2021年, 第50卷, 第9期　
刊出日期：2021-09-20

  

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特邀综述
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  静电喷雾制备功能化表面膜层的研究进展

  陈逢军, 张肖肖, 胡天

  表面技术. 2021, 50(9): 1-13. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.001

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  静电喷雾是一种高效且应用广泛的膜层制备技术，能够使微细粒子均匀分布，在微纳米材料加工制备领域表现出巨大的潜力。介绍了静电喷雾技术在制备功能化表面膜层的最新研究进展，总结了静电喷雾技术的优缺点。在静电喷雾机理与装置方面，详细阐述了泰勒锥液滴、微细射流及破碎雾化过程，分析了膜层在喷雾中的生长过程以及累积之后的内部变化，论述了膜层相组成和晶体结构的控制方式，介绍了液滴的带电方式和有无静电场的区别，对比了静电喷雾的多种装置及喷嘴类型;在氧化物膜层方面，介绍了金属氧化物膜层、非金属氧化物膜层、金属颗粒掺杂氧化物膜层，以及复合膜层的成膜条件、膜层相组成和晶体结构。归纳了多种功能的静电喷雾聚合物膜层，分析了静电喷雾在钠离子电池、锂离子电池以及钙钛矿太阳能电池中的应用。描述了含碳、硅等非金属无机物膜层的研究现状，探讨了静电喷雾参数对膜层结构的影响，以及膜层结构和性能的关系，并概括了多种膜层的厚度变化。最后，展望了静电喷雾技术的应用前景及发展趋势。
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  微织构化表面润滑设计与发展分析

  张培耘, 张彦虎, 华希俊, 符永宏, 尹必峰, 符昊, 纪敬虎

  表面技术. 2021, 50(9): 14-32. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.002

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  随着先进微细加工手段的可及化，近十年来，表面微织构技术有效促进了织构摩擦学的蓬勃发展。针对几种典型润滑工况下的摩擦特性，阐述了表面微织构技术的应用特征，尤其是表面微织构的实施对润滑区摩擦学行为的作用和影响。分析了表面织构在摩擦表面减摩抗磨、润滑减阻和防腐延寿诸方面的施用效果与发展潜力，在智能制造的现实需求下，提出表面织构技术快速发展的历史必然，并明确了表面织构技术应用与理论发展非协调之问题。进一步结合仿生设计思想，从表面微织构的几何结构设计和形貌拓扑优化等方面，评述了表面微织构设计理论与技术发展现状和趋势。着重指出，复合织构化设计理论与方法亟待拓展，仿生织构设计思想常会产生有益效果。最后，讨论了表面微织构技术在高低温等特殊应用背景下的摩擦学行为特征，拓展表面织构技术在极端工况下的应用潜力和工程价值。表面织构技术有望在控制摩擦、减小磨损和改善润滑方面发挥更积极的作用，进而推动我国高端装备相关产业的技术升级。
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  简单/改性铝化物涂层的研究现状

  蒋成洋, 丰敏, 陈明辉, 耿树江, 王福会

  表面技术. 2021, 50(9): 33-42. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.003

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  航空发动机各部件高温结构材料在苛刻环境下服役时，会遭受严重的高温氧化和热腐蚀。在合金表面施加铝化物涂层后，高温下表面能够生成一层致密且生长缓慢的Al2O3氧化膜，从而隔绝腐蚀介质，以防止合金被快速氧化腐蚀。概述了铝化物涂层的优点，包括制备简单、成本低廉。重点综述了以Ni、Fe、Ti/TiAl为合金基体的铝化物涂层微观结构。涂层的微观结构主要由渗铝工艺、基材成分及后处理工艺等因素决定，渗铝工艺包括渗剂成分、渗铝温度和渗铝时间。在高温下渗铝，Al的活度较低，涂层主要以基体元素向外扩散形成外扩散型涂层为主;在低温下渗铝，Al的活度较高，涂层主要以Al向内扩散形成内扩散型涂层为主。还归纳了不同渗铝涂层在干燥空气和水蒸气环境中的高温氧化行为，阐述了水蒸气对铝化物涂层高温氧化行为的影响，比较了Ni-Al系和Fe-Al系涂层的抗高温氧化性能。同时介绍了Cr-Al、Si-Al和Pt-Al 3种改性铝化物涂层的研究进展，包括制备方法、微观结构及抗高温氧化和腐蚀性能。最后，展望并总结了高温防护涂层的发展趋势。
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  磁场作用下的微生物腐蚀研究进展

  何勇君, 张斐, 王海涛, 张天遂, 李广芳, 刘宏芳

  表面技术. 2021, 50(9): 43-52. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.004

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  磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，磁场力包括洛伦兹力和安培力。概述了磁场对微生物和金属腐蚀过程的影响，包括对单一细菌和混菌体系、电化学控制和浓差极化控制的电化学过程的影响。归纳了磁场作用于微生物金属腐蚀的防控方法，包括微生物竞争手段、缓蚀杀菌剂的应用以及存在的不足等问题。在此基础上，重点综述了近年来磁场条件下金属微生物腐蚀的研究进展，分析了磁场对于微生物生长特性和生物膜形成的影响，分别以不同微生物存在的体系、电化学过程控制的类型等方面展开详细讨论。针对磁场存在的环境，总结了微生物对金属的腐蚀机理，包括生物膜理论、离子干涉理论、自由基理论等。最后结合磁场对金属腐蚀过程的相关机理，展望了后续磁场对微生物腐蚀防控的研究方向。
表面强化技术
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  磨粒强化加工表面材料动态再结晶行为的研究

  洪远, 孙聪, 修世超, 姚云龙, Xin Chen

  表面技术. 2021, 50(9): 53-69. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.005

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  目的 基于磨粒强化加工非线性热力耦合效应，研究加工表面材料动态再结晶行为。方法 以45#钢为研究对象，首先建立基于砂轮轮廓及磨粒分布特征的热力耦合全尺度有限元模型，然后利用三维元胞自动机法，构建奥氏体晶粒的位错密度增长控制方程，研究动态热力耦合作用对奥氏体晶粒动态再结晶过程的影响机理。最后，结合磨粒强化加工实验，验证不同进给速度与磨削深度下再结晶晶粒尺寸与体积分数的沿层变化规律，提出加工表面材料晶粒细化过程的参数化控制方法。结果 加工过程中，部分奥氏体组织会发生动态再结晶现象，并在工件表面形成细化层，细化层的厚度远小于强化层。随着与表面距离的增加，再结晶晶粒平均尺寸逐渐增大，体积分数先增大、后减小。改变磨削深度和进给速度，可使再结晶晶粒的体积分数和平均尺寸分别提高5倍和15%以上。结论 通过对比实验与模拟结果，发现加工过程中热力耦合效应沿层分布差异性明显。加工应变场的作用效果远小于动态温度场的影响，这限制了表面细化层的厚度;应变场沿层递减分布，越靠近加工表面，晶粒细化现象越明显;受层间应变与应变率差异性的影响，表层再结晶晶粒形核较快，但生长速度缓慢，再结晶晶粒体积分数偏小。增大切深与进给速度会使接触区金属的去除量增加、表面温度升高且晶粒畸变现象明显，有利于细化层的形成。
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  喷丸改善Q235B焊接接头残余应力场的数值模拟

  邢家麒, 吴跟上, 赵树森, 贺占蜀, 李延民, 邵景干, 余桧鑫

  表面技术. 2021, 50(9): 70-80. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.006

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  目的 建立随机喷丸模型，模拟喷丸改善Q235B焊接接头残余应力场。方法 首先，建立Q235B焊接接头模型，通过间接耦合法计算焊接残余应力。然后，将残余应力作为初始条件导入焊接接头喷丸模型，研究弹丸直径d、弹丸速度v、弹丸入射角θ和弹丸质量流量rm对焊接接头残余应力场的影响规律。最后，分析喷丸后焊接接头残余应力场的改善情况。结果 焊后焊缝横向残余应力σx和纵向残余应力σz分别可达227、196 MPa，调整喷丸参数可以消除残余拉应力并引入残余压应力。本仿真范围内，d=1 mm、θ=60°、v=60 m/s、rm=9 kg/min为最优喷丸参数，此时对于σx和σz，表面残余压应力分别可达–246、–275 MPa，最大残余压应力分别为–306、–310 MPa，最大残余压应力深度分别为0.24、0.27 mm，残余压应力层深度分别为0.78、0.66 mm。结论 无论是σx，还是σz，增大d和θ，最大残余压应力深度和残余压应力层深度显著增大;增大v，最大残余压应力、最大残余压应力深度和残余压应力层深度显著增加。因此，喷丸强化能够明显改善Q235B焊接接头残余应力场。
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  喷丸强化残余应力对AISI 304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响

