2024年, 第53卷, 第12期　
刊出日期：2024-06-25

  

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研究综述
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  钛合金摩擦磨损性能及减磨方法研究进展

  刘雨薇, 吴霞, 陈纪云, 靳爽, 李淳, 孙园植

  表面技术. 2024, 53(12): 1-21. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.001

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  钛合金具有比强度高、抗腐蚀性强、耐高温以及生物相容性好等优点，在汽车制造、生物医疗等众多领域具有重要应用。但钛合金的摩擦磨损性能较差，会影响机械系统的使用寿命和可靠性。首先论述了摩擦磨损过程中摩擦层的形成过程以及摩擦层对钛合金磨损机理的作用，分析了润滑条件、环境温度、滑动速度、载荷等工况条件对钛合金摩擦磨损性能的影响规律。其次，对比总结了钛合金减磨的常见工艺方法及优缺点，指出了当前钛合金磨损机理研究和性能改善方面存在的问题。最后，对今后的研究工作进行了展望:将实验与仿真相结合，阐明钛合金摩擦层和磨损机理的动态变化规律;考虑各种环境因素对钛合金磨损机理的影响，完善钛合金磨损机制图;通过对多种技术协同配合时的工艺参数进行优化，促进钛合金表面强化复合技术的发展，从而提升钛合金的耐磨减摩性能。
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  钢铁表面有机涂层的耐蚀与摩擦性能的研究进展

  鲁震, 钱建国, 叶兵, 孔继周, 韦红余, 周飞

  表面技术. 2024, 53(12): 22-35. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.002

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  钢铁材料由于其优异的力学性能广泛应用于各个领域，然而钢铁的腐蚀失效一直是人们困扰的问题。有机涂层因其优异的结合力、简单的制备工艺和出色的长期防腐性能常用于钢铁表面的腐蚀防护。有机涂层中材料种类、填料取向、改性方法等对涂层腐蚀性能和摩擦性能都有一定的影响。综述了近年来钢铁表面有机涂层耐蚀与摩擦性能的研究进展。首先从物理阻隔、牺牲阳极的阴极保护、自修复技术和超疏水技术4种提高有机涂层耐蚀性的方法入手，阐述了各种方法的基本原理，探讨了4种方法所制备的用于钢铁表面防护的有机涂层的防腐性能，并对目前各种方法所制备的有机涂层存在的问题以及改善措施进行了分析。接着主要从掺杂填料的角度，探究了不同填料对钢铁表面有机涂层摩擦性能的影响，提出了润滑相/增强相协同作用、软硬协同作用和自润滑微胶囊3种提高有机涂层摩擦性能的策略。最后总结了目前钢铁表面有机涂层面临的一些挑战，并对钢铁表面有机涂层的发展方向进行了展望。
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  内燃机活塞环材料及表面处理技术研究现状与发展趋势

  刘伟, 谭泽飞, 陈文刚, 戴一帆, 袁浩恩, 程家豪, 魏北朝, 周意皓

  表面技术. 2024, 53(12): 36-49. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.003

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  活塞环是内燃机中重要的零部件之一，该部件的摩擦损耗占内燃机总摩擦损失的26%。因此，活塞环材料的选用及其表面处理研究对于优化提升内燃机性能、延长服役寿命具有重要意义。简单介绍并总结了内燃机活塞环常用材料及其发展趋势，详细综述了激光表面织构技术、表面涂层技术以及表面复合技术在内燃机活塞环减摩抗磨方面的研究和应用现状。其中，激光表面织构技术(LST)可起到接纳磨屑、保持油膜等作用，从而降低活塞环表面摩擦和磨损，但由于织构形貌和几何参数特征对摩擦学性能的影响较为复杂，仍需结合实际工况进一步研究并优化。以镀铬、热喷涂、气相沉积及激光熔覆为代表的涂层技术也常用于活塞环的表面强化处理，但涂层材料种类繁多，难以形成统一的行业标准进而规模应用。此外，通过合理复合多种表面处理技术，比如微弧氧化与电泳沉积复合、超声滚压与离子渗氮技术复合、磁控溅射和低温离子渗硫复合等，可实现优势互补、发挥协同作用，有效改善接触表面的摩擦性能，为活塞环的减摩增寿研究开拓了新的思路。最后对未来活塞环材料开发应用及其减摩抗磨方面的研究发展进行了展望。
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  风力发电机叶片覆冰机理及防除冰技术研究进展

  郭时毅, 安江峰, 吴军, 郑鹏华

  表面技术. 2024, 53(12): 50-65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.004

