2023年, 第52卷, 第12期　
刊出日期：2023-12-20

  

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专题——多场赋能清洁切削/磨削
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  纳米生物润滑剂微量润滑磨削性能研究进展

  宋宇翔, 许芝令, 李长河, 周宗明, 刘波, 张彦彬, Yusuf Suleiman Dambatta, 王大中

  表面技术. 2023, 52(12): 1-19. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.001

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  微量润滑是针对浇注式和干磨削技术缺陷的理想替代方案，为了满足高温高压边界条件下磨削区抗磨减摩与强化换热需求，进行了纳米生物润滑剂作为微量润滑的雾化介质探索性研究。然而，由于纳米生物润滑剂的理化特性与磨削性能之间映射关系尚不清晰，纳米生物润滑剂作为冷却润滑介质在磨削中的应用仍然面临着严峻的挑战。为解决上述需求，本文基于摩擦学、传热学和工件表面完整性对纳米生物润滑剂的磨削性能进行综合性评估。首先，从基液和纳米添加相的角度阐述了纳米生物润滑剂的理化特性。其次，结合纳米生物润滑剂独特的成膜和传热能力，分析了纳米生物润滑剂优异的磨削性能。结果表明，纳米生物润滑剂优异的传热和极压成膜性能显著改善了磨削区的极端摩擦条件，相比于传统微量润滑，表面粗糙度值(Ra)可降低约10%~22.4%。进一步地，阐明了多场赋能调控策略下，磨削区纳米生物润滑剂浸润与热传递增效机制。最后，针对纳米生物润滑剂的工程和科学瓶颈提出了展望，为纳米生物润滑剂的工业应用和科学研究提供理论指导和技术支持。
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  航空零部件的金属增材制造光整加工技术研究进展

  刘静怡, 李文辉, 李秀红, 杨胜强, 温学杰, 武荣穴

  表面技术. 2023, 52(12): 20-41. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.002

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  增材制造具有无需模具直接制造、材料利用率高，且对于结构复杂程度不受限制等优点，广泛应用于复杂化、轻量化的航空金属零部件一体化制造。但由于增材制造成形的零部件存在较高的表面粗糙度、复杂的残余应力分布以及难以消除的孔隙缺陷，严重制约了其在工业上的大规模应用。针对高使役性能航空零部件存在的表面完整性问题，概述了金属增材制造的原理及特点，总结了金属增材制造技术在航空领域的国内外应用现状，分析了金属增材制造零部件在批量生产与实际应用过程中所面临的困难与挑战。从加工机理、加工效果、应用范围等角度，重点阐述了化学、电化学、磨粒流、滚磨、激光等光整加工技术在航空金属增材制造领域的加工适应性，并对比分析了不同光整加工技术的优缺点，探讨了多种组合技术的多能场耦合协同效应，研究内容涵盖钛合金、不锈钢、铝合金、铜合金等材料，涉及管类、格栅、点阵、薄壁、曲面、复杂型腔等零部件结构特征。最后，针对航空金属增材制造光整加工领域的未来研究方向及关键技术作出思考与展望。
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  结构化超硬磨料砂轮设计与制备研究进展

  何船, 邓辉, 尉迟广智, 谢宇明, 易军

  表面技术. 2023, 52(12): 42-56. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.003

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  从减摩降力、导屑促排、储液换热的角度出发，探索结构化砂轮在降低磨削力及磨削温度、抑制工件表面热损伤、提高工件加工表面完整性等方面的有效方法。以砂轮表面/基体结构的几何形状、三维尺寸及排布方式等因素对磨削性能的影响为主线，对结构化砂轮设计、制备的基本原理与最新进展进行了全面的论述和总结，重点揭示了结构表征参数-砂轮磨削性能-工件表面质量的内在关联，深入剖析了结构化砂轮在磨削中的优越性，并预测了其未来发展趋势，旨在为推进超硬磨料结构化砂轮的设计及制备技术发展提供理论指导和实践经验。
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  基于净切削比能的钛合金清洁切削加工表面完整性研究

  李安海, 张茹凤, 赵军, 周咏辉, 魏书雷

  表面技术. 2023, 52(12): 57-64. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.004

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  目的 探究钛合金清洁切削过程中能量消耗的变化与加工表面完整性的关系，通过切削参数优化选择，以实现加工表面质量的控制，从而提高钛合金高效洁净制造零件的使用寿命和服役性能。方法 本文提出一种基于能量消耗的过程签名方法，来描述多工步清洁切削加工过程与加工表面完整性的相互影响。建立了净切削比能计算模型，结合钛合金两工步铣削试验，分析了粗加工参数变化对粗加工、精加工切削力，以及净切削比能的影响规律，并进一步对两工步加工过程中的净切削比能展开研究。本文研究了不同粗加工参数条件下粗加工和精加工表面残余应力及微晶尺寸的变化规律。结果 切削力和切削参数的变化均会影响净切削比能的大小。多工步切削加工过程中，粗加工和精加工切削参数的不同会改变净切削比能，进而引起表面完整性的变化。对切削比能影响最大的是径向切深，其次是进给量、切削速度。随着进给量和径向切深的增大，切削比能降低;随着切削速度的升高，净切削比能先增大后减小。净切削比能较大时，加工表面层残余应力较大，微晶尺寸较小。结论 在保证加工质量的前提下，从节能降耗的角度出发，选取合适的切削速度、较大的切削深度、进给量，从而降低净切削比能、减少能量消耗，提高加工表面完整性。
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  渗碳辅助磨削强化表面创成机制研究

  徐春伟, 张贺, 修世超, 洪远, 孙聪

  表面技术. 2023, 52(12): 65-73. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.005

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  目的 探究渗碳辅助磨削表面材料动态强化去除机制。方法 以20CrMnTi为研究对象，首先进行渗碳辅助磨削的探索性试验，分析磨削微渗碳的可行性。其次，基于磨粒与工件材料间的相互作用，提出一种动态表面创成模型，分析增碳表面的渗碳效果。最后，结合磨削渗碳强化试验验证增碳表面性形协同提升效果。结果 磨削接触区的微渗碳效应增大了表面的碳含量，使得表面在冷却阶段更易析出强化相。该方法可有效提高加工表面的硬度(最大提升了60%)。微渗碳效应使得表面材料硬化，同时抑制了脊状突起的形成，使切屑更易形成，从而提高表面精度(粗糙度Ra降低了0.3 μm)。结论 针对低碳钢表面的高性能制备，提出了一种新的渗碳辅助磨削强化方法，该方法可实现表面材料的微渗碳。在强参数磨削热作用下表面材料会发生奥氏体–马氏体转变，显著提高了硬度。同时，微渗碳作用可削弱表面材料的塑性及犁削作用，提高表面加工质量。
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  熔石英磨削的残余应力层深度预测研究

  宗傲, 彭凯, 唐超, 王科荣, 周大庆, 范永见, 侯天逸, 朱永伟, 李军

  表面技术. 2023, 52(12): 74-82. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.006

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  目的 磨削后工件表面残余应力处于裂纹层下方其位置隐蔽、不易检测，使用过程中受到应力作用易扩展成裂纹，影响后续工艺参数设计和工件使用寿命。因此，研究磨削后表面残余应力层深度有助于确定后续工艺加工余量，提高工件使用性能。方法 本文采用离散元法建立单颗磨粒磨削熔石英的离散元模型，研究磨粒粒径对工件亚表面损伤深度的影响。采用角度抛光法和差动腐蚀法测量熔石英亚表面裂纹层和损伤层深度，计算残余应力层深度并验证模型。结果 当磨粒粒径分别为7、14、28、40 μm时，仿真得到的裂纹层深度分别为2.53、3.02、4.07、7.39 μm，残余应力层深度分别为0.75、1.00、1.34、2.33 μm;实验测得的裂纹层深度分别为2.51、3.14、4.65、8.16 μm，残余应力层深度分别为0.86、0.93、1.31、1.87 μm。由此可见，随着磨粒粒径的增大，工件表面的脆性去除愈加明显，表面质量变差，亚表面裂纹层深度和残余应力层深度增大。仿真预测裂纹层深度与实验值偏差小于15%，残余应力层深度偏差小于25%，残余应力层深度约为裂纹层深度的1/4~1/3，随磨粒粒径增大，比例逐渐减小。结论 离散元仿真可有效预测熔石英磨削后的残余应力层深度，为其磨削工艺的制定提供参考。
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  磨削诱导单晶高温合金微观组织演化机制研究