  王成, 李开发, 胡兴远, 王龙

  表面技术. 2021, 50(9): 81-90, 151. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.007

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  目的 探究喷丸强化残余压应力对AISI 304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法 建立并联合紧凑拉伸(CT)试样三维有限元模型和对称胞元喷丸有限元模型，发展一套多步骤数值模拟方法。首先，建立AISI 304不锈钢CT试样的三维有限元模型，模拟不同外加交变载荷工况下的疲劳裂纹扩展过程。基于线弹性断裂力学理论，利用裂纹闭合技术，计算不同裂纹长度对应的应力强度因子范围，采用修正的Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率，并通过试验数据对计算结果进行考核。其次，建立多弹丸分层逐次冲击靶面的对称胞元喷丸有限元模型，模拟100%和200%喷丸覆盖率下的残余应力场，并通过试验数据对该对称胞元喷丸有限元模型的有效性进行验证。最后，将喷丸强化诱导的残余应力场以读写外部文件的方式导入CT试样三维有限元模型，模拟在内部残余应力场和外部交变载荷共同作用下的疲劳裂纹扩展行为。结果 对于相同的喷丸工况，保持外加载荷比不变而减小最大外加载荷，或者保持最大外加载荷不变而减小外加载荷比，喷丸强化诱导的残余压应力对疲劳裂纹扩展的抑制作用愈加显著。对于相同的外加载荷工况，200%喷丸覆盖率工况比100%喷丸覆盖率工况更能有效降低AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展速率。结论 喷丸强化诱导的残余压应力场能够有效抑制AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展。
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  干、湿喷丸强化对TC17钛合金喷丸强化层的影响

  徐松超, 盖鹏涛, 付雪松, 陈国清, 周文龙

  表面技术. 2021, 50(9): 91-98, 107. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.008

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  目的 研究干喷丸与湿喷丸强化对TC17钛合金残余应力场的影响。方法 采用干、湿喷丸分别对TC17钛合金表面进行喷丸强化处理，利用X射线衍射仪、EBSD以及硬度仪，分析喷丸强度对材料表层残余应力、显微组织以及硬度的影响。结果 喷丸强度为0.20 mmN时，干喷丸最大残余应力在距表面30 μm处，湿喷丸最大残余应力在表面;喷丸强度为0.30 mmN时，干、湿喷丸引入的残余应力场层深分别为200、90 μm，干喷丸引入的残余应力层更深;喷丸强度为0.40 mmN时，干喷丸最大残余应力为–1191.5 MPa，而湿喷丸最大残余应力为–943.9 MPa，干喷丸引入的最大残余应力比湿喷丸的更大;当喷丸强度增加到0.50 mmN时，干、湿喷丸两种强化工艺均出现过喷丸现象，近表层的残余应力发生松弛，同时硬度值降低。通过EBSD研究发现，随着喷丸强度的增加，TC17钛合金表层组织中α相的小角度晶界比例先增加后减少，当喷丸强度为0.50 mmN时，α相内小角度晶界比例减少，大角度晶界比例增加。结论 当喷丸强度较小时，干喷丸强化引入的最大残余应力在次表面，而湿喷丸引入的在表面。当喷丸强度较大时，干、湿喷丸强化工艺均出现过喷丸现象，此时大量小角度晶界转变为大角度晶界，钛合金表层硬度场有所减小，残余应力场发生应力松弛。
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  超声冲击改进地铁车辆焊接裂纹修复质量的探究

  张枝森, 王永祥, 何柏林

  表面技术. 2021, 50(9): 99-107. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.009

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  目的 针对地铁车辆车体、转向架构架疲劳裂纹频发的问题，探索超声冲击工艺增强焊接结构件疲劳强度的机理和可行性。方法 分别利用机械打磨和不同工艺参数的超声冲击处理SMA490BW钢焊接对接接头，借助应力分析仪、金相显微镜、超声疲劳机、扫描电镜等，综合分析试样的应力分布、接头形貌、晶粒组织、疲劳寿命以及断口形貌，以对比不同处理方式的强化效果。结果 超声冲击处理可有效改善对接接头的应力集中，细化表层晶粒，并调整表面应力场的分布，将焊接残余拉应力转为较大的残余压应力。在工艺参数1.5 A/10 min的冲击下，试样可获得最高平均寿命3.35×10⁷周次，是机械打磨试样的3.8倍，是原始试样的10倍，且疲劳断裂失效模式不变。结论 超声冲击通过表面改性，显著提高焊接结构的疲劳寿命，且优于机械打磨方法。超声冲击法高度契合车辆裂纹修复的需求，但相关标准、设备、工艺不够完善，建议对超声冲击方法进一步探索，并最终将其纳入地铁车辆裂纹修复工艺。
表面功能化
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  透明超疏水表面的研究进展

  沈可可, 吕晓猛, 贾瑛, 金国锋, 黄远征, 侯若梦, 傅赏, 史素青

  表面技术. 2021, 50(9): 108-119, 127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.010

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  对于太阳能电池系统、汽车挡风玻璃、相机镜头等光学器件，高透明性是其功能的最重要指标之一。由于这些设备经常暴露在室外，大量的灰尘污垢会严重影响其性能。透明超疏水表面由于具有优异的光学和抗污性能，在光学器材领域有着很高的应用前景。首先总结了表面润湿性理论，主要包括Young润湿方程、Wenzel润湿模型和Cassie润湿模型，通过润湿性理论指出制备超疏水表面的条件——低表面能物质和粗糙结构二者缺一不可。其次，讨论了粗糙度和透明度之间的竞争关系，通过瑞利散射和米氏散射理论，得出制备透明超疏水表面还需要同时满足材料表面粗糙度小于100 nm。然后，归纳总结了近十年来透明超疏水表面常见的制备方法，如溶胶凝胶法、化学气相沉积法、模板法、相分离等方法，并对这些制备思路和方法进行了分析，概括了这些方法当前存在的一些问题。最后，简单介绍了透明超疏水表面在太阳能电池、光学元器件、光催化材料等领域的应用，并对透明超疏水表面的未来研究方向和应用前景进行了展望。
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  钛表面硅复合微弧氧化膜负极的制备及其电化学性能研究

  孙梦璐, 陆萍, 张亦凡, 董磊, 吴杰, 李德军

  表面技术. 2021, 50(9): 120-127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.011

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  目的 提高锂离子电池TiO2负极的电化学性能。方法 采用微弧氧化技术在钛箔表面制备TiO2膜，再通过磁控溅射技术在TiO2膜上沉积Si/SiO2，制备出一种富含硅元素的微弧氧化复合膜。将该复合膜作为锂离子电池负极，锂片为对电极，组装电池。采用电池测试系统测量电池容量、循环稳定性等性能，通过电化学工作站获得循环伏安曲线、电化学阻抗谱等特性。结果 复合膜的组成为TiO2/SiO2/Si，呈现多孔状形貌。TiO2、SiO2和Si都参与了与锂离子的氧化还原反应，在100 μA/cm²的电流密度下，经100圈循环后，复合膜负极的比容量保持在530 (mA.h)/g左右，且在1000 μA/cm²的大电流密度条件下，充放电后，复合膜负极的比容量能够恢复到初始值的95%，表现出较高的比容量、良好的循环稳定性和倍率性能，复合膜负极性能明显优于以纯TiO2为负极的锂离子电池。结论 在钛箔表面，微弧氧化技术可高效地制备多孔状、无粘结剂的TiO2负极材料，与磁控溅射技术相结合，可进一步制备出高容量的复合膜负极，具有良好的应用前景。
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  3D打印Ti-6Al-4V钛合金表面纳米孔洞制备技术

  王培, 李少龙, 张长伟, 罗倩

  表面技术. 2021, 50(9): 128-133. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.012

