2022年, 第51卷, 第8期　
刊出日期：2022-08-20

  

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专题——智能涂层技术
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  高强度本征型自修复聚氨酯材料研究进展

  王卓超, 孙春强, 姬栋超, 王鹏飞, 杨磊, 曹文鑫, 朱嘉琦

  表面技术. 2022, 51(8): 1-14, 29. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.001

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  聚氨酯(PU)是一类具有高柔韧性和耐久性的弹性体聚合物，由多元醇与异氰酸酯通过加成聚合反应制备而成，广泛应用于工业、电子产品、建筑、运输和医疗等领域。引入自修复性能可为PU的使用寿命提高和可回收性做出巨大贡献。然而自修复要求聚合物分子链具有较高的运动能力，其引入往往会带来材料机械性能的下降，导致高强度自修复PU制备一直面临挑战。汇总了近年来高强度本征型自修复PU材料研究的思路与成就，总结了由多种相互作用力控制的自修复机制在平衡机械性能和可修复性的重要性。梳理了自修复PU的增强方式，首先是最常用的纳米填料增强，主要包括碳纳米管和石墨烯等碳基填料来提高自修复PU的力学性能;其次是利用特殊的分子设计方式，将富含氢键的基团引入侧链或主链中，通过提高氢键的密度使PU表现出优异的机械性能，实现高机械强度与高自愈合效率的共同突破;最后是控制“微相分离”，通过调节PU中的软基体与硬畴的分离程度，平衡材料的机械性能和自修复能力，获得高强度自修复PU。在此基础上，对目前各类增强方式存在的问题进行了对比和分析，并对高强度本征型自修复PU的发展方向和应用前景做出了展望。
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  仿生变色液晶功能材料

  杨言昭, 张璇, 封伟, 王玲

  表面技术. 2022, 51(8): 15-29. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.002

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  手性液晶是一类独特的软光子晶体材料，包括一维的胆甾相液晶和三维的蓝相液晶等，它们都能够选择性地反射自然光。手性液晶的自组装超结构可以在外界刺激下被动态控制，反射颜色可以在整个可见光范围内调节，因此被认为是制备仿生变色光子晶体的理想材料。随着先进液晶材料的不断发展，手性液晶可以被制备成不同的形态，如封装在液晶盒中的液晶、液晶微滴、液晶聚合物薄膜、液晶纤维、液晶聚合物涂层、液晶弹性体等。近年来，科学家们在仿生液晶变色功能材料的研究方面取得了一系列重要进展。主要介绍了近年来刺激响应变色液晶功能材料的发展现状，重点介绍了温度、光、湿度、机械力等多种外界刺激对手性液晶结构色的动态调控。温度响应变色液晶的形式多样，可用于隐身、变色伪装等领域;光响应变色液晶主要通过在手性液晶中掺杂光致异构化分子来实现;湿度响应变色液晶主要基于含氢键的液晶聚合物网络，通过网络的吸水或失水使材料变色;力响应变色液晶主要通过构筑手性的液晶弹性体来实现。最后总结了仿生液晶变色功能材料目前面临的挑战及未来的发展方向。
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  激光诱导向前转移薄膜材料的研究进展

  孙春强, 王卓超, 姬栋超, 曹文鑫, 朱嘉琦

  表面技术. 2022, 51(8): 30-40. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.003

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  激光诱导向前转移技术(LIFT)是一种新兴数字打印技术，利用脉冲激光束透过石英基板辐射供体材料，进而推动部分材料于受体表面沉积成膜。LIFT技术具有打印膜层精度高、非接触式沉积、操作环境限制低和可操作性高等特点。LIFT技术印刷材料跨度大意味着更广泛的激光诱导向前转移技术应用领域，从表面微结构到印刷电极，从化学传感器到航空航天设备。随着各种功能化材料的需求出现，LIFT技术不断创新，目前包括吸收层LIFT技术、气泡驱动LIFT技术、动态释放层LIFT技术和基质辅助脉冲激光蒸发直写技术等。针对固相与液相的薄膜材料，从激光与材料相互作用及转移的机制方面进行了归纳，综述了LIFT技术在制造各种功能器件的研究进展，希望为该技术进一步发展提供新思路，以应对在多尺度多材料应用平台开发相关材料的挑战。
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  红外发射率动态调制智能涂层的研究进展

  曹翠翠, 曹逊

  表面技术. 2022, 51(8): 41-57. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.004

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  随着更多新兴应用的出现，例如变化环境中的动态热伪装、温度自适应辐射制冷以及航天器智能热控等，传统的静态红外发射率工程已经不能满足需求，发射率动态调制成为研究热点。红外发射率动态调制涂层是指在外场(如热、光、电等)刺激下，红外发射率可以发生可逆变化的材料。根据调制方式的不同，系统总结了热调制、电调制、光调制、应变调制、湿度调制等几大类红外发射率动态调制智能涂层的研究进展，概述了其基本原理、相关材料及应用现状。着重探讨分析了热调制涂层中的二氧化钒(VO2)、GeSeTe(GST)，电调制涂层中的三氧化钨(WO3)、钛酸锂(Li4Ti5O12，LTO)、聚苯胺、聚噻吩、石墨烯等几类常用的材料体系，最后对每一类材料的性能特点及其存在的问题进行了对比分析。红外发射率动态调制智能涂层的研究将极大地促进其在隐身伪装及热量控制方面的应用，但其仍处于早期开发阶段，面临诸多机遇和挑战，在未来，红外发射率动态调控涂层将向着柔性化、大面积、多波谱、系统化、更智能的方向发展。
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  基于动态表界面调控的智能光学材料研究进展

  王哲, 刘洋, 祁俊峰, 徐昭, 葛邓腾, 杨丽丽

  表面技术. 2022, 51(8): 58-70. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.005

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  智能光学材料是在外场刺激下可实现色彩、透明度或光的传输方向等光学性质改变的材料，在显示、防伪、传感、隐身等领域具有重要的应用价值。与传统化学变色机制不同，基于动态表界面的智能光学材料，即利用其表面或界面微纳结构的变化对光散射、干涉或衍射的调控来实现光学性质的改变，具有更优异的循环稳定性和环境友好性。首先介绍了自然界中基于动态表界面的变色现象，然后根据调控机制，概括了基于动态表界面的智能光学材料的2种类型(动态表面调控、动态界面调控)。根据表面结构类型，详细介绍了动态表面调控的3种类型(微纳阵列型、表面褶皱型和表面裂纹型);然后介绍了基于动态界面的3种途径(新界面动态形成、界面结构参数调控、表界面复合调控)。在此基础上，归纳总结了表界面微纳结构动态调控的驱动方式，并特别指出几种新型的可控驱动方式。最后，展示了基于动态表界面智能光学材料在显示、防伪、传感器等领域的应用前景。旨在为新型基于动态表界面智能光学材料的设计和工程化应用提供借鉴。
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  红外透明导电金属化合物薄膜的研究进展

  顾志清, 崔灿, 丁泉茗, 于成龙, 朱嘉琦, 胡超权

  表面技术. 2022, 51(8): 71-93, 134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.006

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  红外透明导电薄膜是指同时具有高红外透射率和高电导率的功能薄膜材料，其在电磁屏蔽涂层、红外光电探测器、人体红外治疗、红外发光二极管等领域有重要应用。尽管研究者已经报道了许多关于透明导电膜的综述，但是以往研究者主要关注可见光波段的透明导电，忽视了红外波段透明导电研究的系统总结和评述。本综述主要关注了N型金属氧化物和非氧化物以及P型金属氧化物、硫化物和卤化物。首先依据德鲁德自由电子理论模型分析了金属化合物红外透明性能与导电性能难以兼容的物理起源，然后归纳总结了金属化合物的制备、结构和光电性质，揭示了现有N型金属化合物普遍存在导电性高但红外透射率低的问题，P型金属化合物普遍存在红外透射率高但导电性低的问题。针对这些性能方面的瓶颈问题，讨论了薄膜制备、缺陷控制、能带化学调制以及新材料设计等方面的改性思路和可行性方法。最后展望了金属化合物未来发展方向以及仍需解决的难题，以期为设计和制备高性能的红外透明导电薄膜提供参考。
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  掺铜(Tb0.861Mn0.121)MnO3?δ浓度对柔性磁性薄膜的影响

  李辉, 梅大江, 王松, 李国宝, 王继虎, 马梦洁, 张瑞, 吴远东, 温绍国

  表面技术. 2022, 51(8): 94-99. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.007

