2023年, 第52卷, 第11期　
刊出日期：2023-11-20

  

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专题——超疏水涂层及其应用
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  镁合金表面防腐蚀超疏水涂层制备研究进展

  王华, 刘艳艳

  表面技术. 2023, 52(11): 1-22, 127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.001

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  镁合金是一种有发展前途的绿色工程金属材料，但其较差的抗腐蚀性能限制了它的大规模应用。对镁合金表面进行超疏水处理，能够极大地提高镁合金的耐腐蚀性能。当超疏水试样浸泡在腐蚀溶液中时，该结构将在腐蚀介质中形成固-气-液界面层，减少镁合金表面与腐蚀介质之间的接触面积，从而降低腐蚀速度。超疏水表面需要满足微纳米结构和低表面能2个必要条件。可以采用二步法或一步法在镁合金表面制备超疏水表面，详细介绍了在镁合金表面构造微纳米结构的方法，包括激光处理、机加工、化学刻蚀、化学镀、电化学沉积、阳极氧化、微弧氧化、水热合成和喷涂等方法。超疏水表面一旦受到机械损伤，微纳米结构无法满足条件，超疏水表面的“气垫效应”消失，腐蚀介质就会直接与微纳米结构接触，因此需要保证构建的微纳米粗糙结构对镁基体具有良好的保护作用并具有自愈功能。通过制备复合涂层，提高下层微纳米结构的自愈合性能，上层涂层的超疏水性与下层涂层的良好物理屏障能力的协同效应可以改善涂层的长久耐腐蚀性能。综述了在镁合金上制备具有良好耐腐蚀性能的复合超疏水表面的方法，并对镁合金超疏水表面防护技术的研究方向进行了展望。
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  耐久超疏水表面的研究进展

  徐文婷, 傅平安, 欧军飞

  表面技术. 2023, 52(11): 23-39. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.002

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  超疏水表面在油水分离、腐蚀防护、防水抗冰等领域具有广泛的研究和应用价值。然而，其实际应用并未达到预期的广泛程度，主要制约因素在于表面的耐久性不足。超疏水表面的失效主要体现在两个方面:一方面，由于表面粗糙结构在承受机械载荷时容易遭受高局部压力而受损;另一方面，由于低表面能分子在高温、光照和强氧化剂等刺激下容易发生分解失效。为了解决上述问题，从耐久型超疏水表面的特点入手，提出了提高超疏水表面耐久性的典型策略。这些策略包括:(1)构建弹性基底，这可以将微结构上的载荷转移至基体，减少微结构受损的可能性;(2)微结构保护，这种方法通过构筑刚性的护盾，保护了更低尺度的纳米结构免于受损;(3)胶黏+涂装，该策略是通过中间层连接，强化基体与表面微纳结构的结合力;(4)利用低表面能物质的自修复能力，这种方法可以在表面受损后通过自我修复特性恢复其超疏水性;(5)微结构的重建，可以在表面粗糙结构遭破坏后，使其恢复原貌。最后，对耐久超疏水表面的发展提出了前瞻性的展望，提出了耐久超疏水表面绿色可持续发展的新方向。
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  楔形亲油轨道-超疏水复合图案化表面液滴引导及润滑增效研究

  陈佳伟, 李晓莹, 郭世理, 张辉

  表面技术. 2023, 52(11): 40-48. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.003

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  目的 实现液滴及润滑油在超疏水表面定向引导，并将其运用于机械摩擦副，改善摩擦润滑性能。 方法 提出一种简单的超疏水高疏油涂层制备方法，即在硅烷耦合剂作用下利用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17)改性气相纳米二氧化硅，经交联固化处理后制得具有超疏水高疏油特性的涂层。通过FT-IR分析涂层成分、SEM观测涂层形貌，验证了涂层制备方案的有效性。通过纳秒激光在疏油涂层上加工亲油楔形图案化表面，进行表面流体引导实验。通过开展球-盘标准摩擦实验和滚动轴承温升实验来验证楔形亲油图案化表面流体引导，用于实现机械摩擦润滑增效的有效性。结果 通过对涂层表面进行成分分析，验证了C-F键长链在二氧化硅粒子表面上的成功枝接。通过对涂层表面进行形貌观测，验证了表面微纳米粗糙结构的成功构建。所制备得到涂层表面去离子水、PAO4、石蜡油、白油、PAO6、齿轮油接触角分别为157°、142°、143°、144°、136°、145°。相比之下，普通铝板表面去离子水、PAO4、石蜡油、白油、PAO6、齿轮油接触角分别为46°、16°、17°、20°、15°、24°，涂层具有优异的超疏水高疏油特性。通过液滴引导实验，确定液滴引导的楔形最优参数(长度L=30 mm，间距d=0.3 mm、宽度W=0.9 mm)，并且楔形亲油图案化表面能够实现液滴的曲线以及逆重力定向运输。球-盘摩擦实验表明，楔形亲油图案化表面在不同工况下均可以有效降低摩擦因数，在低速重载条件下摩擦因数降低了16%。轴承温升实验表明，在转速相同的情况下，带有楔形亲油图案化表面的轴承温升均明显低于普通轴承。结论 本文制备的涂层展现出超疏水、高疏油特性，同时设计的楔形亲油图案化表面成功实现了对水、润滑油的定向引导，使得润滑增效。
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  长余辉发光材料/超疏水颗粒改性防腐涂层性能研究

  赵霞, 朱泳昊, 金祖权, 赵庆坤, 麻福斌, 段继周, 侯保荣

  表面技术. 2023, 52(11): 49-62. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.004

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  目的 提高海洋环境下具有指示作用的金属构件的防腐性能及夜间辨识度。方法 将硬脂酸改性发光颗粒与疏水高岭土和疏水二氧化硅颗粒均匀分散在环氧树脂中，用刷涂法将涂料刷在碳钢表面，待其固化后得到涂层。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和热重分析(TGA)方法分析改性发光颗粒的化学成分，用接触角测量仪、SEM、LSCM测试和观察涂层表面的润湿性及微观形貌，通过砂纸磨损、盐雾和EIS测试涂层的耐磨性能和防腐性能，并借助屏幕亮度计测试涂层在盐雾试验前后的发光强度。结果 发光颗粒经过硬脂酸处理后在表面覆盖形成了疏水层。当涂层中的疏水高岭土颗粒与改性发光颗粒的质量比为1∶4时，涂层经过20次的磨损循环后仍具有超疏水性，且涂层质量仅损失了10.79%，该涂层在经过60 d的盐雾测试后，其阻抗保持在10¹⁰ Ω.cm²以上。在经过15次的干湿循环后，涂层体系的阻抗降至2.4×10⁹ Ω.cm²，经过60 d盐雾测试后涂层的发光强度降至0.22 cd/m²。结论 通过硬脂酸改性提高了发光颗粒在水环境中的发光持久性，制备的涂层具有较好的疏水性和优异的耐磨性。在涂层中添加疏水高岭土颗粒提高了涂层的防腐性能，涂层防腐性能的提高使得涂层保持了良好的余辉性能。该涂层的性能研究为特殊海洋环境下金属类指示构件的防腐和夜间发光辨识提供了依据。
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  基于多孔黏结层的超疏水复合涂层制备及其耐磨性研究

  汪希奎, 苏一凡, 程真, 花颢轩, 刘星宇, 王蕊, 周张恒, 侯泽钟, 李卓然, 赵俊豪, 张友法

  表面技术. 2023, 52(11): 63-71. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.005

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  目的 提高超疏水涂层的耐磨性。方法 采用底面复合方法增强超疏水涂层的附着性和耐磨性，通过发泡剂在树脂底漆表面形成均匀孔隙结构，使喷涂于底漆表面的部分超疏水纳米颗粒嵌入孔隙中，通过硬化树脂的凸起结构有效保护超疏水纳米颗粒，从而提高涂层整体的耐磨性。在摩擦磨损试验机上开展橡胶磨损测试，综合评价涂层的耐磨性能，并通过扫描电子显微镜和同轴光学显微镜对涂层表面的原始形貌及磨损形貌进行分析，通过接触角测量仪对涂层磨损前后的表面润湿性进行测试。结果 当异构十六烷的质量分数为50%、预热温度为130 ℃、预热时间为100 s时，在底漆表面可形成较深且分布均匀的孔隙结构，基于该底漆制备的超疏水复合涂层的耐磨性相对更好。在30 N载荷下，优化涂层经橡胶磨损700次后，仍能保持较好的疏水性。结论 通过发泡剂对底面复合涂层进行改进，可有效提高超疏水纳米涂层与基底之间的黏结强度;底漆表面的孔隙结构有利于超疏水颗粒的嵌入，充分利用硬化树脂的凸起结构对嵌入的超疏水颗粒进行保护，可有效提高底面复合超疏水涂层的整体耐磨性。
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  老化对PTFE/PPS复合涂层的疏水和防结冰性能的影响