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  目的 通过3D打印技术制得钛合金，并构建出微米级多孔粗糙表面，再通过阳极氧化表面处理技术在微米级多孔粗糙表面构建出纳米级结构。方法 首先，通过高压水处理与酸蚀处理相结合的方法，对3D打印钛合金表面进行前处理，去除不良结合的球形粉末颗粒，降低3D打印钛合金表面的粗糙度及各向异性。然后，通过阳极氧化处理，在3D打印钛合金表面制备出具有纳米级孔洞的TiO2类骨膜层。结果 3D打印钛合金表面存在较大的各向异性，导致后续的电化学过程中电场放电不均匀，形成的TiO2类骨膜层稳定性差，而阳极氧化的前处理方法可有效解决这些问题。此外，纳米多孔结构抑制了阳极氧化处理中不稳定放电现象的发生，保证了膜层表面颜色的均匀性，且使膜层与钛或钛合金结合牢固，可在3D打印钛合金表面构建纳米级膜层结构。结论 该工艺方法制备的3D打印钛合金表面膜层的成膜速率和稳定性较好，膜层呈三维网状结构，大孔内附有小孔。该结构有利于细胞在其表面更好地粘附、分化和增殖，是理想的医用植入材料。
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  基于硅靶和碳化硅靶的碳化硅薄膜磁控溅射工艺对比

  杨梦熊, 惠迎雪

  表面技术. 2021, 50(9): 134-140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.013

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  目的 通过基于碳化硅陶瓷靶的直接溅射和基于硅靶与甲烷的反应溅射，在Si(100)基底上沉积碳化硅薄膜，对比两种工艺制备碳化硅薄膜的异同。方法 采用直接磁控溅射与反应磁控溅射工艺制备碳化硅薄膜，通过白光干涉仪、轮廓仪、X光电子能谱仪(XPS)分析薄膜粗糙度、厚度、沉积速率、组分，通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析薄膜的物相结构和形貌。结果 基于硅靶和甲烷的反应溅射工艺，甲烷流量百分比为20%~70%时，沉积速率从11.3 nm/min升高到36.5 nm/min。甲烷流量百分比为20%~60%时，表面粗糙度Rq值变化不大;甲烷流量百分比为70%时，Rq值有增大的趋势。对于甲烷反应溅射工艺，硅碳元素比例可调，但甲烷气体不易控制。基于碳化硅陶瓷靶工艺，随沉积时间(即膜层沉积厚度)的增加，表面粗糙度Rq变化不大，硅碳原子比接近1 ^:1。两种工艺制备的薄膜均为晶态，且为8H-SiC。结论 比较两种工艺，相同靶功率下，硅靶反应溅射的沉积速率明显快于碳化硅陶瓷靶。硅靶反应溅射的元素比例可调，但甲烷气体不易控制;碳化硅陶瓷靶的沉积过程稳定，硅碳原子比接近1 ^:1。
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  风电叶片水性复合涂层疏水、抗冲蚀与抗结冰性能探究

  罗彤彤, 汪涛, 项伟, 杨蒙蒙

  表面技术. 2021, 50(9): 141-151. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.014

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  目的 以水性FEVE氟碳树脂为主要成膜物质，TiO2、SiO2与AlN微纳复合颗粒作为颜填料，制备一种适用于风电叶片上的具有疏水、抗冲蚀与抗结冰性能的环保型水性氟碳涂层。方法 利用透射电子显微镜(TEM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)及接触角测量仪等，讨论加入不同成分颜填料改性后对涂层疏水性能的影响，并分析加入硬质陶瓷AlN颗粒后，涂层抗冲蚀性能及抗结冰性能的变化。结果 经氟硅烷改性后，纳米TiO2的分散性能、疏水性能及成膜性能都有所提高。涂层在经过微纳颗粒复合改性后，其外观平整，并具有良好的疏水性能，接触角提升至140°左右。在模拟风沙环境的气-固冲蚀过程中可以发现，AlN质量分数为4%时，涂层具有最佳的抗冲蚀性能，在冲蚀过程中，涂层无明显剥落，且疏水性能稳定，接触角提升并稳定在150°以上，出现了一种冲蚀激发的疏水性提高现象，表现出优异的抗冲蚀性能和机械耐久性。此外，改性复合涂层在模拟结冰过程中，其结冰时间在–10 ℃达到1601.4 s，冰层附着力仅有76 kPa，并且在更低温的条件下也表现出良好的抗结冰性能。结论 所制水性复合涂层具有良好的疏水性、抗冲蚀性及抗结冰性，符合风电叶片在风沙及冰冻等环境下的使用要求，为新型风电叶片防护涂料的发展提供了一定的可行性研究。
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  铝合金超疏水表面的构建及其稳定性与自清洁性能研究

  邢敏, 雷西萍, 关晓琳, 宋月英, 周亚丽

  表面技术. 2021, 50(9): 152-161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.015

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  目的 通过化学刻蚀结合阳极氧化法，制备具有优良机械稳定性和自清洁性能的铝合金超疏水表面。方法 采用盐酸化学刻蚀结合草酸阳极氧化法，对1060型铝合金表面构筑了具有阶梯-孔状微纳结构，再经过低表面能物质十八胺的修饰，获得了超疏水表面。探索表面微纳米结构对铝合金超疏水表面机械稳定性等性能的影响。结果 经过砂纸磨损200 cm后，表面接触角依旧高达160.33°;600 g的落砂实验冲击后，表面接触角仍保持150°，具有良好的机械稳定性。由动电位极化曲线测试结果表明，与纯铝相比，该超疏水表面具有良好的耐腐蚀性。再将超疏水铝浸入不同pH值的溶液中至24 h发现，铝合金表面依然具有良好的超疏水性能，且在pH=10的弱碱溶液中，其接触角依旧保持在163.09°。在坚固的微纳米结构的阳极氧化铝层、十八胺以及超疏水表面的气垫作用下，铝合金超疏水表面的防腐蚀性能得到提高。对比各种常见饮料在该表面的润湿性，该表面具有出色的自清洁效果。结论 铝合金超疏水表面具有良好的机械稳定性、化学稳定性以及自清洁效果。
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  高纯氧化铝涂覆层对锂电池聚乙烯隔膜的影响

  张瑞珠, 冯家赫, 李炎炎, 马淑云

  表面技术. 2021, 50(9): 162-168. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.016

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  目的 提高电池隔膜的安全性能。方法 采用聚乙烯隔膜为基膜，用聚丙烯酸酯和高纯氧化铝制备涂覆液，研发出单侧的高纯氧化铝涂层隔膜，用穿刺力测试仪CCY-02检测隔膜的穿刺强度，用XLW智能电子拉伸力试验机测定隔膜的拉伸强度，用TQD-G1透气度测试仪检测隔膜的透气度，并称量计算隔膜吸液率，室温下采用RSY-R1热缩实验仪检测隔膜的热缩性，研究了涂覆层的引入对隔膜机械性能、热稳定性、透气度以及水分含量等的影响，并通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线能谱分析仪(EDS)及扫描电镜(SEM)对复合隔膜的成分及微观形貌进行表征。结果 引入高纯氧化铝涂覆层后，复合隔膜的综合性能得到明显改善，当涂覆溶液中聚丙烯酸酯的添加量为6%、高纯氧化铝的添加量为40%时，隔膜的整体性能达到最佳，耐穿刺强度值到达785 g，横向拉伸强度为158.6 MPa，纵向拉伸强度为121.7 MPa，透气度为263 s/100 mL，吸液率为300%;在130 ℃的真空条件下保存1 h，其横向热收缩为2.18%，纵向收缩为0.83%。对涂覆前后的电池隔膜进行微观表征发现，经高纯氧化铝涂覆后的隔膜表面形成了分布均匀的微孔结构，对锂离子在正负两极之间的转移起到促进作用。结论 由于氧化铝本身的物化特性，对锂电池隔膜的耐热性有一定的提高，引入高纯氧化铝涂覆层后，锂离子电池隔膜的综合性能得到了极大改善。
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  Sn掺杂对SixSb100–x相变薄膜结晶行为的影响

  杜玲玲, 周细应, 李晓, 周文华, 范志君

  表面技术. 2021, 50(9): 169-175. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.017