  徐运超, 李景栋, 张智信, 庞桂兵, 巩亚东

  表面技术. 2023, 52(12): 83-90. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.007

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  目的 通过对零件磨削表面的微观组织进行表征，探讨高温和大应变条件下单晶高温合金晶体取向和位错的演化机制。方法 采用场发射扫描电子显微镜对磨削亚表面微观组织形貌进行观察，通过X射线衍射技术对磨削前后表面晶体取向进行分析。利用聚焦离子束定向切割技术制备了磨削表面透射电子扫描样品，采用透射电子显微镜和透射菊池衍射方法对表面白层以及塑性变形层晶体取向以及位错分布进行了表征。结果 磨削后单晶高温合金表面形成强烈塑性变形，原始单一取向发生改变，形成多晶衍射峰特征。磨削表面深度方向上形成具有不同晶粒尺寸和取向的梯度组织结构。选区衍射花样显示原始单晶材料的衍射斑点转变为多晶材料的衍射环。磨削表面由于强烈剪切变形和磨削热产生微纳尺度的动态再结晶现象，同时形成高密度位错结构。磨削表面产生强烈的剪切应变，使晶体向有利于剪切变形的方向旋转，形成了R-Cube织构和F剪切织构。结论 单晶高温合金磨削表面微观组织演化是基于微纳尺度的动态再结晶和位错滑移运动进行的。
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  仿鸟羽结构自润滑金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷实验研究

  温东东, 张晓红, 万林林, 蒋洁, 丁跃浇, 何田仲森

  表面技术. 2023, 52(12): 91-101. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.008

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  目的 减少金刚石砂轮磨削工程陶瓷材料时的砂轮磨损，改善加工表面质量。方法 以人造金刚石为磨料，青铜结合剂为黏结剂，加入一定质量分数的二硫化钼和二氧化钛纳米颗粒作为填充材料，制备出青铜结合剂自润滑金刚石砂轮。利用脉冲激光在金刚石砂轮表面烧蚀出经设计的仿鸟羽减阻几何结构，得到新型仿鸟羽结构自润滑金刚石砂轮。制备了4种不同工况砂轮，传统青铜金刚石砂轮(TGW)、纳米自润滑金刚石砂轮(NGW)、仿鸟羽结构化金刚石砂轮(FGW)、仿鸟羽结构化纳米自润滑金刚石砂轮(FNGW)以对比其磨削性能差异。开展SiC陶瓷磨削实验，研究FNGW磨削机理。从磨削力、表面质量、砂轮磨损3个方面评价FNGW磨削性能。结果 纳米颗粒的加入不会降低砂轮力学性能，砂轮表面的仿鸟羽结构激光成型烧蚀质量较高，对未烧蚀区域没有影响。与TGW相比，FGW除工件表面粗糙度值Ra与砂轮磨损有略微改善外，其他磨削性能都有明显提升。NGW磨削性能都有所提升，但提升效果不太明显。结合二者优势的FNGW，其各磨削性能都有显著提升。其中磨削力最大降低了65.1%，工件表面粗糙度值Ra最大降低了21.5%，砂轮磨损明显减少，有效提升了砂轮的使用寿命。结论 所提出的FNGW，在磨削过程中利用磨削弧区内部自我供给纳米复合固体颗粒的控释成膜作用，改善磨削弧区核心部位的润滑及材料去除方式，通过鸟羽减阻结构实现高效冷却及流畅排屑，以此提高砂轮表面结构的抗磨损性能，同时改善陶瓷材料零件的加工表面质量。
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  钛合金结构件磁流变电解复合抛光试验研究

  梁志强, 苏志朋, 胡雨童, 冯铭, 杜宇超, 刘宝隆, 李兵, 周天丰

  表面技术. 2023, 52(12): 102-111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.009

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  目的 针对钛合金结构件高质高效抛光需求，提出了磁流变电解复合抛光新方法，探究不同抛光参数对钛合金表面质量的影响，以实现钛合金构件的高质高效抛光。方法 深入探究了加工电压、加工间隙、电解质质量分数和抛光转速等参数对钛合金抛光表面粗糙度以及粗糙度变化率的影响，分析了不同抛光参数下的钛合金表面形貌变化，验证了磁流变电解复合抛光钛合金的可行性。结果 随着电解液中NaNO3质量分数的提高，钛合金表面粗糙度先减小后增大，质量分数为1.0%~2.5%时，得到了优于单磁流变抛光加工的抛光效果。不同加工电压下的表面粗糙度对比结果表明，在加工电压为0.1 V时，钛合金加工后表面粗糙度达到最小，而后随着加工电压的增大，加工区域表面粗糙度呈现增大趋势;随着加工间隙的增大，钛合金抛光表面粗糙度呈现先减小后增大的趋势;随着抛光工具转速增大，钛合金加工后表面粗糙度先减小后增大。相比于单一的磁流变抛光，磁流变电解复合抛光钛合金90 min，可使表面粗糙度从初始323 nm降低至15 nm，加工效率提高了62.5%。结论 磁流变电解复合抛光工艺能够用于钛合金人工关节假体高效高质量的抛光。
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  基于混合粒径的TC4钛合金低粗糙度磁力研磨研究

  陈晓明, 徐成宇, 季冬锋, 刘宁, 朱永伟

  表面技术. 2023, 52(12): 112-118, 159. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.010

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  目的 获得更低粗糙度的TC4 钛合金零件表面。方法 采用黏结法制备不同粒径的磁性磨料，依次运用粒径为150~250 μm和63~106 μm的磁性磨粒以及这两种粒径的混合磨料进行磁力研磨对比实验，分析基于混合粒径的TC4钛合金低粗糙度磁力研磨可行性。基于磁性颗粒动力模型，根据最小能量原理分析了混合粒径磁力链的微结构，并利用体式显微镜对单粒径和混合粒径磁力链进行对比分析。结果 单粒径和混合粒径磁力研磨在12 min时钛合金工件表面粗糙度均约为0.11 μm，此时单一粒径趋于平衡，而混合粒径磁力研磨的表面粗糙度继续下降，在16 min左右达到最低，为0.084 μm，比单一粒径降低了20%，工件表面初始划痕和凹坑得到了更好的去除，加工后表面纹理更为致密。大粒径磁力链颗粒能量最小，约为?3.6×10^?13 J，其次是混合粒径磁力链结构，颗粒能量约为?2.1×10^?13 J，而小粒径磁力链结构颗粒能量约为?0.45×10^?13 J，是大粒径和混合粒径磁力链的5~9倍，这说明小粒径颗粒不易形成单独磁力链。结论 混合粒径磁力链中，小粒径颗粒不易形成单独磁力链，而是吸附在大粒径磁力链间隙中，提高了磁力刷的刚性和密度，不同粒径的磨粒同时参与研磨，从而在混合粒径磁力研磨TC4钛合金中能够有效的降低表面粗糙度。
专题——表面润湿性调控及应用
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  激光加工超疏水表面抗结冰性能研究进展

  郭纯方, 刘磊, 刘森云, 李康妹, 吴重军, 梁越昇

  表面技术. 2023, 52(12): 119-134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.011

