2024年, 第53卷, 第14期　
刊出日期：2024-07-25

  

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研究综述
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  镍基热喷涂自润滑涂层研究新进展

  郭冬青, 贾均红, 杨杰, 王奎, 王建, 焦小雨, 张心怡

  表面技术. 2024, 53(14): 1-14. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.001

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  近些年，镍基自润滑涂层作为减摩耐磨材料被广泛喷涂到机械运动副表面。从涂层的组分设计、制备工艺及涂层微结构控制3个方面，系统总结了热喷涂制备镍基自润滑涂层的最新研究进展并对未来的研究方向进行了讨论。首先从涂层基础相、润滑相和增强相3部分阐述了镍基自润滑涂层的构成要素，并重点分析了涂层组分设计的常用模式，以期为新型镍基自润滑涂层的组分设计提供参考;继而针对热喷涂技术的工艺特殊性，重点综述了热喷涂喂料复合粉末制备的研究最新进展;随后针对热喷涂制备涂层时导致的涂层缺陷问题，详细阐述了涂层微结构控制、涂层预处理和后处理等对自润滑涂层性能影响的最新探索进展;最后，总结了目前在镍基自润滑涂层研究中存在的问题，进一步指出优化工艺技术、采用数值模拟结合试验测试的方法，来深入研究涂层内部的润滑摩擦机理将是未来研究的重要方向。
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  稀土掺杂热障涂层体系及其荧光效应研究现状与发展趋势

  刘延宽, 李鑫林, 王志平

  表面技术. 2024, 53(14): 15-31. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.002

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  稀土掺杂热障涂层是指将稀土元素掺杂到热障涂层(Thermal Barrier Coatings，TBCs)陶瓷面层中，不仅可以在一定程度上改善热障涂层的隔热性能和力学性能，还可以赋予其荧光特性，利用其荧光特性可以实现温度测量、热历史追踪、无损检测等方面的应用，从而达到寿命预测的目的。重点围绕国内外稀土荧光效应在热障涂层中的研究和发展趋势进行了系统阐述，分别介绍了稀土掺杂热障涂层的结构以及荧光效应在时间效应和强度效应上的检测原理，分析了热障涂层稀土掺杂原理及其制备工艺，讨论了稀土元素的掺杂对热障涂层热力学性能以及抗CMAS(CaO、MgO、Al2O3、SiO2)腐蚀性的影响，阐述并分析了基于稀土荧光效应的热障涂层在荧光测温、热历史传感器和无损检测等方面的研究和应用，为后续基于稀土荧光效应的热障涂层研究和应用奠定了理论基础，最后对基于稀土荧光效应的热障涂层今后需要解决的问题和发展方向进行了展望。
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  化学镀镍硼镀层的研究进展

  张雅鑫, 袁炜, 刘圆敬, 黄雄, 刘丹, 单大勇

  表面技术. 2024, 53(14): 32-44. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.003

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  化学镀镍硼镀层是通过化学镀的表面处理方法在基材表面沉积的一种镍硼合金层。对近20年化学镀以及镍硼镀层的文章发表情况进行了统计，介绍了典型镍硼镀层的沉积过程和不同还原剂下的沉积原理，探讨了还原剂与硼含量对工艺和性能的影响。相比传统制备工艺，如今镍硼镀层的工艺研究有了许多新的进展。近些年来，通过对绿色环保的新型稳定剂和无稳定剂镀液体系的探索、加速剂和表面活性剂的合理使用、等离子体氮化等后处理方法的应用、多层镀层与复合镀层以及三元合金镀层的深入探索，化学镀镍硼的工艺研究发展迅速，其应用范围也在原本对耐磨、耐腐蚀性能需求较高的传统领域之外，拓展出了电子工业、特种材料工业等新兴领域。目前，在化学镀镍的所有镀层中，镍硼镀层的硬度最高，除这些传统性能外，镍硼镀层还具有高反射率、低电阻率和优秀的磁性能。综述了化学镀镍硼镀层在基础理论研究、工艺研究、性能及应用研究3个方面的成果与进展，指出了未来镍硼镀层的再处理再循环工艺、工业化、原料成本等在环保、技术、经济方面可能遇到的一些机遇、挑战和有待改善之处，展望了未来镍硼镀层研究的关注重点和发展趋势。
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  微弧氧化着色膜层制备技术研究进展