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  目的 通过掺杂不同含量的Sn，提升SixSb100–x相变薄膜的结晶温度、热稳定性和相转变速度，得到一种环境友好型无Te相变薄膜材料。方法 利用三靶磁控共溅射的方式制备掺Sn的SixSb100–x相变薄膜，并采用真空四探针测试系统，得到电阻-温度数据以及不同升温速率下的电阻数据，从而通过Kissinger和Arrhenius公式计算出结晶激活能和十年数据保持力。分别使用EDS、XRD、AFM对相变薄膜的成分、结构、表面形貌进行分析。结果 Sn掺杂为2%(原子数分数)时，结晶温度由199 ℃增至219 ℃，结晶激活能由3.879 eV增至4.390 eV，十年数据保持力由122 ℃增至144 ℃，具有良好的晶态/非晶态热稳定性;晶粒尺寸减小至20 nm，产生了更多的晶界，这有助于增强电子散射，从而产生更高的电阻。Sn掺杂使薄膜的结晶机制由形核型为主转化为生长型为主，有利于提高其相转变速度。结论 少量Sn掺杂的SixSb100–x相变薄膜具有较高的结晶温度、较大的结晶激活能、更高的电阻和良好的十年数据保持力;过量的Sn掺杂使SixSb100–x相变薄膜晶粒尺寸变大，不利于薄膜性能的优化。
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  氧化石墨烯化学接枝提高纳米银的负载效果

  楼玉民, 赵宁宁, 黄一君, 史浩龙, 岳建岭, 唐秀之

  表面技术. 2021, 50(9): 176-183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.018

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  目的 分别使用酰氯法和氨基开环法接枝修饰氧化石墨烯(GO)，利用接枝分子的“锚定效应”提高纳米银颗粒在GO表面的分散效果。方法 先对GO-Cl-DA(GO经酰氯化后接枝对苯二胺)和GO-DA(采用“一锅法”对GO和对苯二胺直接混合接枝)进行比较，之后又比较了先接枝后沉积纳米粒子(两步法)和接枝/沉积同时进行(一步法)得到的杂化材料。采用红外光谱、X射线衍射谱、X射线光电子能谱和热失重曲线等，分析了材料的组成、热稳定性、接枝方式、银纳米颗粒的负载效果等。结果 在氨基与环氧基开环反应或酰胺键的作用下，对苯二胺分子能有效地接枝在GO表面，其中，“一锅法”(即氨基开环法)的接枝效率较高，操作简便。在沉积银的过程中，两步法对基底还原程度更彻底，纳米银的负载量从一步法的1.01%(原子数分数)提高到了7.22%，且分散性更好，并由此提出了接枝小分子对纳米颗粒的锚定效应。结论 含有氨基的分子对氧化石墨烯进行修饰时，采用氨基开环法既简单，又高效，接枝分子通过锚定效应改善原位沉积的无机纳米粒子，可获得负载效果优异的杂化材料。
摩擦磨损与润滑
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  等离子喷涂Al2O3涂层与高硬配副的摩擦学性能研究

  李荣泽, 赵晓琴, 段文山, 安宇龙, 周惠娣, 陈建敏

  表面技术. 2021, 50(9): 184-195. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.019

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  目的 研究大气等离子喷涂Al2O3涂层在高硬配副下的摩擦磨损行为。方法 通过大气等离子喷涂(APS)制备了厚度约为380 μm的Al2O3涂层，利用纳米压痕仪测量了Al2O3涂层和两种摩擦副的硬度和弹性模量。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对喷涂粉末、涂层以及磨痕的相结构和形貌进行了表征分析，通过X射线能量色散谱仪(EDS)分析了涂层磨痕中对偶元素的转移。另外，还通过CSM摩擦机系统地研究了该涂层的摩擦磨损行为。借助X射线光电子能谱仪(XPS)分析了磨痕中的化学组成。结果 制备的Al2O3涂层主要以γ-Al2O3相为主，且存在一定孔隙，并出现层状结构。在摩擦实验中发现，在同一摩擦副下，Al2O3涂层的摩擦系数随着载荷的增加而逐渐降低，磨损率随之增大。由于摩擦配副力学性能的差异，使Al2O3涂层表现出不同的摩擦磨损行为。以Si3N4为摩擦副时，Al2O3涂层的摩擦系数较小，但磨损率大，磨损机制主要是磨粒磨损和粘着磨损。在摩擦过程中，Si3N4对偶副会与空气中的水反应，生成少量具有润滑效果的Si(OH)4胶体。以WC为摩擦副时，Al2O3涂层的摩擦系数大，但磨损率低，磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损，并伴有疲劳磨损。在摩擦过程中，由于产生了摩擦热，Al2O3涂层磨痕表面的γ-Al2O3相转变为α-Al2O3相，摩擦配副的硬度和弹性模量越大，摩擦系数越高，γ-Al2O3相的转变也越多。结论 因高硬度的Si3N4和WC对偶球拥有不同的力学性能，对大气等离子喷涂制备的Al2O3涂层的摩擦磨损机理有显著的影响，并且在摩擦过程中，涂层磨痕内的γ-Al2O3相会向α-Al2O3相转变。
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  离子液体添加到废旧发动机油引起的摩擦学性能“再生”

  张大同, 杨淑燕, 蔡美荣, 郭峰

  表面技术. 2021, 50(9): 196-204, 268. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.020

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  目的 探究离子液体(IL)对废旧发动机油摩擦学性能的影响。方法 在四球试验机上，评价了添加剂对摩擦力的影响，随后利用SEM、EDS和粗糙度轮廓仪表征了磨斑形貌、表面化学成分和粗糙度变化;利用点接触光干涉油膜厚度测量装置，研究了添加剂对成膜特性的影响。结果 在40 ℃和100 ℃下，添加离子液体的发动机油摩擦系数相较于废旧油均有所下降，分别在0.095和0.085左右，尤其是在100 ℃下，其摩擦系数(≈0.085)还低于新鲜润滑油(≈0.09)。其次，钢球的磨斑直径也均有所减小。在“轻度”和“严重”乏油的弹流润滑(Starved EHL)条件下，补加离子液体至废旧发动机油中，废旧机油可获得较好的成膜特性，其中心膜厚可增加约20 nm。结论 在边界润滑下加入IL，废旧发动机油重新获得了良好的摩擦磨损性能，高温摩擦过程中，IL在金属表面发生了复杂的化学反应，生成了一层低剪切强度的反应膜。在乏油状态下，油性添加剂IL具有较强的极性，容易在接触表面形成一层稳定的吸附膜，改变接触区润滑油的压力分布，进而引起入口区润滑油的有效黏度远大于其表观黏度，提升了废旧油的成膜能力，从而使其重新获得了较好的润滑性能。
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  AMT换挡滑块的磨损量预测与磨损规律数值分析

  刘雨薇, 孙园植, 王叶, 付崇智, 陈浩, 李秀明

  表面技术. 2021, 50(9): 205-214. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.021

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  目的 建立电控机械式自动变速箱(AMT)中同步器换挡滑块的磨损量预测模型，分析磨损量变化规律，为提升AMT的换挡品质奠定基础。方法 基于传热学理论，考虑换挡滑块与接合套的换热边界条件，建立单次换挡过程中滑块磨损量计算的有限元模型。根据BOX方法设计模拟方案，采用Archard磨损理论，将接合套的实际波动转速进行近似替代，对不同换档力、接合套转速、摩擦系数作用下的换挡滑块磨损量进行仿真计算，并且通过响应面分析，得到磨损量的线性回归预测模型。在此基础上，研究各因素对磨损量的影响规律。结果 预测模型计算得到的磨损量与试验测试结果间的误差小于5%。换挡力、接合套转速、摩擦系数皆为磨损量的主要影响因素，磨损量与三者呈正相关性。接合套的转速和换挡力对单次磨损的影响更为显著，二者的交互作用明显。在转速为750~5000 r/min时，磨损量的增量随着转速的增加而减小。 结论 换挡力和转速对滑块磨损量的影响较大。在高转速条件下，通过控制换挡力的大小可以有效减少换挡滑块的磨损量，提升AMT的使用寿命。
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  半球形突起弯管冲蚀特性数值研究

  李睿, 孙治谦, 李安俊, 王森, 王振波

  表面技术. 2021, 50(9): 215-224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.022