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  在低温环境中，表面结冰会严重影响户外装备的运行效率和安全，基于疏水材料的新型被动式防除冰方法引起了广泛关注。超疏水表面凭借其优越的拒水、抑制冰核形成和降低冰黏附强度等能力，在防除冰技术领域表现出广阔的应用前景。激光加工技术具有高效率和灵活性，成为制备超疏水表面的有效方法，并被进一步用来研究表面的抗结冰性能。首先，概述了固体表面润湿理论和结冰机理。其次，综合评估了激光加工超疏水表面的抗结冰性能，包括静态水滴延迟结冰时间、动态水滴累积、冰黏附强度、延迟结霜与抗冻能力、表面积冰与除冰等方面。静态水滴延迟结冰时间受到水滴与表面接触界面的成核速率和传热速率的影响，动态水滴累积与表面润湿性密切相关，冰黏附强度反映了表面对冰的附着性和除冰的难易程度。超疏水表面具有显著的延迟结冰能力，但在低温高湿条件下，表面的超疏水性可能会减弱，甚至失效。除冰过程也可能破坏超疏水表面的微观结构，进而影响其持续的抗结冰性能。最后，对超疏水表面激光加工与抗结冰性能的未来研究方向进行了展望。
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  基于超疏水表面的主被动复合防/除冰技术研究进展

  许露晴, 石珍旭, 刘祯达, 刘蕊迪, 杨邱程, 潘梦瑶, 刘森云, 王德辉, 邓旭

  表面技术. 2023, 52(12): 135-146. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.012

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  介绍了光热、电加热、磁能、声波能与超疏水表面相结合的主被动复合防/除冰技术及其机理与应用，阐述了以上复合型防/除冰技术的优势与不足。其中，光热复合技术具有耗能低、材料选择多样化等优点;电加热复合技术工艺简单，易于规模化制造;磁能复合技术可满足复杂场景的防/除冰应用需求;声波复合技术则具有结构简单的优势。此外，同时复合多种能场可进一步提升防/除冰工作效率，是主被动复合技术的发展趋势之一。最后，阐述了基于超疏水表面的主被动复合防/除冰技术的不足之处，并展望了复合防/除冰技术的应用研究前景。
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  网电极沿面介质阻挡放电等离子体润湿性改性及清洗性能研究

  顾睿, 何淑豪, 冯凯, 黄帅

  表面技术. 2023, 52(12): 147-159. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.013

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  目的 针对大气压等离子体装置存在的等离子体面积小、温度高及均匀性差等问题，研发一种网电极沿面介质阻挡放电装置和等离子体清洗平台。方法 通过静电场仿真和实验，优化装置的结构参数，通过分析放电波形探究装置的放电特性。最终确定网孔的对角线尺寸为6 mm，采用厚度为0.3 mm的云母片作为介质材料。通过清洗平台对涂有润滑油的玻璃表面和铝片表面进行清洗实验，并通过AFM、SEM、EDS对清洗前后的表面形貌和元素组分进行分析，探究等离子体清洗机理。结果 放电装置的电场强度和放电功率与网孔尺寸、介质材料的相对介电常数及放电电压呈正相关，与介质厚度呈负相关，放电装置的放电功率随着频率的增加呈先增大后减小的趋势，样品表面接触角随着电压的增大显著降低，随着放电频率的增加呈先减小后增大的趋势，并在5.29 kHz时达到最大放电功率(79 W)。通过试验得到了玻璃的最优清洗参数，电压峰值为11.52 kV，放电频率为5.29 kHz，处理距离为0.3 mm，处理时长为20 min，样品移动速度为2 mm/s。得到了铝片的最优清洗参数，放电电压峰值为11.60 kV，放电频率为5.29 kHz，处理距离为0.3 mm，处理时长为30 min，样品移动速度为2 mm/s。结论 从润湿性改变、光学显微镜照片、扫描电镜、原子力显微镜及表面元素的角度对样本表面的油污进行检验，经检验发现，样品表面的油污被去除，并显著改善了其润湿性。等离子体清洗以化学反应为主，可在不对表面造成损伤的前提下去除表面有机污染物。
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  异形微结构表面润湿特性数值研究

  孙小涵, 党超, 王小伟

  表面技术. 2023, 52(12): 160-168, 187. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.014

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  目的 通过表面异形微结构设计实现低表面能有机工质的润湿性调控。方法 运用VOF模型针对不同表面能工质液滴在多种异形微结构表面的润湿情况进行仿真研究，着重分析了微结构构型、微结构间距、宽度等几何参数尺寸对液滴润湿行为的影响，提出了微结构表面实现润湿状态转变的临界判别准则。结果 研究发现单层双折返微结构疏液性能远优于单层单折返和单层柱形微结构表面，可以在不依赖表面化学的情况下，实现本征接触角为5°的低表面能工质的超疏水状态。单层柱形微结构在间距100~250 μm时，临界本征接触角大于90°。单层单折返微结构在间距100~250 μm时，临界本征接触角大于19°。双层异形微结构疏液性明显低于单层异形微结构。结论 相较于单层柱形微结构和单层单折返微结构，单层双折返微结构可以实现对低表面能工质的排斥，液滴在异形微结构间距较大、宽度较小的条件下，也能保持良好的超疏水性。双层异形微结构由于结构尺寸较小，毛细力作用显著，表面疏液性能仅与上层微结构有关，下层结构的能量壁垒失效。除此之外，基于研究内容，利用异形微结构润湿性差异，提出了可实现低表面能液滴定向运输的异形微结构表面。
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  实验参数对力曲线中Cassie-Wenzel状态转换信息的影响

  金卫凤, 李鑫, 李健, 张家宇, 郑浩

  表面技术. 2023, 52(12): 169-177. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.015

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  目的 探明合适的实验参数范围，以获取稳定的润湿状态转换信息，考察实验系统误差、实验过程参数、表面润湿性能和润湿状态转换条件等对力曲线上润湿状态转换信息的影响规律。方法 根据力曲线法的理论，计算出采用不同实验参数时获取的含有润湿状态转换信息的力曲线，并采用文献的实验结果验证理论计算分析出的实验参数影响规律。结果 采用体积为0.1 mL的液滴进行挤压液滴实验时，1 μm的距离误差和0.8 mN的作用力误差即可保证力曲线上润湿状态转换信息较为明显。对于一般精度的测试系统，能保证较为明显的润湿状态转换信息的液滴体积为0.050 mL以上，加载步长的优选值区间为10~25 μm，精度较高的系统可应用体积为0.010 mL的液滴。加载表面的润湿性能对力曲线上的润湿状态转换信息影响较小，待测表面在Cassie状态的润湿性能影响也较小，但待测表面在Wenzel状态的接触角大可能使代表润湿状态转换信息的凸起宽度减小。借助于润湿状态转换过程中液滴充填进超疏水表面微结构内导致的作用力下降信息，可增强力曲线上的润湿状态转换信息。结论 通过选用较小的距离误差和作用力误差，采用大体积液滴和可变加载步长，可以增强力曲线上的润湿状态转换信息，液滴充填微结构引起的力曲线上大幅度的凹陷也可以作为润湿状态转换的标志。
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  十二烷基硫酸钠水溶液液滴在微凹槽阵列PDMS表面上的电润湿行为实验研究

  廖洋波, 黄先富, 卢应发, 余迎松

  表面技术. 2023, 52(12): 178-187. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.016

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  目的 研究十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate, SDS)水溶液液滴在微凹槽阵列聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)表面的电润湿行为特征。方法 采用注入析出法，测量含KCl的SDS水溶液液滴在微凹槽阵列非浸润表面的接触角滞后。通过施加直流电压，研究SDS浓度和表面粗糙度对含KCl的SDS水溶液液滴的电润湿行为的影响。结果 微凹槽阵列非浸润表面表现出较强的润湿各向异性，与平行于微凹槽方向上的表观接触角(110°≤θe≤141°)、前进角(116°≤θa≤144°)和后退角(99°≤θr≤137°)相比，垂直于微凹槽方向上的表观接触角(142°≤θe≤165°)、前进角(159°≤θa≤177°)和后退角(118°≤θr≤140°)普遍更大。当表面固定时，水溶液液滴电润湿的启动电压和饱和电压，以及发生润湿状态转变所需的电压均随着SDS浓度的增加而减小。当水溶液中SDS的浓度固定时，沿垂直于凹槽方向的启动电压随着固相分数的减小而减小，沿平行于凹槽方向的启动电压随着固相分数的减小而增大，而饱和电压均随着固相分数的减小而减小。结论 添加十二烷基硫酸钠可以有效降低SDS水溶液液滴电润湿的启动电压和电润湿过程中水溶液液滴在微凹槽PDMS表面润湿状态转变所需的电压，使得SDS水溶液液滴在微凹槽阵列PDMS表面的电润湿行为发生了改变。
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  厘米尺度亲疏水间隔表面水下气膜维持效果及机理研究