  郭禹尧, 王琳婷, 朱丽娜, 岳文, 康嘉杰, 马国政

  表面技术. 2023, 52(11): 72-83. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.006

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  目的 飞机表面涂层在服役过程中受到高温、太阳光辐射作用，容易引起微观结构的破坏，失去原有的性能。本文探究了老化对PTFE/PPS复合涂层疏水、防结冰性能的影响。方法 利用一步喷涂法在TC4基体上制备出PTFE/PPS复合涂层，使用SEM和三维形貌仪进行表面形貌分析，利用傅里叶红外光谱仪以及XPS分析涂层元素组成，在对制得的PTFE/PPS复合涂层进行高温热老化(24、48、96 h)以及太阳辐射光老化(24、48、96 h)实验后，对其进行疏水防结冰性能测试。结果 原始的PTFE/PPS复合涂层和经过24、48、72高温热老化后PTFE/PPS复合涂层的表面粗糙度分别为8.075 μm、5.383 μm、4.583 μm、5.466 μm，静态水接触角由139.70°降至132.36°、131.13°、130.36°，结冰时间由最初的346 s缩短至326 s、309 s、294 s，冰晶黏附力由最初的8.65 N增加至8.90 N、9.15 N、9.65 N。经过24、48、72 h太阳辐射光老化后，PTFE/PPS复合涂层的表面粗糙度分别为10.549 μm、10.974 μm、9.969 μm，静态水接触角由139.70°降至135.83°、133.85°、129.97°，结冰时间由最初的346 s缩短为317 s、269 s、242 s，冰晶黏附力由最初的8.65 N增加至9.05 N、9.15 N、9.40 N。结论 热老化和光老化虽然会使PTFE/PPS复合涂层的疏水、防结冰性能有所下降，但与基体相比仍能保持良好的疏水、防结冰性能。
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  MWCNTs光热相变超滑表面的制备及防/除冰性能研究

  刘超, 钟涛, 张艳梅, 杨晚生

  表面技术. 2023, 52(11): 84-94. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.007

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  目的 制备光热相变超滑表面，并研究不同含量的多壁碳纳米管(MWCNTs)和固体石蜡对防冰/除冰性能的影响。方法 首先在纯Al表面刻蚀出微米结构，然后将MWCNTs、固体石蜡以及环氧树脂均匀混合后刮涂在处理后的Al基材表面，制备光热相变超滑表面，并对其润湿性、结冰/除冰性、机械稳定性以及自修复性进行表征。结果 通过扫描电镜对涂层截面表征发现MWCNTs已经完全均匀分布在涂层内部。当用波长为808 nm、功率密度为0.5 W/cm²的近红外光(NIR)照射涂层，表层的固体石蜡融化成液体后水滴滑动角可由40°下降到5°，表现出极佳的滑动性能。在–20 ℃时，与纯Al基底相比，相变超滑表面可将水滴的结冰时长从27 s延长至239 s，其冰黏附强度降也只有34.9 kPa。得益于MWCNTs优异的光热性能，在NIR照射下，表面温度迅速升高，可在92 s内实现快速除冰。此外，涂层在100次的循环摩擦后依然保持极低的冰黏附强度，并在NIR照射下可实现快速自修复。结论 光热相变超滑表面相比于纯Al表面具有更加优异的防冰性，MWCNTs的加入，使表面具有快速除冰性。环氧树脂和固体石蜡则极大地提高了表面耐磨性以及自修复性，为长久的防冰/除冰提供了保障。
研究综述
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  超疏水表面服役稳定性的研究进展

  吴银涛, 王波, 王潇

  表面技术. 2023, 52(11): 95-110. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.008

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  目的 超疏水表面脆弱、耐久性差且难以修复等情况一直是超疏水涂层在实际应用过程中面临的最大挑战，通过总结和分析找到解决这一问题的方法。方法 本文对超疏水涂层可能遇到的破坏和对应的耐久性类型进行了系统分析和总结，针对每种耐久性类型分别归纳出多种测试方法并对每种测试方法对应的控制参数进行了详细阐述，对不同耐久性类型和测试方法也分别进行了详细的举例说明。结果 针对超疏水涂层耐久性差的问题，本文总结出两类提高表面耐久性的方法，分别是是提高超疏水涂层的机械稳定性和赋予涂层良好的自修复能力。提高涂层机械耐久性的方法包括构造多层次分层结构、提高涂层与基底的黏结能力、构建自相似超疏水表面，记忆建立“盔甲”结构等。自修复能力包括粗糙结构的自修复、低表面能物质的自修复、整体的自修复。结论 有了强机械稳定性，超疏水涂层在面对破坏时也有了更好的抵御能力。而具备良好的自修复能力，则可以保障涂层在被破坏后仍可以恢复至超疏水状态。此外，本文还对超疏水涂层的未来发展进行了展望，即找到一种满足各种耐久需求、低成本、适合大面积生产的超疏水表面制备方法。
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  铝合金电弧增材制造研究现状

  张铂洋, 李旭, 张玉娇, 李英豪, 宗然

  表面技术. 2023, 52(11): 111-127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.009

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  电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)具有沉积速率高，成形速度快以及适合各种成形环境的优点，吸引了越来越多的高校及科研机构投入其中，如何进一步发挥电弧增材制造的优势是当下的研究热点。阐述了铝合金电弧增材过程中热输入、电流方式和外加能场对成形件表面形貌、微观组织以及力学性能的影响。当焊接电流较小或焊接速度较快时，热输入较低，熔融金属冷却速度快，形核率高，成形件为晶粒细小的等轴晶粒，提供给气孔的形成、聚集和长大的时间短，即热输入越低，成形件等轴晶区越宽，晶粒越细小，气孔缺陷越少，成形件机械性能越优异。对比分析了不同电流方式的电弧增材制造成形件性能差异，发现脉冲和变极性电流方式的热输入比无脉冲电流方式低，成形件晶粒更精细、缺陷更少、机械性能更优异;脉冲和变极性电流方式都可以清理成形件表面氧化膜，获得平整的表面。分析了电弧增材制造系统的优化方案，发现施加磁场、激光可以使得电弧更加集中，调控熔池流动，避免熔敷金属铺展不均匀;施加原位轧制、层间锤击以及超声喷丸可使得沉积层发生变形，在晶粒内产生大量位错;利用水箱或者添加保护气喷嘴可以降低电弧增材过程的热输入，获得晶粒细小、气孔缺陷少的成形件。最后提出了电弧增材铝合金现阶段存在的问题以及解决方法。
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  活塞-缸套表面纹理摩擦磨损特性研究进展

  程家豪, 陈文刚, 王泽霄, 郭思良, 魏北朝, 王海军, 袁浩恩, 罗海

  表面技术. 2023, 52(11): 128-138, 215. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.010

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  减少摩擦损失是高性能发动机效率的一个重要方面。活塞作为发动机组成的一个重要部件，在机械损失上损耗了发动机产生的总能量的40%，近乎于占据了发动机摩擦损失能量的一半，因此在发动机活塞-缸套上制备表面织构以改善活塞摩擦副的摩擦学性能，保持发动机在实际运行中拥有良好的性能是现在发动机发展不可或缺的。表面纹理已广泛应用于改善滑动表面的摩擦性能，减少磨损、减低摩擦等是表面纹理化应用在减摩抗磨方面最直接的效果体现。主要围绕近些年发表关于表面织构几何参数对活塞-缸套的影响，从有限元模拟分析以及实验室试验研究等两个方面综述织构应用在活塞-缸套上的研究进展，再从织构形状、织构面密度、织构排列方式及其他参数方面等方面对活塞/缸套的摩擦磨损影响进行对比分析，以帮助后续研究者在该方向的研究提供参考。依据机械部件之间的磨损量以及摩擦因数体现出表面织构运用之后的摩擦学性能。最后对表面织构在活塞-缸套上的发展趋势进行展望。
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  航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

  贾宜委, 王鹤峰, 王宇迪, 赵帅, 昂康

  表面技术. 2023, 52(11): 139-154. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.011