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  目的 探究填充不同浓度的无机填料掺铜(Tb0.861Mn0.121)MnO3?δ对柔性磁性薄膜的影响。方法 以Tb4O7、CuO、MnCO3为原料，通过高温固相法最终得到掺铜(Tb0.861Mn0.121)MnO3?δ样品。按照不同的质量分数，将掺铜(Tb0.861Mn0.121)MnO3?δ粉体充分分散于聚乙烯醇溶液中，然后用线棒在已处理的铁板上把含有掺铜(Tb0.861Mn0.121)MnO3?δ粉体的聚乙烯醇溶液制备成磁性薄膜。通过铅笔硬度测试、画圈附着力测试、粗糙度测试、低温物理性能测试、柔性测试，分别评价磁性薄膜的硬度、附着力、粗糙度、磁性、柔性，并通过XRD衍射仪、X射线能谱仪对物相进行分析。结果 添加掺铜(Tb0.861Mn0.121)MnO3?δ粉体使涂层刚性变大，柔性减弱，但涂层的附着力保持不变。对比零添加的树脂薄膜，添加掺铜(Tb0.861Mn0.121)MnO3?δ粉体的薄膜拉伸强度降低。不同质量分数的磁性薄膜顺磁到反铁磁的转变温度相差不大，均在0.1 K左右。结论 掺铜(Tb0.861Mn0.121)MnO3?δ粉体的加入可以保持薄膜的磁性，同时不降低涂层的附着力。当加入较低添加量的粉体时，薄膜具有较好的柔性。
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  氧化铟锡(ITO)薄膜溅射生长及光电性能调控

  雷沛, 束小文, 刘培元, 罗俊杰, 李佳明, 郝常山, 纪建超, 张旋

  表面技术. 2022, 51(8): 100-106. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.008

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  目的 选取影响氧化铟锡(ITO)薄膜生长关键的3种参数，即薄膜生长的氧气流量、薄膜厚度和热处理退火，系统研究其对ITO薄膜光学和电学性能的影响规律。方法 采用直流溅射法，在氩气和氧气混合气氛中溅射陶瓷靶材制备ITO薄膜样品。利用真空热处理技术对所制备的ITO薄膜进行真空退火处理。通过表面轮廓仪测试厚度、X-射线衍射仪(XRD)表征结构、X-射线光电子能谱仪(XPS)分析元素含量、分光光度计测试透过率和四探针测试薄膜方块电阻，分别评价薄膜厚度、光学性能和电学性能，并对比研究热处理对薄膜结构和光电性能的影响规律。结果 电阻率随氧气流量的增加呈现出先缓慢后急剧升高的规律，在氩气和氧气流量比为150∶8时，可得到400 nm厚、电阻率为8.0×10^?4 ?.cm的ITO薄膜。厚度增加可降低薄膜电阻率，氧气流量的增加可明显改善薄膜透光性。通过真空热处理可提高室温沉积ITO薄膜的结晶性能，较大程度地降低电阻率。在真空热处理条件下增大薄膜厚度可降低薄膜电阻率，氧气流量增加不利于ITO薄膜电阻率的降低。在氩气和氧气流量为150∶6条件下制备的ITO薄膜，经500 ℃真空热处理后电阻率可达到最低值(2.7×10^?4 ?.cm)。结论 通过调控氧气流量和厚度来优化ITO薄膜的结构和氧空位含量，低温下利用磁控溅射法可制备光电性能优异的ITO薄膜;真空热处理可提高薄膜结晶性能，通过氧气流量、厚度和热处理温度3种参数调控可获得最低电阻率的晶态ITO薄膜(2.7×10^?4 ?.cm)，满足科技和工程领域的需求。
研究综述
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  非光滑表面减阻研究进展

  秦立果, 龚朝永, 孙红江, 席奂, Fagla Jules Mawignon, 郭飞飞, 董光能

  表面技术. 2022, 51(8): 107-122. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.009

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  基于仿生学研究发展的非光滑表面减阻技术在海洋工程装备和高技术船舶等领域具有广阔的应用而备受学者关注。对非光滑表面减阻的研究方法进行了系统介绍，概述了沟槽、凹坑和自适应3种非光滑表面的相关研究进展:(1)沟槽表面的减阻机理以及沟槽结构的几何参数、形状和排布等对减阻性能的影响;(2)凹坑表面应用于旋成体及平板上的减阻效果和湍流流动中凹坑表面上的流动结构和减阻性能;(3)自适应表面的理论模型，自适应表面的减阻机理，以及壁面运动对流动转捩和湍流结构的影响。最后总结了这3种非光滑表面的减阻效果以及相关减阻机理的研究趋势，并指出非光滑表面减阻在未来研究中需要重点关注的问题。从已有的研究成果和部分应用成果来看，非光滑表面具有巨大的工程价值和广阔的应用潜力。本文旨在更具体、全面地了解非光滑表面减阻，从而为改进当前的减阻节能技术提供必要的理论基础。
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  双相不锈钢应力腐蚀行为及防护技术研究进展

  赵帅, 廖柯熹, 吴超, 刘昕瑜, 冷吉辉, 覃敏

  表面技术. 2022, 51(8): 123-134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.010

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  双相不锈钢含有铁素体+奥氏体两相组织，具有良好的机械和腐蚀性能，尤其以出色的抗应力腐蚀开裂性能而著称。但双相不锈钢在特定的环境和拉应力共同作用下，会出现应力腐蚀开裂现象，由于应力腐蚀开裂通常难以被发现，从而导致灾难性的事故。在此基础上，从材质的成分和金相组织，温度、pH、氯离子和氧气浓度等工况环境，冷变形和残余应力等方面总结了影响双相不锈钢应力腐蚀开裂的因素。结合双相不锈钢的使用环境和应力特点，阐述了双相不锈钢的应力腐蚀开裂机理，包括电化学阳极溶解理论、氢脆机制、膜破裂理论、化学脆化一机械破裂两阶段理论、应力吸附破裂理论。依据应力腐蚀开裂机理，结合影响因素，通过合理添加合金元素开发出新的双相不锈钢、双相不锈钢等离子碳氮共渗或表面涂层、热处理工艺等方法，有效地降低双相不锈钢应力腐蚀开裂的敏感性。最后，从双相不锈钢应力腐蚀开裂机理和防护技术两方面展望了双相不锈钢应力腐蚀开裂未来的研究方向，从本质上减少应力腐蚀开裂事故的发生，保障生产的“安稳长满优”。
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  锂离子电池用石墨负极材料改性研究进展

  卢健, 隋欣梦, 郝胜智, 王慧慧

  表面技术. 2022, 51(8): 135-145. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.011

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  石墨是目前商业化锂离子电池应用最广的负极材料，日益增长的市场需求对石墨负极材料的储锂性能提出了更高的要求。概述了锂离子电池的工作原理和石墨嵌锂机制，针对石墨负极材料理论比容量(372 mA.h/g)较低和电解液兼容性较差等问题，总结了近年来石墨负极材料的改性手段，主要分为表面改性和结构调控等2类，其中表面改性技术包括氧化和卤化处理，特点是通过调控界面化学性质，可增强石墨结构的稳定性，促进稳定SEI膜的形成，但对于石墨储锂容量的提升非常有限;结构调控包括剥层法和缺陷构筑法，特点是通过扩大石墨层间距、降低石墨维度及在石墨结构上构筑缺陷，从而增加锂离子的活性位点，提供更多锂离子扩散通道，缓解循环过程中的体积变化，改善石墨与电解液的相容性，显著提升石墨的储锂性能。最后对石墨负极材料的未来发展趋势进行了展望。
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  生物医用镁合金表面改性涂层研究进展

  张源, 郑瑞宁, 刘芸, 田亚强, 魏英立, 国海瑞, 陈连生

  表面技术. 2022, 51(8): 146-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.012

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  镁合金凭借其优异的生物安全性、良好的载荷传递性及独特的降解性，在医用植入领域表现出巨大的应用潜力和发展前景。然而镁合金在生理环境下的腐蚀溶解速率过快，导致材料力学性能衰减加速进而过早失效。表面改性作为镁合金耐蚀性能提升的重要途径，不仅能通过表层物理屏障的形成来减缓金属材料的溶解速率，还能抑制合金内部腐蚀电偶反应的强烈程度及调控其生物相容性。概述了典型表面改性工艺的技术优势，包括涂层在合金表面的多覆盖度、高膜层厚度、强附着力以及良好生物相容性等。同时归纳了几种表面改性工艺所存在的问题，包括较差的长期耐蚀性、低应力承受能力以及技术安全性等。在此基础上，重点综述了近年来镁合金表面改性涂层的最新研究动态，其中简要介绍了化学转化、微弧氧化、等离子喷涂等几种常见的表面改性涂层形成机制。系统阐述了涂层对镁合金降解过程和生物相容性的影响规律，以及部分元素或粒子对涂层微观结构以及生物性能的作用机理。最后展望了医用镁合金表面改性涂层的发展方向。
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  导尿管抑菌涂层的研究进展

  林承雄, 黄正宇, 王耀程, 张锦, 黄德群, 徐志彪

  表面技术. 2022, 51(8): 156-167. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.013