  郭俊灏, 张德忠, 赵涛, 陈文选, 郭涌

  表面技术. 2024, 53(14): 45-55. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.004

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  铝、镁、钛等合金材料常被用作3C机身结构件，尤其是制作笔记本电脑和手机的外壳时，不仅要求表面硬度高、耐磨性好，还要求其外观华丽精致，微弧氧化着色膜也因此成为研究热点。概述了微弧氧化着色膜的着色原理、着色方法，包括改变电解液组成、改变合金组成等，基于目前采用最多的添加过渡金属盐的方法对着色的颜色种类如黑色、棕色、蓝色、绿色等进行了重点论述，分析了微弧氧化膜的着色原因及显色物质成分，并在此过程中探讨了可能会对膜层颜色产生影响的工艺参数，揭示了微弧氧化着色膜层存在的光泽度低、色彩暗淡无光等问题。为解决微弧氧化着色膜装饰性较差的问题，使其更好地应用于电子产品，其未来的发展方向将是:1)深入研究微弧氧化着色机理;2)改善微弧氧化电解液体系;3)探索工艺参数影响，以提高着色膜的装饰性;4)拓展微弧氧化膜的颜色种类，从而满足更多场景的应用需求。
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  植介入医疗器械涂层的研究进展

  李基容, 储爱民, 王书晗, 吕孔鹏, 吴海江

  表面技术. 2024, 53(14): 56-74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.005

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  植介入医疗器械在手术过程中会直接接触人体器官组织、血管壁及血液，进而引发一系列如炎症、血管痉挛、血栓等副作用，在器械表面应用生物相容性材料构建涂层可以有效避免组织损伤和减少副作用。近年来，随着涂层技术和材料种类的迅速发展，涂层的功能性也得到了拓展，出现了亲水、疏水、抗菌、抗凝和载药等不同功能的涂层。综述了上述5种植介入医疗器械涂层的研究进展，从材料学角度探讨了涂层的组成成分和表面结构优化对其功能性的影响。其中，涂层的组成成分主要是高分子聚合物，例如聚乙二醇、聚两性离子、聚四氟乙烯等，将抗菌、抗凝以及其他药物掺杂在这些材料内构建涂层，可实现抑菌、抗凝、载药等目的。常见的表面结构优化策略主要通过在器械表面对涂层进行仿生微纳结构修饰等，形成纳米或微米尺度的结构，从而改变涂层的表面能、接触角、粗糙度等特性，以影响涂层的生物相容性、细胞附着和生长行为。总而言之，表面涂层可以显著改善植介入医疗器械的临床应用性能。然而，植介入医疗器械涂层在长期效果、材料耐久性和标准化制备等方面仍存在一些不足。最后，结合目前蓬勃发展的新型材料和制作工艺，对植介入医疗器械的涂层进行了展望。
腐蚀与防护
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  海洋环境用热轧304L不锈钢-A36碳钢复合钢板的腐蚀行为研究

  刘叶诚, 郑志斌, 龙骏, 徐志彪, 郑开宏, 焦四海, 殷福星

  表面技术. 2024, 53(14): 75-86. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.006

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  目的 探究304L不锈钢和A36碳钢热轧复合钢板中不锈钢覆层、碳钢基体以及不锈钢-碳钢复合界面在海洋大气环境及海水浸没环境中的腐蚀行为与腐蚀机理。方法 采用中性盐雾实验和电化学实验模拟了海洋大气环境及海水浸没环境，对304L不锈钢-A36碳钢热轧复合钢板的腐蚀机理进行了全面评估。利用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散光谱(EDS)表征复合材料界面的微观结构和局部元素分布，使用X射线衍射仪(XRD)表征了腐蚀产物的成分和化合价。结果 在复合界面上存在一个明显的元素过渡区域。2种钢复合界面结合平滑，结合质量良好，轧制对2种钢复合界面处的组织无明显影响。当中性盐雾实验进行到96 h时，复合界面的腐蚀速率开始超越碳钢基体的腐蚀速率。实验结束时，复合界面与碳钢基体的腐蚀失重量分别达到582 g/m²和468 g/m²，复合界面在海洋大气环境中的腐蚀速率为碳钢基体的1.24倍。此外，在复合界面碳钢侧的腐蚀产物中观察到富氯层。在电化学实验中，复合界面显示出了比碳钢基体更小的阻抗，这使复合界面在海水浸没环境中的腐蚀速率为碳钢基体的1.13倍。在复合界面处发现电偶腐蚀效应，加速了A36碳钢侧的腐蚀。开路电位的测试结果表明，复合界面的开路电位与耐蚀性较差的碳钢的开路电位接近，不同不锈钢-碳钢面积比复合界面的开路电位变化较小。结论 在不同海洋腐蚀环境中，复合界面的腐蚀速率均大于覆层及基体的腐蚀速率，在海洋大气环境中尤为严重，复合界面碳钢部分的小面积暴露将导致材料的耐腐蚀性严重下降，在实际工程使用中应避免复合界面，尤其是复合界面碳钢部分的直接暴露。
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  不同苯并三氮唑(BTA)添加量对BTA@PHVA/PEI环氧涂层防护性能的影响

