层和增强基材的耐腐蚀和耐磨性、传热和机械性能。迄今为止，已经引入和研究了多种激光辅助工艺，包括增材制造(AM)、激光表面合金化(LSA)、激光表面熔覆(LSC)、激光辅助等离子体喷涂(LPS)、激光化学气相沉积(LCVD)及其他多种激光辅助涂覆技术。重点归纳了涂覆过程中每种工艺的优势及限制其应用的缺点。对激光辅助涂层方法进行了分类，归纳了激光辅助涂覆方法，并对其进行了比较研究，用以提供更清晰的图片和选择合适的涂层技术，从而根据实际应用获得最理想的涂层设计方案。最后展望了通过发展更先进的技术和材料，可能会获得更高质量的保护性能。
表面功能化
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  不同表面处理对氧化锆与饰面瓷结合强度的影响

  史振宇, 蒋森河

  表面技术. 2021, 50(8): 210-217, 272. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.019

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  目的 探究热酸蚀表面处理对提高双层瓷复合结构剪切强度的影响。方法 将40个氧化锆样件随机分为4组，A组为喷砂组，B组为热酸蚀组，C组为喷砂+热酸蚀组，D组为空白对照组。4组氧化锆瓷块经不同方式表面处理后，各组随机抽取一块，采用SEM扫描电镜、EDS能谱仪、X射线衍射仪分析观察氧化锆与饰面瓷的结合情况;使用电子万能试验机记录瞬时剪切力，利用压强计算公式求得剪切强度值;采用SPSS 20.0对数据进行统计学分析，检验水准为α=0.05。结果 热酸蚀组的处理表面形成含大量孔隙的三维网状结构，表面粗糙度(Ra=0.489 μm)较对照组(0.316 μm)提高了54.75%，断裂模式以内聚断裂为主且饰面瓷残留比例最高，单斜相氧化锆的相变比例为12.57%，低于其余2组实验组，剪切强度值((25.43±1.57) MPa)为4组中最大，较打磨对照组提高了66.86%(P<0.05)。喷砂+热酸蚀组的表面粗糙度Ra=0.634 μm，为4组中最大，处理表面呈现明显的山脊和凹坑，表面完整性存在一定缺失。喷砂组的粘接面有明显的Al2O3颗粒残留，表面粗糙度(Ra=0.521 μm)较热酸蚀组提高了6.54%，两者的组间差异不具有统计学意义(P>0.05)。打磨对照组的表面粗糙度和剪切强度均明显低于其余3组(P<0.05)。结论 热酸蚀表面处理造成的粘接面晶相转变和微裂纹最少，可有效提高锆瓷-饰瓷双层结构的粘接强度，适宜作为氧化锆表面处理方式。
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  掺Ag的β-Cu2Se薄膜的溅射沉积及热电性能

  李贵鹏, 宋贵宏, 王楠, 李秀宇, 胡方

  表面技术. 2021, 50(8): 218-226. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.020

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  目的 研究Ag掺杂对Cu2Se薄膜物相组成以及热电性能的影响。方法 使用粉末烧结的Cu2Se合金靶和高真空磁控溅射设备制备掺Ag的Cu2Se热电薄膜。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)研究沉积薄膜的物相组成、表面和截面形貌、元素的含量和分布。通过Seebeck系数/电阻分析系统LSR-3测量薄膜的电阻率及Seebeck系数，从而研究不同掺Ag量的Cu2Se薄膜的热电性能。结果 使用磁控溅射技术，利用α-Cu2Se合金靶，可制备出以β-Cu2Se相为主，含极少量α-Cu2Se相的Cu-Se薄膜。薄膜中掺杂的Ag不进入β-Cu2Se相的点阵中，而是在薄膜中形成纳米尺寸的CuAgSe第二相。沉积薄膜的β-Cu2Se相点阵中富含Cu，在Ag含量由0增加到2.97%(原子数分数)的变化过程中，其β-Cu2Se相点阵中[Cu]/[Se]比率大于理想比率2.0，由3.59变化到4.96。β-Cu2Se相点阵中富含Cu，使得沉积的β-Cu2Se薄膜的电阻率低于文献中块体材料。随Ag含量的增加，β-Cu2Se薄膜的电阻率先降低、后升高;对于Seebeck系数，电阻率大的薄膜，其Seebeck系数也大。Ag原子数分数为1.37%的样品，因掺杂后Seebeck系数显著提高，其功率因子最大。结论 使用磁控溅射技术制备的富Cu的β-Cu2Se薄膜，具有低电阻率的优点。掺杂适量的Ag，能够显著提高薄膜的Seebeck系数，从而获得较高的功率因子。
摩擦磨损与润滑
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  电泳沉积法制备氧化石墨烯膜的微动电接触性能

  龚聪煜, 刘善邦, 曹中清, 聂裕宸, 蔡振兵

  表面技术. 2021, 50(8): 227-236. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.021