  张照, 许晓慧, 黄金艺, 牟震林, 苑伟政, 何洋, 吕湘连

  表面技术. 2023, 52(12): 188-196. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.017

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  目的 面向水下航行器减阻技术挑战，克服现有全超疏水表面气膜维持效果较差的问题，提出了厘米尺度的亲疏水间隔表面水下气膜维持思路，以获得更高的水下减阻性能。方法 采用k-ω湍流模型对厘米尺度的亲疏水间隔表面、全超疏水表面进行了流速0.5 m/s的水流冲刷模拟仿真，其中亲疏水间隔表面设定凹槽中的超疏水表面接触角为165°，亲水间隙接触角为45°;全超疏水表面的接触角均为165°。随后基于仿真结果，对厘米尺度的2种表面在不同水流速度和供气条件下进行水流冲刷实验，研究了这2种表面在不同实验条件下的气膜形状变化。结果 仿真结果显示亲水间隙的存在使凹槽内的气体受到钉扎束缚作用，可以实现气膜维持。实验结果显示在厘米尺度下，全超疏水表面在流速为0.55 m/s的条件下气膜维持情况较好，但在流速达到0.94 m/s，雷诺数为Re=14 030时，实验部分的流动状态为湍流状态，凹槽内气膜覆盖的面积时有变化，能覆盖的面积一般不超过凹槽面积的50%，很难维持完整的气膜;而在0~1.2 m/s的流速范围内，亲疏水间隔表面能够在超疏水区域始终维持稳定气膜表面，具有好的气膜维持效果。结论 相比均匀的全超疏水表面，亲疏水间隔表面能够因其前后接触角差异为气膜提供最大的束缚力，具有良好的气膜维持性能;由于其能束缚的气膜厚度更大，表面速度滑移更大，所以能产生更好的水下减阻效果。
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  化学刻蚀-阳极氧化复合制备钛合金超疏水表面试验研究

  马宁, 张鑫宇, 孙岩, 龙芳宇, 孙凯伦

  表面技术. 2023, 52(12): 197-205, 273. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.018

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  目的 提高TC4钛合金超疏水表面的疏水性、耐腐蚀性与力学性能。方法 首先选择化学刻蚀法对TC4钛合金进行处理制备出微米级结构，再采用阳极氧化法制备出纳米级结构，最终在试样表面制备出了具有微纳分级结构的超疏水表面。通过观察微观结构表面、Tafel测试、线性磨损试验、抗冲击性测试以及防冰性能测试，分别对H2O2刻蚀、强酸刻蚀、阳极氧化、H2O2刻蚀-阳极氧化和强酸刻蚀-阳极氧化制备的超疏水表面进行性能对比。结果 使用双氧水-碳酸氢钠混合溶液制备出的超疏水表面接触角为156.4°，滚动角为2.7°;硫酸-盐酸混合溶液制备出的超疏水表面接触角为153.1°，滚动角为7.6°;阳极氧化法制备的超疏水表面接触角为156.3°，滚动角为4.2°;双氧水-碳酸氢钠混合溶液刻蚀并阳极氧化处理后，表面接触角为157.6°，使用硫酸-盐酸混合溶液刻蚀并阳极氧化处理后，表面接触角为155.9°，二者滚动角均小于2°。复合方法制备的表面疏水性能优于单一方法制备的超疏水表面。超疏水试样的OCP都高于TC4钛合金，经过强酸刻蚀和阳极氧化处理后的超疏水试样，其OCP正移到0.08 V，Jcorr降低了1个数量级，Rp增大了1个数量级，耐腐蚀性能明显提高。复合方法制备的超疏水表面在经过多次线性磨损以及经历200 g落沙冲击后，表面接触角仍能保持150°以上，滚动角为10°左右，仍保持了超疏水性能。结论 采用复合方法制备的具有微纳分级结构的超疏水表面相较于单一结构的超疏水表面具有更好的疏水性、耐腐蚀性、耐磨损性和抗冲击性。
研究综述
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  Cr涂层锆合金事故容错燃料包壳材料研究进展

  严俊, 廖业宏, 彭振驯, 王占伟, 李思功, 马海滨, 薛佳祥, 任啟森

  表面技术. 2023, 52(12): 206-224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.019

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  自2011年日本福岛核事故后，事故容错燃料成为核电企业和相关科研机构的研究重点，旨在提升反应堆燃料系统的可靠性与安全性。锆合金包壳表面涂层技术是事故容错燃料研发的短期目标之一，其中，Cr涂层锆合金包壳为当前的主要技术路线。围绕涂层制备工艺、微观组织以及关键服役性能三方面，对Cr涂层锆合金的相关研究进展进行了综述。首先，对比介绍了锆合金表面金属Cr涂层制备工艺及其特点，涵盖了物理气相沉积、冷喷涂和3D激光熔覆等技术，同步介绍了国际核电巨头所采用的制备工艺及相关研发进展。其次，简单阐述了Cr涂层微观组织特征，重点阐述了正常运行工况下Cr涂层锆合金高温高压水腐蚀性能、高温高压水微动磨蚀性能、高温力学行为和辐照行为，以及事故工况下该材料体系高温内压爆破行为、高温蒸气氧化-淬火行为等，并同步针对其微观辐照机制、高温氧化/腐蚀机制等进行了归纳和深入分析。最后，对当前研究所存在的问题和未来发展方向进行了归纳分析。
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  服役于海洋环境的金属管道防护涂层研究进展

  王传彬, 李秀一, 徐志刚, 彭健, 夏禹, 张颖, 沈强

  表面技术. 2023, 52(12): 225-248. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.020

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  金属管道是实现气、油、矿等海洋资源连续、快速运输的重要载体。在复杂严酷的海洋环境中，金属管道的内、外壁要同时承受海水环境和运输物质带来的化学腐蚀与物理摩擦耦合工况，极易发生由腐蚀与磨损导致的管道破坏和失效。对金属管道进行表面涂层改性与强化处理是提升其使役性能最直接有效的方法。为此，综述了海洋环境和运输介质对金属管道的腐蚀磨损行为，并按照涂层的物质种类(金属涂层、陶瓷涂层和高分子涂层)，介绍了常见的海洋金属管道防护涂层研究现状，全面总结对比了不同防护涂层材料的微观结构、力学性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能及其腐蚀作用机理，以期为涂层新材料及新结构的创新设计与性能优化提供有益借鉴。在此基础上，对未来海洋金属管道防护涂层材料的发展趋势及其组分结构的研究方向进行了展望，以求为海洋金属管道防腐领域的研究提供一定的参考与支撑。
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  羟基硅酸镁在润滑领域的应用研究进展

  谢爽爽, 段春俭, 高传平, 张晟卯, 张平余

  表面技术. 2023, 52(12): 249-259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.021

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  针对国内外关于羟基硅酸镁纳米微粒在润滑领域的研究报道进行了详细综述。首先，从羟基硅酸镁的结构特点入手，介绍了其在摩擦学领域的应用，然后列举了羟基硅酸镁纳米微粒的制备方法，总结了化学方法合成羟基硅酸镁纳米微粒过程中的不同反应条件，以及对其形貌调控的影响作用。其次，针对改善羟基硅酸镁在润滑油中的分散稳定性而采用的方法进行了概括。随后讨论了羟基硅酸镁纳米微粒在不同摩擦参数、摩擦对偶以及与稀土元素杂化的摩擦学性能变化规律，分析了其在摩擦副表面的摩擦膜形成机制与作用机理。在已报道的文献基础上，归纳总结了羟基硅酸镁纳米微粒能够产生抗磨减摩性能的潜在润滑机制。最后，提出了未来羟基硅酸镁纳米微粒在润滑领域应用推广所面临的问题与挑战，并针对已有问题给出了相应的解决思路。
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  极地海洋环境服役材料的摩擦学研究进展