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  在“双碳”政策下，绿色能源在能源体系中的占比越来越大。风力发电以其原料来源广、污染少、发电量大等优点成为国家重点发展的方向之一。随着风力发电的快速发展，风力发电机覆冰问题愈发凸显。为了解决这一问题，研究人员基于生物仿生学开发了具有优异防除冰性能的超疏水涂层，并广泛应用。目前，防止风机结冰最常用和最直接的方法是主动加热技术。综述了风力发电机覆冰的基本理论，介绍了覆冰产生的原因及危害，将覆冰抽象为过冷水滴在下降过程中撞击风力发电机叶片并黏附在叶片上，与叶片表面发生复杂热交换后凝结成冰的模型。概述了目前国内外常用的风力发电机防除冰方法，分析了不同被动和主动防除冰技术的优缺点。通过研究工程应用案例发现，单一的被动或主动防除冰技术存在防除冰能力有限、能耗高、效率低等问题，将不同的防除冰技术组合使用、互相补充，更能满足多样化实践需求，成为目前研究的热点和重点。在优化当前防除冰技术的基础上，采用组合防除冰技术具有良好的发展前景。
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  激光还原氧化石墨烯改性及其应用研究进展

  谢丰, 黄志远, 姜晟, 陈宇龙, 成健

  表面技术. 2024, 53(12): 66-80. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.005

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  近年来，二维纳米材料石墨烯因其优异的物理和化学性质而受到广泛关注，其制备方法多种多样。机械剥离法和化学气相沉积等传统的石墨烯制备方法存在效率低和成本高等问题。氧化石墨烯还原法由于原料简单而廉价，在大规模制备生产石墨烯中应用广泛。激光加工具有很高的精度，能同时诱导光热和光化学反应。通过激光还原氧化石墨烯不仅可以产生石墨烯结构，还能进行图案化加工，且具有无毒、无需催化剂、非接触性和可控性的特点，是加工还原氧化石墨烯的理想方式之一。从激光还原氧化石墨烯的机理入手，分析了利用激光进行光还原过程中光热效应和光化学效应的影响。对激光还原氧化石墨烯的改性技术进行了重点阐述，包括无掩膜图案化和分层结构化、杂质原子掺杂、金属/金属氧化物复合四部分。然后概述了激光还原氧化石墨烯在柔性光学器件、电子设备2个方面的应用，列举了透镜、偏振片、传感器和电容器等典型器件的性能，最后归纳了激光还原氧化石墨烯研究领域存在的问题，并提出了可能的解决路径或方案。
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  PEMFC铝合金双极板表面改性研究现状与发展

  蒋啸, 李伟, 刘玉来, 李秀兰, 周新军, 王永

  表面技术. 2024, 53(12): 81-92, 134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.006

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  质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为第五代燃料电池，是最具发展前景的新能源电池，其中双极板作为PEMFC的核心元件，不仅能将单一电池链接起来形成电池堆，起到支撑作用，还具有提供气体流道、隔绝阴阳极两端等作用，对燃料电池工作性能、寿命起到关键作用。其中铝合金作为一种具有良好导电性能、成本低、轻质的材料，在PEMFC双极板材料方面应用潜力巨大。但铝合金双极板耐腐性不佳，在PEMFC工作环境下极易被腐蚀，且其表面生成的钝化膜，增大了电池的接触电阻，从而对电池性能和寿命产生不利影响，而通过铝合金表面改性是解决该问题的主流方法。首先概述了PEMFC原理、双极板材料类型及内部环境，然后阐述了PEMFC中铝合金双极板的服役问题，并对近年来铝合金双极板的表面改性进行分类。重点概括了铝合金表面金属及其化合物涂层(贵金属、金属氮/碳化物、镍磷金属涂层)与非金属涂层(碳基涂层、高分子聚合物涂层)的结构设计、成分优化、服役性能特点。分析结果表明，选用低成本、具有良好耐蚀性和导电性的金属惨杂的无定型碳、金属碳/氮化物涂层，能降低双极板生产成本，提高双极板工作性能，并对涂层设计出多层复合涂层，能打断涂层中的细长针孔缺陷，提高涂层的完整性和致密性。在铝合金表面进行改性研究，以提高其耐蚀性、导电性及服役稳定性，对推动铝合金双极板在PEMFC电堆中的应用至关重要。
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  燃料电池金属双极板涂层综述

  杨文斌, 唐普洪, 张嘉波

  表面技术. 2024, 53(12): 93-101. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.007