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  目的 研究氧化石墨烯膜在不同表面粗糙度条件下的微动电接触性能。方法 采用金属铜为基底，使用不同粒度的砂纸进行处理，制备不同表面粗糙度的试样。通过电泳沉积法在不同粗糙度的铜表面制备氧化石墨烯膜。通过微动电接触试验装置，研究氧化石墨烯膜在不同表面粗糙度条件下的微动电接触性能。采用拉曼光谱仪分析氧化石墨烯膜的沉积情况。使用白光干涉仪、扫描电镜及能谱仪对磨痕形貌、磨损体积和成分进行分析。结合摩擦因数及接触电阻，分析氧化石墨烯膜在微动磨损下的电接触性能。结果 表面粗糙度为1.51、1.27 μm时，氧化石墨烯膜的D峰和G峰强度高于其他试样。在室温条件下，接触电阻最低可降至10 mΩ，且更加稳定。与未处理试样相比，摩擦因数减少的最大幅度为50%，从0.46减少至0.23(Ra=0.88 μm);磨损体积减少的最大幅度为90%，从6.28×10⁵ μm³减少至6.40×10⁴ μm³(Ra=1.27 μm)。在100 ℃时，接触电阻基本不超过200 mΩ，摩擦因数增加至0.51及以上，磨损体积增加至1.45×10⁵ μm³及以上。表面粗糙度为1.51、1.27 μm的试样磨损体积明显低于其他两个表面粗糙度的试样。在200 ℃时，接触电阻最终超过了400 mΩ，摩擦因数不低于0.49，磨损体积增加至4.05×10⁵ μm³及以上。结论 氧化石墨烯膜在表面粗糙度为1.51、1.27 μm时的沉积效果较好。氧化石墨烯膜能显著降低接触电阻、摩擦因数和磨损体积。高温下，接触电阻和摩擦因数上升，磨损加剧。
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  高压静密封表面微织构设计及其密封性能的有限元分析

  马彬鈃, 颜培, 余建杭, 焦黎, 仇天阳, 王西彬, 张宝荣, 赵志勇

  表面技术. 2021, 50(8): 237-246. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.022

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  目的 提升金属高压密封环的静密封性能，保证HPD柴油机油泵体的密封效果。方法 基于逾渗理论与静密封原理，采用有限元仿真分析，研究密封环接触区微织构结构及分布特征对密封性能的影响规律，进而设计出在特定工况下密封环微织构的分布特征与几何尺寸。结果 在给定的工况下，确定在泵盖表面构造5处环状圆弧截面微织构。分别为:处于密封环上端面中心位置处，深度为30 μm、宽度为200 μm微织构;距密封环上端面中心位置0.3 mm左右两端，深度为15 μm、宽度为220 μm微织构;距离密封环上端面中心位置0.7 mm左右两端，深度为3 μm、宽度为260 μm微织构。所设计的微织构在不减少有效接触宽度的前提下，显著提升了局部接触压强值，从而提升了高压接触区密封性能。结论 微织构的存在会显著提升微织构两侧的接触压强峰值，且不影响其他接触区的接触压强分布。弧形截面的微织构相较于其他形状截面，性能最优。随着微织构深度的增加，接触压强峰值增加，但接触压强变化幅度越大，接触状态越不稳定;随着宽度的增加，接触压强峰值减小，但接触压强变化幅度越小，接触状态越稳定。多个微织构的密封环相比于单个微织构，接触状态有一定程度的改善。
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  基于试验和CFD模拟的稠油热采井口四通管冲蚀规律分析

  王国涛, 朱丽云, 刘岑凡, 王振波, 李安俊, 石景元

  表面技术. 2021, 50(8): 247-256. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.023

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  目的 分析稠油热采中含砂流体对四通管冲蚀磨损问题，明确失效机理及特征。方法 采用金相分析仪对失效四通管损伤处材料ZG(J)35CrMo进行金相组织分析，并采用扫描电镜(SEM)对四通管进行冲蚀形貌微观检测，同时借助多相流冲蚀试验机对四通管材料ZG(J)35CrMo进行冲蚀试验，构建冲蚀预测模型，并通过单因素冲蚀试验对冲蚀预测模型进行验证。最后建立CFD-DPM-EPM(耦合计算流体动力学-离散粒子-冲蚀)数值模型，研究不同流体速度、颗粒粒径和质量流量对四通管冲蚀规律的影响。结果 金相组织分析结果显示，失效四通管材料基体组织成分为索氏体、铁素体和贝氏体，表面发生轻微脱碳现象。扫描电镜分析结果显示，失效四通管内壁有明显的砂粒冲蚀形貌，材料无明显的材质劣化及脆断现象。单因素冲蚀试验验证了回归分析法构建的冲蚀模型的准确性。随着流体速度由5 m/s增加至25 m/s，四通管最大冲蚀速率增加了16.947倍;颗粒粒径由0.05 mm增加至0.2 mm时，四通管最大冲蚀速率减少了50%，而颗粒粒径由0.2 mm增加至0.4 mm时，四通管最大冲蚀速率增加了1.382倍;质量流量从0.15 kg/(m².s)增加至2.4 kg/(m².s)时，最大冲蚀速率增加了16.584倍。结论 四通管失效主要由于颗粒冲蚀管道内壁，管道减薄到一定程度后，无法承受内部压力所致。四通管出口段肩部为冲蚀高危区。随流体速度的增加，四通管最大冲蚀速率呈指数关系增加;随着颗粒粒径的增加，最大冲蚀速率呈先减小后增大的趋势;当质量流量增加时，最大冲蚀速率呈线性关系增加。
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  基于CFD-DEM方法的变径T型流道冲蚀特性研究