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  目的 设计一种带有半球形突起的表面结构，以减轻弯管在气固两相流中受到的冲蚀，并对其冲蚀分布和内部的流场结构进行分析。方法 采用CFD-DPM方法，将气相作为连续相，颗粒作为离散相，结合双向耦合、RNG k-ε湍流模型、Finnie冲蚀预测模型、Grant颗粒反弹模型和粗糙度模型进行计算，将试验数据与计算结果进行对比，以此验证计算的精确性。结果 标准弯管中，冲蚀主要发生的部位为外壁θ=50°至θ=65°，最大冲蚀速率为4.40×10^–4 kg/(m²?s)。对于表面突起的弯管，当突起位置θ=30°时，最大冲蚀速率达到最低，为2.82×10^–4 kg/(m²?s);当突起位置θ=75°时，最大冲蚀速率达到最大值，为6.61×10^–4 kg/(m²?s);突起上的最大冲蚀速率在θ=60°时达到最大，为4.99×10^–4 kg/(m²?s)，其他位置突起的最大冲蚀速率均低于3.5×10^–4 kg/(m²?s)，但平均冲蚀速率较高。结论 在弯管表面的特定位置设置半球形突起，可以改变颗粒轨迹，降低二次流影响，并在其下游形成缓冲涡，从而对壁面起到保护作用。尤其是当突起位置θ=30°、半径r=D/7时最为明显，最大冲蚀速率相较标准弯管降低了37.05%。但随着突起位置的靠后，其保护作用也逐渐衰弱。
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  TiC添加量对高能激光熔覆Inconel718基陶瓷涂层显微组织和摩擦磨损性能的影响

  吴军, 金杰, 朱冬冬, 徐军飞, 张玉良

  表面技术. 2021, 50(9): 225-235. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.023

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  目的 针对Inconel718镍基高温合金耐磨性不足的问题，制备小尺度TiC增强Inconel718镍基高温合金耐磨复合材料，提升其硬度及耐磨性。方法 利用4000 W高能激光束快速熔融制备TiC/Inconel718基陶瓷复合涂层，并针对TiC质量分数分别为5%、15%、25%的复合涂层，依次进行物相成分、显微组织、压痕硬度、摩擦磨损性能等方面的分析。结果 随着TiC含量的增加，γ-(Ni,Cr,Fe)基体上析出的TiC小尺度颗粒逐渐增多，显微组织明显细化，TiC晶界处偏聚了大量Nb、Mo元素，并与Ti元素置换生成了铌、钼类碳化物。同时，(Nb,Ti)C复合型碳化物和Laves相的析出，进一步提升了复合涂层的显微硬度，由297 HV0.2逐步提升至408 HV0.2，摩擦系数从0.3402降低至0.2628，磨损率从35.15×10^–4 g/(N.m)减少至5.96×10^–4 g/(N.m)，磨损机制由严重的粘着磨损转变为以磨粒磨损和氧化磨损为主。结论 通过高能激光熔覆制备小尺度TiC增强体颗粒，可细化复合涂层的显微组织，其显微硬度随TiC含量的增加而相应提高。在磨损试验过程中，TiC/Inconel718陶瓷复合涂层表现出良好的减摩和耐磨性能。
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  不同球磨时间下制备的铜基自润滑复合材料力学与摩擦磨损性能研究

  李佳佳, 王燕, 王福会

  表面技术. 2021, 50(9): 236-243. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.024

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  目的 研究球磨时间对Cu-WS2自润滑复合材料界面状态的影响，同时提高自润滑材料的力学性能和摩擦磨损性能，提出比较优化的Cu和WS2复合材料制备工艺。方法 采用高能球磨与放电等离子体烧结技术，制备铜基自润滑复合材料。采用WDW-100电子万能试验机进行力学实验。采用美国Rtec多功能摩擦磨损试验机进行摩擦学实验。采用XRD和SEM表征不同球磨时间的Cu/WS2复合粉末和烧结后块状复合材料的物相组成和微观结构，并结合EDS表征弯折断口的形貌和磨损形貌，分析球磨时间与复合材料界面状态-力学性能-摩擦磨损性能的内在关系。结果 当球磨时间为30 h 时，WS2在铜基体中有较好的结合与分布，材料的综合性能最佳，WS2/Cu复合材料的力学性能良好，平均摩擦系数为0.186，维持在较低水平，且磨损率最低，为7.11×10^–5 mm³/(N.m)。球磨时间超过30 h时，磨损率不再与力学性能保持一致，而是随着球磨时间的延长而逐渐提高。球磨时间达到50 h时，基体耐磨性下降，磨损率显著提高，达最大值，为10.39×10^–5 mm³/(N.m)。结论 球磨时间的延长会使WS2在基体中的弥散程度增强，且WS2与Cu基体由于机械互锁式的物理结合增强，使得力学性能随之增强。此外，摩擦磨损性能也能维持在较好水平。但当球磨时间超过30 h时，界面反应加剧，WS2分解为Cu2S，大大减弱了WS2的润滑减摩性能，使得复合材料的摩擦磨损性能降低。
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  层流等离子体点状淬火面积比对轮轨材料磨损性能的影响

  冯宗立, 张青松, 戴光泽, 李秋泽

  表面技术. 2021, 50(9): 244-253, 260. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.025

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  目的 运用层流等离子体点状淬火工艺，提高轮轨材料的耐磨性，并探究最佳的表面处理面积比率。方法 采用层流等离子体点状淬火方式，对高速轮轨材料进行表面处理，利用MJP-30型滚动接触磨损试验机，对4组不同点状淬火面积比(0%、15%、30%、45%)的轮轨试样进行滚动接触磨损试验，利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、硬度计等对轮轨试样进行磨损形貌表征和耐磨性分析。结果 层流等离子体点状淬火可获得板条状马氏体组织，轮轨材料表面硬度提升200%以上，磨损率降低80%以上。当面积比为30%时，轮轨材料的磨损率最小，相比于未处理试样，总磨损率下降约89.2%，车轮的磨损率降低约89.6%，钢轨降低约88.7%。对磨损试验后的轮轨试样进行表面损伤分析和截面显微组织观察，结果表明，点状淬火试样表面损伤显著减轻，剥离和裂纹主要集中在淬火过渡区域，淬火区域可以显著抑制材料的塑性变形，淬火区和基体结合层可抵抗裂纹的进一步扩展。当面积比为30%时，轮轨试样的耐磨性能最佳。结论 层流等离子体点状淬火可有效提高轮轨材料的耐磨性，最佳的淬火面积比为30%左右。
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  Gd掺杂强化(Cu56Zr44)1–xGdx合金非晶形成能力及摩擦学性能

  李朝岚, 陈敬昶, 王远, 王枭, 于晓华

  表面技术. 2021, 50(9): 254-260. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.026

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  目的 通过稀土元素掺杂Cu-Zr非晶合金，开发远离典型共晶型合金Cu-Zr共晶点的新型非晶合金，探索性能优异的生物质燃油新能源汽车新型活塞材料。方法 采用单辊旋淬法制备了(Cu56Zr44)1–xGdx(x=0, 0.01, 0.05, 0.09)试样，通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜对试样的物相结构和形貌进行分析，通过量热分析仪和纳米压痕仪对试样的热力学性能以及力学性能进行研究，在乙醇汽油稀释机油润滑下检测试样的摩擦学性能。结果 通过单辊旋淬法制备的(Cu56Zr44)1–xGdx试样为完全非晶组织，当锆(Gd)掺杂量从1%(原子数分数)增至9%时，(Cu56Zr44)1–xGdx非晶试样的约化玻璃转变温度Trg从0.668降至0.653，纳米硬度从8.73 GPa降至7.18 GPa，但均优于0%Gd非晶试样的0.644和6.82 GPa。在相同摩擦实验条件下，当Gd掺杂量从1%增加到9%时，(Cu56Zr44)1–xGdx非晶试样的摩擦因数和磨损率分别从0.068和1.07×10^–5 mm³/(N.m)降低到0.076和1.42×10^–5 mm³/(N.m)，但是都优于0%Gd非晶试样的0.082和1.62×10^–5 mm³/(N.m)，更是远低于ZL109铝合金的0.095和75.47×10^–5 mm³/(N.m)。结论 Gd掺杂能有效地增强体系的非晶形成能力 (GFA，Glass forming ability)和力学性能，极大地改善体系的摩擦学性能，且在掺杂1% Gd时，性能达到最佳。(Cu56Zr44)1–xGdx非晶合金的减摩抗磨性能也远优于活塞常用材料ZL109铝合金。
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  钢基镍磷合金PTFE复合涂层耐磨耐蚀性能研究

  许斌, 钱建才, 项运良, 邹洪庆, 吴厚昌, 吕基成, 方敏

  表面技术. 2021, 50(9): 261-268. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.027