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  质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型的能源装置，双极板是其主要的部件之一。金属双极板在成本和力学性能方面都具有优势，因此逐渐占据市场主流，但是其易腐蚀的特点也影响了燃料电池的性能。从后镀金属双极板、预镀金属双极板和免镀金属双极板3种不同的工艺路线出发，系统总结了相关研究进展。对于不同工艺路线下的不同涂层，通过接触电阻、腐蚀电流和表面形貌等指标进行了评价。发现后镀金属双极板的性能好于预镀金属双极板和免镀金属双极板，但是其工艺路线最复杂，成本最高，而免镀金属双极板工艺最简单，但是其防腐导电性能不能满足DOE2025标准，预镀涂层介于两者之间，是一种过渡的工艺路线。最后，从涂层结构和元素掺杂角度对后镀涂层进行了展望，从涂层晶体结构和涂层材料选择角度对预镀涂层进行了展望，从箔材元素比例、预处理工艺角度对免镀金属双极板进行了展望。综述了燃料电池金属双极板防腐导电性的发展方向，对金属双极板朝着更低的成本和更好的性能方向发展有着重要意义。
腐蚀与防护
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  壳聚糖改性石墨相氮化碳/环氧树脂复合涂层的制备及防腐性能研究

  杨康, 杨留洋, 范海明

  表面技术. 2024, 53(12): 102-113. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.008

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  目的 为了保证水性环氧树脂(EP)涂层的绿色、环保及高效防腐性能。通过将二维纳米材料石墨相氮化碳(g-C3N4)与天然高分子壳聚糖(CS)功能化复合来制备一种新型绿色环氧树脂复合涂层体系，并研究不同g-C3N4@CS添加量对环氧树脂复合涂层耐蚀性的影响。方法 将尿素高温煅烧得到g-C3N4，加入壳聚糖悬浮液中进行改性处理，并掺杂进环氧树脂中进而得到新型环氧树脂复合体系(EP/g-C3N4@CS)。利用傅里叶红外变换光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)及透射电子显微镜(TEM)对g-C3N4和g-C3N4@CS复合材料的结构及微观形貌进行表征。并通过电化学手段及长周期浸泡实验对涂层体系的防腐性能进行测试。结合涂层附着力测试判断涂层与基体之间的黏合程度。结果 g-C3N4@CS可以被成功复合到环氧树脂涂层中，且CS中丰富的含氧官能团显著提高了g-C3N4在环氧树脂中的分散性和界面相容性。涂层电化学耐蚀性测试结果表明，EP/g-C3N4@CS-1.0%(质量分数)涂层体系在浸泡30 d后的涂层电阻(Rc)值最大，在浸泡30 d后仍能达到1.11×10⁷ Ω，EP/g-C3N4@CS-1.0%(质量分数)涂层体系耐蚀性最高。此外，g-C3N4@CS可显著提升EP涂层的附着力，且EP/g-C3N4@CS-1.0%(质量分数)涂层附着力最大。长期浸泡实验测试结果也表明，EP/g-C3N4@CS-1.0%(质量分数)涂层体系具有最佳的耐蚀性，在浸泡30 d后表面膜层仍较为均匀平整。结论 EP/g-C3N4@CS-1.0%(质量分数)涂层体系形成的均匀完整复合膜可以有效屏蔽腐蚀性离子的迁移进程，具有最佳耐蚀性能。
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  可用于生锈基材的自修复防腐涂料

  杨嘉辉, 韩瑞, 何海峰, 刘欣, 赵丽芬, 刘成宝, 曾荣昌

  表面技术. 2024, 53(12): 114-125. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.009

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  目的 制备具有自修复功能、可用于海洋环境中腐蚀金属部件的涂料。方法 采用原位聚合法制备了以桐油为囊芯、脲醛树脂为囊壁的微胶囊，并将其添加于带锈防锈涂料中，然后将涂料涂覆在生锈的马口铁上。利用扫描电镜、能量色散谱仪、傅里叶变换红外光谱、扫描开尔文探针、热重分析和电化学阻抗谱等测试手段，对微胶囊和涂层的形貌、自修复性能和防腐性能进行表征。结果 桐油被脲醛树脂包裹，制备出的微胶囊形貌良好，微胶囊的平均粒径为(47.37±9.41) μm，微胶囊对桐油的包覆效果良好，囊芯(桐油)的质量分数高达81.57%。含有20%(质量分数)微胶囊的涂层具有良好的自修复性能和耐腐蚀性，被划伤的涂层能够在24 h内完全自修复，通过对涂层的扫描电子观测和扫描开尔文探针可确认划痕区域是涂层自修复实现的，并且涂层能够长时间抵抗腐蚀。结论 微胶囊可显著延长涂层的使用寿命，这种自修复技术有望在防腐涂料系统中得到应用，而且该涂料可直接应用于生锈的金属表面，降低了在复杂应用环境中涂覆金属部件的成本。
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  镁铝水滑石的制备及其涂层耐腐蚀性能的研究

  吴慧, 王继虎, 温绍国, 丁胜男, 宋佳, 王浩鹏, 隋沛辰

  表面技术. 2024, 53(12): 126-134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.010