  王明, 刘巨保, 王雪飞, 姚利明, 张西伟, 张志龙, 杨明

  表面技术. 2021, 50(8): 257-272. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.024

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  目的 研究石油开采过程中，携砂压裂液对变径T型流道壁面冲蚀磨损规律及主要影响因素。方法 针对石油压裂管汇及井下喷砂器等工具中常见的变径T型流道的冲蚀问题，建立了基于CFD-DEM的变径T型流道固液两相流冲蚀磨损预测模型，该模型中颗粒-颗粒、颗粒-壁面碰撞采用逆向迭代碰撞搜索算法，颗粒-流体耦合计算时间步长根据耦合收敛条件自适应调整。将数值方法与正交试验方法结合，分析各因素变化对均值主效应响应的优先排序和各因素的交互作用，并进行了单因素变化对冲蚀规律的影响。结果 单因素分析时入口流速增大，T型流道最大冲蚀速率和冲蚀面积均增大，冲蚀位置向支流道出口处移动，流体携带颗粒能力增强，堆积颗粒数量减小。砂比范围为5%~35%时，最大冲蚀速率与砂比正相关。最大冲蚀速率随粒径的增大而先增大后减小，随变径比的增大而减小。与最大冲蚀速率均值主效应分析结论一致，验证了正交试验结论的准确性。结论 径向流速、切向流速、管壁压力、最大冲蚀速率为衡量变径T型流道冲蚀程度的指标时，入口流速的影响最大，其次是支撑剂粒径、变径比、砂比，入口流速与其他因素的交互作用对冲蚀速率的影响最显著。
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  模拟风沙环境下混凝土防护涂层抗冲蚀性能的研究

  刘艳晨, 郝贠洪, 高峰, 张飞龙

  表面技术. 2021, 50(8): 273-281, 294. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.025

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  目的 研究不同类型的防护涂层对风沙环境下混凝土抗冲蚀性能的影响规律及作用机理，从而选取适合风沙环境且综合性能良好的混凝土防护涂层。方法 以聚氨酯、丙烯酸及环氧树脂为研究对象，对三种混凝土结构防护涂层进行了研究。通过接触角和显微硬度对涂层的物理及力学性能进行了分析，并利用模拟风沙环境侵蚀实验系统，在不同冲蚀参数下，对混凝土结构防护涂层体系的抗冲蚀性能的变化规律进行测试。结合混凝土防护涂层风沙冲蚀实验及扫描电镜表征，探究风沙环境下混凝土防护涂层的冲蚀机理。结果 相同冲蚀条件下，不同防护涂层的冲蚀率大小为:聚氨酯防护涂层>环氧树脂防护涂层>丙烯酸防护涂层。喷涂丙烯酸防护涂层试样的抗冲蚀性能比喷涂聚氨酯防护涂层的试样提升了约57.56%，比喷涂环氧树脂防护涂层的试样提升了约33.57%。冲蚀表面分形维数(Ds)的变化在一定程度上反映了不同冲蚀阶段的变化，结合Ds及被冲蚀后涂层表面的微观形貌特征，发现在低角度冲蚀时，受粒子拉应力影响，涂层表面发生了撕裂及脱粘现象，冲蚀率较高。在高角度冲蚀时，受粒子压应力影响，涂层表面出现隆起及空穴等塑性变形，冲蚀表面Ds增加，且在材料屈服应力范围内未造成损伤界面的脱落，故冲蚀率较低，显示出典型塑性材料冲蚀损伤的特征。结论 聚氨酯、丙烯酸及环氧树脂防护涂层体系，均能提高混凝土的抗冲蚀性能。结合防护涂层的接触角及硬度测试结果，发现丙烯酸防护涂层作为风沙环境中混凝土结构防护涂层时，效果较好，适用于该环境下的混凝土防护。不同防护涂层在受到冲蚀时，不存在明显的塑性变形和脆性破坏阶段，而是随冲蚀分量变化，涂层由塑性变形向脆性破坏过渡，且该现象存在于整个冲蚀过程中。
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  PTFE/Kevlar纤维编织材料摩擦损伤演变规律研究

  杨晓强, 徐晨, 谭德强, 李锐, 贺强, 高会英

  表面技术. 2021, 50(8): 282-294. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.026