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  由导尿管引发的尿路感染(CAUTI)是医院常见的感染，在各种院内感染中的占比高达20%~30%，极大地影响了病人的生命健康。目前，基于导尿管表面生物膜生成及无机盐沉积等问题，研究人员提出了多种方法来预防或改善，以实现导尿管的抗菌和抗阻塞性能，如导尿管表面涂层构建、改进导尿管的结构设计、缩短临床使用时间等。综述了近年来导尿管表面抗菌涂层的研究进展，主要从物理改性和化学改性等方面展开。物理改性方法一般通过将聚乙二醇、聚两性离子、抑菌酶等沉积在导管表面，或在导管表面进行仿生微纳结构修饰等，以达到润滑和降低细菌黏附的效果。化学改性方法主要通过将可直接作用于细菌的药物或者因子(包括分子泵抑制剂、抗生素、一氧化氮、抗菌肽等)附着在导尿管表面，以达到抑菌、延长导管堵塞时间等目的。在此基础上，通过对当前导尿管研究趋势的总结及思考，对未来导尿管的功能、抑菌机制及验证等方面进行展望，以期为导尿管抑菌材料的选择和设计提供一定的指导。
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  基于弥散强化钨基面向等离子体材料研究进展

  刘豪, 龙海川, 郑鹏飞, 邱长军, 陈勇

  表面技术. 2022, 51(8): 168-178, 213. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.014

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  重点综述了国内外关于氧化物或碳化物作为强化相的钨基面向等离子体材料的力学性能、氢滞留特性以及辐照损伤，发现制备工艺和强化相含量是影响钨基面向等离子体材料力学性能的主要方面，而均匀分散的强化相颗粒所致使的组织致密化程度更高是钨基材料力学性能提高的主要因素。其次，阐述了晶界和晶内的强化相颗粒分散不均表现出的位移损伤、气泡、绒毛、微裂纹等缺陷都将增加材料对氢同位素的捕获几率，以及等离子体辐照造成的脆化硬化将降低材料的抗热冲击性能。最后分析了近些年弥散强化钨基面向等离子体材料存在的关键基础问题，展望了未来弥散强化钨基材料的主要发展趋势，期望为开发优异的抗高热负荷和辐照损伤的钨基材料方面提供重要参考。
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  超声滚压表面强化技术的研究现状与应用

  孟成, 赵运才, 张新宇, 王鑫, 何扬, 张峻

  表面技术. 2022, 51(8): 179-202. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.015

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  超声滚压表面强化技术是一种新型的材料表层后处理工艺，利用预置初始静压力和动态超声冲击力耦合的方式对材料表层进行往复加工，从而达到“削峰填谷”的光整效果，获得更深的表面纳米硬化层和有益的残余应力。首先介绍了超声滚压技术的加工原理和特点，然后从试验影响参数、数值模拟、性能应用、复合加工工艺等几个方面总结了超声滚压技术的研究进展，其中工艺参数(静压力、超声振幅、主轴转速、进给速度、进给量、滚压次数和覆盖率)的择优对材料组织与性能之间的调控效果具有明显改善作用，通过对试验研究中的工艺进行数值模拟，选取优化的工艺参数可以获得较好的材料表面完整性。重点综述了超声滚压处理对金属材料在耐磨性和耐疲劳性能等方面的改善效果，以及其他工艺辅助超声滚压技术对材料性能提升的协同调控作用，通过对超声滚压工艺参数的合理选择，能够实现材料表面纳米结构的形成、有益残余应力的转化和表面显微硬度的提升等方面的协同效果，从而改善材料的微观组织形貌、耐磨性、耐冲蚀性和耐腐蚀性等。最后总结了现有超声滚压表面强化技术存在的不足，并对今后的研究方向进行了展望，即进一步结合工程产品需求和应用领域进行技术创新，进而推动超声滚压表面强化技术的持续发展。
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  超声滚压轴承套圈表面强化的研究综述

  巩立超, 潘永智, 刘彦杰, 董安峰, 杜连明, 付秀丽

  表面技术. 2022, 51(8): 203-213. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.016

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  首先介绍了超声滚压的强化机理，通过位错的湮灭与产生将晶粒细化至纳米级，晶粒细化导致位错塞积、缠结，使晶间滑移阻力变大，增加材料变形抗力。进而综述了超声滚压工艺参数、表面完整性(表面形貌、残余应力及显微结构)对轴承套圈耐磨损性能与抗疲劳性能的影响规律。最后，针对单一超声强化的不足，指出了超声滚压复合强化技术的发展方向。声电耦合可增加表层材料塑性流动，愈合微裂纹;超声滚压细晶作用可增加晶界数量，为离子提供了扩散通道，增加了离子注入浓度与深度;超声振动引起的空化效应和力学效应使熔覆层元素更均匀，降低熔覆层孔隙率，复合强化对超声滚压强化效果有明显的提升作用，可进一步增强轴承套圈强化效果。
摩擦磨损与润滑
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  磁过滤沉积TiAlSiN纳米薄膜的摩擦磨损与腐蚀磨损行为

  蒋琴, 孙丽, 张旭

  表面技术. 2022, 51(8): 214-224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.017

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  目的 研究磁过滤沉积方法制备的TiAlSiN纳米薄膜的结构及力学性能对摩擦学性能及腐蚀磨损行为的影响。方法 采用磁过滤阴极真空弧沉积技术，在6×10^–2~15×10^–2 Pa的N2气压条件下，将316L不锈钢作为基底，制备出TiAlSiN薄膜。利用SEM、XRD、XPS对薄膜的结构成分形貌进行表征分析，使用摩擦磨损仪分析测试薄膜的摩擦磨损行为，并且使用电化学工作站分析测试薄膜在3.5%(质量分数)人工海水环境下的摩擦磨损及开路电位变化曲线，通过台阶仪测得磨损后磨痕轮廓曲线，并计算磨损率。结果 TiAlSiN薄膜具有典型的非晶包覆纳米晶的复合结构，薄膜表面细致光滑，截面无明显柱状晶结构。随着气压的增大，薄膜晶粒尺寸从26 nm降至12 nm。在0.08 Pa气压下制备的TiAlSiN薄膜的力学性能最佳，纳米硬度为22 GPa，基膜结合力达到28 N，干摩擦系数为0.412，磨损率为0.5×10^–6 mm³/(N.m)。在3.5%人工海水介质中，TiAlSiN薄膜的摩擦系数为0.36，磨损率为2.5×10^–6 mm³/(N.m)，腐蚀和磨损的交互作用使磨损率增大。结论 磁过滤阴极真空弧沉积技术制备的TiAlSiN纳米薄膜表现出良好的力学性能，兼具耐摩擦和耐磨蚀性能，具有宽广的应用前景。
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  压裂泵泵阀冲蚀磨损的数值模拟

  胡锦程, 李蓉, 李登, 胡毅, 刘铮, 王晓川

  表面技术. 2022, 51(8): 225-232. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.018

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  目的 研究压裂泵作业过程中泵阀阀隙流场的冲蚀磨损特性，探究其主要影响因素与影响规律。方法 基于固液两相流基本理论与冲蚀模型，采用计算流体力学(CFD)方法模拟泵阀阀隙流场的冲蚀磨损行为，探究支撑剂粒径、质量流量、泵阀半锥角、阀座孔入口半径、阀盘升程等参数对泵阀冲蚀特性的影响。结果 泵阀的冲蚀磨损主要表现为支撑剂对阀盘边缘处的直接冲击与对阀座锥面处的切削作用。支撑剂粒径由0.062 5 mm增大到0.375 mm时，最大冲蚀速率增大了4.80倍，继续增大到1.5 mm时，最大冲蚀速率减小了76.12％;当其质量流量由5 g/s增大到25 g/s时，最大冲蚀速率增大了3.84倍。当泵阀半锥角由30°增大到50°，阀盘升程由5 mm增大到15 mm时，最大冲蚀速率分别减小了95.55％与92.57％;随着阀座孔入口半径由30 mm增大到50 mm，最大冲蚀速率增大了10.47倍。同时，阀盘升程的增大还会显著影响冲蚀磨损区域的分布。结论 压裂泵泵阀的最大冲蚀速率随支撑剂粒径的增大先增大后减小，随阀座半锥角与阀盘升程的增大而减小，随支撑剂质量流量与阀座孔入口半径的增大而增大。其中，泵阀结构参数对泵阀冲蚀磨损的影响更为显著。
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  WS2和h-BN纳米添加剂对半流体锂基润滑脂极压抗磨性能影响研究

  关强, 张绪伟, 何娇, 李征, 魏云玲, 任付娥, 龚楠, 丁昊昊, 王文健

  表面技术. 2022, 51(8): 233-242. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.019