  徐昊钺, 安丽琼, 董丽华, 范润华

  表面技术. 2023, 52(12): 260-273. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.022

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  随着北极航行的发展及极地资源开发的需要，如何提高极地海洋环境服役材料的摩擦学性能愈发重要。在极地海洋环境中，碎冰、冰层和海水中的腐蚀性物质会使材料受到摩擦磨损、腐蚀及其耦合的影响;低温潮湿环境会增加材料的脆性、使材料表面覆冰、改变材料的摩擦磨损机理;强紫外线会加速涂层老化;这些因素都会降低材料的耐磨性能，最终导致材料失效。因此，极地海洋环境服役材料的摩擦学与材料的性能、服役寿命息息相关。本文介绍了极地探索所面临的摩擦磨损问题;阐述了极地温度、极地海洋大气及海水成分、海冰运动和极地微生物等极地海洋环境特点及其对材料摩擦学性能的影响;重点介绍了金属材料、无机非金属材料、高分子材料在极地海洋环境下的摩擦学进展;探讨了提升材料在极地海洋环境下的耐磨防腐技术，如改性、表面修饰等;最后，结合极地海洋环境服役材料摩擦磨损研究中所面临的问题及发展趋势，对未来极地海洋服役材料的摩擦学研究工作进行展望。
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  高熵陶瓷薄膜晶体结构、制备及其功能特性研究进展

  谷佳慧, 魏东博, 高泽宇, 刘建华, 胡玉锦, 张平则

  表面技术. 2023, 52(12): 274-288, 314. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.023

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  高熵陶瓷薄膜是在高熵合金薄膜中掺入C、N、O等非金属元素形成的碳化物、氮化物、氧化物等性能更优异的薄膜材料。由于高熵陶瓷薄膜具有组分可调节空间大、熵效应独特及材料性能可调控等优点，因此高熵陶瓷薄膜无论是作为结构材料还是功能材料，都有望成为综合多种优异性能的薄膜材料。首先介绍了含有C、N、O等不同非金属元素的高熵陶瓷薄膜的晶体结构，并研究了改变晶体结构的影响因素。除了掺入薄膜中的C、N、O等非金属元素含量会对薄膜的晶体结构产生显著影响外，制备工艺中的工艺参数也会对高熵陶瓷薄膜的晶体结构产生影响。例如，随着基底温度的升高，高熵氮化物薄膜会由非晶结构转变为简单的FCC固溶体结构。另外，基底偏压虽不能直接影响高熵陶瓷薄膜的晶体结构，但对薄膜的择优取向有着显著影响。综述了制备高熵陶瓷薄膜常用的技术，包括磁控溅射技术、脉冲激光沉积技术、真空电弧沉积等。综述了目前国内外研究者对高熵陶瓷薄膜的功能特性的研究进展，包括抗辐照性、扩散阻挡性、电催化性、磁学性、生物相容性等。最后总结了高熵陶瓷薄膜的应用，并指出了目前研究的不足，以及高熵陶瓷薄膜未来的研究方向。
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  超亲水?超疏油无机膜材料的制备及在油水分离中的应用

  蔡鑫宇, 李莉, 王金杰, 李旋坤, 刘阳, 李光辉, 饶品华

  表面技术. 2023, 52(12): 289-297. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.024

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  超亲水?超疏油无机膜材料具有抗污染能力强、环境耐受性好等优点，因而在含油废水处理领域具有较好的应用前景。介绍空气中超亲水?超疏油及超亲水?水下超疏油无机膜材料的制备理论基础，从选择膜改性材料角度出发，系统总结归纳空气中超亲水?超疏油和超亲水?水下超疏油2种无机膜材料的制备方法。制备空气中的超亲水?超疏油无机膜材料主要采用含氟材料，并构造亲水性粗糙表面，通过添加含氟材料降低膜表面能中的色散分量。构造亲水性粗糙表面的方法大多引入亲水性纳米颗粒，以增加膜表面能中的极性分量，从而获得亲水特性。制备超亲水?水下超疏油无机膜材料主要通过构造亲水性粗糙表面获得相应性能。材料的选取通常以亲水性聚合物和亲水性纳米颗粒为主。超亲水?超疏油无机膜材料大多应用于以含油废水处理与废油净化为主的环保领域，相较于“除水过油”处理方式，它具有耐油污性能好、通量高等优点。最后提出了目前该领域研究中存在的一些问题和不足之处，展望了该领域未来的发展方向。
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  光催化型超疏水自清洁涂层研究现状

  张应轩, 鲁浈浈, 葛倩倩, 陈健, 张晓青

  表面技术. 2023, 52(12): 298-314. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.025

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  光催化型超疏水自清洁涂层是在超疏水涂层的基础上通过物理、化学方法复合光催化材料获得光催化性能，使涂层可以在光照作用下将有机附着物进行分解并通过超疏水表面达到自清洁的效果。本文对国内外光催化型超疏水自清洁涂层的构建方式进行总结，将其归纳为表面构造法、共混法、包覆法3类，构造方法的不同对涂层性能的影响方面也有所区别。与单一功能的超疏水涂层相比光催化型超疏水自清洁涂层更能解决实际应用中所面临的问题。此外，本文对光催化型超疏水自清洁涂层的相关性能进行了横向对比，对影响涂层性能较为关键的耐久性能进行了整体的整理分析，并归纳了目前研究当中的光催化型超疏水自清洁涂层的机械耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性和自愈性能，分析了其耐久性提升机制。最后，对光催化型超疏水自清洁涂层未来的应用前景进行了展望，建议从超疏水-光催化协同作用机制、基底结合强度提升、成本控制和复合涂层自修复等方面对光催化型超疏水自清洁涂层进行研究。
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  医用镁合金微弧氧化/有机复合涂层的研究现状及演进方向

  冀盛亚, 常成, 常帅兵, 倪艳荣, 李承斌

  表面技术. 2023, 52(12): 315-334. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.026

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  医用镁及镁合金过快的降解速率严重缩短了其有效服役时间，过高的析氢速率引发局部炎症，束缚了其临床应用前景。微弧氧化(MAO)/有机复合涂层良好的抑蚀降析性能，在医用镁及镁合金表面改性领域展现出巨大的应用潜力。首先，从有机材料(植酸(PA)、壳聚糖(CS)、硬脂酸(SA)、多巴胺(DA)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、聚已内酯(PCL))自身的组织及性能特征入手，分析了单一有机涂层提高镁及镁合金耐蚀性的作用机理，并指出单一涂层自身的性能弱点(单一MAO涂层微孔和裂纹的不可避免，单一有机涂层与镁合金结合强度低，易于剥落)限制了对镁合金降解保护效能。其次，从结合强度、耐蚀性、多功能性(生物安全性、生物相容性、诱导再生性、抑菌抗菌性、载药缓释性等)的角度，详细阐述了各MAO/有机复合涂层的结构特点、优势特征。在此基础上，明确指出以MAO/PCL(MAO/CS)复合涂层为基底涂层，通过PCL(CS)涂层与其他涂层的交叉组合，是实现医用镁合金植入材料的生物活性及多功能性的最佳路径。最后，对镁合金MAO/有机复合涂层的演进方向进行了科学展望。
摩擦磨损与润滑
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  界面滑移对阶梯滑块轴承润滑行为的影响

  荆兆刚, 郭峰, 金微, MITJAN Kalin, MARKO Polajnar, 王永强, 刘成龙

  表面技术. 2023, 52(12): 335-342. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.027