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  目的 通过对PTFE/Kevlar纤维编织材料进行不同循环次数的往复摩擦磨损试验，研究并揭示其摩擦损伤演变规律和损伤机理。方法 采用MXW-5型摩擦磨损试验机，同时保持一定的位移和频率，对材料分别进行2、5、10 N等3种载荷等级下往复运动的不同循环次数试验。采用体视显微镜(SM)对材料磨损表面在试验过程中产生的宏观损伤进行分析，利用3D光学显微镜(3D-OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)对损伤表面的微观形貌以及化学状态加以分析。结果 3种不同载荷条件下的样品，在达到1000次循环往复运动之前，摩擦因数增大0.05，1000~5000次增幅减缓为0.02，并逐渐趋于稳定。不同循环次数下，损伤表面形成了不同大小的PTFE转移膜，将表面C元素覆盖。3种载荷下，编织材料的磨损机制主要为疲劳磨损。结论 在载荷不变的条件下，随着循环次数的增加，前期编织材料磨痕表面部分区域会形成PTFE转移膜，对Kevlar纤维产生一定的保护作用，进而降低表面磨损程度。随着表面磨损程度不断加剧，磨痕表面形成的PTFE转移膜剥落，导致纤维重新暴露在表面，使磨损进一步加剧。同时，随着材料样品磨损不断严重，磨痕表面的氧化程度不断加深。
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  湿式离合器对偶钢片磨损机理研究

  张志刚, 李佳雪, 张子阳, 梁美林

  表面技术. 2021, 50(8): 295-300, 310. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.027

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  目的 研究某车型湿式DCT对偶钢片在给定工况下的磨损机理。方法 在长度为2 km、坡度为30%的坡道上，对某车用湿式离合器进行道路试验，取磨损最严重的对偶钢片，采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对滑摩表面不同区域及其剖面进行形貌观察，并检测剖面成分演变，表征其磨损表面和剖面的微观形貌特征及由于摩擦热和塑性变形而产生的氧化物剥落现象。结果 对偶钢片沿周向均匀磨损，沿径向不同区域出现深浅不一的划痕和犁沟，摩擦副微凸体接触区域在高温下产生撕裂现象，中径区域承受应力较小部分生成约1 μm厚的薄氧化层，应力较大区域氧化层厚度约为8.5 μm，且氧化层在高温高压下产生裂纹，并扩展，氧化物剥落，形成不同程度的凹坑。整个磨损过程中，对偶钢片的主要磨损机制为粘着磨损、磨粒磨损、氧化磨损及疲劳磨损。结论 对偶钢片表面温度和应力越大，磨损程度越高;距离磨损表面越近，氧化程度越明显。滑摩初期，氧化层较薄，磨损表面轻微氧化，主要磨损机制为粘着磨损伴随轻微磨粒磨损;滑摩后期，生成的大量摩擦热引起氧化物增多，以氧化磨损和疲劳损伤为主。
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  激光重熔对Ti-6Al-4V选区激光熔化成形质量的影响

  叶秀, 武美萍, 缪小进, 陆佩佩

  表面技术. 2021, 50(8): 301-310. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.028

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  目的 针对选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)成形Ti-6Al-4V过程中易产生孔隙缺陷、成形质量差等问题，提出“初次扫描+低激光功率重熔”的成形方式，研究激光重熔对SLM成形质量的影响机制以及重熔功率对成形质量的影响规律，优化工艺参数。方法 基于ANSYS软件，模拟SLM加工过程及激光重熔过程的熔池、温度场分布，利用金相显微镜观测成形件截面缺陷形态、分布及金相显微组织，并利用显微硬度计及摩擦磨损试验机分别测试成形件的显微硬度及摩擦磨损性能。结果 随着激光重熔功率的增大，重熔熔池尺寸增大，温度梯度过渡渐缓，初次扫描形成的缺陷经重熔后得以填补，试件孔隙逐渐减小。当激光重熔功率为120 W时，成形件的致密度达到99.89%;当激光重熔功率为100 W时，成形件的硬度达到444.0HV0.3，相较于未重熔件提高了21.0%，平均摩擦系数为0.396，相较于未重熔件降低了13.73%。结论 激光重熔可以有效提高SLM成形件的致密度、显微硬度及摩擦磨损性能。随着激光重熔功率的增大，成形件的熔池范围扩大，初次成形的孔隙尺寸明显减小，成形件中的β相晶界扩展，针状马氏体尺寸增大，显微硬度得以提升。当激光重熔功率为140 W时，熔池剧烈波动，凝固过程中较大的固态收缩使成形质量出现下降趋势。
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  氮化硼纳米片对氧化铝胶黏陶瓷涂层摩擦行为的影响

  杨网, 陆小龙, 王永光, 赵栋, 管怀俊

  表面技术. 2021, 50(8): 311-317. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.029