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  目的 探究片层状的二硫化钨(WS2)和六方氮化硼(h-BN)纳米添加剂对00#锂基润滑脂极压性能和抗磨性能的影响，对比2种纳米材料润滑性能的差异。方法 分别配制出含WS2和h-BN纳米添加剂的00#半流体锂基润滑脂，对润滑脂的滴点以及锥入度理化指标进行了测定，然后使用MRS10A四球磨损试验机对润滑脂的极压抗磨性能进行考察。通过扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜(OM)观察磨斑磨损的形貌特征，并使用光电子能谱仪(XPS)对磨斑表面的元素进行检测与分析，探讨WS2和h-BN纳米添加剂的作用机理。结果 与基础脂相比，含WS2纳米添加剂的润滑脂在质量分数为0.5%时摩擦因数最大可降低12.7%，磨斑直径可降低10.5%;含h-BN纳米添加剂的润滑脂在质量分数为0.25%时摩擦因数降低了4.2%，在质量分数为0.5%时磨斑直径最大降低22.1%;2种纳米添加剂的加入均使润滑脂的最大无卡咬负荷提高了40.0%。通过SEM和OM观察的形貌及轮廓特征可以看出，WS2与h-BN纳米添加剂可以有效地改善磨斑表面质量，降低磨斑表面粗糙度，对磨损表面起到一定的修复作用。XPS元素结果分析显示，WS2纳米添加剂在摩擦表面会发生摩擦化学反应生成Fe2O3、FeO和FeS2等反应薄膜，而在h-BN磨斑表面则主要会反应生成B2O3、Fe2O3、FeO等反应膜。摩擦反应膜的生成可以起到提高润滑脂极压抗磨性能的作用，而粒子片层间发生滑移时剪切作用力相对较低则是纳米添加剂可以起到降低摩擦因数的主要原因。以WS2和h-BN纳米添加剂复配的铁路机车牵引齿轮脂按Q/CR762—2020《铁路机车牵引齿轮脂》技术指标进行理化性能检测，测定结果完全满足该标准。结论 WS2和h-BN都具有明显改善润滑脂润滑性能的作用，WS2对降低摩擦因数的作用好于h-BN，但h-BN可以更好地降低磨损量，两者都可以有效提高润滑脂的极压性能。
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  Cr12MoV模具钢渗氮层服役过程中不同磨损阶段的摩擦学特性

  何晓荣, 黎秋萍, 刘少鹏, 沈明学

  表面技术. 2022, 51(8): 243-251, 271. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.020

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  目的 分析经渗氮处理后Cr12MoV模具钢的显微结构，以及不同取样厚度处渗氮层的摩擦学特性，了解渗氮处理对Cr12MoV模具钢耐磨性的影响，为服役过程中不同磨损阶段渗氮层的磨损行为提供理论依据。方法 采用气体渗氮法对Cr12MoV模具钢进行恒温渗氮处理，研究渗氮处理对Cr12MoV模具钢显微结构的影响，以及不同取样厚度处渗氮层的磨损行为，并分析不同取样厚度处渗氮层的磨损机理。结果 经渗氮处理后Cr12MoV模具钢的表面会形成一层厚度约为120 μm的致密渗氮层，材料的表面硬度从3.65 GPa提高至12 GPa，磨痕深度从3.5 μm降至0.35 μm。随着取样厚度的增加，试样的磨损量会逐渐增加，但均远低于未渗氮试样，其中渗氮层的最大磨损量约为120 μm³，为基体材料磨损量的1/10;渗氮影响层的最大磨损量约为330 μm³，为基体材料的1/3，可见采用气体渗氮处理可显著增强Cr12MoV模具钢的耐磨性。此外，在磨损过程中Cr12MoV模具钢的表面磨损较严重，出现了大块撕裂损伤，主导磨损机理为疲劳磨损;经渗氮处理后试样表面的损伤较轻微，主导磨损机制为磨粒磨损。随着取样厚度的增加，试样表面的磨损现象逐渐加剧，磨损机制由磨粒磨损逐渐转变为疲劳磨损。结论 渗氮处理可以在Cr12MoV模具钢的表面生成一层致密的渗氮层，渗氮层的磨损量会随着取样厚度的增加先减少后持续增加，说明在服役过程中渗氮层的耐磨性呈先增强后减弱的趋势。
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  磁流体极性对钛合金表面织构的摩擦学性能研究

  莫君, 王优强, 左名玉, 胡宇, 房玉鑫

  表面技术. 2022, 51(8): 252-261. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.021

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  目的 研究磁流体的极性对钛合金光滑表面和织构表面摩擦学性能的影响。方法 以水基磁流体、煤油基磁流体、去离子水和煤油为润滑剂，在UMT?3摩擦磨损试验机上分别进行钛合金光滑表面和织构表面的摩擦磨损实验，得到极性不同的磁性颗粒对不同表面的摩擦因数、磨损量和磨损形貌的影响规律。结果 在光滑钛合金表面，极性磁性颗粒使得摩擦因数下降了8.42%，磨痕宽度下降了8.47%，磨损方式由严重的磨粒磨损和黏着磨损转变为轻微的磨粒磨损。非极性磁性颗粒使得摩擦因数上升了33.94%，磨痕宽度上升了42.20%，磨损方式由轻微的黏着磨损转变为严重的磨粒磨损。在织构表面，极性磁性颗粒的减摩作用进一步增强，而非极性磁性颗粒并没有明显的减摩作用。结论 采用不同极性磁流体润滑时，极性磁性颗粒更容易吸附在钛合金表面，从而增加油膜的厚度和刚度，减小其摩擦因数。
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  氮氩流量比对磁控溅射CrAgCeN涂层摩擦学性能的影响

  畅为航, 蔡海潮, 薛玉君, 雷贤卿, 李航

  表面技术. 2022, 51(8): 262-271. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.022

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  目的 研究不同氮氩流量比对磁控溅射制备CrAgCeN涂层微观组织结构和摩擦学性能的影响。方法 采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪对涂层表面形貌、成分和微观组织进行分析。采用纳米压痕仪、球盘式摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪，测试涂层的力学性能和摩擦学性能。结果 在给定的氮氩流量比下，CrAgCeN涂层主要有CrN、Cr2N、Ag、AgN3和Ce相构成，引入Ce、Ag可改变组织结构，随着氮氩流量比的增加，CrAgCeN涂层表面形貌由三角锥状转变为球状，在氮氩流量比为1.5时，涂层组织更加致密。涂层硬度和弹性模量随着氮氩流量比的增加呈现先升高后降低的趋势，在氮氩流量比为1.5时，硬度(H)和弹性模量(E)最大，分别为14.1 GPa和213.8 GPa;H/E值最高，为0.066，反映涂层具有较好的抗塑性变形能力。随着氮氩流量比的增加，摩擦因数和磨损率先减小后增大，在氮氩流量比为1.5时，涂层的摩擦因数和磨损率最小，分别为0.381和1.1×10^?6 mm³/(N.m)，相比于氮氩流量比为0.6、1、3时，对磨球磨损表面能谱表明Ce、Ag含量最高，减摩耐磨效应最优，对磨球磨损表面最平整。结论 通过调整氮氩流量比可以获得摩擦磨损性能良好的CrAgCeN涂层。
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  医用真空高速轴承磨损失效分析

  万善宏, 陈佳林, 于兴智, 易戈文, 王军阳, 王显静, 张学军

  表面技术. 2022, 51(8): 272-283. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.023

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  目的 从宏观和微观角度分析医用旋转阳极X射线管轴承部件磨损失效机制，从真空润滑角度进一步讨论医用X射线管旋转阳极真空轴承润滑剂。方法 采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及其能谱(EDS)，对使用后医用轴承组件金相组织、磨损形貌、磨损表面化学组成及其润滑介质进行表征。结果 2种轴承材料主要是SKH4或M50高速钢，相应润滑剂材料分别为MoS2和Pb-Cu合金。相对于Pb-Cu合金润滑剂，MoS2固体润滑膜容易产生磨屑和起尘。旋转阳极冷端轴承内外滚道磨损主要为磨粒磨损，滚动体磨损主要为磨粒磨损及疲劳失效。轴承部件表面局部可观察到电烧蚀和点蚀等现象。结论 医用旋转阳极X射线管轴承部件失效模式为典型磨损失效。
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  不同h-BN含量Ni-P-WS2-BN化学镀层的组织结构及磨损性能

  杨芳儿, 蔡晨镔, 黄寅迪, 郑晓华

  表面技术. 2022, 51(8): 284-290. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.024