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  目的 为了提高水性工业涂料的防腐蚀性能，常常会添加以含锌为主的防腐填料。然而，随着环保要求越来越高，以及欧盟限锌令的颁布，片层无锌镁铝水滑石(MgAl-LDHs)有望用于涂料中替代含锌填料。方法 采用共沉淀法合成无锌水滑石复合填料，并将其进行硅烷偶联剂表面改性，最后添加到丙烯酸树脂中，制备了水滑石防腐涂料。研究了不同制备工艺与水滑石结构之间的关系，以及不同添加量对涂料腐蚀性能的影响。结果 通过对比实验可以看出，当Mg∶Al(物质的量比)=2∶1，滴定终点pH值为11，能制备出相对完美的具有片层形貌、结晶度高、结构完整的镁铝水滑石;FTIR以及悬浮性测试表明，当MgAl-LDHs被KH570成功改性后，实现了表面亲水到疏水的转变，有效增加了与树脂的相容性;电化学考评发现，添加5%(质量分数)MgAl-LDHs的涂层240 h后防腐性能最好，塔菲尔电流密度最低为6.35 μA/cm²，容抗弧曲率半径最大;同时，耐盐雾试验证明，添加5%(质量分数)MgAl-LDHs涂层的耐腐蚀性能同样最佳，与电化学测试结果相匹配。结论 当MgAl-LDHs的添加量为5%(质量分数)时，涂层的防腐蚀性能最佳。MgAl-LDHs作为颜填料，能有效改善水性工业涂料防腐性能。
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  致密气油水共存条件下L360N管线钢的微生物腐蚀行为研究

  王彦然, 孙洪亮, 卫国锋, 唐永帆, 郑荣军, 莫林, 郑强

  表面技术. 2024, 53(12): 135-146. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.011

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  目的 通过实验模拟L360N管线钢在致密气油水共存条件下的微生物腐蚀(MIC)行为，探究凝析油对MIC行为的影响。方法 模拟6组凝析油体积占比不同的腐蚀环境，结合失重测试和电化学实验分析了凝析油对腐蚀速率的影响规律。通过最大可能计数法(MPN法)计数试片表面的细菌固着量。采用激光显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、光电子能谱仪(XPS)表征分析腐蚀形态和产物形貌、成分。结果 凝析油溶于水中会直接影响微生物腐蚀行为。水中存在的凝析油可显著降低L360N管线钢的均匀腐蚀速率，但不同条件下浸泡的试片表面均有明显的点蚀。所有试片表面的细菌固着量都不低于10⁴ cells/cm²，且都有生物膜形成，主要化学成分是Fe2O3和FeS。另外，在高凝析油体积占比条件下，膜内的硫化物更倾向于局部沉积，使得生物膜结构更加不均匀。电化学测试表明，随着时间的延长，各条件下的电荷转移电阻(Rct)和腐蚀电流密度(Jcorr)都变化至相近水平，凝析油含量升高不能长期抑制膜下固着菌的代谢活性。结论 L360N管线钢在不同凝析油体积占比的油水介质中均有MIC发生。其原因在于凝析油含量升高不能完全抑制生物膜的形成，还促使生物膜结构更加不均匀，为固着菌代谢提供了适宜的环境，有利于点蚀的发生。
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  涂层厚度对Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化动力学及微观机制的影响

  严俊, 高思宇, 杨钟毓, 李思功, 王占伟, 彭振驯, 薛佳祥, 廖业宏

  表面技术. 2024, 53(12): 147-157, 251. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.012

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  目的 研究涂层厚度对Cr涂层锆包壳高温蒸汽氧化行为的影响规律及其微观机制，为耐事故锆包壳表面涂层优化设计提供理论依据。方法 以锆合金包壳为基体材料，采用磁控溅射工艺制备纯金属Cr涂层，目标厚度设计值为10、15、20 μm 3类。采用高温蒸汽氧化设备开展试验，氧化温度为1 200 ℃，等温氧化时间为500~3 000 s，系统研究模拟反应堆失水事故(LOCA)工况下涂层厚度对该材料体系高温蒸汽氧化行为及氧化动力学的影响。试验后，通过X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜及能谱仪等表征各样品氧化膜微结构特征、氧化层厚度、元素分布及物相组成等，基于氧化膜层厚度构建Cr涂层氧化动力学模型，同步探讨涂层原始厚度对其高温蒸汽氧化-失效微观机理的影响。结果 涂层厚度为10 μm时，其对锆合金基体保护作用有限，等温氧化2 000 s时其表面Cr2O3氧化膜和残余Cr涂层已完全丧失保护功能，锆合金基体被连续氧化。涂层厚度为15 μm时，第一阶段，生成保护性能较好的Cr2O3氧化膜，Cr涂层的氧化行为满足抛物线规律;第二阶段，Cr涂层的氧化行为发生转变，氧化膜及其残余涂层保护性能衰退，但锆合金基体始终未被氧化。涂层厚度为20 μm时，Cr涂层的氧化行为满足抛物线规律，但氧化行为未发生转变，表面氧化膜及残余Cr涂层保护性能较好。结论 Cr涂层厚度增加可在一定程度上提升其抗高温蒸汽氧化性能，进而提高反应堆事故工况下燃料包壳抵御事故的能力，从而在一定程度上延长不干预时间。
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  无气离心喷涂涂料液滴流场和分布特性的数值模拟