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  目的 通过在氧化铝胶黏陶瓷涂层中添加氮化硼纳米片(BNNP)，从而改善涂层的摩擦学性能。方法 利用均质机将混合粉末均匀分散，并采用料浆法在304不锈钢表面制得不同含量的BNNP增强氧化铝胶黏陶瓷涂层(BRPCC)。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和球盘式摩擦磨损试验机，分析了不同含量的BNNP增强氧化铝胶黏陶瓷涂层的显微组织、物相和摩擦学性能。结果 涂层的主要物相为氧化铝、磷酸铝、磷酸锌和氮化硼。BNNP未参与涂层固化反应，但作为黏结相的“成核剂”填补了孔隙或覆盖了孔洞。随着BNNP含量的增加，涂层表面质量得到有效改善，添加1%BNNP的涂层表面孔隙率最低，为4.33%，相比不添加BNNP的涂层，孔隙率下降了55.27%。随着BNNP含量的增加，涂层的摩擦因数和磨损率随之降低，当BNNP添加量为1%时最低，摩擦因数从0.372降到0.242，磨损率从1.512×10^–3 mm³/(N×m)降到0.494×10^–3 mm³/(N×m)。胶黏陶瓷涂层的磨损机理主要为磨粒磨损和粘着磨损。结论 氮化硼纳米片的添加可以有效地提升氧化铝胶黏陶瓷涂层的耐磨减摩性能。
腐蚀与防护
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  镁合金表面陶化膜的制备及耐蚀性研究

  杨天园, 宋影伟, 董凯辉, 陈荣石, 韩恩厚

  表面技术. 2021, 50(8): 318-326. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.030

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  目的 通过在Zr-Ti基础成膜液中添加适宜的氧化剂，获得均匀致密的陶化膜，提高膜层对AZ80镁合金的保护性。方法 通过盐雾试验和SEM观察的结果，筛选出最佳的成膜液体系。通过测试陶化膜在3.5%NaCl溶液中的极化曲线，选出最佳的成膜液pH和成膜时间。利用XRD和XPS对膜层物相组成进行分析。通过盐雾和电化学试验对膜层的耐蚀性进行表征。结果 当基础成膜液中添加氧化剂KMnO4和NH4VO3的质量浓度比为3∶1、转化液pH为2.5、成膜时间为3.5 min时，制备出的陶化膜均匀、致密，膜层主要由ZrO2、TiO2、MgO、MgF2、V2O3组成。氧化剂的添加抑制了析出相上过快析氢反应对成膜的不良影响，实现了膜层的均匀沉积。陶化膜将AZ80镁合金的耐中性盐雾时间从4 h提高到48 h。结论 添加适宜氧化剂的Zr-Ti系陶化膜可以显著提高AZ80镁合金的耐蚀性。
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  微弧氧化工艺参数对镁合金表面水滑石复合膜层耐蚀性的影响

  李岩, 章晴云, 卢小鹏, 张涛, 王福会

  表面技术. 2021, 50(8): 327-336. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.031

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  目的 通过在微弧氧化膜上原位生长水滑石膜，提高镁合金的耐蚀性。方法 首先分别在硅酸盐、磷酸盐和铝酸盐为主的电解液体系中制备镁合金微弧氧化膜。然后采用水热处理技术，通过加入硝酸铝与硝酸锌的混合溶液，制备微弧氧化/水滑石复合膜层。采用扫描电镜、X射线衍射仪、接触角仪和电化学腐蚀试验，分别研究了微弧氧化及复合膜层的显微形貌、物相组成、疏水性和耐蚀性。结果 XRD表明，在不同的微弧氧化膜上均可原位生成水滑石膜。铝酸盐体系中制备的水滑石膜厚且致密，硅酸盐和磷酸盐体系中生成的水滑石数量少，不能完全封闭微孔及裂纹。在硅酸盐体系中于400 V和430 V条件下制备的复合膜层，接触角分别为74.3°和130.3°。磷酸盐和铝酸盐中制备的复合膜层的接触角低，无疏水性。硅酸盐中于430 V条件下制备的复合膜层，阻抗模值达到2×10⁷ Ω×cm²，耐蚀性提高10倍左右。结论 原位生长水滑石膜可以封闭微孔，硅酸盐和铝酸盐体系中制备的复合膜层的耐蚀性提高，磷酸盐体系中制备的复合膜层的耐蚀性下降。微弧氧化的成膜电压对水滑石生长无显著影响。
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  自交联阳离子丙烯酸乳液对ADC12铝合金的钝化研究

  叶小乐, 陈均

  表面技术. 2021, 50(8): 337-342. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.032

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  目的 制备自交联阳离子丙烯酸乳液，提高ADC12铝合金表面树脂钝化膜的耐蚀性能。方法 丙烯酸丁酯(BA)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体，可聚合多羟基有机胺为功能单体，N-羟乙基丙烯酰胺(HEAA)为交联剂单体，使用半连续乳液聚合法制备自交联阳离子型聚丙烯酸酯乳液，并采用浸渍法在ADC12铝合金板上制备钝化膜。通过激光纳米粒度仪和示差扫描量热分析仪(DSC)对乳液进行表征。采用电化学Tafel极化曲线、交流阻抗(EIS)、硫酸铜点滴试验及中性盐雾试验，对比分析添加交联单体前后树脂钝化膜的耐腐蚀性能。结果 添加HEAA为交联单体制备自交联阳离子聚丙烯酸酯乳液，乳液平均粒径为88~96 nm，粒径分布均匀，并明显提高了聚丙烯酸酯乳液树脂的玻璃化温度。HEAA含量为2%时，乳液平均粒径为88 nm，粒径分布均匀，玻璃化温度提高了18.8 ℃，且钝化膜24 h中性盐雾试验后基本无腐蚀，腐蚀电流密度为2.609×10^?7 A/cm²，腐蚀电位为?0.592 V，耐硫酸铜腐蚀时间为53 s。结论 交联单体HEAA的添加能够有效提高树脂钝化膜的交联密度，阻碍腐蚀介质的侵入，提高树脂钝化膜的耐腐蚀性能。
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  激光熔覆CoCrFeNiSix高熵合金涂层组织及耐蚀性能研究