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  目的 研究入/出口阶梯面界面滑移对阶梯轴承油膜厚度和摩擦因数的影响。方法 通过建立考虑入/出口阶梯面不同程度的界面滑移的一维阶梯滑块模型，求解不同入/出口滑移比例下的油膜厚度和摩擦因数。在阶梯滑块工作面制备含氟类金刚石涂层(F-DLC)，在平行间隙条件下研究了有无含氟类金刚石涂层对油膜润滑性能的影响，并与理论计算结果进行比较。结果 当滑移只发生在入口阶梯面时，随着滑移程度的增大，油膜厚度增大，摩擦因数减小;当滑移只发生在出口阶梯面时，随着滑移程度的增大，油膜厚度减小，摩擦因数减小。当润滑油在入口和出口阶梯面均发生滑移时，会产生油膜厚度及摩擦因数同时减小或油膜厚度增大而摩擦因数减小2种结果。试验结果表明，F-DLC涂层阶梯滑块的膜厚最大且摩擦因数最小，没有涂层的结论与之相反。产生这一特殊现象是由于润滑油在阶梯滑块入口区和出口区的滑移程度不同。由于激光加工形成了微凸体结构以及F-DLC涂层的协同作用，入口区的滑移程度比出口区的大，从而膜厚增大;同时滑移的存在使其摩擦因数降低。结论 在入/出口的界面滑移对阶梯滑块轴承的影响下，会产生2种结果，得到了可以同时满足油膜承载力增大且摩擦因数减小的入/出口滑移比例关系。通过试验验证了在阶梯滑块表面发生一定滑移的条件下，会在理论计算的油膜厚度增大的同时出现摩擦因数减小的情况。
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  空间滚动轴承MoS2薄膜三体接触摩擦分析

  董绍江, 程伟伦, 胡小林, 徐向阳, 潘雪娇

  表面技术. 2023, 52(12): 343-350, 368. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.028

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  目的 针对太空尘导致的固体润滑轴承失效机理难以揭示的问题，提出采用分子动力模拟的方法，从原子尺度对空间滚动轴承二硫化钼(MoS2)润滑薄膜的摩擦特性进行研究。方法 首先建立MoS2薄膜的原子模型，在此基础上，根据实际场景，将MoS2薄膜的摩擦接触条件分为两体和三体接触。其次，通过对比两体和三体接触的摩擦结果，探究三体接触条件下MoS2薄膜的摩擦磨损机理。最后，通过改变基底结构，探究粗糙基底对MoS2薄膜三体接触磨损的影响。结果 三体接触对薄膜的磨损和摩擦系数均小于两体接触。在相同的滑移速度下，磨料的自旋速度越快，摩擦系数越低，但薄膜上出现的损伤越多。三体接触条件下，基底的粗糙表面不利于薄膜吸附，并且加快了薄膜的磨损。结论 三体与两体接触的摩擦磨损机理不同。三体接触摩擦过程中，薄膜表面不会出现犁削现象进而造成薄膜的撕裂。原子尺度下，摩擦过程中磨料的自旋作用削弱了薄膜表面切向力的积累，从而有效减小了摩擦力，减少了薄膜磨损。在保持磨料滑移速度不变的情况下，磨料的自旋速度会对薄膜的摩擦和磨损产生影响。在三体接触摩擦过程中，粗糙基底上的微凸结构阻碍薄膜运动，增大了摩擦力，薄膜与基底接触面积的减少削弱了基底与薄膜的吸附性。
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  钛合金表面等离子喷涂Al2O3-40%TiO2陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能

  周志强, 郝娇山, 宋文文, 孙德恩, 李黎, 蒋永兵, 张健

  表面技术. 2023, 52(12): 351-359, 368. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.029

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  目的 研究温度对钛合金表面Al2O3-40%TiO2陶瓷涂层摩擦磨损性能的影响，探讨涂层在高温下的摩擦磨损机理。方法 采用大气等离子喷涂技术(APS)在TC4钛合金表面制备Al2O3-40%TiO2(AT40)陶瓷涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)和能量分散谱仪(EDS)，对AT40陶瓷涂层中的微观形貌和物相进行定性分析。借助维氏显微硬度计，研究 AT40陶瓷涂层在常温下的截面显微硬度分布规律，以及高温下的显微硬度。采用多功能摩擦磨损试验机，测试AT40陶瓷涂层在200、350、500 ℃下的摩擦磨损性能，并进行原位在线自动3D形貌表征。结果 AT40陶瓷涂层呈典型的热喷涂层状结构，各相分布均匀，涂层结构致密，平均显微硬度相较于TC4钛合金基材提高了81%。AT40陶瓷涂层在200、350、500 ℃下的高温硬度分别为513HV0.3、463HV0.3、448HV0.3。在200、350 ℃时，AT40陶瓷涂层的平均摩擦系数分别为0.18±0.02和0.38±0.03，磨损率分别为(7.8±0.01)×10^–5 mm³/(N.m)和(37.2±0.01)×10^–5 mm³/(N.m)，涂层具有优异的抗高温摩擦磨损性能。500 ℃时，涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.77±0.02和(134.4±0.01)×10^–5 mm³/(N.m)，磨痕深度和磨损体积大幅增加，耐磨性能降低。结论 AT40陶瓷涂层在200 ℃和350 ℃的磨损机制主要为微区脆性断裂，在500 ℃时的磨损机制表现为裂纹扩展引起的分层剥落和轻微磨料磨损。
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  氩弧熔覆AlxCoCrFeCuNi高熵合金涂层组织与耐磨性

  郝晨帆, 孟君晟, 丁皓, 李钦东, 陈明宣

  表面技术. 2023, 52(12): 360-368. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.030

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  目的 利用氩弧熔覆技术在45钢表面制备出AlCrFeCoCuNi高熵合金涂层，改善其耐磨性能。方法 采用机械球磨方式将Al、Cr、Fe、Co、Cu、Ni粉均匀混合，预涂敷在45钢表面，利用氩弧熔覆技术制备出不同Al物质的量之比的高熵合金涂层。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及能谱分析仪分析涂层的物相及显微组织，利用显微硬度仪测试涂层表面及截面的显微硬度。采用摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦系数及磨损率，分析涂层的耐磨性能。结果 AlxCrFeCoCuNi高熵合金涂层物相主要包括面心立方(FCC)相和体心立方(BCC)相，当Al物质的量之比小于0.5时，涂层由FCC相构成;当Al物质的量之比为1.0~2.0时，涂层由BCC+FCC相构成;当Al物质的量之比达到2.5时，涂层仅存在BCC相。AlxCrFeCoCuNi高熵合金涂层组织由等轴晶、柱状晶及白色的晶界构成，且较为致密。Al物质的量之比的增加使得涂层的显微硬度提升，当Al物质的量之比为2.5时，涂层最高硬度为710 HV0.5。在相同磨损条件下，AlxCrFeCoCuNi高熵合金涂层的摩擦系数及磨损率随着Al物质的量之比的增加逐渐减小。结论 与45钢基体对比，Al2.5CrFeCoCuNi高熵合金涂层的耐磨性提高了9倍，耐磨性得到显著提高。
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  汽车CFRP结构件涂层去除机理研究

  易茜, 赵洋洋, 唐家慧

  表面技术. 2023, 52(12): 369-378, 418. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.031

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  目的 实现汽车碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)结构件表面有机涂层的高效无损去除。方法 选择可回收密胺类塑料制备磨料，提出了用气射流携带并高速喷射加工的新方法。通过单因素控制试验和数值模拟相结合的方法，在0.3 MPa射流压力下用500 μm的磨料对涂装聚氨酯涂层的CFRP试样进行冲蚀，借助SEM和超景深三维显微镜观察冲蚀形貌。为了阐明涂层的去除机理，建立了基于能量守恒定律的微切削和重复变形模型，分析了塑性磨料的颗粒速度和撞击工件的接触应力，定量分析了磨料在0.3 MPa射流压力下的涂层去除量。研究了磨料形状、旋转和回弹对冲蚀机理的影响。结果 当冲蚀角为30°时，涂层的材料去除量最大，去除率为5.8×10⁴ g/s，表现为延性冲蚀行为。此时的冲蚀机理为微耕犁和微切削，随着冲蚀角的增大，材料去除量降低。当冲蚀角为90°时，去除率为1.2×10⁴ g/s，冲蚀机理为重复塑性变形去除。尖角磨料以集中应力冲击涂层，磨损后的磨料(可循环15次)以分布应力冲击涂层。与正向旋转相比，磨料自身的反向旋转对涂层的去除量更大，大粒径磨料的回弹导致了不完整的切削路径，而小粒径磨料的回弹使涂层产生了撕裂。结论 为了实现基材不损伤，推荐使用大角度冲蚀，这样可以在保留底漆的同时实现基材不损伤。
腐蚀与防护
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  稳定超疏水镍基涂层的制备及其耐蚀性