  慕仙莲, 张馨月, 郁大照, 刘元海, 刘杰

  表面技术. 2024, 53(14): 87-95. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.007

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  目的 通过制备装载苯并三氮唑(BTA)的杂化凝胶(BTA@PHVA/PEI)，并将其添加至环氧(EP)涂层中研究不同苯并三氮唑添加量对BTA@PHVA/PEI环氧涂层防护性能的影响。方法 通过自由基聚合法制备BTA@PHVA/PEI，将其添加至环氧涂层中制备BTA@PHVA/PEI环氧复合涂层。通过红外光谱、扫描电子显微镜、热重分析等手段对制备的BTA@PHVA/PEI进行结构表征。在3.5%(质量分数)NaCl溶液中开展模拟海水浸泡试验。对涂层附着力、电化学阻抗谱和涂层腐蚀形貌进行表征分析。结果 成功制备了装载缓蚀剂BTA的杂化凝胶BTA@PHVA/PEI;浸泡300 h后，BP-1/EP涂层、BP-2/EP涂层和BP-3/EP涂层附着力分别下降了55.7%、53.9%和58.2%，明显低于相同条件下EP涂层的附着力损失值(60.4%);在相同条件下，BTA@PHVA/PEI涂层始终具有更高的阻抗值。浸泡300 h后，BTA@PHVA/PEI涂层的阻抗值为3.36×10⁵ Ω?cm²，比EP涂层阻抗值高1个数量级。结论 BTA@PHVA/PEI中的硅氧烷结构能提高环氧涂层交联密度，降低腐蚀性粒子的渗透速率，使BP/EP涂层具有更高的附着力。在同等实验条件下，BTA@PHVA/PEI环氧涂层的防护效果更优，这主要是因为BTA中N原子的孤电子对与Fe原子的空轨道在金属基体表面形成了吸附膜和PHVA/PEI凝胶的三维网络具有屏蔽作用。
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  改性氧化铈/水性环氧复合涂层制备及防腐性能分析

  肖垚, 贺小燕, 万涛, 白秀琴

  表面技术. 2024, 53(14): 96-105, 189. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.008

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  目的 利用改性氧化铈掺杂水性环氧制备水性复合涂层，提高水性涂层的防腐性能。方法 通过硅烷偶联剂接枝纳米氧化铈(CeO2-K)，然后原位聚合聚苯胺(PANI)，合成了质量比为1︰1、4︰1、7︰1的聚苯胺/氧化铈复合颗粒(PA@CeO2(1︰1)、PA@CeO2(4︰1)及PA@CeO2(7︰1))，制备了硅烷改性氧化铈复合水性环氧涂层(CeO2-K/WEP)、PANI@CeO2复合水性环氧涂层(PA@CeO2(1︰1)/WEP、PA@CeO2(4︰1)/WEP及PA@CeO2(7︰1)/WEP);通过扫描电镜、吸水率试验、电化学测试、中性盐雾试验等探讨改性氧化铈/水性环氧复合涂层的防腐性能。结果 改性后CeO2-K颗粒间的团聚作用减弱，PA@CeO2复合粒子呈现“球状+纤维状”纳米复合结构。与水性环氧树脂涂层(WEP)相比，纳米复合涂层的致密性增强，PA@CeO2复合粒子的引入提高了CeO2与环氧树脂间的相容性，并增强了涂层与基体的结合力。PA@CeO2(4︰1)/WEP浸泡30 d后，在最低频率0.01 Hz下表现出最高的阻抗模值，是CeO2-K/WEP的2.4倍，比WEP提高了2个数量级。经过336 h的盐雾试验，WEP和CeO2-K/WEP出现了明显的锈蚀和剥落，而PA@CeO2/WEP涂层剥离区域未发生扩展，表现出更好的耐盐雾性能。结论 PA@CeO2/WEP复合涂层的防腐性能优于WEP和CeO2-K/WEP的，其中PA@CeO2(4︰1)/WEP复合涂层的性能最佳。
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  铜缓蚀剂及其与硅烷复合自组装膜耐腐蚀性能