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  目的 通过化学镀共沉积技术在Ni-P-WS2镀层中引入六方氮化硼(h-BN)纳米粉末，以进一步提升其硬度和耐磨性，改善其摩擦学性能。方法 将六方氮化硼(h-BN)纳米粉末与二硫化钨(WS2)纳米粉末共沉积制备Ni-P-WS2-BN复合镀层，并对其进行400 ℃×1 h的惰性气氛热处理。采用扫描电镜、X射线衍射仪、摩擦磨损试验机等对镀层的化学成分、组织结构及摩擦学性能进行表征，考察h-BN用量及热处理对复合镀层的影响。结果 随着镀液中h-BN用量的增加，镀层中h-BN含量持续上升，镀层的表面粗糙程度先升高、后降低，胞块结构有致密化倾向，硬度由321HV0.1上升至522HV0.1，磨损率从1.82×10^–13 m³/(N.m)降至0.95×10^–13 m³/(N.m)，平均摩擦因数介于1.61~2.00，且呈先降后升的趋势(h-BN用量为3.0 g/L时达到最小值)。经热处理后，镀层硬度可达457~822HV0.1，磨损率从1.24×10^–13 m³/(N.m)降至0.31×10^–13 m³/(N.m)，平均摩擦因数降至0.93~1.29。复合镀层的磨损以磨粒磨损机制为主。结论 h-BN粉末的共沉积和400 ℃退火处理可显著提高复合镀层的硬度和耐磨性，大幅度降低摩擦因数和磨损率，改善复合镀层的综合性能。
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  表面微织构椭圆轴承的热效应分析

  王丽丽, 何梦雪, 张伟, 葛雪, 段敬东

  表面技术. 2022, 51(8): 291-297. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.025

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  目的 提高摩擦副润滑性能，从而研究表面微织构不同参数对椭圆轴承热效应的影响，同时采用试验方法进一步说明微织构的减摩作用机理。方法 建立表面微织构椭圆轴承仿真模型、编写UDF程序定义黏度，同时采用面–面接触形式的摩擦磨损试验，从理论和试验两个方面研究不同微沟槽宽度和微沟槽轴向分布率的椭圆轴承的热效应变化规律。结果 表面微织构能够有效改善摩擦副表面的摩擦学性能，沟槽状微织构椭圆轴承较光滑椭圆轴承温度均有所降低，主要承载区出现轴向呈条状的低温区域，出现位置大致与沟槽分布位置一致。随着微沟槽轴向分布率的增大，微沟槽降温效果增强，轴承承载力先升高后降低，摩擦力先降低后升高，端泄量先减小后增大，沟槽轴向分布率取0.6较为合适。随着微沟槽宽度的增大，轴承承载力呈先升高后降低的变化趋势，摩擦力呈先降低后升高的变化趋势，当宽度在0.6~0.8 mm时，椭圆轴承有较优的润滑性能。结论 理论分析和试验研究均表明，表面微织构椭圆轴承的摩擦力随着微沟槽宽度的增大先降低后升高，合适的微织构参数才能最大程度地发挥其减摩作用，从而实现提升轴承润滑性能，降低轴承温升的目的。
腐蚀与防护
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  含酸性溶解气的气液两相流管道流致腐蚀模拟

  陈一鸣, 董美, 王博, 刘宏达, 汪星彤

  表面技术. 2022, 51(8): 298-306. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.026

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  目的 研究天然气输送管道中的酸性溶解气(CO2)与水相冲刷作用共同影响下形成的流致腐蚀(FAC)现象。方法 基于计算流体力学理论，确定了不同条件下影响流致腐蚀的气液体积分数和壁面剪应力分布情况。结果 对于上倾管道，水相主要积聚在管道底部，并且水相的积聚厚度与流速呈反比、与含水率呈正比。当流速小于3 m/s、含水率大于30%时，水相会发生回流现象，即弯管前、后直管段的液体会向弯管处积聚，从而使弯管处积聚水相的厚度大幅度增加。对于下倾管道，水相积聚的位置及与流速和含水率的关系与上倾管道相同，区别在于下倾管道并未出现回流现象。相同条件下，上倾管道的壁面剪切力始终大于下倾管道。当含水率与弯曲角度恒定时，上倾管道的最大剪切力出现在弯管底部，但随着流速的增加，最大壁面剪切力逐渐向弯管后直管段迁移，而下倾管道的最大壁面剪切力出现在弯管的顶部且不随流速的增加而发生变化。当流速和弯曲角度恒定时，上倾管道与下倾管道的最大壁面剪切力规律与含水率恒定的规律相同。当流速与含水率恒定时，弯曲角度对上倾管道壁面剪切力的影响较大，对下倾管道的影响较小;对于上倾管道，随着弯曲角度的增大，最大壁面剪切力的集中位置由弯管底部逐渐向弯管后直管段延伸且遍布管道周身;对于下倾管道，最大壁面剪切力主要集中在弯管及弯管后直管段的顶部，并且随着弯曲角度的增加，数值有所增大而位置不变。结论 通过分析积聚水相分布和壁面剪切力集中位置可知，上倾管道两者作用区域近似重合，即会受到严重的流致腐蚀影响;下倾管道两者作用区域并不重合，管道的上部主要受局部冲刷腐蚀的影响，下部主要受局部电化学腐蚀的影响，即下倾管道不会受到流致腐蚀的影响。
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  螺旋流和缓蚀剂协同作用抑制管道冲刷腐蚀

  周昊, 吉庆丰, 马鸿雁, 刘雯, 雷云, 杨足膺, 朱科钤

  表面技术. 2022, 51(8): 307-318, 374. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.027

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  目的 探讨螺旋流和缓蚀剂协同作用下的减蚀机理，为开发基于螺旋流的新型冲刷腐蚀控制方法提供理论支撑。方法 利用循环式管流冲刷腐蚀试验装置，结合失重测试法、电化学测试法、形貌分析、高速摄像和XPS腐蚀产物分析开展非螺旋流和螺旋流条件下加入水溶性咪唑啉缓蚀剂的管道冲刷腐蚀对比试验研究。结果 失重法和电化学测量结果一致表明:在非螺旋流和螺旋流条件下缓蚀剂对20号钢冲刷腐蚀的纯冲刷速率、纯腐蚀速率、腐蚀促进冲刷速率和冲刷促进腐蚀速率均具有有效的抑制作用，但对纯冲刷的缓蚀率均小于对其他三者的缓蚀率。螺旋流和缓蚀剂协同作用对纯冲刷速率、纯腐蚀速率、腐蚀促进冲刷速率和冲刷促进腐蚀速率4个分量的协同缓蚀率均高于缓蚀剂单独作用对4个分量的缓蚀率。其中对冲刷促进腐蚀分量的缓蚀率最高，达到93.75%。高速摄像结果表明扭带产生的螺旋流使砂粒切向速度增大，产生砂粒悬浮效应，改善了砂粒的分布状态。从形貌观察来看，螺旋流和缓蚀剂协同作用下工作电极表面腐蚀产物层最为完整致密且蚀坑数量最少。XPS分析证明了螺旋流和非螺旋流条件下缓蚀剂在电极表面的吸附且螺旋流促进了氧气和缓蚀剂的传质。结论 螺旋流产生的砂粒悬浮效应和传质增强效应进一步促进缓蚀剂对纯冲刷速率、纯腐蚀速率、腐蚀促进冲刷速率和冲刷促进腐蚀速率4个分量的抑制，更充分地发挥了缓蚀剂的缓蚀效果。螺旋流与缓蚀剂的协同作用在降低管道冲刷腐蚀方面具有潜在的优势。
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  基于等效形状的不规则缺陷管道失效压力评估方法

  孙明明, 赵海盛, 方宏远, 李昕

  表面技术. 2022, 51(8): 319-329. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.028

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  目的 提高不规则缺陷管道失效压力评估效率和预测结果的准确度。方法 采用实体有限元模型对不规则形状缺陷管道的失效压力进行了实例研究。有限元模型由1个浅腐蚀缺陷和1个深腐蚀缺陷组成，其中深腐蚀缺陷包含在浅腐蚀缺陷内。分析了深腐蚀缺陷的长度和深度对不规则形状缺陷管道失效压力的影响。根据缺陷深度剖面的不规则性，将缺陷分为3类，第1类缺陷的不规则度为1≤d/dave＜1.2，该类型缺陷的轴向投影形状可以等效为矩形;第2类缺陷的不规则度为1.2≤d/dave≤1.5，该类型缺陷的轴向投影的等效形状介于矩形和抛物线之间;第3类缺陷的不规则度为1.5＜d/dave，该类型缺陷的轴向投影形状可以等效为抛物线。结果 基于等效形状的有效深度和评估长度，通过改进DNV-RP-F101准则提出了一种预测不规则形状缺陷管道失效压力的新方法。该方法首先通过缺陷长度确定评估长度，然后结合不规则度和有效深度取值模型，得到该缺陷有效深度数值，最后将评估长度和有效深度引入DNV-RP-F101准则进行失效压力评估。结论 采用新的评价方法对不规则形状缺陷管道的失效压力进行了预测，结果与不同等级管道的试验结果吻合较好。文中方法的平均误差仅为1.69%，相比现有评价方法中误差最小的有效面积法，误差降低了86.37%。
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  动态直流干扰和SRB共同作用下X80钢的腐蚀行为

  张辉, 高博文, 闫茂成, 李东博, 许亚男

  表面技术. 2022, 51(8): 330-341. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.029