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  热障涂层是一种可以有效保障航空发动机涡轮叶片正常工作，同时显著提高其工作效率和服役时间的表面防护技术。热障涂层的性能在很大程度上影响叶片的承温和抗腐蚀能力，进而间接影响航空发动机的服役性能。涂层性能主要受其结构和材料2个方面的影响。介绍了涂层结构的优缺点和研究进展，当前常见的结构形式有双层结构、多层结构和梯度结构;介绍了粘结层材料的研究进展;对陶瓷层材料的研究进展进行了详述，如YSZ的掺杂改性、A2B2O7型化合物、钙钛矿结构材料以及近年来兴起的几种高熵陶瓷材料，其中高熵陶瓷材料包括:高熵稀土钽酸盐、铝酸盐、锆/铪酸盐、磷酸盐、硅酸盐以及高熵稀土氧化物，分别从热导率、热膨胀系数、断裂韧性、热循环寿命和抗腐蚀能力等方面对其进行介绍;概述了热障涂层常见的几种失效形式如:TGO失效、CMAS腐蚀以及高温烧结，并且对其发生机理进行简要的介绍;展望了热障涂层未来的发展趋势和方向。
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  搪瓷涂层的耐腐蚀及改良方法研究进展

  洪昊, 李文生, 汤上, 亚茨申科.伊列娜

  表面技术. 2023, 52(11): 155-170. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.012

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  搪瓷具有良好的化学稳定性及结合性，且经济性好、制备工艺简单，有望成为优异的防腐涂层材料，已被尝试应用于石油化工、海洋工程、管道运输等领域的防腐工艺中，表现出了相对良好的防护效果。但它在强酸强碱环境下的耐腐蚀性不足且涂层中的气泡结构对耐腐蚀性有不利影响，同时高温烧结工艺也会影响金属基体的力学性能，这限制了防护性搪瓷涂层的应用。阐述了搪瓷作为防腐涂层的结构特点，在总结相关研究的基础上提出了目前搪瓷涂层的2种改良方法，即改进涂层成分和调控涂层结构。改进涂层成分可通过磨加法添加相关成分，调控搪瓷涂层组织结构，达到提高涂层[—Si—O—]网络及致密度的目的，进而提高涂层的耐腐蚀性;调控涂层结构主要包括制备多层涂层和热处理工艺，可在一定程度上降低涂层孔隙率、控制涂层晶体形核，这有助于提高涂层的有效厚度及可控制生成化学稳定相。在此基础上总结并提炼了这2种工艺的研究现状，讨论了上述2种技术方法对搪瓷涂层在酸、碱、盐腐蚀介质中的改良机理，并阐述了搪瓷涂层在不同服役介质中的耐腐蚀机制。同时，提出了目前技术的难点与可能的新方向，以期为搪瓷涂层的改良研究提供参考。
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  海洋防污涂层的抗污机制及制备策略研究进展

  闻小虎, 潘景龙, 高多龙, 龙武, 曹祥康, 董泽华, 蔡光义

  表面技术. 2023, 52(11): 171-181, 215. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.013

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  首先简要陈述了海洋生物/微生物在金属基底表面的生物粘附和代谢物-腐蚀过程，包括条件膜吸附、生物膜形成、藻类和幼虫附着、大型生物寄居4个阶段。其次介绍了海洋防污涂层的2种抗污机制，分别是利用物理法抑制生物污损在材料表面附着和利用化学法释放防污剂或是产生活性氧杀灭微生物，并对比和分析了2种抗污机制的差异及其局限性。进一步将海洋防污涂层的构筑策略分为协同抗污和仿生抗污这两大类，其中协同抗污策略包括利用复配防污剂来提升抗菌广谱性，降低耐药性，或是引入电、热、磁等外场干预来协同强化涂层抗污效果。仿生抗污策略则是师法自然，在材料表面构筑微纳米结构，赋予涂层超浸润、超润滑、动态自抛光等仿生学特性，从而实现涂层的高效抗污。此外，还可以在涂层中引入天然防污剂或合成其衍生物，以降低防污剂对生态环境的毒害作用。最后展望了涂层防污机制的研究方向，并提出了新一代防污涂层的设计思路。
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  金属双极板表面改性碳基涂层研究进展

  赵蒙, 周晖, 贵宾华, 汪科良

  表面技术. 2023, 52(11): 182-199. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.014

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  首先对比了贵金属涂层、氮化物涂层、碳基涂层的性能优劣，重点阐述了碳基涂层改性技术的最新研究进展。然后，以碳基涂层的设计及制备2个维度为研究切入点进行阐述。在膜系设计方面，着重分析了膜系设计和元素掺杂对碳基涂层的性能影响;在制备方面，分析了偏压、沉积时间和气体流量等对碳基涂层的化学组分、微观结构的调控作用。最后，总结了当前碳基涂层改性双极板存在的问题，主要为涂层运行寿命不足，无法达到服役标准;测试条件不统一，且模拟环境与电堆实际工况差距较大;涂层长时间服役后的失效机制不明确。同时，对金属双极板改性碳基涂层的进一步发展方向做出了展望。
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  ZnO基Z型异质结结构光催化性能研究进展

  吴敏科, 任璐, 任瑞祥, 李家豪, 赵超凡, 余洋

  表面技术. 2023, 52(11): 200-215. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.015

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  氧化锌(ZnO)作为一种常见的光催化剂，存在光能利用率低、效率低、易失活等缺陷，限制了其广泛应用。通过与带隙结构匹配的半导体材料构筑异质结结构，是解决上述问题的有效途径。其中，Z型异质结结构是一种新型异质结，由于其电子转移过程构成了英文字母Z的形状，因而称之为Z型异质结。在光生载流子迁移上，Z型异质结具有独特的结构特点。不仅能够增加光生电子与空穴的分离效率，还能保持较高的氧化还原能力。系统地从Z型异质结、二元Z型异质结结构、三元Z型异质结结构3个方面综述了近期ZnO基Z型异质结结构在光催化方面的研究进展。对ZnO与半导体氧化物、半导体硫化物及其他半导体材料构成二元Z型异质结的机理及其催化性能的提高进行了概括总结。梳理了三元异质结的光催化机理及三元Z型异质结在光催化性能上的优势。最后对Z型异质结的研究进行总结，为纳米ZnO光催化氧化技术的应用发展提供参考。
摩擦磨损与润滑
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  面向水润滑条件磷酸盐黏结复合涂层的摩擦学性能研究

  卞达, 钱善华, 何颖诗, 刘阳, 倪自丰

  表面技术. 2023, 52(11): 216-224, 247. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.016

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  目的 实现海洋产业设备的不断优化，提高复合涂层在水环境下的摩擦学性能，扩大复合涂层在水环境中的应用。方法 通过添加不同含量的PS(聚苯乙烯微球)制备多孔磷酸盐黏结复合涂层，再将PAAM-alginate(聚丙烯酰胺-海藻酸盐)水凝胶真空压入多孔涂层中，并利用 UV(紫外线)引发聚合，从而制备PAAM-alginate/磷酸盐黏结复合涂层。此外，利用多功能摩擦试验机、白光干涉仪、SEM和EDS等试验方法，对复合涂层在水环境中的摩擦学特性和微观结构进行研究。结果 PAAM-alginate水凝胶的压入，降低了复合涂层的表面粗糙度，平均为0.8 μm。由于水凝胶较强的吸水和溶胀能力，改善了复合涂层的亲水性。PAAM-alginate水凝胶的水化润滑能力有效提高了复合涂层在水环境中的摩擦学性能。其中，具有4%PS的复合涂层显示出最佳摩擦学性能，平均摩擦系数由0.494降到了0.332，磨损率为1.18 mm³/(N.m)，仅为0%PS的复合涂层磨损率的1/4。水环境下，4种不同PS含量的复合涂层的磨损形式都为疲劳磨损。结论 适量地压入PAAM-alginate水凝胶可以降低复合涂层的表面粗糙度，提高复合涂层亲水性，并提升复合涂层在水环境下的耐磨损性能。
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  厚度主导铝合金表面304不锈钢涂层组织结构及性能的演变行为

  成波, 张新懿, 李文生, 李旭强, 张婷, 马拉特.别洛茨科夫斯基, 乌拉吉米尔.赛纽特, 维克多.卓尼克

  表面技术. 2023, 52(11): 225-236. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.017