  郭叙言, 庄普誉, 吴尚澄, 王桂香, 王志登

  表面技术. 2024, 53(14): 106-115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.009

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  目的 解决铜及铜合金在海水介质中的腐蚀问题。方法 采用自组装技术在铜表面制备了甲基-1H-苯并三唑(TTA)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、L-精氨酸和L-组氨酸4种缓蚀剂的自组装膜，并将这4种缓蚀剂分别与双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物(Si-69)进行组合制备了复合自组装膜，通过电化学方法研究了铜表面自组装膜的耐腐蚀性能。结果 所有缓蚀剂及其复合膜层均具有一定的耐腐蚀性，不同缓蚀剂自组装膜的缓蚀效率从大到小为:CTAB(78.78%)>TTA(61.00%)>组氨酸(56.03%)>精氨酸(46.38%)。相比空白铜样品的水接触角(76.9°)，CTAB自组装膜的接触角达100.7°。缓蚀剂与Si-69复配的自组装膜性能比单一缓蚀剂或硅烷更加优异，且在4种缓蚀剂中CTAB效果最好，其缓蚀效率达96.91%，其余依次为TTA(85.38%)、组氨酸(84.91%)和精氨酸(82.09%)。CTAB与硅烷复合膜层的水接触角为105.6°。结论 在铜表面制备CTAB、TTA、组氨酸、精氨酸4种自组装膜可以有效提高材料的耐蚀性。将4种缓蚀剂与硅烷复配时缓蚀效率均有提高，硅烷的加入能够改善缓蚀剂自组装膜层结构，提高耐蚀性。结果表明，利用缓蚀剂与硅烷复配的协同效应来提高膜层性能是一种可行的思路。
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  不同除鳞工艺对热轧带钢热镀锌质量的影响

  宋木清, 王少峰, 袁玮, 何龙, 黄峰

  表面技术. 2024, 53(14): 116-127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.010

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  目的 研究酸洗、湿法抛丸技术(Eco-Pickled Surface，EPS)、EPS+纤维刷工艺(EPS+plus)和干抛丸4种不同除鳞工艺对Q235B热轧带钢热镀锌质量的影响机理和规律，并将EPS和EPS+plus工艺处理后的热轧带钢在带钢热镀锌生产线上试制，实现大规模生产。方法 采用粗糙度轮廓仪测量4种表面除鳞处理后的Q235B钢板表面粗糙度，利用扫描电镜分析表面形貌及氧化皮残留情况。通过实验室热镀锌实验，观察镀锌层表面形貌，利用场发射电子探针(EF-EPMA)分析锌层截面形貌及成分面分布;通过折弯实验评定锌层结合力;去除表面镀锌层，计算锌消耗量，观察脱锌后表面抑制层形貌，并用能谱对其进行成分分析。将Q235B热轧带钢在鞍钢金固EPS生产线上进行EPS和EPS+plus处理后，分别在热镀锌生产线进行镀锌和镀锌铝镁工业试制，并对生产试制卷进行力学、折弯及杯突检测，以评定质量。结果 酸洗、EPS、EPS+plus和干抛丸4种工艺处理后钢板表面粗糙度分别为1.444 2、3.330 5、2.396 4、4.338 8 μm。EPS处理试样表面未发现有氧化铁皮的残留，EPS+plus处理试样仅有极少量的氧化铁皮残留。EPS和EPS+plus工艺处理钢板热镀锌试样基体与锌层之间均能形成连续较致密的抑制层，锌层结合力评为1级，且锌消耗量较小，分别为148.3、123.5 g/m²。结论 EPS和EPS+plus工艺处理后钢板镀锌质量优于酸洗和干抛丸工艺，EPS和EPS+plus工艺处理后在热镀锌生产线上试制的实验卷满足镀锌质量要求。
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  氯化胆碱-尿素体系中锌镍合金的电沉积研究