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  目的 探究电气化铁路动态直流干扰和硫酸盐还原菌(SRB)及其协同作用对X80钢腐蚀行为的影响。方法 通过构建动态杂散电流室内模拟试验装置，对浸泡在灭菌和接菌(SRB)NS4溶液中的X80钢施加周期性阴极保护和方形脉冲动态杂散电流干扰。采用MPN计数法和活/死细胞染色方法分析了X80钢表面SRB的数量和活性，通过SEM、EDS、XPS和CLSM等表面分析技术，结合失重测试对灭菌和接菌环境下X80钢的腐蚀产物、腐蚀速率及腐蚀后形貌进行了表征。结果 动态直流干扰对溶液中SRB的生长未产生明显影响，但对SRB及生物膜在试样表面的附着产生较大影响。阴极保护会抑制SRB在X80钢表面的附着，通过抑制SRB的呼吸作用降低金属表面SRB活性，从而降低X80钢的微生物腐蚀。阳极干扰电流促进SRB在X80钢表面的附着，金属表面生物膜内的SRB活性增强。X80钢在灭菌环境下–400、0、500 mV试样的腐蚀速率分别为0.086 35、0.219 2、0.458 3 mm/a，分别为自然腐蚀速率的0.97、2.46、5.15倍。接菌环境下X80钢的腐蚀速率反而下降，但X80钢表面的最大点蚀坑深度明显增大。结论 在动态直流干扰下，X80钢的腐蚀速率大幅增加，单次短时直流干扰的累积对X80钢产生了十分严重的破坏。同时动态直流干扰通过促进X80钢表面SRB的活性，从而加速其微生物腐蚀，SRB生物膜在一定程度上减缓了X80钢的动态直流干扰腐蚀，但其与动态直流干扰共同作用加剧了X80钢表面的点蚀。
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  污水环境中生物膜与混凝土防护涂层的交互作用

  孔丽娟, 梁增蕴, 方珺, 魏薇, 张世武, 李元元

  表面技术. 2022, 51(8): 342-352. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.030

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  目的 了解污水环境中生物膜在涂层表面的生长规律及其对混凝土腐蚀的作用机制。方法 分别选用无机惰性涂层(IIC)、无机杀菌涂层(IBC)和有机涂层(OC)应用于混凝土表面，并基于生物膜生长曲线的测定，建立其生长模型，同时采用激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)观察涂层表面生物膜内微生物群落结构，最后通过测定有无生物膜试样的质量变化和表面粗糙度，探究污水中生物膜对涂层混凝土的影响。结果 无涂层混凝土试件(UCS)上形成的生物膜量最多，其次是IIC、IBC和OC。除杀菌涂层IBC外，生物膜生长基本遵循表面粗糙度原则，即试样表面越粗糙，附着生物膜越多。与混凝土相比，涂层表面生物膜的附着阶段更长，而生长阶段则较短。污水腐蚀90 d后，试件UCS表面的生物膜作用系数最高，为0.67，其次是IIC，为0.51，而试样IBC和OC的生物膜作用系数仅为0.22和0.25。结论 试样表面形成的厚而密的生物膜可作为物理屏障，降低污水的渗透性，不过涂层的杀菌性和光滑表面导致形成的生物膜薄而多孔，从而降低了生物膜的保护作用。
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  温度对N80钢在饱和CO2模拟地层水下腐蚀行为的影响及机理

  刘婉颖, 李金宇, 高科超, 张智, 尚锁贵, 高强勇, 马金鑫

  表面技术. 2022, 51(8): 353-362. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.031

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  目的 研究N80钢在饱和CO2模拟油田地层水中于不同温度下的腐蚀行为及腐蚀特征，探究N80钢在饱和CO2模拟油田地层水中的腐蚀规律及机理。方法 利用高温高压釜对N80钢在不同温度(60、90、120 ℃)的饱和CO2模拟油田地层水中浸泡96 h的失重腐蚀进行测试，并用电化学分析仪对其进行相同条件下的宏观电化学测试。采用XRD、SEM、EDS对N80钢腐蚀后的腐蚀产物物相结构、表面形貌、元素组成及腐蚀产物去除后基体表面的腐蚀形貌进行分析。结果 N80钢在饱和CO2模拟油田地层水中所形成的腐蚀产物主要由FeCO3和溶液介质中的结晶盐CaCO3组成。温度影响腐蚀产物膜的形貌特征、晶粒尺寸及其致密度变化，导致基体发生不同程度的腐蚀。60 ℃时，表面生成的腐蚀产物膜均匀覆盖于基体表面，产物膜膜层平整、致密，去除腐蚀产物后，表面有少量点蚀坑;温度升至90 ℃时，基体表面覆盖的腐蚀产物凹凸不平，晶粒粗大，排列较乱，规则性差于60 ℃下的腐蚀产物，腐蚀产物去除后，发现基体表面有大片蚀坑群，发生连片腐蚀;120 ℃时，腐蚀产物晶粒减少，覆盖不均，具有明显蚀孔和裂纹，部分腐蚀产物脱落，去除腐蚀产物后的基体表面出现大面积蚀坑，发生严重腐蚀。N80钢的腐蚀速率由60 ℃时的0.021 0 g/(m².h)增至90 ℃时的0.036 0 g/(m².h)，至120 ℃时的0.044 4 g/(m².h)。N80钢的自腐蚀电流密度由60 ℃时的1.362 3× 10^?6 A/cm²增至90 ℃时的1.427 3×10^?6 A/cm²，至120 ℃时的1.785 1×10^?6 A/cm²，但其自腐蚀电位则随温度的增加而减小。结论 随腐蚀温度增加，N80钢表面所生成的腐蚀产物膜变得较疏松，且膜层含较多微孔与裂纹，腐蚀速率持续增加，N80钢腐蚀加重。
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  耐高温氧化Fe-Cr-Ni中熵合金氧化层的微结构与力学性能分布

  杜晓洁, 丁骁, 马新元, 张威, 贾玺泉, 范光伟, 何宜柱

  表面技术. 2022, 51(8): 363-374. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.032

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  目的 开发有优异抗高温氧化性的低成本Fe-Cr-Ni中熵合金，研究其高温氧化层微结构与力学性能分布。方法 通过连续氧化增重试验研究了Fe-Cr-Ni中熵合金在1 150~1 240 ℃空气中的氧化动力学，结合SEM、EDS、XRD、XPS等分析技术与微米划痕试验，对经1 150 ℃氧化4 h后的氧化层形貌、成分、相分布与微米力学性能分布进行了分析。结果 Fe-Cr-Ni中熵合金在空气中高温氧化增重遵循抛物线规律，氧化激活能为417.64 kJ/mol，抗氧化性优异;经1 150 ℃氧化4 h后，Fe-Cr-Ni中熵合金氧化层形成双层结构，外层主要由致密的Mn(Fe/Cr)2O4尖晶石氧化物、Fe2O3和少量MnO2组成，内层由致密且连续的Cr2O3组成，在基体与氧化层界面弥散分布着SiO2内氧化物颗粒。氧化层的力学分布特征体现了其分层结构，外层与内层的结合力约为10 N，氧化内层与基体的结合性好，结合力约为24 N。随着划痕深度的增加，压头从氧化层表面划动至基体，塑性变形比例逐层降低，断裂韧性则随着划痕深度的增加逐层增大。结论 开发的低成本Fe-Cr-Ni中熵合金具有优异的耐高温氧化性能，经高温氧化后在表面形成致密的氧化层有效阻碍了O^2?的向内扩散和合金元素的向外扩散，同时SiO2内氧化物颗粒增加了氧化层与基体的结合力，这是Fe-Cr-Ni中熵合金具有优异抗氧化性的重要原因。
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  镁合金表面二维MoS2薄膜的制备及其耐蚀性能研究

  李俊松, 何京生, 李春晓, 刘琪

  表面技术. 2022, 51(8): 375-380, 459. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.033

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  目的 提高镁合金的耐蚀性能。方法 借助曲拉通X-100(电泳级)将MoS2粉末充分分散到去离子水中作为电泳溶液，采用电泳沉积法在镁合金表面制备二维MoS2薄膜，试验主要探究不同电泳沉积时间对薄膜耐蚀性能的影响。通过动态电位极化曲线测试和亲疏水性能测试，分别评价二维MoS2薄膜的耐蚀性能和润湿性，并通过扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射仪(XRD)对二维MoS2薄膜的微观形貌和物相结构进行表征，分别分析电泳沉积时间为30、60、90、120 s时薄膜的微观形貌及其对镁合金的防护作用。结果 当电泳沉积时间为60 s时，MoS2薄膜最为完整且致密，随着沉积时间的增加，薄膜厚度增加，但出现明显裂纹。当电泳沉积时间为60 s时，样品的腐蚀电位最正，为–0.99 V;腐蚀电流密度最小，为9.78×10^–6 A.cm^–2。相对于镁合金基体，电泳沉积后样品的腐蚀电位正移了0.46 V，腐蚀电流密度减小了93%。电泳后金属的静态接触角增大，最高达到86.34°。结论 在镁合金表面制备二维MoS2薄膜可有效提高镁合金耐蚀性能，且电泳沉积时间为60 s时薄膜腐蚀电位最正、腐蚀电流密度最小，此时耐蚀性能最佳。
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  高速火焰喷涂FeCoCrNiAlTi高熵合金涂层的耐高温氯腐蚀性能