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  目的 研究钢基镍磷合金PTFE复合涂层的耐磨性能及耐蚀作用机理。方法 在钢基材料表面制备镍磷合金镀层，采用电化学蚀刻技术在镀层表面形成纳米多孔结构，并经PTFE复合改性处理，制备了耐磨耐蚀的复合涂层。采用扫描电子显微镜对钢基镍磷合金PTFE复合涂层的微观形貌进行了表征，分别采用球盘式磨损、电化学试验评价了复合涂层的耐磨损、耐蚀性能，并通过白光干涉仪对复合涂层的磨痕形貌进行了分析。结果 复合改性涂层未改变镍磷合金镀层硬度性质。在球盘摩擦磨损试验中，随摩擦时间的延长，镍磷合金镀层的摩擦系数从0.12持续升至0.40;复合改性涂层的摩擦系数从0.08升至0.20左右，并保持稳定，与镀层相比，其摩擦系数有效降低，耐磨性能提高。由极化曲线可得，复合改性涂层的腐蚀电流最低，为1.53 μA，且出现一个钝化区间。通过电化学阻抗谱图与等效电路拟合结果可知，镍磷合金镀层0.01 Hz的整体阻抗模值为1.44×10⁴ Ω.cm²，经复合改性后，镀层在0.01 Hz时的整体阻抗增加为2.75×10⁴ Ω.cm²。结论 电化学蚀刻+PTFE复合改性处理能有效提高镍磷合金镀层的耐蚀耐磨性能。
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  半导体硅器件接触时粘着产生起因的原子尺度分析

  张琦, 陈晶晶, 宋萌萌, 马艳花

  表面技术. 2021, 50(9): 269-277. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.028

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  目的 实现对半导体硅器件接触变形与相变转化的微观认识和理解其粘着产生起因。方法 基于分子动力学法的Morse和Tersoff混合势函数，对单晶硅受加载和卸载时的接触特性与粘着起因展开分析，并用剪切应变和配位数分别描述硅器件接触变形与相变行为。结果 加载期时，硅基与探针紧密接触区应变程度由内到外逐渐衰减;卸载期时，应变由外到内逐渐增强，且卸载时接触边缘两侧硅原子会形成桥搭，表明硅基与探针接触时存有粘着，该粘着是诱导硅基原子粘附于探针表面的主因。粘着产生是由于硅基受载时，硅发生相变转化的键能被破坏引起。加载期积累的部分应变能在卸载时得以释放，以致硅基与探针紧密接触区的部分破坏原子粘附于探针外围轮廓，而产生明显粘着增强。另外，加载和卸载时的硅基相变主要以Bct5-Si为主，且单晶硅粘着接触变形与相变行为受温度依赖性显著。温度越高，硅基表面容易有随机粗糙波纹出现，卸载时更容易受温度影响而产生粘着增强效应，这是诱导半导体微/纳器件失效的根本原因。结论 半导体硅器件的动态接触变形与相变转化受温度依赖性显著，温度升高引起的材料软化变形是造成粘附增强的主要原因。此次研究对高温重载工况的半导体器件接触行为和粘着起因的理解有更深层次认识。
腐蚀与防护
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  磷酸盐后处理对Mg-Gd-Y合金微弧氧化涂层耐蚀性能的影响

  国泰榕, 卢小鹏, 李岩, 张涛, 王福会

  表面技术. 2021, 50(9): 278-285, 310. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.029

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  目的 为进一步提高镁稀土合金微弧氧化涂层的耐蚀性能。方法 首先在镁稀土合金表面制备了微弧氧化涂层，随后用磷酸盐后处理溶液，对Mg-Gd-Y合金硅酸盐微弧氧化涂层进行了封孔后处理，并在此过程中添加了缓蚀剂。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对涂层表面形貌和成分进行分析，利用极化曲线和电化学阻抗(EIS)测试了涂层的耐蚀性能。结果 后处理能够在微弧氧化涂层表面形成MgHPO4沉积层，沉积层的产生有效地封闭了微弧氧化涂层表面的微孔、裂纹等缺陷。缓蚀剂的添加显著增加了沉积物的量，使涂层的磷元素原子数分数由5.37%增加至14.90%，沉积效果显著。极化实验证明，封孔后处理涂层的腐蚀电流密度由1.51×10^–7 A/cm²降至4.91×10^–8 A/cm²，负载缓蚀剂后，涂层的腐蚀电流密度进一步降低至5.76×10^–9 A/cm²，表明其耐蚀性能显著提高。微弧氧化涂层在3.5% NaCl溶液中浸泡384 h后，含缓蚀剂的涂层的总阻抗值可达7825.3 Ω.cm²，明显高于未封孔处理的微弧氧化涂层(403 Ω.cm²)，这证明，后处理可有效提高微弧氧化涂层的耐蚀性能。结论 磷酸盐后处理能够在微弧氧化涂层表面生成MgHPO4沉积层，有效地对微弧氧化涂层表面的微孔和微裂纹进行了封闭。缓蚀剂的添加能够显著增强磷酸盐的沉积效果，使涂层的耐蚀性能在后处理的基础上进一步提高。
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  稀土Y对热浸镀铝镀层组织及耐蚀性的影响

  刘艺, 李国喜, 郑毅然

  表面技术. 2021, 50(9): 286-292. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.030

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  目的 研究稀土Y对热浸镀铝层的影响，提高热浸镀铝件的耐蚀性能。方法 通过向热浸镀铝液中添加不同量的铝钇合金，获得稀土Y含量不同的热浸镀铝件。选用3.5%的NaCl溶液为腐蚀溶液，利用SEM、EDS观测其形貌、成分，并使用电化学测试和全浸试验研究稀土Y对镀层耐蚀性能的影响。结果 当添加0.2%Y时，热浸镀铝层表面平整、无孔洞，针状相细小，镀铝层减薄，过渡层由锯齿状转变为连续带状。稀土Y的添加使镀铝件的自腐蚀电位正移，自腐蚀电流密度减小，添加量为0.2%时，自腐蚀电位最正，为?0.7857 V，自腐蚀电流密度最小，为1.3505×10^?8 A/cm²。与添加其他稀土元素相比，添加0.2%Y时，镀层的破裂电位Eb最正，为?0.6957 V。不同稀土含量的热浸镀铝件的交流阻抗谱都为单一的容抗弧，当稀土Y添加量为0.2%时，容抗弧半径最大。全浸试验中，添加0.2%Y的镀件的腐蚀速率最低。结论 稀土Y的添加可以使热浸铝层光滑、连续，且具有提高其耐腐蚀性的作用。Y添加量为0.2%时，镀铝件的耐蚀性最好。
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  表面活性剂对化学镀镍影响机理的研究

  蒋峥瑾, 吴道新, 肖忠良, 李昕, 梁奥博, 周光华, 黄勇

  表面技术. 2021, 50(9): 293-302. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.031

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  目的 探究十二烷基硫酸钠(SDS)、十六烷基溴化吡啶(CPDB)和OP-10 3种表面活性剂在化学镀液中对镀镍过程的影响，改善PCB化学镀镍层的不均匀现象。方法 通过化学镀试验，对镀镍层的厚度变化进行研究。利用电化学分析测试，研究表面活性剂对化学镀镍腐蚀的影响。使用扫描电镜(SEM)对镀镍层表面微观形貌进行表征。运用Forcite模块中的COMPASS力场进行分子动力学计算，研究表面活性剂分子在镍层表面吸附过程中的能量变化。结果 通过化学镀试验，发现加入适量的表面活性剂能够增加镀镍层的厚度，SDS、CPDB和OP-10能够提高镀镍层的均匀性。电化学测试结果表明，3种表面活性剂与Cu-Ni表面吸附作用的强弱顺序为SDS>CPDB>OP-10。通过扫描电子显微镜测试，发现添加表面活性剂后，镀层表面平整性良好，颗粒分布和大小均匀，均匀性顺序为OP-10>CPDB>SDS，与镀速的变化呈负相关。分子动力学模拟计算结果表明，3种表面活性剂都能自发地吸附在镍表面，其温度波动和能量波动都在25 ps达到稳定，吸附稳定。OP-10、CPDB、SDS吸附模型作用能分别为–3338.61、–3681.28、–4158.18 kJ/mol。结论 在化学镀镍液中加入表面活性剂，可在一定程度上有效提高化学镀镍层的均匀性，并且提升镀镍速率。该研究为化学镀镍过程中表面活性剂的选择提供了理论基础。
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  抗高温高浓盐酸席夫碱基吡啶季铵盐缓蚀剂的研究