  孙海静, 刘爽, 王贺, 崔家宁, 周欣, 谭勇, 孙杰

  表面技术. 2024, 53(14): 128-138. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.011

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  目的 探究在低共熔溶剂氯化胆碱-尿素(ChCl-Urea DES)体系电沉积Zn-Ni合金的电化学行为、成核机制和耐蚀性。方法 通过循环伏安曲线测试(CV)研究了Zn-Ni合金的电化学行为，用计时电流曲线测试(CA)探究了Zn-Ni合金电沉积的形核/生长机制。使用扫描电镜(SEM)对合金镀层表面的微观形貌进行观察，结合能量色散谱仪(EDS)、X-ray衍射(XRD)以及X-ray光电子能谱(XPS)研究镀层的化学成分以及物相的组成，阻抗(EIS)测试和极化测试(Tafel)评估了Zn-Ni合金镀层的抗腐蚀性能。结果 Zn-Ni合金在氯化胆碱-尿素的体系中表现出正常的共沉积，与水溶液中的异常共沉积不同。镍的含量高于锌的含量，且Zn-Ni合金的成核方式是三维瞬时成核。从扫描电镜观察的结果来看，当沉积电位从?0.70 V负向移动时，镍含量有规律地降低，但镍始终高于锌的含量，与循环伏安结果一致。XRD和XPS分析表明，镀层中含有镍，并且确实存在Zn元素。耐蚀性的测试结果表明，在沉积电位为?0.85 V时，制得的Zn-Ni合金镀层展示出更强的耐腐蚀性。这可能是因为该镀层结构致密，晶粒尺寸小而且在表面均匀分布。结论 Zn-Ni合金在ChCl-Urea DES体系下经历扩散控制的不可逆电极过程，呈现正常共沉积，镍的含量高于锌。其成核机制为三维瞬时生长，扩散限制了生长过程。在?0.85 V的沉积电位下镀得的Zn-Ni合金镀层由于致密性好、晶粒尺寸细小且均匀分布，具备良好的耐腐蚀性。
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  磁过滤电弧离子镀TiN与N离子注入性能研究

  付天佐, 赵红, 田振刚, 李晓其, 谢宛鋆

  表面技术. 2024, 53(14): 139-145. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.012

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  目的 研究磁过滤电弧离子镀TiN与N离子注入对金属基体的保护效果。方法 采用磁过滤电弧离子镀和离子注入在不锈钢表面分别制备了TiN薄膜与N注入改性层，以及二者的复合膜层。对薄膜的相结构、微观形貌进行了表征，对薄膜进行了极化曲线测试，同时在半球样品表面制备涂层并进行盐雾测试。结果 所制备的TiN涂层为(111)晶面择优取向，离子注N预处理后沉积的TiN薄膜，仍保持(111)面的择优取向;电化学测试结果显示，TiN和N离子注入能够使不锈钢基体自腐蚀电位分别提高0.64、0.25 V，TiN薄膜具有最低的维钝电流密度4.9×10^?6 A/cm²，N离子注入+TiN复合薄膜的维钝电流密度与N离子注入样品接近;盐雾试验结果表明，TiN以及N离子注入+TiN复合薄膜样品能够保证铜半球在12 h的中性盐雾试验中无明显腐蚀痕迹。结论 N离子注入预处理对MFAIP TiN涂层耐蚀性能的提升效果有限，单一的MFAIP TiN涂层便可应用于复杂形状的工程材料表面镀膜，可以增强其抗腐蚀能力，延长使用寿命。
精密与超精密加工
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  空间弯管内表面磁粒研磨位姿轨迹优化试验研究

  王硕, 陈松, 程海东, 袁鲁, 解志文

  表面技术. 2024, 53(14): 146-156. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.013