  宋政伟, 黄志凤, 谢治辉, 丁莉峰, 张胜健, 徐克瑾, 张学元

  表面技术. 2023, 52(12): 379-389. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.032

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  目的 在金属表面制备稳定的超疏水镍基涂层，以提升金属的耐蚀性。方法 通过电沉积方法先后在金属表面获得具有微纳结构的多孔镀镍层和聚硅氧烷层。通过扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱仪、接触角测定仪、电化学工作站等对涂层的形貌、成分、疏水性和耐蚀性进行表征。结果 乙二醇的添加能够促进电镀镍时阴极氢气的析出，当乙二醇的添加量为50.0~100.0 mg/dm³时，形成了均匀相互连接的多孔镍镀层;在水解后的硅氧烷溶液中、-1.5 V电压下沉积3.0 min，可形成具有自清洁性能的超疏水膜层，其表面水接触角达到(159±1)°。在质量分数为3.5%的氯化钠溶液中，涂层的腐蚀电流密度约为3.6×10^-8 A/cm²，与未修饰的镍镀层相比降低了3个数量级;低频阻抗模值|Z|0.01 Hz为2.0× 10⁶ W.cm²，与未修饰的镍镀层相比，提升了3个数量级;在磨损实验后，涂层的微纳米结构依旧存在，保持着超疏水能力，其腐蚀电流密度和|Z|0.01 Hz分别为5.3×10^-8 A/cm²和1.3×10⁶ W.cm²，说明经磨损后涂层依然具有较好的耐蚀性。结论 通过电沉积和硅氧烷修饰制备的超疏水复合涂层具有稳定超疏水性和优良耐蚀性，能够为基底金属提供良好的防护。
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  钢筋混凝土埋入式牺牲阳极阴极保护试验研究

  李杰, 温小栋, 骆忠江, 胡立标, 冯蕾

  表面技术. 2023, 52(12): 390-398, 418. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.033

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  目的 提高现有牺牲阳极阴极保护技术的效果，采用活性阳极包覆砂浆，制备一种埋入式牺牲阳极，并研究其应用特性。方法 采用二电极法测试阳极包覆砂浆的电阻率，通过加速试验、SEM-EDS分析锌腐蚀产物的迁移状况，采取自耦合试验测定埋入式牺牲阳极下钢筋的电位等参数;在此基础上，研究埋入式牺牲阳极的特性及其阴极保护范围。结果 活性阳极包覆砂浆的电阻率仅为18.48 Ω.m。闭路电位、瞬间断电电位测试显示钢筋的稳定保护电位为?400~ ?440 mV，断电电位为?218 mV，满足NACE标准对衰减电位的最低要求(200 mV)。电流密度结果表明，埋入式阳极可提供的保护电流密度为6.1~7.7 mA/m²，符合EN 12696要求。通过网格法测量的结果显示，在钢筋密度比为0.20，以及高腐蚀环境条件下，埋入式牺牲阳极的最大有效保护距离可达到700 mm。SEM-EDS分析结果表明，锌阳极发生反应，生成了可溶性锌酸盐(ZnO2^2?)，且会由锌阳极表面向砂浆内部迁移，最终逐渐分散到砂浆孔隙中，可有效解决因锌阳极表面腐蚀产物聚集而影响活性的问题，并消除腐蚀产物体积增大造成的膨胀应力。工程应用结果表明，各测试点钢筋的保护电位均负于?400 mV，满足保护要求。结论 埋入式牺牲阳极对钢筋有较好的保护效果，能够保持电位、电流输出稳定，不会影响阳极的活性，也不会给混凝土结构带来膨胀应力。
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  环境介质对ASTM A572 Gr65钢疲劳行为的影响

  胡张翊, 张红霞, 闫志峰, 雷鹏飞, 赵庆鲁, 魏湛橙

  表面技术. 2023, 52(12): 399-407. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.034

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  目的 探究不同环境对ASTM A572 Gr65低合金结构钢疲劳强度的影响。方法 在实验室、去离子水和NaCl(3.5%)水溶液环境下进行材料的旋转弯曲疲劳试验，利用疲劳试验设备和显微硬度仪探讨不同环境介质下ASTM A572 Gr65低合金结构钢的疲劳强度和断口附近硬度的变化情况，并通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等对断口腐蚀形貌及腐蚀产物进行分析。结果 ASTM A572 Gr65钢在实验室环境下的疲劳强度为380 MPa，在添加去离子水和NaCl水溶液时的疲劳强度分别为280、80 MPa，分别下降了约26.3%、78.9%;其微观组织为珠光体和铁素体，在疲劳破坏后靠近断口处试样的晶粒存在明显的细化现象，而远离断口的母材微观组织均匀，断口附近的显微硬度因位错运动约升高了10.4HV0.5，当距离增加，硬度逐渐趋于母材本身的硬度时，改变距离约为6 mm;与实验室环境相比，在去离子水和NaCl水溶液中均存在多个裂纹源，这对于疲劳断裂破坏起到了加速作用，疲劳断口表面分区不明显，断口表面存在氧化腐蚀产物和二次裂纹。结论 在添加去离子水和NaCl水溶液后，会加速ASTM A572 Gr65钢疲劳强度的降低，疲劳的加速由载荷疲劳、电化学氧化腐蚀及氢脆共同作用所致。
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  环氧涂层在低温、紫外环境下的失效行为对比研究

  祁晓玉, 王焘, 魏力, 范才全, 崔中雨, 满成, 王昕, 崔洪芝

  表面技术. 2023, 52(12): 408-418. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.035

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  目的 研究环氧富锌涂层(EP-Zinc)、环氧耐磨快干涂层(EP-WR)在紫外和低温2种环境下的失效行为和机理。方法 以Q235钢为金属基底，分别用喷枪喷涂涂层在基体表面，将喷涂好的上述2种涂层材料放入干燥箱(60 ℃)中保持1 d，然后将涂层放在室温条件下6 d，以确保涂层内部的有机溶剂完全挥发。在紫外线(UV)辐射和低温2种实验环境下，通过电化学阻抗测试、红外光谱测试、表面表征(扫描电镜)、附着力测试等方法研究环氧涂层的失效行为及机理。结果 2种涂层在紫外和低温环境下的防护功能均有所下降。在紫外环境下，EP-Zinc和EP-WR涂层的|Z|0.01 Hz分别降至10⁶ Ω.cm²和10⁷ Ω.cm²。在低温环境下，2种涂层的|Z|0.01 Hz均剧烈降至10⁶ Ω.cm²和10⁵ Ω.cm²。在低温环境下，环氧涂层主要因其热膨胀系数与金属基体存在较大差异，导致涂层与基体的体积变化出现差异，产生应力，从而失效。紫外环境改变了涂层表面的化学结构，导致涂层表面出现孔洞、裂纹等微观缺陷。结论 在低温环境下，主要因物理因素的变化导致涂层失效。强紫外线环境破坏了涂层的交联结构，使得涂层的韧性下降、脆性上升，涂层表面产生了数量众多的微缺陷，并加速了涂层的失效。相较于低温环境，紫外辐照对基体与涂层界面结合强度的损害更明显，附着力明显降低。
表面功能化
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  TC4钛合金超疏水表面/超润滑表面的制备及防冷凝性防冰性能研究

  谭国煌, 武兴华, 肖明豪, 潘育彤, 揭晓华

  表面技术. 2023, 52(12): 419-427, 448. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.036