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  目的 评价不同沉积厚度对铝合金基体上304不锈钢涂层综合性能的影响。方法 采用超音速火焰喷涂在铝合金表面制备3种不同厚度(200、600、1 000 μm)的304不锈钢涂层。利用附带能谱的扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、维氏显微硬度计、纳米压痕仪、液压式万能试验机以及摩擦磨损试验机，研究涂层的微观结构、物相组成、残余应力、硬度分布、弹性模量、结合强度、弯曲性能和摩擦学行为。结果 304不锈钢涂层组织均匀、无裂纹，与基体结合良好。涂层主要由奥氏体相组成，其余为少量铁素体相和氧化物，且涂层中奥氏体晶粒相比粉末中发生晶粒细化。随着涂层厚度的增加，涂层孔隙率(C200≈0.5%、C600≈2.5%、C1000≈4.3%)、氧含量(C200≈2.4%、C600≈3.1%、C1000≈4.2%)增加，涂层残余压应力减小，显微硬度、弹性模量和结合强度均呈下降趋势;但涂层断裂刚度与其厚度成正比，断裂时裂纹主要沿未熔颗粒边界和氧化物聚集区域萌生和扩展。在干摩擦条件下，304不锈钢涂层的摩擦系数约为0.6，与铝合金相比，摩擦过程更加稳定，耐磨性提高3倍。随着涂层厚度的增加，涂层摩擦系数稳定性降低，磨损率增大，磨损机制以疲劳磨损和犁沟磨损为主。结论 与304不锈钢粉末相比，晶粒细化和残余压应力的存在致使涂层整体硬度提升。然而，随着涂层厚度增加，涂层中缺陷的增多以及残余压应力的减小又降低了涂层的综合性能。涂层断裂刚度与其断裂能有关，厚涂层体系具有更大的等效抗弯刚度。
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  超高速激光熔覆Ni625/WC复合涂层的耐磨性能

  李宝程, 崔洪芝, 宋晓杰, 殷泽亮, 朱于铭

  表面技术. 2023, 52(11): 237-247. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.018

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  目的 提高高铁制动盘用24CrNiMo铸钢的耐磨性和高温性能。方法 在24CrNiMo铸钢表面，通过超高速激光熔覆技术，制备Ni625/碳化钨(WC)复合涂层，并设计多层梯度熔覆，使得WC颗粒在涂层中呈均匀分布。通过X 射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析涂层的物相组成、微观组织结构和元素分布。分别采用显微硬度计、摩擦磨损试验机、三维形貌仪等测试涂层的硬度、室温及600 ℃的摩擦系数和耐磨性，分析涂层的摩擦磨损机理。通过同步热分析仪(TGA-DSC)测试涂层的抗高温氧化性能和组织的高温稳定性能。结果 涂层主要由γ-Ni固溶体、WC以及含W增强相W2C和M23C6等组成。WC分布较为均匀，涂层平均显微硬度达440HV0.2~610HV0.2，是基体硬度的1.25~1.7 倍。在室温条件下，体积磨损率仅为基体24CrNiMo铸钢的 4.2%~20.8%，摩擦系数略低于基体;在600 ℃条件下，体积磨损率为基体24CrNiMo铸钢的 80.1%~180.8%，摩擦系数高于基体，且稳定性好，熔覆涂层显著提高了24CrNiMo铸钢基体的耐磨性。磨痕分析表明，涂层在室温下主要为磨粒磨损，600 ℃下除了磨粒磨损之外，并还伴随着轻微的氧化磨损，其中复合涂层S3的性能最佳。结论 在以高速强力磨损为主的工况下，Ni625/WC复合涂层具有优异的耐磨性能和抗高温氧化性能，球形WC颗粒在提高涂层耐磨方面发挥了重要作用。
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  大排量柱塞泵滑靴副摩擦学性能研究

  贾连辉, 张良, 徐莉萍, 许顺海, 李泽魁, 李东林, 李健

  表面技术. 2023, 52(11): 248-257, 268. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.019

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  目的 探究大排量柱塞泵滑靴副因底面尺寸大的特点所产生的不同于常规柱塞泵滑靴副的摩擦学性能。方法 首先，在考虑大底面滑靴高速旋转时形成线速度差的基础上，结合热楔效应以及热传导关系，建立一种在剩余压紧力状态下大排量柱塞泵滑靴副摩擦力的数学模型。其次，仿真分析柱塞腔压力、主轴转速以及油液温度对滑靴副摩擦力的影响。最后，搭建滑靴副摩擦力测试装置，并测量滑靴副所受摩擦力，验证所建立的滑靴副摩擦力数学模型的准确性。结果 滑靴副的总摩擦力由黏性摩擦力和犁沟力2部分组成。随着转速的升高，滑靴副的总摩擦力会降低，犁沟力的占比逐渐增大，当转速由800 r/min上升至1 800 r/min时，犁沟力所占比例由3.4%上升至11.9%。随着压力的升高，滑靴副的总摩擦力上升，犁沟力所占比例增大，当压力由3 MPa上升至9 MPa时，犁沟力所占比例由0%上升至21.5%。随着油液温度的升高，滑靴副的总摩擦力上升，犁沟力所占比例增大，当油温由25 ℃上升至55 ℃时，犁沟力所占比例由4.0%上升至17.1%。结论 研究揭示了黏性摩擦力在滑靴副所受摩擦力中的主导作用和犁沟力对摩擦力变化趋势的影响作用，仿真和试验结果的一致性表明所建立的数学模型能够准确描述大排量柱塞泵滑靴副摩擦力影响因素和变化规律。
腐蚀与防护
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  磁控溅射铬涂层锆合金包壳高温水蒸气氧化行为

  王栋, 钟汝浩, 张亚培, 郭超, 徐浩德, 余剑, 蓝毅聪, 苏光辉, 秋穗正, 田文喜

  表面技术. 2023, 52(11): 258-268. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.020

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  目的 研究磁控溅射Cr涂层Zr-1Nb合金包壳在1 100~1 300 ℃水蒸气环境中的氧化行为，为制定核反应堆事故预防和管理提供依据。方法 采用卧式管式炉开展高温氧化试验，通过分析天平测量试样增重，通过扫描电子显微镜观察形貌，通过X射线能谱仪分析元素分布。结果 氧化前Cr涂层结构致密，没有明显缺陷。氧化后包壳表面形成微观的鼓包、褶皱或裂纹。Cr涂层在1 100 ℃和1 200 ℃氧化3 600 s后形成了Cr2O3-Cr-ZrCr2的三层结构。1 200 ℃下，Zr沿Cr晶界扩散到达Cr2O3/Cr界面后将Cr2O3还原，引起局部Cr2O3厚度减小，Cr晶界中的ZrO2则构成了O扩散的短途通道。1 300 ℃氧化1 800 s和3 600 s后，Cr涂层性能退化，生成外侧ZrO2层。在Zr基体氧含量饱和的过程中，ZrO2生长的抛物线常数kp增大。由于包壳内表面氧化使得β-Zr基体达到氧饱和，因此外侧kp迅速进入二次增大阶段，导致外侧ZrO2生长速度明显大于内侧。结论 Cr涂层可以有效提高Zr包壳的抗氧化性能，但经历一定时长高温氧化后将出现性能退化。
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  N80钢在尿素辅助稠油蒸汽吞吐环境中的腐蚀行为研究

  张运军, 吕乃欣, 沈德煌, 席长丰, 付安庆, 罗建华

  表面技术. 2023, 52(11): 269-279. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.021

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  目的 为解决油田现场尿素辅助稠油蒸汽吞吐环境中使用的N80钢油套管管柱的尿素腐蚀问题。方法 采用动态高压釜模拟尿素辅助蒸汽吞吐采出井的井筒工况环境，借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子谱仪(XPS)表征技术，研究了N80钢在不同浓度尿素溶液中的腐蚀特性。结果 结果表明，高温蒸汽环境中尿素溶液对N80钢的腐蚀是活化腐蚀、均匀腐蚀，表面腐蚀产物主要组份为FeCO3，且随着尿素溶液浓度的增大，腐蚀产物膜厚度增加，膜厚增长速率减小，对N80钢的腐蚀愈严重。对尿素辅助稠油蒸汽吞吐采出井井筒而言，在有原油存在下30%浓度尿素溶液中，由于原油起到了缓蚀剂作用，不会形成严重腐蚀，且随着原油量的增加，对N80钢的平均腐蚀速率降低。对于尿素辅助蒸汽吞吐提高采收率技术而言，在满足井筒腐蚀控制要求的前提下，现场试验方案的尿素溶液浓度可以高达30%。结论 N80钢能够满足尿素辅助稠油蒸汽吞吐采出井井筒腐蚀控制要求，可以安全使用。
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  海水环境中硫氧化菌对混凝土性能的影响