  郝文俊, 孙荣禄, 牛伟, 李小龙, 谷米, 左润燕

  表面技术. 2021, 50(8): 343-348, 381. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.033

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  目的 研究Si含量对CoCrFeNi系高熵合金涂层组织、物相、显微硬度及耐蚀性能的影响。方法 通过激光熔覆技术在45钢基材上制备CoCrFeNiSix(x为物质的量之比，x=0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0)高熵合金涂层，使用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪、电化学工作站对涂层的显微组织、物相组成、显微硬度、耐蚀性能、腐蚀形貌进行分析研究。结果 CoCrFeNi高熵合金涂层为单一的fcc相，之后随着Si含量的提升，涂层向bcc相转变，当x=2.0时，全部转化为bcc相。涂层的微观组织以等轴晶与枝晶为主，当Si含量较少时，Si元素主要在晶界中偏析，随着Si含量的增加，过多的Si会固溶到晶粒内部。涂层的平均显微硬度随着Si含量的升高而增加，CoCrFeNiSi2.0可达到566.5HV0.5。在3.5% NaCl溶液中，涂层的腐蚀电位随Si含量的增加而变大，CoCrFeNiSi2.0较CoCrFeNiSi0.0的腐蚀电位正移约160 mV，腐蚀电流密度从1.17×10^–6 A/cm²减小到6.06×10^–7 A/cm²，耐蚀性提高。当Si含量较低时，涂层表面出现连续大面积腐蚀痕迹，随着Si含量的增加，表面腐蚀以点蚀为主。结论 在CoCrFeNi系高熵合金涂层中添加Si元素，可以促进bcc相的生成，提高涂层的显微硬度，同时可以有效抑制合金涂层的腐蚀倾向，以及减缓合金涂层的腐蚀速率，提高耐蚀性能。
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  海洋大气环境与拉伸疲劳载荷耦合作用下30CrMnSiNi2A钢的腐蚀损伤行为

  罗来正, 周堃, 黎小锋, 符朝旭

  表面技术. 2021, 50(8): 349-358. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.034

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  目的 研究海洋大气环境与拉伸疲劳载荷耦合作用对30CrMnSiNi2A钢腐蚀损伤行为的影响。方法 在湿热海洋大气环境万宁试验站户外环境，首次采用海洋大气环境-拉、压、弯载荷耦合试验设备对30CrMnSiNi2A钢开展海洋大气环境-拉伸疲劳载荷耦合试验，利用金相显微镜、耦合试验设备和扫描电镜，探讨海洋大气环境腐蚀与拉伸疲劳载荷耦合作用对30CrMnSiNi2A钢的腐蚀形貌、腐蚀产物、拉伸性能及断口形貌的影响。结果 30CrMnSiNi2A钢静态暴露试验和耦合试验的腐蚀特征均为点蚀，静态暴露试验1 a和耦合试验35 d的最大腐蚀深度分别为95 μm和54 μm。静态暴露试验1 a，30CrMnSiNi2A钢的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别下降6.6%、6.5%、31.0%;耦合试验35 d，30CrMnSiNi2A钢的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别下降11.0%、11.4%、34.5%。断口形貌结果显示，30CrMnSiNi2A钢耦合试验的裂纹源附近扩展区为准解理形貌，存在细小二次裂纹，裂纹以疲劳源为中心，向芯部不断扩展，形成了具有方向性的腐蚀疲劳损伤。结论 海洋大气环境腐蚀与拉伸疲劳载荷的耦合作用可以加速30CrMnSiNi2A钢拉伸性能的下降，与静态暴露试验相比，耦合试验的加速倍率约为静态暴露试验的10倍。
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  2A12铝合金动态腐蚀-疲劳耦合失效机理研究

  魏小琴, 李晗, 蒲亚博, 赵朋飞, 王辉, 朱蕾

  表面技术. 2021, 50(8): 359-365. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.035