  李响, 徐增辉, 姜秀光, 汪瞳, 李前正, 李金择, 夏谢天, 陈星

  表面技术. 2024, 53(12): 158-166. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.013

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  目的 探究无气体输送的无气离心喷涂法过程中涂料液滴与管道内壁面之间的相互碰撞接触作用，以在高分子涂料离心喷涂法中获得致密高强度涂料内衬层。方法 将涂料液滴视为离散相，利用离散元方法和涂料液滴附着力JKR接触模型，模拟无气离心喷涂涂料液滴运动特性。通过堆积角虚拟试验确定涂料液滴与壁面表面能。基于离心场作用下涂料液滴运动方程，导出旋转喷枪射流小孔出流速度计算模型。数值模拟无气离心喷涂过程涂料液滴流体动力特性，揭示涂料液滴碰撞作用下动态喷涂成膜规律。结果 统计得到涂料液滴在水平壁面展平的表面能为32.7 J/m²。对于一定的喷嘴射流小孔，涂料液滴小孔出流系数接近于常数。随着计算时间的推进，壁面黏附涂料液滴数不断增加。在无气旋转喷枪II旋转速度2 500 r/min下，统计单元涂料液滴数最大，并且有较大的液滴数方差和相对误差。随着喷枪旋转速度的提高，涂料液滴数的方差和相对误差降低。结论 为实现沿管道壁面涂料液滴均匀分布，旋转喷枪II旋转速度建议不应低于5 000 r/min。
精密与超精密加工
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  考虑廓形特征的机器人异型盘磨削接触力建模

  郭万金, 吴广, 朱恒, 陈柱宏, 詹子立, 曹雏清, 赵立军, 郭磊, 朱文锋

  表面技术. 2024, 53(12): 167-180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.014

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  目的 为表征具有尖端小、比压大廓形特征的机器人异型盘磨削接触力，针对异型盘薄板与橡胶板双层结构形式，提出一种考虑廓形特征影响的包含薄板挠曲形变和橡胶板弹性形变的机器人异型盘磨削接触力建模方法。方法 首先，基于弹性薄板弯曲理论，分析薄板挠曲形变与接触力关系。其次，依据静态弹性理论，建立橡胶板在弹性形变区域内弹性形变与接触力模型。再次，开展有限元数值模拟实验求解橡胶板弹性形变参数和薄板挠曲形变参数，并通过变量替换建立接触力与异型盘法向进给位移数值形式反函数模型。最后，搭建机器人异型盘磨削实验平台，分别开展1种平面与3种曲率曲面工件的机器人异型盘接触力模型验证实验和1种侧曲面圆台铸铁工件的机器人异型盘磨削一致性验证实验。结果 机器人异型盘接触力模型验证实验结果表明，当盘倾角较大时，能够较为准确地预测接触力。机器人异型盘磨削一致性验证实验结果表明，在相同的磨削参数条件下，3条磨削路径(路径1、2、3)的磨削深度平均值分别为0.066 3、0.063 2、0.064 5 mm，最大偏差分别为0.013 9、0.009 0、0.010 8 mm，变异系数分别为11.2%、6.4%和9.6%。实验验证了所提方法的有效性。结论 所提方法考虑了异型盘廓形特征，将工件表面曲率、盘倾角、廓形参数和异型盘尺寸等参数包含在磨削接触力模型中，并描述了磨削接触力与异型盘法向进给位移的数值形式反函数关系，能够度量异型盘磨削作业接触区域和解释磨削接触力影响因素，可为机器人异型盘的高效率、高质量恒定接触力磨削提供理论依据。
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  金属钼圆基片平面研磨及其表面创成机理研究

  阎秋生, 陈缘靓, 夏江南, 雒梓源, 汪涛

  表面技术. 2024, 53(12): 181-192. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.015