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  目的 利用机械手对末端研磨装置姿态的灵活可控性，设计一种可变换研磨姿态的加工方式，以高效去除紫铜弯管内表面的材料缺陷，并解决其在常规加工方式下材料去除不均匀的问题。方法 利用ADAMS和EDEM软件分别仿真模拟出磁轭以单一研磨姿态和变换研磨姿态驱动下磁性磨粒群在弯管内表面的运动轨迹和切、法向累计能量，并以此作为材料去除均匀性和研磨效率的评价指标。最后搭建试验平台对2种研磨方式进行试验验证。结果 通过磁轭单一研磨姿态与变换研磨姿态(15°起始研磨偏角)2种加工方式对紫铜弯管内表面研磨50 min后的表面形貌可知，前者在加工区域内的研磨痕迹深浅不一、且分布差异性较大。测得表面粗糙度为0.3 μm。后者在原始表面缺陷完全去除的前提下，仅留下了较浅的研磨痕迹，表面平整度较高。测得表面粗糙度为0.189 μm。结论 在相同的加工条件下，通过在合理范围内增大磁轭的起始研磨姿态偏角，可提高变换研磨姿态驱动下磁性磨粒运动轨迹线的覆盖率、结构致密程度、交错频率，有利于提高弯管内表面的研磨均匀性。同时在研磨过程中会增大磁场梯度的变化幅度，进而增强磁性磨粒群的流动性，对其切削刃替换及使用寿命方面有着积极的影响。研磨后弯管内表面所受的累计能量也会随之增加，最终实现了研磨效率的提高。
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  碳纤维复合材料PCD刀具低温和干式制孔试验研究

  苏永生, 王诚, 朱益洋, 阮芳涛, 刘剑

  表面技术. 2024, 53(14): 157-163. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.014

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  目的 针对CFRP开展二氧化碳低温冷却和干式条件下的PCD刀具制孔试验研究，从而提高CFRP材料的切削性能、制孔精度及制孔质量。方法 在传统钻孔和低温冷却条件下，采用常规和织构PCD刀具开展制孔试验，分析不同切削参数下的轴向推力、总切削力、入口直径和相对误差、表面黏结、孔壁形貌及缺陷的差异性。结果 在干式和低温冷却条件下，CFRP钻入过程产生的轴向推力和总切削力均随着进给速度的增大而不断增大;在试验条件下，当进给速度增大时，PCD刀具+干式、PCD刀具+低温及PCD织构刀具+ 低温3种方式下获得的入口直径相对误差范围分别为0.29%~0.42%、0.57%~1.15%、0.38%~0.89%;与干式加工相比，低温冷却有效抑制了刀具切屑黏结;总体来说，在低温冷却下，孔壁表面有明显的纤维断裂，形成较多的纤维断口坑、微裂纹，树脂表面涂覆均匀性较差。结论 在CFRP钻孔过程中，相对于干式钻孔，在相同切削参数下，低温冷却下可以获得更大的切削力;与低温冷却相比，采用干式钻孔能够提高入口直径尺寸的制孔精度，有效提高抗黏结效果;总体来说，相同切削参数下，干式制孔获得的孔壁表面更加平整和均匀。
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  高体积分数SiCp/Al复合材料的螺旋铣削试验研究

  苗永鑫, 焦安源, 李海一, 刘杰, 孙鹏

  表面技术. 2024, 53(14): 164-172. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.015

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  目的 分析体积分数为55%的SiCp/Al复合材料在螺旋铣削加工条件下的材料去除机理，提高制孔的孔径精度和表面质量，降低表面粗糙度，为螺旋铣削加工提供一定理论基础。方法 首先，基于螺旋铣削运动规律分析复合材料中单一碳化硅颗粒的受力状况及不同去除形式。其次，对铝基体、碳化硅颗粒以及刀具进行建模，模拟碳化硅颗粒在加工过程中的去除形式，并分析3种典型去除形式对表面粗糙度的影响。再次，以螺旋铣削的方式，采用直径为4 mm的PCD铣刀在8 mm厚的SiCp/Al复合材料上制备直径为6 mm的孔。通过响应面法，以主轴转速、进给速度和螺距作为优化变量，孔径精度和表面粗糙度作为优化指标，建立相应的响应分析模型，得到切削参数与优化指标的多元回归方程，研究各工艺参数之间的交互作用。最后，对响应面法得到的较优工艺参数进行试验验证。结果 当主轴转速为3 388 r/min(切削速度为42.575 m/min)、进给速度为175 mm/min、螺距为0.26 mm时，制孔满足孔径H7的技术要求，表面粗糙度Ra值为1.530 3 μm。结论 适当提高切削速度可增大颗粒被切断的概率，相较于颗粒被挤压和颗粒被拔出，颗粒被切断时已加工表面质量更好。
表面功能化
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  原子层沉积钌/氧化铝复合纳米薄膜的制备与电阻调控