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  目的 针对某飞机吊挂结构用2A12铝合金开展预腐蚀后的动态腐蚀-疲劳耦合试验，很快发生断裂行为，寻找失效原因并提出解决措施。方法 利用自制的卧式动态腐蚀-疲劳试验装置，开展2A12铝合金预腐蚀后的腐蚀-疲劳协同试验直至样品断裂。同时，对比开展2A12铝合金腐蚀与疲劳交替试验，分析断口腐蚀形貌、元素含量、价态变化，获得2A12铝合金在两种试验方法下的腐蚀疲劳机理。结果2A12铝合金主要由铝基体以及弥散分布其中的多种合金强化相组成。当有预裂纹时，2A12铝合金在腐蚀与疲劳交替作用下，很快发生疲劳断裂，且裂纹几乎贯穿整个断面，在整个裂纹附近存在较多的腐蚀产物Al2O3。2A12铝合金在预腐蚀后，基体与其表面的氧化膜之间形成腐蚀电池，初期的点蚀孔快速发展成明显腐蚀坑并产生大量腐蚀产物Al2O3，腐蚀坑底部由于应力集中现象而成为裂纹源，在动态腐蚀-疲劳耦合作用下快速萌生裂纹并呈放射状扩展，很快发生疲劳断裂行为，同时裂纹扩展区无腐蚀产物。结论 2A12铝合金用作飞机吊挂结构件时，必须进行表面防腐处理，避免形成腐蚀坑，减缓吊挂结构发生腐蚀-疲劳断裂进程。
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  脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠对电沉积铜薄膜性能的影响

  谭小生, 王春霞, 曹鑫帅, 张玉清

  表面技术. 2021, 50(8): 366-374, 403. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.036

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  目的 研究脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)在乙二胺无氰镀铜中的应用效果，分析对比AES对铜离子沉积、生长及镀层性能的影响。方法 利用电化学工作站，分析阴极电沉积过程，结合多功能腐蚀测量仪，得到渗氢曲线和Nyquist曲线，比较不同条件下镀层的致密性及耐蚀性，通过SEM、金相显微镜，观察镀层表面与截面的微观形貌，采用XRD分析镀层晶粒取向、尺寸及镀层内应力。结果 乙二胺镀铜电沉积过程为三维瞬时成核过程，受扩散步骤控制，镀层晶体择优取向为(111)面。在不含AES时，获取的镀层表面粗糙，晶粒杂乱，呈棱刺或颗粒状，内应力较大;在镀液中引入AES后，扩散系数增大，微分电容增大，阴极极化增强，成核电位负移，获取的镀层表面变得光滑、细致，镀层(220)晶面占比由28.95%减少到20.61%，粗糙度由2.784 μm下降为1.814 μm。渗氢曲线与EIS测试表明，镀液引入AES后，获取的镀层对氢渗透的阻挡能力增强，致密性改善，镀层耐蚀性明显提高。结论 AES表面活性剂在乙二胺镀铜体系中，对改善镀层微观结构、减少毛刺、提高镀层的致密性和耐蚀性具有显著效果，可有效提高乙二胺镀铜层的综合性能。
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  热浸镀铝硅镀层微观组织结构表征

  崔桂彬, 鞠新华, 尹立新, 严春莲

  表面技术. 2021, 50(8): 375-381. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.037

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  目的 研究热成形钢热浸镀铝硅镀层的微观组织与物相组成。方法 利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析铝硅镀层表面与截面的微观组织形貌与成分，利用X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射技术(EBSD)分析铝硅镀层的物相组成与比例。结果 热浸镀铝硅镀层表面由富Al相、少量的富Fe相以及树枝晶网状分布的高Si相构成，截面是由内外两层组成，其靠近铁基体的内层为Fe-Al-Si合金层，外层为Al-Si层。进一步的研究显示，Al-Si层由富Al相、少量的富Fe相以及柱状分布的高Si相构成，高Si相主要存在于合金层与铝硅层界面以及Al-Si层中。结论 热浸镀铝硅镀层中富Al相、富Fe相、高Si相和Fe-Al-Si三元合金层的物相分别为Al、Al13Fe4、Si和Al8Fe2Si。对热浸镀铝硅镀层中高Si相的研究显示，分布于合金层与铝硅层界面处的高Si相，可以有效阻碍镀层的生长，而分布于铝硅层中的高Si相在空间中以立体网状骨架的结构形式存在，这种立体网状结构形式作为镀层的主体框架，可以有效地提高镀层的强韧性和成形性能。
精密与超精密加工
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  砂结比对固结磨盘加工钽酸锂的影响

  杭伟, 凌洋, 韦岚清, 张翔, 许良, 陈泓谕, 袁巨龙

  表面技术. 2021, 50(8): 382-388, 403. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.038