  刘志华, 甘立钦, 刘德娥, 荣辉

  表面技术. 2023, 52(11): 280-290, 317. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.022

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  目的 探究硫氧化细菌及其生物膜对混凝土宏观性能和微观结构的作用效果以明确硫氧化细菌对混凝土性能的影响规律。方法 将混凝土试样半浸泡于含有微生物的海水中，利用光学显微镜和紫外光密度(OD)分析不同龄期生物膜厚度、膜内微生物数量变化，观察测定混凝土不同龄期的外观形貌、抗压强度、质量以及通过电通量法分析混凝土抗氯离子渗透能力表征混凝土宏观性能，利用热分析仪、X射线衍射仪、压汞仪分析混凝土微观结构。结果 生物膜的生长、发育和脱落具有周期性规律，且膜内微生物数量与生物膜厚度呈正相关。120 d时无菌组混凝土电通量达到793.1 C，有菌组混凝土电通量仅为173.4 C，180 d时仅无菌对照组的混凝土出现开裂，240 d时有菌混凝土和无菌混凝土的质量损失率分别为0.79%、1.20%，有菌混凝土的抗压强度增加了6.9%，而无菌混凝土的抗压强度降低了7.1%;有菌组混凝土石膏生成量和C-S-H凝胶损失量均小于无菌混凝土，使得有菌组混凝土孔隙率比无菌组混凝土低了1.193 5%。结论 附着在混凝土的气液固界面的硫氧化细菌逐渐形成生物膜，膜厚度以及膜内微生物数量发生周期性变化，生物膜会降低SO4^2?的传质效率从而减缓混凝土的劣化。
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  海洋大气环境与拉伸疲劳载荷协同作用下不同加载方式对7050铝合金腐蚀损伤特性的影响

  罗来正, 周堃, 周洁, 赵方超, 王彬, 王键坤, 刘溅洪

  表面技术. 2023, 52(11): 291-299. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.023

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  目的 研究不同应力加载条件对7050铝合金在海洋大气环境与拉伸疲劳载荷协同作用下的腐蚀损伤行为的影响规律。方法 以实际海洋大气环境为7050铝合金的薄液膜腐蚀环境，同时采用自主研发的疲劳载荷试验装置对暴露在海洋大气环境中的7050铝合金施加不同的拉伸疲劳载荷。研究应力比和载荷加载周期对协同作用效应下7050铝合金的腐蚀速率、腐蚀形貌、疲劳性能及断口形貌等的影响规律。结果 在海洋大气环境与拉伸疲劳载荷协同作用下，所有7050铝合金试样均发生了点蚀和晶间腐蚀。在每月加载1次应力的条件下，应力比为0.1和0.06的试样的最大腐蚀深度分别为40.1、46.5 μm。在每周加载1次应力的条件下，试样的最大腐蚀深度为41.2 μm。每周加载应力、应力比为0.06的试样的腐蚀速率显著大于应力比为0.1、每月加载应力的试样的腐蚀速率，且前者更易发生腐蚀疲劳断裂。所有试样的断口都呈现出疲劳断裂特征，裂纹源在合金表面，并放射性地向试样芯部扩展。结论 缩小应力加载周期及减小应力比均会显著加速协同作用效应下7050铝合金的腐蚀损伤进程，降低其抗疲劳性能。
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  长春花提取物对Q235碳钢在酸性溶液中的缓蚀作用

  李永娟, 黄进强, 年芳

  表面技术. 2023, 52(11): 300-308. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.024

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  目的 开发一种绿色缓蚀剂，并研究它对碳钢在酸性溶液中的缓蚀作用及机理。方法 用体积分数为70%的乙醇水溶液回流获得长春花提取物(CR-E)，通过失重实验、电化学综合实验、火焰原子吸收分光光度法(FAAS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)等分析CR-E对Q235碳钢在0.5 mol/L H2SO4溶液中的缓蚀性能和机理。结果 CR-E对Q235碳钢在H2SO4溶液中的腐蚀具有良好的缓蚀效果，缓蚀效率随着CR-E浓度的增加而增大，在CR-E的质量浓度为1 000 mg/L时，缓蚀效率达到89.84%。添加CR-E后可迅速抑制腐蚀，并持续发挥缓蚀作用，在浸泡48 h后Q235碳钢的缓蚀效率仍可达89.99%;电化学综合实验结果表明，CR-E是一种有效的混合抑制型缓蚀剂，腐蚀反应的电荷转移电阻随着CR-E浓度的增加而增大，腐蚀电流密度则随之减小;通过FAAS证实阳极铁的溶解被抑制，通过FTIR证实CR-E分子可以有效吸附在Q235碳钢表面，通过SEM证实Q235碳钢表面受到了CR-E的有效防护。缓蚀机理是CR-E缓蚀剂分子在Q235碳钢表面的吸附减缓了铁在腐蚀溶液中的溶解，腐蚀过程受到显著抑制，该吸附以物理吸附为主，且遵循Langmuir吸附等温模式。结论 在0.5 mol/L H2SO4溶液中，CR-E对Q235碳钢的缓蚀作用显著，可作为一种候选绿色缓蚀剂在工业领域推广应用。
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  绿色杀菌缓蚀剂对不同粗糙度碳钢的腐蚀行为影响研究

  胥聪敏, 杨兴, 朱文胜, 高豪然, 姚攀, 张津瑞

  表面技术. 2023, 52(11): 309-317. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.025

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  目的 揭示绿色杀菌缓蚀剂对不同粗糙度碳钢表面SRB+IOB生物膜的杀菌缓蚀行为与规律的影响。方法 本文采用失重实验、表面分析、电化学测试等手段，探究20#碳钢在不同粗糙度(240#、600#、1 200#)下，添加绿色杀菌缓蚀剂对混合菌的杀菌行为和对碳钢的缓蚀效果的影响，阐明D-酪氨酸分解抑制生物膜的作用机理。结果 试样表面的腐蚀产物层厚度、点蚀坑大小与深度随表面粗糙度的降低、杀菌缓蚀剂的添加，而减小。在不添加杀菌缓蚀剂情况下，碳钢随表面粗糙度从240#降到1 200#，其年腐蚀深度由0.186 mm/a降到了0.157 mm/a，下降幅度达15.6%。自腐蚀电流密度icorr由20.5 mA/cm²降到了6.93 mA/cm²，下降幅度高达66.2%。其中，在240#表面粗糙度下，碳钢年腐蚀深度由不添加杀菌缓蚀剂的0.186 mm/a降到了添加杀菌缓蚀剂的0.116 mm/a，下降幅度达37.6%。icorr由20.5 mA/cm²降到了11.8 mA/cm²，下降幅度达42.4%。结论 随表面粗糙度降低，碳钢表面趋于光滑，应力集中减小，碳钢表面很难聚集混合菌里的硫化物、矿化物，以及腐蚀性阴离子，H⁺很难与阴离子结合形成酸性环境，不易产生氧浓差电池，减缓了均匀腐蚀向局部腐蚀的转变，降低了点蚀发生概率。而D-酪氨酸的加入可将生物膜中的细菌由固着态转变为浮游态，同时破坏了细菌细胞结构、蛋白质、氧浓差环境，进而增强了杀菌缓蚀效果。
表面功能化
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  铝表面超疏水复合涂层的制备及其表面性能

  卢硕, 沈士泰, 张小雨, 卫国英, 朱本峰

  表面技术. 2023, 52(11): 318-325, 365. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.026

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  目的 通过在纯铝表面构筑超疏水涂层，优化金属铝表面，并强化其应用性能。方法 采用阳极氧化法在铝表面构筑具有纳米孔洞的Al2O3薄膜，再利用全氟癸基三乙氧基硅烷修饰表面，得到超疏水复合涂层，并研究氧化电位和表面修饰时间对纳米结构的构筑及疏水性能的影响，研究超疏水复合涂层表面润湿性、防污、自清洁和抗结冰性能。结果 控制阳极氧化条件，在氧化电位为16~18 V、氧化时间为1 h时，得到1~2 μm的“花瓣”聚集叠加成的多级粗糙结构。通过6 h的表面修饰，得到了接触角为163.6 °的超疏水性复合膜层。进一步对该超疏水膜层的性能进行分析发现，经超疏水膜层修饰后铝具有优异的防污性能;相较于纯铝，经超疏水膜层修饰后铝片的电化学阻抗模值高达10⁵ Ω.cm²，而电流密度仅为1.81×10^?9 A/cm²;在高温和低温环境下，超疏水膜层均能保持超疏水性能;经砂纸来回打磨200 cm后，膜层的接触角仍大于150°。结论 经阳极氧化纯铝得到具有多级粗糙结构的阳极氧化膜，并通过表面修饰可制备接触角高达163.6°的超疏水性复合膜层。该超疏水复合涂层具有优异的耐腐蚀性、自清洁性、耐污染性，以及良好的耐蚀性、机械稳定性和抗结冰性等。
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  硫醇改性超疏水铜表面的耐候性及失效机理