  李俊莉, 沈燕宾, 李霁阳, 王佳, 张颖

  表面技术. 2021, 50(9): 303-310. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.032

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  目的 开发环境友好、抗高温耐浓酸的长效缓蚀剂复配体系。方法 采用红外光谱仪对席夫碱基吡啶季铵盐的分子结构进行表征，采用高温高压腐蚀测定仪、吸附等温模型、动力学参数、扫描电镜和量子化学计算，研究了缓蚀剂对N80的缓蚀性能及其吸附机理。结果 在120、140、160 ℃温度下，随着席夫碱基吡啶季铵盐缓蚀剂(以下简称Shif-PyQA)质量分数的增大，腐蚀速率在低浓度时大幅减小，缓蚀率在低浓度时大幅增加，两者在高浓度时均逐渐趋于平稳。在所测温度范围内，N80在空白溶液中的腐蚀速率远大于在加有Shif-PyQA溶液中的腐蚀速率。随着温度的升高或反应时间的增加，N80的腐蚀速率持续增大，缓蚀率逐渐减小，但减小幅度不大。当温度为120 ℃、Shif-PyQA质量分数为2%时，N80在20%盐酸中的腐蚀速率为28.77 g/(m².h)，缓蚀率为97.97%;当温度为140 ℃、Shif-PyQA质量分数为3%时，N80在20%盐酸中的腐蚀速率为37.12 g/(m².h)，缓蚀率为97.71%;当温度为160 ℃、Shif-PyQA质量分数为4%时，N80在20%盐酸中的腐蚀速率为63.91 g/(m².h)，缓蚀率为96.41%。Shif-PyQA在N80表面的吸附遵循Langmuir等温吸附模型，属于单分子层化学吸附，且N80表面的吸附为自发过程。动力学参数结果表明，添加不同质量分数的Shif-PyQA后，活化能大大增加为74.16 ~88.43 kJ/mol，属化学吸附。量子化学研究表明，席夫碱基吡啶季铵盐(以下简称PyQ-S)分子可与金属形成多中心的稳定吸附，同时PyQ-S分子接受电子的趋势大于供出电子的趋势。结论 Shif-PyQA在温度为120、140、160 ℃时，均可达到SY/T 5405—2019中相关指标要求，对N80具有较好的缓蚀作用。
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  水置换型缓蚀剂对印制电路板腐蚀行为的影响及作用机理

  谭晓明, 战贵盼, 张丹峰, 彭志刚, 王安东

  表面技术. 2021, 50(9): 311-321. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.033

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  目的 研究Super CORR-A水置换型缓蚀剂对典型印制电路板腐蚀行为的影响及其作用机理。方法 基于实测的舰载机电子设备舱环境数据，考虑印制电路板腐蚀敏感的湿热、盐雾和酸性大气等因素，编制了加速腐蚀试验环境谱，针对喷涂和未喷涂缓蚀剂的无铅喷锡印制电路板开展了14个周期的加速腐蚀试验，以宏观和微观腐蚀形貌、腐蚀损伤尺寸、接触电阻以及绝缘电阻为指标参数，表征了印制电路板腐蚀行为，分析了缓蚀剂对印制电路板腐蚀行为的影响，运用扫描Kelvin探针技术和红外光谱技术揭示了缓蚀剂腐蚀防护作用机理。结果 未腐蚀时，缓蚀剂使得印制电路板接触电阻增大0.077%~0.224%，绝缘电阻降低1.99%~4.21%，缓蚀剂对其电气性能影响很小。对于未喷涂缓蚀剂的印制电路板，第3周期，呈典型局部腐蚀现象，焊盘有1/3的面积发生腐蚀;第5周期，发生明显的均匀腐蚀，焊盘80%的面积发生腐蚀;第14周期，基材全部失去原有的光泽度，焊盘完全腐蚀，表面覆盖有一层较厚的腐蚀产物，通孔被红棕色腐蚀产物覆盖。对于喷涂缓蚀剂的印制电路板，腐蚀程度明显较轻，第14周期，插接件出现轻微的腐蚀，内部附着有浅绿色腐蚀产物。第14周期，喷涂缓蚀剂的印制电路板焊盘最大腐蚀深度和宽度分别为未喷涂缓蚀剂试样的52.5%和24.3%。第0~5周期，喷涂和未喷涂缓蚀剂印制电路板接触电阻差值较小;第5~14周期，喷涂和未喷涂缓蚀剂的印制电路板接触电阻差值逐渐增大，第14周期时，缓蚀剂使得印制电路板接触电阻变化量降低了57.20%~82.87%。第14周期，喷涂缓蚀剂印制电路板绝缘电阻大于12.5 GΩ，仍具有较高的绝缘性能;而未喷涂缓蚀剂的印制电路板绝缘电阻变化幅度较大，降低了2个数量级，仅为0.66~1.75 GΩ，基本达到失效状态。结论 Super CORR-A缓蚀剂对印制电路板初始电气性能的影响很小，缓蚀剂中含有多种官能团，具有良好的水置换能力、渗透能力和成膜能力，能有效抑制和减缓印制电路板的腐蚀，可以有效延长其使用寿命。
精密与超精密加工
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  医用钛合金动态磁场集群磁流变抛光加工研究

  阎秋生, 赵言, 梁智镔, 陈家学, 潘继生

  表面技术. 2021, 50(9): 322-332, 378. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.034

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  目的 获得超光滑表面且无毒性残留的医用钛合金。方法 采用半固着磨料的新型动态磁场集群磁流变抛光方法加工医用TC4钛合金，研究磨料种类、粒径、抛光时间、加工间隙和抛光盘转速等工艺参数，对医用钛合金表面形貌和表面粗糙度的影响规律，使用扫描电镜对抛光前后的医用钛合金表面进行成分分析。结果 医用TC4钛合金表面形貌受磨料形状和硬度的综合影响，Al2O3磨料相对SiC、SiO2和B4C磨料能获得更高质量的表面。随着Al2O3磨料粒径的增大，表面粗糙度先减小、后增大，5 μm的Al2O3抛光效果最佳。加工间隙从0.8 mm增大到1.2 mm，表面粗糙度先减小、后增大，在1 mm时加工效果最优。抛光盘转速从15 r/min增大到35 r/min，表面粗糙度先减小、后增大，在25 r/min时加工效果最优。当使用粒径为5 μm的Al2O3磨粒，在1 mm的工作间隙和25 r/min的抛光盘转速下抛光4 h时，医用钛合金表面粗糙度Ra从原始的110 nm降低到2.87 nm，表面粗糙度的下降率为97.39%。结论 应用动态磁场集群磁流变抛光方法加工医用钛合金，能够获得无异质成分残留的超光滑表面。
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  超声振动辅助ELID磨削淬硬12Cr2Ni4A合金钢表面特性的研究

  向道辉, 雷小飞, 彭培成, 牛肖肖, 赵波, 高国富

  表面技术. 2021, 50(9): 333-341. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.035

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  目的 提高淬硬12Cr2Ni4A钢的加工质量，消除工件表面残余应力。方法 采用普通磨削(OG)、超声振动辅助磨削(UVAG)以及超声振动辅助ELID磨削(UVAEG)3种磨削方式，分别对淬硬12Cr2Ni4A合金钢进行加工，分析3种加工方式下被加工工件的表面粗糙度以及残余应力。结果 在超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削下，工件表面粗糙度都低于普通加工，而超声振动辅助ELID磨削后的工件表面质量最高，相对普通磨削加工，超声振动辅助ELID磨削后的表面粗糙度降低了66%，相对于超声振动辅助磨削，超声振动辅助ELID磨削后，表面粗糙度降低了约41%。对工件表面进行残余应力测定发现，普通磨削加工后工件表面为残余拉应力，而超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削后的工件表面都产生了残余压应力，超声振动辅助ELID磨削后，工件表面的残余压应力高于超声振动辅助磨削约30%。普通磨削加工中，随磨削深度的增加，残余拉应力一直变大，而超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削的残余压应力总体呈现减小的趋势。在磨削深度达到22.5 μm后，超声振动辅助磨削加工表面的残余压应力转变为残余拉应力。在超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削后，随超声振幅的增大，表面残余压应力增大，超声振动辅助ELID磨削表面的残余压应力随占空比的增大而增大。结论 超声振动辅助ELID磨削加工后，能得到更小的表面粗糙度及更大的表面残余压应力。
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  磁力研磨法去除复杂轮廓蒙皮微孔边缘毛刺