  廉卓禧, 朱香平, 王丹, 李相鑫

  表面技术. 2024, 53(14): 173-180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.016

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  目的 针对目前微通道板(MCP)导电层电阻可调范围窄、性能稳定性差等问题，提出一种新的MCP导电层的制备方法。方法 应用原子层沉积(ALD)工艺在硅片上沉积不同厚度的Al2O3和Ru薄膜，以获得较优的纳米薄膜制备工艺参数，应用扫描电子显微镜(SEM)得到薄膜的截面厚度及成膜质量，应用能量色散X射线光谱(EDS)表征了薄膜的元素组成。基于获得的优选工艺参数，在MCP基板上应用ALD工艺交替沉积Al2O3和Ru 2种材料，并且改变Ru与Al2O3的ALD循环比例，制备了一系列Ru/Al2O3复合纳米薄膜作为MCP导电层。对制备的一系列MCP导电层进行体电阻测试，并在不同偏压下进行体电阻稳定性测试。结果 由SEM与EDS结果可知，利用ALD制备的Al2O3和Ru纳米薄膜成膜特性良好，且薄膜沉积速率稳定。对于镀覆于MCP内表面的Ru/Al2O3导电层，体电阻测试结果显示，随着复合薄膜中Ru的ALD循环次数增加，MCP体电阻明显降低，适用于MCP导电层制备的工艺参数为:Ru的ALD循环数为28~40，Al2O3的ALD循环数为10。在导电层制备过程中延长吹扫时间并在烘烤后随炉冷却，MCP导电层体电阻在不同偏压下具有良好的稳定性。结论 利用ALD制备Ru/Al2O3复合纳米薄膜作为MCP导电层，实现了体电阻从几至几百兆欧的调控，工艺优化后的导电层体电阻具有良好的稳定性，对扩展导电层可选材料范围，提升MCP器件性能具有工程应用价值。
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  基于二元堆积理论高致密CuW复合材料制备及耐电弧侵蚀性能研究

  张懿铭, 宋克兴, 国秀花, 皇涛, 冯江, 王旭, 李韶林, 钟建英, 李凯

  表面技术. 2024, 53(14): 181-189. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.017

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  目的 提高CuW复合材料的致密度及耐电弧侵蚀性能。方法 基于二元堆积理论设计并制备了双粒径W颗粒混杂CuW75复合材料，通过微观组织表征、硬度测试、导电率测试及密度测试，重点对比研究了单粒径CuW75复合材料和双粒径混杂CuW75复合材料致密性和微观组织的内在关联，并通过电接触实验研究了双粒径混杂CuW75复合材料耐电弧的侵蚀性能。结果 双粒径混杂CuW75复合材料微观组织均匀，W相及Cu相网络连通程度高，致密度高达99.79%，较CuW75复合材料国家标准致密度提升了2.9%，硬度较CuW75复合材料国家标准提升了6.7%。电接触实验结果表明，双粒径混杂CuW75复合材料熔焊力波动幅度小，平均熔焊力(35.06 cN)较1 μm单粒径CuW75复合材料的降低了11%;平均燃弧能量(147.29 mJ)及平均燃弧时间(2.53 ms)较1 μm单粒径CuW75复合材料的分别下降了38%和36%。双粒径混杂CuW75复合材料受电弧侵蚀面积小，侵蚀坑较浅，耐电弧侵蚀性能优异。结论 双粒径混杂W颗粒制备CuW复合材料可以明显提升材料的致密度及微观结构连通性。双粒径混杂CuW复合材料可以更好地分散电弧，具有优异的抗熔焊性能及耐电弧侵蚀性能。
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  仿生混合润湿图案表面的制备及其水收集性能

  吴安琪, 刘长松, 纪学成, 栗心明

  表面技术. 2024, 53(14): 190-198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.018