  杜文倩, 王德辉, 余华丽, 李罗慧子, 罗静, 邓旭

  表面技术. 2023, 52(11): 326-334. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.027

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  目的 探究户外环境中导致硫醇改性超疏水铜表面失效的因素及其超疏水性失效的机制。方法 通过化学刻蚀法在铜表面构筑纳米结构，利用正十二硫醇进行表面改性，得到具有超疏水性的铜表面。将该表面置于户外进行耐候性研究，并通过4种模拟户外环境实验探究超疏水性失效的原因，包括组合循环实验(循环条件含紫外辐射、淋雨和凝露)、紫外辐射实验、水环境实验和温度实验。结果 超疏水铜表面经过10 d的户外实验后，其接触角由初始状态的158.5°降至131.1°，表明该表面的超疏水性能已失效。经过2次组合循环实验(每次循环的时间为12 h)、20 d紫外辐射实验及30 d水环境实验后，该表面的接触角分别降至130.3°、124.5°、131.7°，表明该表面均已失去超疏水性;经过40 d高温实验后，表面的超疏水性开始失效。XPS谱图表明，在超疏水性失效后该表面不存在硫元素，即正十二硫醇已经脱离表面。结论 超疏水铜表面的硫醇分子脱落是超疏水性失效的根本原因。紫外辐射、水和高温是导致超疏水铜表面超疏水性失效的主要因素。其中，紫外辐射或水对超疏水性的破坏速度比高温快。相较于单一因素(紫外辐射、水或高温)，三者的协同作用更加速了硫醇分子从表面的脱落，导致超疏水性失效的速度更快。
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  基于飞秒激光和自组装技术提高树脂涂层疏水性的工艺

  侯涛, 马国佳, 武壮壮, 张昊泽

  表面技术. 2023, 52(11): 335-346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.028

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  目的 针对超疏水涂料功能持久性差的问题，提出一种将飞秒激光加工技术与微球近场效应原理相结合在氟化有机硅树脂表面制备微纳米仿生结构的解决方案。方法 模仿蝴蝶翅膀鳞片微结构特征，以平滑的氟化有机硅树脂表面为基体，采用纳米自组装技术在其表面生长一层二氧化硅微球薄膜，然后设置飞秒激光器的参数，利用激光脉冲能量加工单层二氧化硅微球薄膜，二氧化硅微球颗粒对激光能量有进一步的聚焦加强作用，可以加工微纳米尺寸的结构。重点研究激光功率和扫描速度等参量对氟硅树脂图案形貌及疏水性的影响，并对比分析超疏水涂料和仿生微纳米表面的疏水功能持久性。结果 激光扫描速度和功率参量对仿生表面疏水性能的影响较大，在激光功率为9 mW、扫描速度为10 mm/s、加工间距为10 μm时可以获得最佳疏水性能，其接触角达到150°以上，通过常用的摩擦磨损测试实验，对比分析实验结果发现，氟硅树脂层经历200~1 000次摩擦后，其接触角(CA)的下降幅度低于传统涂料组，说明具有仿生纳米坑结构的表面的耐磨性更强。结论 利用飞秒激光加工的纳米微孔阵列结构可以明显提高氟硅树脂的疏水特性，并具有优异的持久性。
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  TiO2-SiO2多功能薄膜的制备及其性能研究

  向军淮, 徐志东, 王军

  表面技术. 2023, 52(11): 347-354. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.029

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  目的 改善普通玻璃的防雾性能。方法 采用溶胶?凝胶法在玻璃表面制备均匀透明的xTiO2-(1?x)SiO2 (x为1.00、0.75、0.50、0.25、0)复合薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)表征TiO2-SiO2复合材料的微观结构和表面形貌，通过紫外可见近红外分光光度计、接触角测试仪测试TiO2-SiO2复合薄膜的光学性质和润湿性，通过热水浴实验评价镀膜前后玻璃的防雾性能。结果 XRD测试结果表明，TiO2-SiO2复合材料由锐钛矿相TiO2和非晶相SiO2构成，其相结构随着TiO2含量的变化而变化。SEM和AFM结果表明，在TiO2-SiO2复合薄膜中，当SiO2的物质的量分数小于50%时，TiO2-SiO2复合薄膜表面均匀致密、粗糙度低;当SiO2的物质的量分数大于75%时，复合薄膜表面出现了孔洞和大颗粒，粗糙度增大。光学性质测试结果表明，在TiO2-SiO2复合薄膜中，当SiO2的物质的量分数大于50%时，镀膜后的玻璃在可见光范围内的平均透过率高于85%。润湿性测试结果表明，镀膜后玻璃表面的亲水性明显增强，当SiO2的物质的量分数小于50%时，TiO2-SiO2复合薄膜的接触角低于5°，表现为超亲水。防雾性能测试结果表明，在玻璃表面制备TiO2-SiO2复合薄膜后，玻璃具有良好的防雾性能。评价了0.50TiO2-0.50SiO2复合薄膜的耐久性，在室内放置60 d后，0.50TiO2-0.50SiO2复合薄膜的平均透过率在84%以上，且具有防雾性能，表明其耐久性较好。结论 在玻璃表面制备的0.50TiO2-0.50SiO2复合薄膜在可见光范围内具有高透明度和良好的防雾性能，且该薄膜的耐久性较好。
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  磁场诱导低维磁性碳材料对聚砜膜结构及流通特性的影响

  于银瑞, 闫超, 曲琦, 张先华, 张子明, 何燕, 徐瑾

  表面技术. 2023, 52(11): 355-365. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.030

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  目的 在膜的形成过程中，利用磁场力将亲水性磁性碳纳米材料吸引至膜表面，可以在膜表面附加亲水性和磁性，提高膜的渗透通量和截留率，改善膜污染问题。方法 将氧化石墨烯/碳纳米管混合溶液与Fe³⁺和Fe²⁺的混合溶液通入微反应器中预混合后，利用一步水热法引入四氧化三铁(Fe3O4)，制备具有优异磁性能的磁性碳纳米材料(MCN)，并将其共混于聚砜(PSF)基底中，采用磁场诱导非溶剂致相分离法(NIPS)制备磁性混合基质膜(PSF/MCN)。对MCN的形貌结构及磁性等进行表征，并通过改变PSF的浓度研究磁场作用下MCN的定向迁移对膜表面形貌结构及性能的影响。结果 亲水性磁性MCN的饱和磁化强度高达53.17 emu/g(1 emu/g=1 A.m²/kg)，表现出超顺磁性，且MCN在磁场作用下向膜表面定向移动。在相同的磁场强度下，不同聚砜浓度的膜表面表现出不同的形貌特征，并在聚砜的质量分数从15%升至17.5%的过程中，膜表面粗糙度的构成由细微密集的波动形貌转变为宽泛的浮动形貌。此外，MCN的加入改善了膜的内部结构和流通特性，当PSF的质量分数为15%时，膜的平均孔径从0.034 1 μm增至1.186 5 μm。与同浓度下的纯PSF膜相比，PSF/MCN的亲水角分别降低了18.34%、15.37%、14.69%、18.43%，其纯水通量分别增加了32.51%、23.62%、167.27%、233.88%，且它对牛白蛋白(BSA)的截留率均高达90%以上。结论 在磁场力的作用下，MCN向分离膜表面迁移，大大增加了膜表面亲水基团的数量，提高了分离膜的亲水性和渗透性。同时，MCN均匀分散在膜表面，形成了一层保护膜，提高了膜的分离特性和抗污染性。
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  基于CNTs/PLA的多层宽频超材料吸波结构设计与优化

  陈孟州, 汪刘应, 刘顾, 葛超群, 王龙, 许可俊, 王伟超

  表面技术. 2023, 52(11): 366-376, 385. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.031