  杨欢, 陈松, 马瑞, 陈燕, 白洁, 王亚军, 郑俊超

  表面技术. 2021, 50(9): 342-351. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.036

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  目的 去除复杂轮廓的钛合金蒙皮壁板微孔边缘毛刺和积瘤。方法 采用磁针磁力研磨法对蒙皮壁板微孔边缘的毛刺和积瘤进行去除。设计了3种不同磁极排布方案的磁极盘，并利用仿真软件模拟了3种不同磁极排布方案的磁场分布，使用排列优化后的磁极盘对蒙皮壁板进行研磨加工，利用3D超景深电子显微镜对加工前后的微孔形貌进行对比观察。结果 根据模拟结果选择了磁极排布的最佳方案。该方案中加工区域的磁场分布更均匀，优化后的磁极排布方式消除了加工区域的磁场盲区，使该处的磁感应强度峰值由300 mT增加到了500 mT，增大了圆周上磁感应强度梯度，有利于加工区域磁针的翻滚。基于该方案对蒙皮壁板进行研磨加工，确定了最佳试验参数:1 kg?1.2 mm×8 mm的磁针，磁极盘转速为1000 r/min，进给速度为8 mm/s。在此参数下，对8张蒙皮壁板加工50 min(每5 min改变一次磁极盘转向)，利用3D超景深显微镜观察蒙皮微孔形貌。研磨后，蒙皮微孔边缘毛刺和积瘤被有效去除，毛刺去除率可以达到95%以上，微孔边缘形貌完整、圆滑，蒙皮表面粗糙度得到改善，由加工前的2.6886 μm降低到1.7002 μm。结论 采用磁力研磨法对复杂轮廓蒙皮微孔进行精密研磨，可以有效去除微孔边缘的毛刺和积瘤，相较于原始手工加工，其加工效率提高了64倍，同时表面粗糙度得到改善，加工后的工件满足实际使用要求。
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  复合磁极磁粒研磨平面机理及试验探究

  朱子俊, 韩冰, 陈燕, 李奎

  表面技术. 2021, 50(9): 352-360. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.037

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  目的 探究磁粒研磨中复合磁极磁回路对工件表面质量及表面粗糙度值的影响，解决传统平面磨粒受磁力较小而远离加工区域，从而使表面质量较低的问题。方法 对提出的磁极复合磁路法进行研磨机理分析，并通过磨粒在加工中的受力分析，进而分析影响因素。使用等效磁路法，对3种磁路所形成加工区域的磁感应强度进行计算，进而采用Ansoft Maxwell软件对3种磁路的磁场梯度模拟仿真进行对比分析，综合分析、评价影响因素的作用，为试验打下理论基础。最后使用表面粗糙度仪及超景深3D显微镜，对采用不同磁回路研磨前后的工件表面粗糙度值及表面质量进行测量与记录。结果 复合磁极磁路中的磁感应强度大于传统研磨加工，具有明显、对称的磁场梯度效果。与传统式研磨相对比，表面粗糙度值从0.10 μm 降至0.06 μm，在表面粗糙度改善率上提升40%，工件表面研磨质量较好。结论 复合磁极式磁粒研磨工艺对工件表面的划痕、凹坑、斑点等达到了良好的去除效果，使工件表面平整并具有镜面效果，较传统研磨明显具有质量好、效率高的优点。
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  SLM增材制造微流道内表面磨粒流抛光工艺与机理

  石岩, 郭志, 刘佳, 马志乾

  表面技术. 2021, 50(9): 361-369, 389. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.038

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  目的 解决SLM增材制造复杂流向微流道粗糙内孔表面精加工难题。方法 采用磨粒流抛光技术对SLM增材制造微流道内表面进行抛光，研究不同抛光压力下，磨粒流对微流道表面质量以及内孔形状精度的影响。利用FLUENT软件对磨粒的流动轨迹进行模拟，探究磨粒对微流道壁面的作用机理。结果 在相同的抛光时间内，抛光压力增大，微流道的表面粗糙度随之减小，且趋向于收敛到一个最小值。直管处粗糙度可达0.23 μm，弯管外侧为0.24 μm，抛光效果明显。微流道内孔的最大内切圆直径与最小外接圆直径也随之增大，且直管处变化趋势相对平稳。在微流道弯管处，当抛光压力小于5 MPa时，最大内切圆直径与最小外接圆直径变化趋势较为平稳;抛光压力大于5 MPa时，最大内切圆直径与最小外接圆直径变化趋势较大，此时微流道内孔形状变形较大。结论 在抛光时间为20 min，抛光压力小于5 MPa时，SLM增材制造微流道不仅具有良好的表面质量，而且微流道的内孔形状不会发生较大变形，形状精度较高，在此工艺条件下，能够符合加工要求。
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  双磨粒抛光单晶Si的分子动力学模拟

  岳海霞, 戴厚富, 胡洋, 周玉琪

  表面技术. 2021, 50(9): 370-378. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.039

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  目的 通过分子动力学(MD)模拟，获得双金刚石磨粒抛光单晶Si的去除机理。方法 采用一种新的单晶硅三体磨粒抛光方法，测试双磨粒的抛光深度和横向/纵向间距对三体磨粒抛光的影响，从而获得相变、表面/亚表面损伤等情况，并获得抛光过程中温度及势能的变化情况。结果 对比抛光深度为1、3 nm时配位数的情况，发现抛光深度为1 nm时，抛光完成时相变的原子数是4319，而抛光深度为3 nm时，相变原子数为12 516。随着磨粒在Si工件表面抛光深度的加深，抛光和磨蚀引起的相变原子和损伤原子的数目增加。仿真结果还表明，单晶Si相变原子的种类和数目随磨粒横向间距的增加而增加，随着纵向间距的增加反而减少。系统的初始温度设为298 K，抛光深度为1 nm时，抛光完成时的温度是456 K，而抛光深度为3 nm时，温度是733 K。抛光完成时，纵向组和横向组的温度仅相差30~40 K。在抛光深度、横向间距和纵向间距3个对照组中，抛光深度对亚表面损伤的影响最大。抛光深度为3 nm时，亚表面的损伤深度最大，从而导致更多的材料从单晶Si工件表面去除。结论 双磨粒的抛光深度和间距不仅对硅的表面微观结构产生影响，还对相变产生影响。模拟参数相同时，较大的抛光深度和横向间距下会产生更多的相变原子，因此相变受抛光深度的影响最大，受纵向间距的影响最小。
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  断续磨削表面烧伤机理与在线监测方法研究

  朱欢欢, 迟玉伦, 闻章, 张梦梦

  表面技术. 2021, 50(9): 379-389. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.09.040

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  目的 研究断续磨削烧伤机理和声发射在线监测方法，避免产品磨削加工烧伤现象。方法 基于平面磨削温度场理论和镜像热源方法，建立一种断续磨削工件边缘的温度场模型，基于该模型可对断续磨削烧伤机理进行研究。为验证上述模型的有效性，通过正交实验设计不同断续磨削工况实验，利用红外热成像仪和声发射信号对断续磨削区温度进行在线监测，使用酸洗法和巴克豪森噪声检测仪对磨削后工件表面进行烧伤检测验证，通过对声发射信号的小波包能量求解，建立其与磨削区温度之间的关系。结果 该模型可有效反映断续磨削时工件边缘处磨削区温度场分布情况。计算结果表明，断续磨削工件断口边缘比其他位置磨削区温度更高，且更容易引起烧伤。实验表明，声发射信号的小波包变换总能量与磨削区呈一定相关性，基于声发射信号可对断续磨削烧伤实施在线监测。结论 实验结果证明了该模型对断续磨削烧伤机理分析的有效性，以及利用声发射信号对断续磨削烧伤在线监测的可行性。最后针对某一转向螺母产品实际断续磨削加工烧伤进行在线监测应用，实践结果表明，该方法比传统酸洗烧伤检测更加高效环保，对实现磨削加工烧伤检测自动化和智能化具有重要意义。