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  目的 实现金属钼圆基片高效平坦化加工，获得超光滑表面。方法 采用游离磨料对钼圆基片进行平面研磨加工，研究磨料种类及研磨盘转速、研磨压力、研磨时间等工艺参数对研磨效果的影响规律，通过材料去除率(MRR)与表面粗糙度(Ra)的建模分析，对比钼材与高硬脆和高塑性材料，揭示其研磨工艺特性、探究其表面创成机理。结果 钼圆基片材料去除快慢和表面形貌受各因素作用的综合影响。CeO2磨料适合钼圆基片的研磨加工，材料去除方式为二体、三体摩擦塑性去除;在研磨过程中，MRR随研磨盘转速、研磨压力的递增而先增大后减小，在研磨盘转速为60 r/min、研磨压力为0.026 MPa条件下MRR达到最大;除磨料因素外，其他工艺因素对表面粗糙度的影响较小;MRR和Ra随加工时间的延长而趋于稳定;使用粒径W1 CeO2磨料在研磨盘转速为60 r/min、研磨压力为0.026 MPa下研磨40 min后，表面粗糙度Ra由46 nm降至9.53 nm，MRR达1.16 mg/min。结论 采用游离磨料研磨方法在优化工艺条件下可以有效降低表面粗糙度，获得良好表面。
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  基于表面粗糙度和反射率多目标优化的6061铝合金超精密车削工艺研究

  王光余, 靳刚, 李占杰, 谭辉, 詹奇云, 林怀鑫, 王晓然

  表面技术. 2024, 53(12): 193-206. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.016

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  目的 探究工艺参数对6061铝合金滚压件超精密车削性能的影响，对工件超精密车削加工表面粗糙度和表面光学反射率进行协同优化研究。方法 首先，对6061铝合金材料表面进行单向超声振动滚压以提高工件表面质量。其次，设计了四因素四水平的超精密车削正交试验，研究了切削工艺参数(主轴转速、进给速度、背吃刀量、刀尖半径)对6061铝合金滚压件表面粗糙度及表面光学反射率的影响规律。最后，采用灰色关联分析方法，将多个工艺目标参数优化问题转化为单目标的灰色关联度优化问题，通过超精密车削试验对优化结果进行验证。结果 主轴转速对表面粗糙度Ra和Sa的影响最显著，其次是刀尖半径和背吃刀量，进给速度的影响最小;工艺参数对可见光波段和中红外光波段反射率的影响程度与表面粗糙度一致，各参数按对近红外光波段反射率影响程度由大到小的顺序依次为背吃刀量、刀尖半径、进给速度、主轴转速;通过灰色关联分析获得优化工艺参数组合为主轴转速3 000 r/min、进给速度10 mm/min、背吃刀量5 μm、刀尖半径0.5 mm，此时对应的表面粗糙度Ra和Sa分别为2.162 nm和7.855 nm，可见光、近红外光、中红外光波段反射率分别为88.892%、88.893%、97.788%。结论 通过优化结果能够有效降低表面粗糙度、提升表面光学反射率，对制造高水平金属反射镜具有十分重要的现实意义和研究价值。
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  可溶固着软质磨粒抛光薄膜制备及性能研究

  赵天晨, 冯凯萍, 周兆忠, 袁巨龙

  表面技术. 2024, 53(12): 207-217. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.017

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  目的 实现微小光学器件高效、高质量、绿色的可溶固着软质磨粒薄膜抛光，对可溶固着软质磨粒抛光薄膜的制备工艺及抛光性能进行研究。方法 研究可溶树脂、不可溶树脂、磨粒和薄膜基底等原料对成膜及抛光性能的影响，探索可溶固着软质磨粒抛光薄膜制备工艺，以光纤连接器作为加工对象验证抛光薄膜的抛光特性。结果 选用双峰SiO2作为磨粒，采用环氧树脂(质量分数为95%)和聚丙烯酸树脂(质量分数为5%)组成的“可溶”混合树脂为结合剂，可实现磨粒层逐步溶解。在磨粒涂覆层中添加5%(质量分数)的硅橡胶可调节磨粒涂覆层成膜后的弹性模量和硬度，使薄膜兼顾抛光性能和耐用性。对PET薄膜基底进行电晕处理可增强其表面附着力。选用含1%(质量分数为)有机硅烷偶联剂的聚氨酯树脂作为PET基底和磨粒涂覆层连接剂，结合强度好，成膜后表面无裂纹。通过光纤端面抛光对比实验发现，可溶固着软质磨粒抛光薄膜的抛光性能和耐用性均优于日本NTTAT抛光片的相关性能。可溶固着软质磨粒抛光薄膜使用25次后，光纤端面仍可保持表面光滑，曲面面形完整，表面粗糙度Ra小于5 nm，回波损耗大于45 dB，连接损耗小于0.1 dB。结论 抛光实验表明，可溶固着软质磨粒抛光薄膜能实现光纤端面的高效精密加工。
表面功能化
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  氮化硼包覆碳化硅纤维表面CVD法生长碳纳米管研究