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  目的 解决传统超材料吸波结构密度大以及对入射角度敏感的问题。方法 采用机械搅拌法和熔融共混法制备碳纳米管/聚乳酸(CNTs/PLA)复合吸波材料，通过CST电磁仿真软件开展多层超材料吸波结构设计，利用熔融沉积3D打印制备了设计的超材料吸波结构。通过扫描电子显微镜、矢量网络分析仪对制备材料和设计结构的微观形貌和电磁特性进行表征分析。结果 在机械搅拌和熔融共混的共同作用下，碳纳米管在聚乳酸中分布均匀。碳纳米管含量为10%时，复合材料的综合性能达到最佳。当其厚度为1.7 mm时，有效带宽达到最大为3.9 GHz;当厚度为3.2 mm时，反射率达到最低值约为–53.1 dB。设计的多层超材料吸波结构均具有极佳的宽频吸波特性;当R=11 mm时，圆形多层超材料结构的吸波性能最佳，反射率最低值为–53.9 dB，有效带宽为33.1 GHz，而平均反射率为–17.1 dB。此外对于TE极化的电磁波入射角在0°~60°范围内，而对于TM极化电磁波在入射角0°~70°范围内，圆形多层超材料结构具有宽角域吸波性能。结论 将碳纳米管与聚乳酸复合，在此基础上开展多层超材料结构设计，通过微观复合材料和宏观结构设计的共同作用，实现了轻质宽频的应用需求，能够为超材料吸波结构的设计及工程应用提供理论和技术支撑。
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  β-环糊精改性聚氨酯基摩擦纳米发电机的湿度阻抗研究

  贾贞贞, 钟先锦, 吴丹, 方丽波, 沈慧, 安燕, 戴若萌

  表面技术. 2023, 52(11): 377-385. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.032

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  目的 通过β-环糊精(β-CD)在聚氨酯膜表面进行分子自组装来增加聚氨酯表面的羟基数量，进而增强改性聚氨酯分子在高湿度环境下的电输出性能。方法 采用分子自主组装的方法获得改性聚氨酯膜。聚氨酯颗粒在N，N-二甲基甲酰胺中溶解并通过流延法成膜后，先后在γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷/甲醇溶液和氨基环糊精溶液中浸泡、干燥，得到β-CD功能面。以改性的聚氨酯为摩擦纳米发电机(TENG)的电正性摩擦层，以聚四氟乙烯(PTFE)为电负性摩擦层，组装得到风驱动摩擦纳米发电机。结果 β-环糊精的改性增加了聚氨酯膜表面的羟基数量，使聚氨酯膜在高湿度环境中可以与水分子形成氢键，固定水分子一同参与摩擦起电，增加了聚氨酯基摩擦纳米发电机在高湿度环境中的电输出性能。当湿度从15%增加到95%后，改性聚氨酯基摩擦纳米发电机的短路电流增加了432%，且湿度越大，电输出越大。同时，改性聚氨酯基摩擦纳米发电机在喷洒水滴的情况下，也能点亮248个LED灯。结论 β-环糊精的改性可以显著提升聚氨酯基摩擦纳米发电机在高湿度环境下的电输出性能，且电输出随湿度的增加而增加，显示了出色的耐湿性，对扩展聚氨酯基摩擦纳米发电机的应用具有重要意义，尤其是在高湿度环境下。
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  氢氧化钾碱蚀法制备多孔MgAl氢氧化物及其二氧化碳吸附性能

  高婉, 骞蒙, 冯艳艳, 李彦杰

  表面技术. 2023, 52(11): 386-393. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.033

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  目的 类水滑石化合物用于CO2吸附时存在分散性差和有效比表面积低的问题。方法 以硝酸镁和硝酸铝为金属盐前驱体，以尿素为沉淀剂，采用水热法合成具有层状结构的MgAl水滑石，之后利用铝物种的两性性质，通过氢氧化钾碱蚀处理MgAl水滑石脱除部分铝物种以形成孔道，从而获得多孔MgAl氢氧化物并用于二氧化碳的吸附。借助X射线衍射、扫描电镜、低温氮气吸附/脱附、红外分析等研究碱蚀时间对所得MgAl氢氧化物结构形貌的影响。之后，采用热重分析仪测试样品的二氧化碳吸附性能，并且分别采用一阶动力学模型、伪二阶动力学模型对吸附数据进行拟合。结果 与未碱蚀样品比较，当碱蚀时间为12 h时，样品LDH-12的比表面积和孔体积都有所增加，其中比表面积由8.8 m²/g变为16.6 m²/g，这有利于吸附活性位点的暴露;样品LDH-12对二氧化碳有着较优的吸附性能，其吸附容量为19.6 mg/g。结论 碱蚀处理对样品的形貌结构及吸附性能有着很大的影响。适宜的碱蚀时间有利于样品孔结构的进一步发育，使得更多的吸附活性位暴露，从而较大程度地提高其对二氧化碳的吸附能力。
激光表面改性技术
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  基于田口-灰色关联法的Ni60+WC激光熔覆涂层工艺参数优化

  姚鑫宇, 林强, 丁昊昊, 王文健, 郭俊, 祝毅, 甘露

  表面技术. 2023, 52(11): 394-405, 465. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.034

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  目的 优化Ni60+WC激光熔覆工艺参数，提高熔覆层质量。方法 设计三因素四水平正交试验，通过激光熔覆手段，在Q235钢板表面激光熔覆Ni60+25%WC粉末，并结合超景深光学显微镜和扫描电子显微镜观察熔覆层形貌。同时，以熔覆层几何形貌和气孔率作为优化目标，评估工艺参数对其的影响。结合灰色关联理论，对熔覆层最佳工艺参数进行预测，并进行试验验证。结果 优化后的熔覆层主要以胞状晶为主，且熔覆层和基体形成了良好的冶金结合。采用田口-灰色关联法对激光熔覆工艺参数进行优化，极大地减少了试验次数(从64次减少到16次)。灰色关联度的预测值(0.626 553)与试验验证值(0.672 659)有较高的吻合度，误差仅为7%。优化后的工艺参数组合为激光功率1 100 W，扫描速度为10 mm/s，送粉速率为7.6 g/min。优化后的熔覆层宽度增加了22%(1 949 μm增加到2 383 μm)，稀释率降低了58%(24.42%降低至10.33%)，优化后的稀释率更接近目标值10%。同时，气孔率也降低了7%(0.329%降低至0.306%)。优化后的熔覆层润湿角仍小于70°，符合优化目标。结论 田口-灰色关联法能极大地减少试验次数，并较为准确地实现激光熔覆工艺参数的预测优化，有效提高熔覆层的质量，为解决复杂多响应问题的参数优化提供了一种有效手段。
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  多光束激光选区熔化拼接区域熔池动力学行为数值模拟

  李泓历, 傅广, 任治好, 李舒玥, 彭庆国, 肖华强, 李少波

  表面技术. 2023, 52(11): 406-418. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.035

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  目的 针对多光束激光选区熔化加工拼接重叠区域的质量控制难题，研究拼接重叠区域的缺陷形成机理与控制手段。方法 通过建立激光选区熔化介观尺度高保真数值模型，基于流体体积法和射线追踪热源，还原粉末熔化凝固的加工过程，研究不同加工参数下拼接重叠区域熔池动力学和激光反射吸收行为，并对比分析拼接重叠区域和非拼接重叠区域激光-材料能量耦合机制。结果 在拼接重叠区域大小不同的情况下，重叠区域长度分别为160、200、240 μm时，其拼接重叠区域熔道宽度宽于非拼接重叠区域，拼接重叠区域与非拼接重叠区域存在高度差，且重叠区域的全局激光吸收率要高于非重叠区域，其中重叠区域皆有孔隙缺陷，重叠区域240 μm长度方案下的全局平均吸收率达到最高(0.417 56)。在拼接重叠区域长度为240 μm、扫描速度为0.9 m/s和1.2 m/s时，由于获得的能量低于扫描速度为0.6 m/s时的能量，其重叠区域不存在孔隙缺陷。结论 拼接重叠区域的表面形貌和孔隙缺陷与熔池动力学和激光反射吸收行为密切相关，合适的加工参数可以改善拼接重叠区域的成形质量。
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  工艺参数对激光清洗GFRP脱模剂层影响研究

  韩岳旺, 乔红超, 赵吉宾, 孙博宇, 陆莹, 陈燕, 舒坤, 宋健

  表面技术. 2023, 52(11): 419-429. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.036