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  目的 全球淡水资源短缺，高效和环保地获取淡水是一项重大挑战。方法 受沙漠甲虫和叶脉的启发，采用氨腐蚀法在铜网表面生长一层氢氧化铜纳米带，随后在氢氧化铜表面覆盖掩膜，使局部附着正十二烷基硫醇分子，制备出仿生混合润湿图案表面，采用接触角测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)分别对样品的润湿性、表面形貌及化学成分进行分析，以仿生混合润湿图案表面为基础搭建雾水收集装置，模拟潮湿环境来表征样品的水收集速率及样品在不同恶劣环境下的稳定性。结果 在亲水表面构建疏水图案为后续实验提供了基础，所制备的仿生混合润湿图案表面与原始表面、亲水表面、超疏水表面的集水速率相比分别提高了146%、111%、61%，有效提高了集水速率，水收集速率与图案尺寸、图案间隔成反比关系，与图案形状无关。仿生混合润湿图案表面经过紫外线照射和100 ℃加热处理后，仍保持稳定的集水性能。结论 样品具有制备简单、成本低廉、高效耐用等优点，在大气集水中具有潜在的应用前景，有望为解决水资源短缺问题提供新思路。
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  KGM/CNF-不锈钢网油水分离材料的制备及其油水分离性能研究

  刘磊, 陈浩然, 王思佳, 汪源浩, 谭凤芝

  表面技术. 2024, 53(14): 199-206, 215. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.019

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  目的 在KGM/CNF包覆不锈钢网表面制备超亲水、水下超疏油功能材料，实现油水体系的分离。方法 采用溶液浸泡法在不锈钢网上沉积魔芋葡甘聚糖(Konjac Gluco Mannan，KGM)/纤维素纳米纤维(Cellulose Nano Fiber，CNF)，构造超亲水/水下超疏油表面。通过加热使KGM脱乙酰化、KGM/CNF分子间氢键重构、CNF在材料表面重新排布，制备了KGM/CNF-不锈钢网油水分离材料;利用扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪和界面接触角对油水分离材料的表面形貌及物化性质进行了表征和研究，采用红外测油仪研究了油水分离性能。结果 KGM/CNF-不锈钢网油水分离材料在空气中具有优异的超亲水性(WCA=0°)和水下超疏油性能(OCA≥151°)。通过油水分离性能研究发现，KGM/CNF-不锈钢网油水分离材料在自身重力下可以对大豆油、汽油等不同油水混合物进行高效分离，对油水混合物的分离效率可达97.40%，分离通量为1 236.75 L/(m².h)。结论 KGM/CNF-不锈钢网油水分离材料以不锈钢网为载体，弥补了力学强度差的缺点，具有优异的油水分离性能以及良好的耐腐蚀性和循环使用性;该材料制备方法简单，制备过程绿色环保、成本低，在油水体系的分离中具有较好的潜在应用前景。
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  射流电沉积流场变化对铜沉积层的影响

  李子豪, 彭文海, 王艳虎, 方铁辉

  表面技术. 2024, 53(14): 207-215. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.020

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  目的 探究射流电沉积过程中电镀液流场参数对铜沉积层的微观形貌、粗糙度、定域性和沉积速率的影响。方法 以铂丝为阳极、镍板为阴极，电镀液从内置阳极铂丝的喷嘴流出接触镍板阴极，在外加电场作用下铜离子还原形成铜沉积层。通过控制喷嘴形状、长宽比例(1∶1、2∶1、4∶1、6∶1)等来改变射流状态及流场参数。利用激光三维形貌仪、扫描电镜、COMSOL模拟等手段分析流场参数变化对铜沉积层粗糙度、定域性、缺陷的影响规律。结果 当喷嘴面积固定时，矩形喷嘴长宽比的变化显著影响铜沉积层的粗糙度、瘤状沉积物、定域性以及内部缺陷。当长宽比为1∶1时，沉积层面粗糙度Sa=5.40 μm，定域性差，沉积范围为喷嘴宽度的192%，且瘤状沉积物较多。随着长宽比的减小，表面粗糙度逐渐降低，结构趋于均匀，瘤状沉积物也相应减少，且定域性精度增加。当长宽比为6∶1时，铜沉积层面粗糙度Sa=2.76 μm，定域性误差为?1%，瘤状沉积物显著减少。利用截面扫描电镜观察发现，当长宽比为6∶1时，沉积层内部的微裂纹、气孔最少。COMSOL流场模拟了不同长宽比下流场的速度分布，结果与实验一致。结论 流场速度分布的均匀性显著影响铜沉积层的表面质量和内部结构。流场流速分布均匀性增加，则沉积层表面粗糙度降低，气泡、瘤状物等减少，且内部致密性增加，微裂纹、微孔洞等沉积缺陷明显减少。