  闫兵, 岳建岭, 邹杨君, 楼嘉伟, 杜作娟, 刘愚, 黄小忠

  表面技术. 2024, 53(12): 218-229, 239. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.018

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  目的 通过调节化学气相沉积（CVD）的工艺参数，实现碳纳米管（CNTs）在氮化硼（BN）包覆的碳化硅纤维（SiCf）表面的可控生长。方法 通过控制单一变量，采用扫描电子显微镜、热重分析、X射线光电子能谱等表征手段，系统地研究了CVD工艺参数和BN表面改性对CNTs形貌、长度、含量的影响。结果 通过改变CVD工艺参数，实现了对CNTs形貌、长度、含量的调节与控制，获得了CNTs和BN协同改性的SiC纤维（SiC@BN-CNTs）。其中，SiC@BN-OH在反应温度为700 ℃、反应时间为20 min等参数下具有最大的CNTs产率（质量分数为10.6%），且形貌良好、含量较高。结论 浸渍催化剂和缩短碳源与载体的距离对生长CNTs有积极影响，增加了CNTs的长度和生长密度；通过调节反应温度和时间能够实现对CNTs长度、含量的精确控制，从而获得高质量、高结晶度的CNTs；在反应器中，气体和催化剂的含量相互影响，在制备过程中需要考虑气体和催化剂的比例，按比例同时增加气体和催化剂的流入速率能够获得更好的结果。BN表面羟基化改性处理增强了BN对催化剂的吸附，促进了催化剂颗粒的分散，提高了CNTs的产率。
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  表面改性对铁基非晶合金微波吸收性能的影响

  钟宇峰, 殷陶, 曾国勋, 吴起白, 张海, 舒畅

  表面技术. 2024, 53(12): 230-239. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.019

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  目的 旨在调节铁基非晶合金(IAA)粉体复合材料的微波吸收性能。方法 先在铁基非晶合金粉体表面采用磁控溅射局部覆盖铝膜，再使用KH560硅烷偶联剂对粉体进行绝缘包覆。通过XRD、SEM和FT-IR分别对粉体进行材料表征，采用VSM和传输反射法分别测试样品的电磁性能。结果 镀铝后铁基非晶合金粉体的复介电常数实部ε?提高了56.1%，复介电常数虚部ε?提高了132.4%。绝缘包覆后铁基非晶合金粉体的ε?降低变为铁基非晶合金的32.6%，ε?变为铁基非晶合金的25.1%。镀铝再包覆KH560的铁基非晶合金粉体的ε?和ε?则分别变为铁基非晶合金的43.5%和36.6%，其复介电常数实部和虚部比镀铝后的样品低，比单纯用KH560包覆后的样品高，显示出镀铝可补偿因KH560绝缘包覆而带来的介电损耗能力下降，有利于调节KH560绝缘包覆的粉体材料的电磁性能。结论 对铁基非晶合金粉体的绝缘包覆，改善了相应材料的高频吸收性能，但牺牲了其低频吸收性能，为了弥补这个不足，提出在铁基非晶合金粉体表面局部覆盖铝膜，再进行绝缘包覆，期望在绝缘包覆后，粉体仍有较高的介电损耗能力，达到调节材料中低频电磁波吸收能力的目的。样品模拟反射率曲线显示，样品厚度在2~3 mm时，铁基非晶合金/Al/KH560样品最低峰对应频率低于铁基非晶合金/KH560的相应峰位，铁基非晶合金粉体表面镀铝可明显改善其复合材料的低频微波吸收特性。
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  TiO2粒径对TiO2/聚脲超疏水涂层机械稳定性和防覆冰性能的影响研究

  胡丽娜, 杜一枝, 董立婷, 雷煜航

  表面技术. 2024, 53(12): 240-251. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.020

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  目的 研究改性TiO2粒径对TiO2/聚脲超疏水涂层机械稳定性和防覆冰性能的影响，解决低温环境下风机叶片结冰问题。方法 采用有机无机粒子共混，以改性纳米TiO2和聚天门冬氨酸酯聚脲(PAE聚脲)为材料，利用一步法构建TiO2/PAE聚脲超疏水涂层。开展耐酸碱性、耐磨性、静态防覆冰、动态防覆冰、覆冰黏结强度等实验研究，并应用在真实风电场。结果 超疏水涂层的机械稳定性、防覆冰性能随着粒径增大而逐渐变差。当TiO2粉末粒径为100 nm时，接触角为(162.4±2.1)°，滚动角为(3.8±0.7)°;经过250次磨损，接触角为(158.8±0.31)°，滚动角为(7.3±0.1)°;经过14 d的酸碱耐候性实验，超疏水涂层仍具有超疏水性，酸性和碱性溶液皆会导致涂层受损，碱性溶液对涂层腐蚀作用更强;机械稳定性较强、防覆冰性能较优。涂有超疏水涂层的风机在冻雨天平均比空白风机平均多运行255 min，对一台2 MW机组来讲，相当于多产生8 500 kW.h的电能。结论 制备的超疏水涂层具备优良的机械稳定性与防覆冰性能，推动了超疏水涂层在风机叶片被动防覆冰领域的应用。
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  硫系玻璃基底减反射激光薄膜的设计及制备