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  目的 有效去除GFRP表面的脱模剂，保证对玻璃纤维损害降到最低，并提高表面粗糙度。方法 运用正交试验法，采用红外脉冲激光对玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)表面喷覆黑漆层的脱模剂层进行去除试验，研究激光的平均功率(15、20、25、30 W)、激光扫描速度(240、250、255、260 mm/s)和激光脉冲频率(70、80、90、100 kHz)对清洗后试件表面形貌和微观组织的影响规律，分别探讨不同激光参数下对GFRP材料表面粗糙度及胶接强度的影响规律。结果 在激光参数为平均功率P=25 W、激光扫描速度v=255 mm/s、激光脉冲频率f=100 kHz下，可将脱模剂有效去除，且保留了玻璃纤维的完整性，同时表面粗糙度值Sa由原来的0.684 μm增加到稳定值(4.5±0.3)μm。随着平均功率的增大，试件表面粗糙度值Sa逐渐增大，其胶接强度高于未表面处理的胶接强度。随着扫描速度的增大，试件表面粗糙度值Sa先减小、后增大。随着脉冲频率的增大，试件表面粗糙度值Sa逐渐减小。结论 最佳试验制备激光清洗工艺参数为平均功率P=25 W、激光扫描速度v=255 mm/s、激光脉冲频率f =100 kHz，在此参数下能有效去除脱模剂，玻璃纤维损害降到最低，并提高表面粗糙度，有效保证GFRP板材表面质量，同时还有利于提高复合材料之间的胶接强度。该研究结果可为航空领域复合材料脱模剂的激光清洗提供工艺参数参考。
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  脉冲激光SLM工艺参数对钛合金成形质量的影响

  袁美霞, 寇莛彧, 刘琪, 华明

  表面技术. 2023, 52(11): 430-438. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.037

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  目的 针对SLM成形试件表面质量差且边缘凸起严重的现象，研究脉冲激光SLM成形钛合金试件过程中工艺参数对表面质量、边缘凸起行为及致密度的影响规律，优化工艺参数。方法 通过调整曝光时间及点、线间距，制备了15个块状试件，通过激光显微系统来观测表面形貌，分析其表面缺陷，并采集表面粗糙度及平均台阶高度的数据，通过阿基米德排水法测量试件致密度。结果 随着线间距的增大，试件的表面质量及致密性都呈先上升后下降的趋势，而试件边缘平面和中间平面的平均高度差则是先增大后减小;随着曝光条件的增强，试件的表面质量和致密性都呈下降的趋势，而试件边缘平面和中间平面的平均高度差则在一定程度上减小。当线间距、曝光时间、点间距分别为0.1 mm、60 μs、30 μm时，试件表面粗糙度最小，为2.563 μm，致密度最大为97.03%;当线间距、曝光时间、点间距分别为0.15 mm、80 μs、40 μm时，试件边缘平面和中间平面的平均高度差最小，为69.865 μm。结论 在低曝光条件下，试件各个位置的表面粗糙度较为均匀，适当调整线间距有利于获得表面质量和致密性良好、表面缺陷较少的试件，并且在一定程度上SLM成形钛合金的表面粗糙度和致密性存在相关性。高曝光条件虽然会降低试件的表面质量，但在一定程度上可以减少试件边缘的凸起现象。
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  激光冲击对海洋工程用E690钢微观组织及性能的影响

  杨青天, 张永康, 池元清, 刘江文, 王铀, 勾俊峰, 莫兆溢, 谭桂斌, 李顺利

  表面技术. 2023, 52(11): 439-447. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.038

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  目的 提高E690钢的耐磨损性能。方法 将E690钢基体经磨床打磨后进行超声清洗，利用PROCUDO^? 200激光冲击系统，对其表面施加冲击强化处理。利用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析激光冲击(LSP)对E690钢微观组织结构的影响。通过显微硬度测试、纳米压痕测试、干滑动摩擦磨损试验，评价未冲击处理和LSP处理E690钢试样的硬度、弹塑性性质和耐磨损性能。结果 LSP作用下，E690钢基体表层晶粒尺寸细化，形成明显的梯度结构，试样的相组成仍然为α相和γ相，但α相最强衍射峰的半高宽由0.218°增大到0.266°。LSP处理后，E690钢基体表层残余应力转变为较大的残余压应力，最大残余应力达到–268 MPa。LSP处理E690钢的影响层深度约为700 μm，表面硬度为(302.5±12.2)HV100，与未冲击处理试样相比，提高了8.7%。LSP处理E690钢试样的弹性模量为(419.80±8.79) GPa，提高了21.4%，弹性恢复功略有提高。LSP处理使得E690钢的摩擦系数由0.59±0.03减小为0.55±0.03，同时使其磨损率降低了32%。未冲击处理和LSP处理E690钢试样的磨损机制为黏着磨损、氧化磨损和磨粒磨损。结论 LSP处理可有效改善E690钢基体表层的微观组织，形成明显的冲击影响层深度，有效提高E690钢基体的硬度和弹性模量，降低其滑动摩擦系数。此外，LSP处理有效提高了E690钢的耐干滑动磨损性能。
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  CeO2含量对激光熔覆Ni45A+TiC复合涂层组织和性能的影响

  练国富, 阙林志, 曹强, 曾嘉怡

  表面技术. 2023, 52(11): 448-456. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.039

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  目的 提高模切刀具刃口层硬度和耐磨性，使刃口层内部组织无缺陷。方法 以Ni45A-TiC-CeO2为熔覆材料，采用激光熔覆技术在AISI 1045钢表面制备不同含量稀土氧化物复合涂层。通过测试，分别研究不同含量CeO2(质量分数0%~5%)对熔覆层物相组成、显微组织、显微硬度和耐磨性能的影响规律。结果 添加CeO2后，熔覆层的物相主要包括TiC、Ni3Fe、Cr7C3、Cr23C6等，少量CeO2的加入未改变熔覆层内主要相的生成，在CeO2的质量分数为5%的条件下，在熔覆层中观测到Ce2O3相。当CeO2的质量分数为2%时，Ni45A-TiC-CeO2复合涂层表面无渣、无裂纹、润湿角较小、宏观形貌最好，从表面到与基体结合处涂层的显微组织无枝晶，组织得到明显细化，TiC形貌细化，且分布较均匀;平均显微硬度最高，为1 388.6HV，是未添加CeO2刃口层的1.151倍;平均摩擦因数和平均磨损体积最小，平均磨损体积为0.259×10^?3 mm³，相较于未添加CeO2的熔覆层，降低了47.358%，涂层的耐磨性能最好。结论 添加适量CeO2有助于改善涂层的宏观形貌，细化微观组织，提高涂层的显微硬度和耐磨性能。
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  激光熔覆Hastelloy C276涂层组织及抗热震性能研究

  马旭峰, 孙耀宁, 马文有, 王岳亮, 卢冰文, 种振曾, 李福海, 陈兴驰

  表面技术. 2023, 52(11): 457-465. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.11.040

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  目的 针对微晶玻璃压延辊在服役过程中因表面频繁承受较大的温度梯度而开裂的问题，研究一种抗冷热疲劳性能突出的高性能防护涂层来延长压延辊服役寿命。方法 采用激光熔覆技术，以扫描速度为800 mm/min、送粉量为26 g/min、光斑直径为4 mm、搭接率为50%、激光功率为2 200 W的工艺参数，在2Cr13基体上熔覆Hastelloy C276镍基合金涂层。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)研究熔覆涂层的微观组织和热震失效裂纹微观形貌、元素分布以及涂层相组成。利用箱式电阻炉对Hastelloy C276熔覆涂层与2Cr13基体进行热震试验。结果 Hastelloy C276熔覆涂层表面无裂纹、成形良好，涂层与基体之间为冶金结合。涂层由γ-Ni、M6C和M23C6相组成。熔覆涂层从基体结合处至表面依次形成了平面晶、胞状组织、柱状树枝晶以及等轴树枝晶，碳化物相均在树枝晶间析出。Hastelloy C276熔覆涂层抗热震失效次数约为2Cr13基体的3倍，最高抗热震次数可达到202，Hastelloy C276熔覆涂层具有良好的抗热震性能。结论 由于Hastelloy C276涂层与2Cr13基体结合紧密且存在热膨胀系数差异，热震时在熔覆结合界面产生了较大热应力，因此裂纹最先在熔覆结合界面处萌生，然后逐渐扩展至涂层表面最终失效。Hastelloy C276涂层的裂纹萌生扩展机制使裂纹在涂层表面出现较晚，有效延长了2Cr13微晶玻璃压延辊抗冷热疲劳寿命。