  张学斌, 胡树森, 汪友路, 代真, 初希, 王平, 苏海林

  表面技术. 2022, 51(8): 381-386. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.034

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  目的 提高垃圾焚烧发电锅炉的水冷壁和过热器管等部件的使用寿命，确定具有最佳耐高温氯腐蚀性能的高熵合金FeCoCrNiAlTix的成分。方法 采用高速火焰喷涂在Q235基体上制备FeCoCrNiAlTix(x=0、0.4、0.8、1.2、1.6)高熵合金涂层，运用扫描电子显微镜、X射线衍射仪研究Ti含量对涂层形貌和组织结构的影响，并测试涂层的抗热震性能和耐高温氯腐蚀性能。结果 高速火焰喷涂熵合金涂层呈典型的层状结构，随着Ti含量的增加，涂层的孔隙率降低，x=1.2时涂层的致密度最高，其孔隙率仅为0.46%。添加Ti后的高熵合金涂层由FCC相和BCC相组成，随着Ti含量的增加，FCC相逐渐减少，涂层主要为BCC相。在800 ℃到常温的循环热震试验中，高熵合金涂层具有良好的抗热震性能。在60 h的高温熔盐腐蚀后，所有高熵合金涂层相较Q235具有显著的耐高温氯腐蚀性能，对高温腐蚀质量变化进行拟合，发现其满足幂函数模型。结论 添加适量的Ti能够改善FeCoCrNiAlTix高熵合金涂层的成形质量，降低涂层的孔隙率，其中高速火焰喷涂FeCoCrNiAlTi1.2涂层的孔隙率最低，抗热震性能和耐高温氯腐蚀性能最好。
精密与超精密加工
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  基于SPSO–BP神经网络的自适应抛光工艺参数匹配

  潘杰, 陈凡, 杨炜, 金闻达

  表面技术. 2022, 51(8): 387-399. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.035

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  目的 在湿性物理抛光作业中，根据不同工件的表面抛光质量和效率要求，实现抛光工艺参数的自适应匹配，达到理想的抛光效果。方法 基于工件表面材料去除原理，建立工艺参数与材料去除率(MRR)和表面粗糙度的数学关系模型，明确影响抛光效果的工艺参数。针对工艺参数与抛光质量和效率之间的复杂且交互影响的关系，以及理论计算的抛光效果与实际结果存在差异的问题，提出SPSO–BP预测模型，分别以20组不同的抛光工艺参数与对应抛光结果为训练样本，训练SPSO–BP模型，并与传统PSO–BP模型进行对比。基于训练好的预测模型，根据不同的基础条件与抛光质量和抛光效率的要求，通过模型自适应匹配抛光工艺参数。针对SUS304板材，设定表面粗糙度目标Ra1—Ra5和材料去除率目标Rm1—Rm5，分别通过SPSO–BP和PSO–BP模型预测获得的工艺参数进行抛光试验，将获得的真实粗糙度Raz1—Raz5和材料去除率Rmz1—Rmz5与目标值进行对比验证。结果 SPSO–BP预测模型比PSO–BP预测模型具有更高的收敛精度，SPSO–BP和PSO–BP预测模型的收敛精度分别为1.26×10^?6、0.180，并且SPSO–BP模型对样本具有较好的跟踪能力和泛化能力。以SPSO–BP模型预测的工艺参数进行抛光，获得的真实粗糙度Raz和真实材料去除率Rmz，相较于PSO–BP预测模型与目标值更接近。通过SPSO–BP和PSO–BP预测模型获得的真实粗糙度值Raz与目标值Ra的最大误差比分别为8.00%和20.00%，平均误差比分别为5.77%和14.07%，最小误差比分别为2.50%和10.00%;真实材料去除率Rmz与目标值Rm的最大误差比分别为3.00%和8.57%，平均误差比分别为2.14%和7.46%，最小误差比分别为1.11%和4.38%。结论 根据不同的基础条件及抛光质量和抛光效率要求，可以通过SPSO–BP预测模型自适应匹配抛光工艺参数，与传统PSO–BP预测模型相比具有更高的收敛精度，可以获得与抛光目标更接近的真实抛光效果。
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  振动辅助磁针磁力研磨法对管件焊缝表面氧化皮的去除实验

  程海东, 马小刚, 韩冰, 陈燕, 朱慧宁

  表面技术. 2022, 51(8): 400-407, 459. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.036

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  目的 去除焊接管件焊缝处的氧化皮，改善焊缝处的应力状态。方法 采用振动辅助磁针磁力研磨法去除导磁材质管件经焊接处理后焊缝表面的氧化皮，利用超景深电子显微镜观察氧化皮的去除情况;利用X射线能谱分析仪对焊缝表面氧化皮的成分进行分析，根据氧化皮及管件材料主要元素的占比情况，分析检测焊缝表面氧化皮是否被完全去除。结果 焊缝表面氧化皮经振动辅助磁针磁力研磨后被完全去除。通过对比振动辅助磁针磁力研磨前后的表面形貌发现，表面颜色由黑变光亮，氧化皮得到有效去除。通过EDS成分分析可知，氧化皮的主要成分为C元素，质量分数为88.62%;管切面显示基体的主要成分为Fe元素，质量分数为67.09%。通过振动辅助磁力研磨法去除氧化皮后，管表面的元素组成与研磨前相比C元素降低了85.52%，Fe元素增加了63.06%。表面残余应力由原始的+17.5 MPa变为?186.0 MPa。经研磨后，氧化皮基本被完全去除。结论 焊缝表面成分的检测结果证实，从表面形貌分析中得到氧化皮被完全去除的结论是正确的，同时也表明振动辅助磁针磁力研磨对完全去除焊缝表面的氧化皮具有可行性。
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  基于Hilbert曲线磁粒研磨轨迹均匀性实验研究

  张志鹏, 陈燕, 潘明诗, 吴炫炫, 高慧敏

  表面技术. 2022, 51(8): 408-417. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.037

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  目的 改善传统平面磁粒研磨中轨迹均匀性较差、材料去除不均匀等问题。方法 首先，基于Hilbert分形曲线加工平面，对Hilbert分形曲线进行几何特征的修改，进一步改善研磨轨迹的均匀分布;其次，传统磁粒研磨平面时采用圆柱磁极，其半径方向线速度的差异会导致材料出现去除量不一致等问题，使用环形磁极进行研磨，对不同长径比环形磁极进行三维静磁场模拟仿真，对比不同长径比的磁感应强度和1 mm处的磁场强度曲线，选取最佳的长径比进行研磨，在一定程度上保证材料的均匀去除;最后，利用ADAMS软件进行单个磨粒运动轨迹的仿真，建立笛卡尔坐标网格划分，利用离散系数 进行轨迹密度的数值分析，对研磨轨迹均匀性进行评价。结果 长径比为3∶4的环形磁极的磁感应强度最大，可达300 mT左右。在相同条件下，分别沿传统直线往复式路径、Hilbert曲线和改进的Hilbert曲线进行仿真，经离散系数 的评定，沿改进Hilbert曲线的研磨轨迹均匀性显著提高，离散系数 为0.407，较传统往复式的离散系数提高了约43.2%，较Hilbert曲线路径的离散系数提高了约10.7%。沿改进的Hilbert曲线的9个检测点的表面粗糙度降幅基本一致，降幅曲线平缓。原始表面的加工纹理、缺陷被完全去除，研磨后表面形貌均匀平坦。结论 沿改进的Hilbert加工路径进行研磨，研磨轨迹复杂多样，且分布相对均匀，确保了表面材料去除量的均一性，表面质量较好。
表面功能化
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  杀菌性纳米杂化氟硅树脂的合成及成膜形貌

  葛萍, 安秋凤, 谷江东, 卢攀, 黄良仙

  表面技术. 2022, 51(8): 418-426, 434. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.038