  王通, 徐均琪, 李阳, 苏俊宏, 孙少斌, 刘政

  表面技术. 2024, 53(12): 252-259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.021

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  目的 随着红外技术的发展，硫系玻璃已作为红外光学元件得到一定使用，然而硫系玻璃在3~5 μm波段的透射率不能满足使用要求，并且红外薄膜用于探测器中易遭受强激光的辐照而损伤。针对硫系玻璃(As40Se60)基底镀制薄膜易脱落、透射率低，以及抗激光能力差等问题，设计并制备出在3~5 μm波段具有良好透射率、在1 064 nm处具有抗激光能力的薄膜。方法 制备ZnSe、ZnS和YbF3单层膜，测量其光学常数并进行膜系设计。优化设计出的红外多层薄膜结构为S|0.61H0.21L0.32M0.26L0.2M0.32L0.28M0.17L0.35M0.28L0.13M0.61L|A，其中H代表ZnSe、M代表ZnS、L代表YbF3、S代表硫系玻璃、A代表空气，数字为膜层的光学厚度，设计波长λ0=4 000 nm，薄膜的厚度为2 055 nm，光谱性能为:在3~5 μm波段双面镀膜时的平均透射率为95.67%，峰值透射率为99.11%，(1 064±40)nm波段单面镀膜时的平均透射率为7.62%。在制备过程中，从膜基材料的热膨胀系数差异入手进行优化，工艺参数为:烘烤温度70 ℃，离子能量100 eV，离子束流20 mA，此参数下薄膜样品的残余应力为?30.0 MPa。结果 所制备薄膜的附着性能符合要求，在3~5 μm波段双面镀膜时平均透射率为95.38%，峰值透射率为99.07%，在(1 064±40)nm范围内单面镀膜时的平均透射率为4.46%，在1 064 nm处的激光损伤阈值为7.6 J/cm²。结论 在硫系玻璃基底制备薄膜时，从膜基材料的热膨胀系数差异入手，合理优化烘烤温度与离子参数，可以降低薄膜的残余应力，提高薄膜的附着性能。
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  基于Au/Ni-W多层薄膜修饰铜基微纳分级结构固相瞬态焊接方法

  肖金, 田学锋, 冯晓杰, 刘志明, 徐创

  表面技术. 2024, 53(12): 260-267. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.12.022

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  目的 以特殊形貌的铜基微纳结构为基板，在其上依次镀覆Ni-W合金层和Au纳米层，在超声能量和室温条件下，实现瞬时与锡基焊料的焊接，解决无铅焊料由于高熔点对薄芯片和热敏器件造成的热冲击和热损伤问题，保证器件安全性和性能可靠性。方法 采用电化学方法沉积出特殊形貌铜基微纳分级结构，在其上化学镀覆层厚为180 nm的Ni-W合金层和50 nm的Au层。将获得的Au/Ni-W多层薄膜修饰的铜基结构与商用焊料(SAC305)在焊接压力98 N(20 MPa)、焊接时间3 s、超声振动3 s条件下实现固相瞬态焊接。将不同表面修饰层的铜基微纳分级结构与焊球进行破坏剪切测试。将焊接后的样品在180 ℃下分别进行10、30、60 min的时效处理。结果 铜基微米级突起结构高度为2~4 μm，底端尺寸为800~1 200 nm，具有优良的凸起结构密度和长径比。Au/Ni-W修饰后的铜基微纳分级结构与SAC305焊球所形成的焊接界面嵌入效果好，没有任何孔洞存在，焊接界面平均剪切强度为43.06 MPa。结论 铜基微纳分级结构插入焊球内部形成镶嵌，产生机械互锁，而Au/Ni-W合金修饰层能有效提高铜基微纳分级结构表面硬度，与锡焊料形成较大的硬度差，在插入式焊接中减少了孔洞的形成，焊接效果优良。Ni-W合金层的存在延缓了Cu-Sn之间的互扩散，阻挡了Cu-Sn金属间化合物的生长，减少了因界面失效而产生的可靠性问题。