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  目的 提升钽酸锂晶圆的加工效率和表面质量。方法 采用8000#金刚石和树脂结合剂热压制成金刚石丸片，并拼接成固结磨盘，研磨钽酸锂。针对丸片配方的砂结比展开研究，设置3组砂结比变量11∶9、7∶3、17∶3，对应磨粒的质量分数分别为55%、70%、85%。通过单个磨粒晶胞模型计算磨粒裸露比，即单位面积内磨粒裸露数与总磨粒数的比值(Ng/N)。分析不同砂结比下磨粒与结合剂的分布状态变化，以及对加工钽酸锂晶圆表面粗糙度和材料去除率的影响规律。结果 3组磨粒质量分数55%、70%、85%制作的金刚石丸片，其磨粒裸露比分别为1.79%、2.26%、2.47%，加工后对应的晶圆表面粗糙度分别为4.558、1.634、2.999 nm。磨粒质量分数为85%的丸片材料去除率最高，70%次之，55%最低。研究发现，磨具表面磨粒裸露比随磨粒质量比的增加而增加，当加工表面裸露颗粒越多时，其加工效率越高，材料去除速率越大。过低的磨粒质量比使得裸露磨粒少，晶圆表面材料去除不均匀，表面出现冗起，表面质量差;过高的磨粒质量比又使得树脂对磨粒的陷阱效应削弱，加工后晶圆表面易产生明显划痕。结论 提高金刚石固结丸片砂结比，能有效地改善丸片表面的磨粒裸露比，实现钽酸锂高表面质量和高材料去除率的晶圆加工，但过高的砂结比极易导致表面划痕的产生。
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  十二烷基苯磺酸钠对磁性复合流体分散性及抛光质量的影响

  李佳音, 姜晨, 王璐璐, 管华双

  表面技术. 2021, 50(8): 389-395. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.039

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  目的 针对磁性复合流体(Magnetic Compound Fluid，MCF)中磨粒易团聚的问题，提出通过阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate，SDBS)来提高MCF的分散性，进而提升抛光表面质量。方法 在MCF中添加不同质量分数的SDBS，采用激光粒度分布仪，测试抛光液中颗粒的粒径分布及中位粒径。利用Zeta电位分析仪，观察抛光液的Zeta电位分布，验证分散效果。使用SDBS含量不同的MCF对304不锈钢工件表面进行抛光，研究SDBS含量对MCF抛光材料去除率和表面粗糙度的影响规律。结果 当SDBS质量分数从0%增至3%时，MCF的中位粒径从6.845 μm降低至1.640 μm，Zeta电位的绝对值从13.2 mV升高至53.8 mV，抛光材料的去除率从3.11 mg/min增加至3.25 mg/min，表面粗糙度Ra从0.27 μm降低至0.09 μm，抛光表面质量显著提升。当SDBS质量分数继续增加至5%~7%时，分散效果趋于饱和，抛光质量保持稳定。结论 在MCF中添加适当质量分数的SDBS，可以有效解决磨粒团聚问题，提高MCF的分散性，抛光后表面质量明显改善。
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  电解质等离子体抛光316LVM表面形貌及电化学特性

  段海栋, 孙桓五, 纪刚强, 张东光, 孙金言, 杨冬亮

  表面技术. 2021, 50(8): 396-403. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.08.040

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  目的 研究电解质等离子体抛光对316LVM植入物不锈钢表面形貌及其在磷酸缓冲盐溶液中的电化学特性的影响，解决复杂形状植入物表面抛光难题。方法 原材料经线切割及表面预处理，制成20 mm×15 mm× 3 mm的试验样件。对试样分别进行机械抛光及电解质等离子体抛光。机械抛光在砂带抛光机上进行，使用600、800、1200、2000、5000目的砂带逐级磨抛。电解质等离子体抛光中，电压为300 V，电解液为3%(质量分数)(NH4)2SO4水溶液，温度为85~90 ℃，抛光时间为15 min。通过粗糙度仪、扫描电镜，对试样表面粗糙度、微观形貌进行测试表征。通过能谱仪、X射线衍射仪，对试样表面元素含量、物相组成进行测试表征。通过电化学工作站，对磷酸缓冲盐溶液中的试样，进行电化学测试。结果 电解质等离子体抛光后，试样表面粗糙度由初始的0.5 μm降至0.089 μm，试样表面机械加工痕迹被去除，平整光亮。机械抛光后，试样表面化学元素未发生明显变化，而电解质等离子体抛光后，试样表面的Fe、Cr含量升高。机械抛光表面的X射线衍射峰位置和强度未发生明显变化，电解质等离子体抛光后，在衍射角为43.5°处，衍射峰强度明显降低，在74.5°处，衍射峰强度明显升高，同时各峰的半高宽明显减小。在磷酸缓冲盐溶液中，机械抛光试样的自腐蚀电位由–0.252 V升高至–0.232 V，腐蚀电流密度由1.611 μA/cm²降低至0.5867 μA/cm²，极化电阻由28.876 kΩ升高至64.682 kΩ。电解质等离子抛光试样的自腐蚀电位由–0.252 V升高至–0.214 V，腐蚀电流密度由1.611 μA/cm²降低至0.1582 μA/cm²，极化电阻由28.876 kΩ升高到251.262 kΩ。结论 电解质等离子体抛光可有效降低316LVM表面的粗糙度，提高表面平整度。电解质等离子体抛光后，表面Fe、Cr元素的含量升高，晶粒尺寸增大，呈(220)晶面择优取向。电解质等离子体抛光可提高316LVM在磷酸缓冲盐溶液中的耐腐蚀性能。