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  目的 为研究疏水表面与润滑表面的防冷凝及防冰机理，拓宽TC4钛合金在航空航天、医疗、化工石油、船舶制造等多个领域的应用。方法 采用阳极氧化法，在TC4表面构建了不同粗糙微结构，利用扫描电镜和原子力显微镜分别对表面形貌和粗糙度进行表征，对表面进行氟化和注油后，应用接触角测量仪测试表面的接触角、滚动角和滑动角，并在恒温恒湿箱内对氟化超疏水TC4表面和注油超润滑TC4表面的冷凝行为和结冰行为进行观测。结果 以HF溶液为电解液，10 V恒定电压下，在TC4表面制备得到了突触状微结构，20 V恒定电压下制备得到了排列有序的纳米管状结构。氟化改性后，纳米管状结构TC4表面接触角可达156.1°，滚动角为8°，表现为超疏水性。注油后的纳米管状超润滑TC4表面接触角为109.1°，滑动角为2°，表现为超润滑性。在冷凝测试中，超疏水表面出现了液滴自发滑移和自发跳跃行为。在结冰测试中，注油后的纳米管状超润滑TC4表面比其他测试样品表面具有最长的结冰延迟时间45 s和最低冰黏附强度8.8 kPa。结论 超疏水TC4表面比其他测试样品表面具有更加优异的防冷凝性，进行注油润滑后，超润滑表面的防结冰性优于超疏水表面。
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  斜锥表面液滴的定向流动特性

  张国涛, 马亮亮, 童宝宏, 梁方玲, 王孝义

  表面技术. 2023, 52(12): 428-439. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.037

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  目的 研究液滴在斜锥表面的定向流动特性，揭示液滴在斜锥表面的定向输运机理。方法 以斜锥表面液滴运动行为为研究对象，通过数值模拟技术提取液滴动力学参数，探讨不同斜锥结构参数对液滴自输运行为的影响。结果 液体内部速度的不均匀分布导致液滴内部产生速度涡旋，在泰勒毛细升力的作用下，斜锥间隙产生了涡量较大的速度主涡旋，液滴内部产生了涡量较小的速度次涡旋。在液滴定向输运过程中，2种涡旋的旋转方向与液滴的输运方向保持一致。液滴自输运过程伴随着表面能、动能的相互转化。在铺展收缩阶段，液滴的形变量较大，固–液接触面积和液滴的表面能先增大再减小，液滴运动速度却先减小再增大。在稳定输运阶段，液滴的表面能和速度基本保持不变。泰勒毛细升力和斜锥间隙中的不平衡毛细力驱使液体不断填充斜锥间隙。液滴在斜锥表面受到不平衡的钉扎阻力，使得液滴左侧更易脱钉，保证整个液滴向右无损输运。结论 可为揭示液滴在斜锥表面的流动特性和自输运机理提供理论支持，指导研制以斜锥结构为仿生原型的机械功能表面。
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  聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸盐)高导电柔性薄膜制备及掺杂效应研究

  吴法霖, 张天才, 王永凤, 邓贤明, 唐继海, 林牧春, 孙宽, 张林, 倪士文, 吴欣睿

  表面技术. 2023, 52(12): 440-448. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.038

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  目的 针对聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)薄膜的电导率低的问题，采用二次掺杂方法，提高薄膜电导率和品质因数(FoM)，为制备可打印导电薄膜以及柔性光电器件表面导电层提供技术支撑。方法 采用多种无机酸分别与PEDOT:PSS溶液共混的掺杂方法，通过旋涂法在基底上制备透明导电薄膜。利用四点探针法、分光光度计测试系统，对掺杂处理后薄膜的方块电阻、透光率、导电率和品质因数进行测试及分析。利用原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和霍尔效应测试系统，对薄膜内部结构进行有理分析，总结提升薄膜电导率的原因。结果 无机酸对薄膜电导率具有提升作用，通过硫酸的掺杂作用后，电导率可以由0.9 S/cm提高到2 216 S/cm，FoM从0.03提高到33;通过焦磷酸掺杂处理后的薄膜，电导率可以提高到1 623 S/cm，FoM提高到40。结论 掺杂试剂的沸点、解离常数、退火温度以及共混液的黏度都会影响薄膜的光电性能。解离常数越低，更容易解离出氢离子的掺杂试剂，能够与PSS结合形成PSSH，促进PEDOT和PSS分离。沸点低和解离常数小的无机酸掺杂试剂，能够有效提高薄膜的电导率，并能够获得高品质因数的薄膜。PEDOT:PSS通过无机酸改性处理后，减小了PEDOT和PSS之间作用力的同时，提高了薄膜内部PEDOT的相对含量，使PEDOT链变得线性，促进载流子传输，从而使薄膜的电导率提高。
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  柔性AZO/NiCr/Ag/NiCr/AZO透明导电玻璃结构对性能的影响

  姚婷婷, 王天齐, 王伟, 甘治平, 汪冰洁, 李刚

  表面技术. 2023, 52(12): 449-455. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.039

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  目的 室温制备柔性透明导电玻璃并提高其光电性能。方法 采用直流磁控溅射法，以柔性玻璃为基底，在室温下沉积(Aluminum-doped ZnO，AZO)/NiCr/Ag/NiCr/AZO多层结构透明导电玻璃。通过探针轮廓仪测试、X射线衍射仪(X-ray diffraction，XRD)测试、拉曼光谱仪测试、分光光度计测量、四探针测试和霍尔效应测试，分别获得了样品的各层薄膜厚度、X射线衍射图谱、拉曼光谱、透光率、方块电阻和电学性能。经过参数优化，选取Ag膜厚度为3~15 nm的样品，研究Ag膜厚度对玻璃样品的结构特征及光电性能的影响。结果 样品光电性能与Ag层厚度密切相关，随着中间Ag层厚度的增加，样品在380~760 nm波长范围内的平均光透光率先增加后降低，吸收边依次发生了红移，样品的方块电阻则随着Ag层厚度的增加单调减小。Ag膜厚度为12 nm的样品综合光电性能最佳，其平均透光率为82.4%，载流子浓度为8.32×10²¹ cm^?3，载流子迁移率为8.21 cm²/(V.s)，电阻率为9.15×10^?5 Ω.cm，方块电阻为8.8 Ω/sq，品质因子可达16.4×10^–3 Ω^–1。结论 说明可以通过透明导电薄膜结合金属薄膜在室温下获得柔性透明导电玻璃，并具有较好的透光性能和导电性。
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  基于石墨烯阻挡层Cu-In微纳米层超声波键合技术

  黄锡峰, 王运明, 张武

  表面技术. 2023, 52(12): 456-463. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.12.040

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  目的 采用松木状形貌铜铟微纳米层和超声能量，低温下实现键合互连，保证互连的可靠性，从而解决传统回流焊工艺高温引发高热应力、信号延迟加剧的问题。方法 将镀有松木状二级铜铟微纳米层的基板表面作为键合偶一端，另一端为无铅焊料。在键合偶之间加入单层共形石墨烯作为阻挡层，在低温下(温度120 ℃)，对键合接触区域施加超声能量和一定压力便可实现铜铟基板与无铅焊料的瞬态固相键合。用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射(XRD)、焊接强度测试仪等分析键合界面处的显微组织、金属间化合物，以及剪切强度，对键合界面进行老化处理。结果 铜微米层具有圆锥状凸起的表面结构，其上镀覆纳米铟层，形成的结构具有巨大的表面积。在超声作用、较小的压力，以及低温条件下，铜铟松木状阵列结构插入较软的锡基焊料中，形成稳定的物理阻挡结构，实现与周围填充挤入的无铅焊料，以进行焊接互连。键合压力过小或者超声时间过长，都会在键合界面处产生线性孔洞或者裂纹，这些孔洞或者裂纹无法通过热处理消失。结论 石墨烯阻挡层避免锡焊料与粗糙表面铜基板之间直接接触，防止脆性金属间化合物的过度生长。铜铟松木状阵列结构的特殊形貌及超声波能量引入，键合在瞬间、低温条件下即可完成，键合质量良好，可以获得较小的键合尺寸。