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  目的 合成一种具有拒水、拒油与抗菌一体的防护材料。方法 在酸催化下，将全氟己基乙基三甲氧基硅烷(FTMS)与有机硅杀菌剂——(三甲氧基硅丙基)十八烷基二甲基氯化铵 (TMSPQ)及正硅酸乙酯(TEOS)进行水解，次序共聚，制得一种兼具良好拒水、拒油和杀菌性能的长链氟烃基/季铵基共改性的氟硅树脂(QFS)。用FT-IR、TEM、AFM、XPS等仪器表征研究了QFS的结构、成膜形貌和性能。结果 新合成的QFS为典型的无机-有机纳米杂化树脂，且在透明状QFS体系中存在大量球状、纳米组分且平均粒径约为164.2 nm。受此球状结构及长链氟烃基的影响，QFS在基材表面呈现出一种凹凸不平、微观结构相对粗糙的形貌，同时在AFM扫描范围为5 μm×5 μm内QFS膜表面的均方粗糙度Ra达1.273 nm，且从FESEM可看出QFS涂膜微观表面由微纳米结构组成。在QFS合成时，当FTMS的加入量为25 % 时，QFS涂膜的水接触角(θWCA)可达145.0°，滚动角最小为12°，耐油笔性最高为79次。通过抑菌圈试验，QFS对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有良好的杀菌抑菌效果，其抑菌圈大小分别可达到18.1 mm和15.8 mm。同时，分别通过一锅共聚和次序共聚法合成QFS，最后从涂膜的水接触角、膜的厚度、平均粒径和粒径范围等综合考虑，选择次序共聚法合成。结论 含有低表面能长链氟烃基和杀菌性季铵基的QFS制备的涂膜可从拒水、拒油和抗菌3个方面对基材起到良好的防护作用。
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  液滴在双轨亲水轨道上的运动特性研究

  李准, 郑佳宜, 高芳, 余延顺

  表面技术. 2022, 51(8): 427-434. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.039

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  目的 探究重力驱动液滴在双轨亲水轨道上的运动特性，揭示其力学机理。方法 采用喷涂法制备不锈钢超疏水表面，然后采用激光刻蚀法在超疏水表面上加工出不同类型的亲水轨道。研究液滴在不同轨道上的运动行为，讨论液滴运动状态与轨道参数之间的关系，并对液滴运动的力学特性进行分析。结果 液滴在平行双轨轨道上的运动阻力约为在单轨轨道上的1.6~2.4倍，其与轨道宽度呈正相关，与轨道间距呈负相关，且液滴运动终止时呈现出轨道中途停滞、轨道末端停滞、脱离轨道末端三种状态;液滴在非平行双轨轨道上的运动阻力与运动方向有关，由宽端至窄端的运动阻力较由窄端至宽端更小，前者约为后者的90.7%。结论 液滴在轨道上的运动阻力主要受液滴与亲水轨道的接触面积影响。当平行双轨轨道的间距增大时，液滴在垂直轨道的方向上拉伸效果增强，液滴将沿平行轨道的方向收缩，铺展长度减小，由此液滴与亲水轨道的接触面积减小，从而降低了液滴运动阻力;而液滴在非平行轨道不同运动方向上的阻力差异与液滴的表面张力有关。
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  金刚石/Ti热压扩散过程的分子动力学模拟

  王贵林, 于爱兵, 袁建东, 李克凡, 邹翩, 吴森凯

  表面技术. 2022, 51(8): 435-442. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.040

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  目的 应用分子动力学模拟金刚石与Ti在热压扩散过程中的界面原子扩散和TiC生成过程。方法 采用改进型嵌入原子势函数(MEAM)描述Ti、C和Ti—C之间的相互作用，将模拟过程分为弛豫、热压和保温3个阶段，模拟出金刚石与Ti界面间的原子扩散带厚度、原子扩散速度和TiC的成键过程。为了验证分子动力学模拟结果，进行了聚晶金刚石与钛箔的热压扩散试验，在聚晶金刚石表面制备了Ti涂层。利用扫描电子显微镜观察聚晶金刚石与Ti涂层之间的界面，并进行EDS分析。利用X射线衍射仪分析聚晶金刚石与Ti界面的物相组成。结果 模拟结果显示，在弛豫、热压和保温3个阶段，金刚石与Ti之间的扩散带厚度分别为0.870 9、0.888 9、2.056 5 nm，从弛豫到热压阶段，扩散带厚度增加了2.07%，从热压到保温阶段，扩散带厚度增加了131.35%;C原子均方位移曲线斜率为1.877 4×10^?5，Ti原子的均方位移曲线斜率为1.016 7×10^?5，C原子的均方位移的斜率比Ti原子的均方位移的斜率快84.66%;在弛豫20 ps后，C原子的游离键靠近Ti原子，在100 ps的热压过程中，C原子和Ti原子之间形成少量的Ti—C键，在500 ps的保温过程中，在界面间生成大量的Ti—C键。聚晶金刚石与Ti结合紧密、平整，用EDS测试出聚晶金刚石与Ti界面间的扩散带厚度为5.7 μm，在聚晶金刚石与Ti界面的XRD图谱测到了TiC衍射峰。结论 在金刚石与Ti的热压扩散过程中，C和Ti原子之间存在明显的原子扩散现象，形成了具有一定厚度的扩散带。在金刚石与Ti的界面区域的原子扩散中，C原子的扩散能力和扩散速度大于Ti原子，并在扩散界面内生成了Ti—C键，金刚石与Ti之间形成了化学结合，有助于提高金刚石表面与Ti涂层的结合强度。
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  楠竹材表面硅烷化及防水/油润湿和渗透的特性

  路少伟, 蹇玉兰, 三福华, 刘远贵, 柴希娟, 徐开蒙, 解林坤

  表面技术. 2022, 51(8): 443-451, 459. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.041

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  目的 斥油材料表面通常采用氟化合物来修饰，为了减小氟化合物对人体健康和生态环境带来的潜在危害，探索研究含氟化合物的替代品，采用无氟化合物制备防水、防油润湿和渗透的功能化竹材。方法 以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为功能化单体，将浓度为0.1 mol/L的盐酸与MTMS按照体积比1∶4混合，在盛有冰浴的超声波中进行水解，将竹材试样放入水解后的溶液中浸渍5 min，取出放置30 min后在103 ℃条件下烘干。采用傅里叶红外光谱仪(FT–IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、场发射扫描电子显微镜(SEM)分析改性竹材的表面性能。采用接触角测量仪分析功能化竹材的润湿性，考察随着浸泡时间的延长，其吸水率和吸油率的变化规律。通过动态热机械分析仪(DMA)分析改性竹材的动态热力学性能。结果 处理后竹材表面出现了较强的Si—CH3特征吸收峰，—OH吸收峰强度与对照样相比有所减弱。采用水解时间不同的MTMS溶液浸渍处理竹材，竹材表面的Si元素含量均保持在24%左右，但C元素含量随着水解时间的增加而增加，而O元素含量则略有减小。当MTMS的水解时间由5 min 延长至240 min时，改性竹材的水接触角由65.3°±2.2°增加到81.5°±0.9°，水接触角的静置稳定性随着水解时间的延长而提高。油接触角和静置稳定性受水解时间的影响较小，采用不同水解时间改性竹材样品后其油接触角为(49.0°±1.0°)~(53.1°±0.4°)，静置480 min后，其值的降幅在2.6°以内，表明改性竹材表面具有极为稳定的防油渗透性能。竹材表面形成了均匀致密的硅氧聚合物涂层，其吸水率和吸油率会随着水解时间的延长而减小。动态热机械分析结果表明，改性竹材的储能模量和耐高温性得到增强。结论 在酸性条件下将水解的MTMS溶液浸渍处理竹材后，竹材表面具有防水、防油润湿的特性，同时提高了竹材的储能模量和耐高温性能。
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  基于磁控溅射–氟化改性的新型ZnO/SiO2复合超疏水涂层防冰性能研究

  舒忠虎, 鲍江涌, 陈标, 何建军, 揭军, 蒲珉

  表面技术. 2022, 51(8): 452-459. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.08.042

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  目的 通过磁控溅射及表面氟化修饰不同纳米尺度的氧化锌(ZnO)和二氧化硅(SiO2)粒子，获得一种新型的ZnO/SiO2复合超疏水涂层。方法 研究不同氟化修饰剂对新型ZnO/SiO2复合超疏水涂层防冰性能的影响。采用光学接触角测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)对涂层的水接触角(CA)、滚动角(SA)、微观膜层形貌以及氟化前后化学键的改变进行分析。采用自制结冰装置及数显拉力计对涂层在高湿低温环境中的结冰时间和冰层在涂层表面的黏附强度进行测试。结果 磁控溅射ZnO和SiO2纳米粒子复合制膜得到的粒子排列状态规则，并且两种不同尺寸粒子的掺混使得涂层表面呈多簇状微纳米二级结构，能够很好地降低液滴与表面的附着力;分别选用十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷(G502)、十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)4种氟化修饰剂对涂层表面进行整体修饰，其中，FAS-17修饰后的涂层表面防冰效果最好，其液–气复合接触面积比例达到了94.38%，接触角和滚动角达到最佳，分别为164.7°和3°，且冰在表面的黏附强度降低至3.8 kPa;在湿度为60%，温度分别为–2、–10及–20 ℃的条件下，涂层延缓结冰时间分别为244 6、160 4、137 s。结论 采用不同纳米尺度的ZnO和SiO2纳米粒子，经过磁控溅射和整体表面改性可以得到簇状结构的新型复合超疏水涂层。通过FAS-17乙醇溶液进行表面氟化修饰，更加显著地提高了涂层的超疏水性能。