2024年, 第53卷, 第2期　
刊出日期：2024-01-25

  

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研究综述
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  可降解锌基骨植入材料及其表面改性研究进展

  冯博玄, 谭晋韵, 裴佳, 袁广银

  表面技术. 2024, 53(2): 1-14. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.001

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  医用锌及锌合金有望成为新一代可降解骨植入物材料来促进骨缺损的修复。概述了可降解医用锌基材料的优势，包括较好的生物安全性和抗菌效果、能促进植入部位周围血管和新骨的生成以及骨相关基因的表达能力。在此基础上，从基底材料、细胞种类及实验结果等方面系统总结了近年来关于可降解医用锌基材料生物相容性和降解行为的研究。同时，归纳了可降解医用锌在临床修复骨缺损方面所面临的主要问题和挑战，包括较差的力学性能和较强的细胞毒性。可降解医用锌较差的力学性能可以通过合金化进行改善，概述了多种新型医用锌合金的力学性能及其生物相容性。表面改性是提高可降解医用锌基表面生物相容性和调控降解的有效手段。从基底样品、表面改性手段、使用的细胞或动物模型以及细胞相容性和降解行为等方面，综述了近年来可降解锌基骨植入材料表面改性的研究现状，提出了可降解锌基骨植入材料表面改性目前所面临的难点问题，包括传统表面改性手段加剧了锌离子的释放或在表面改性后可降解医用锌的生物相容性改善功效不足，以及未来的发展方向。
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  碳钢和不锈钢在海洋SRB、IRB和IOB下的点蚀研究现状

  陈杨嵋, 贺小燕, 黄谦, 熊汉桢, 白秀琴

  表面技术. 2024, 53(2): 15-27, 70. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.002

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  微生物腐蚀(Microbiological Induced Corrosion，MIC)带来的危害占海洋腐蚀危害的20%。微生物腐蚀是指由于微生物的生命活动及其代谢产物与金属材料相互作用，影响腐蚀反应的阴极和阳极过程所引发的腐蚀现象，已成为海运业面临的重大技术难题，研究海洋微生物腐蚀对推进我国海洋事业的发展有重要意义。金属材料微生物腐蚀包括全面腐蚀和局部腐蚀，局部腐蚀的危害更大，而点蚀被认为是危害最大的局部腐蚀形式。海洋微生物种类繁多，本文聚焦于硫元素的参与者硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing Bacteria，SRB)、铁元素的参与者铁还原细菌(Iron-reducing Bacteria，IRB)和铁氧化细菌(Iron-oxidizing Bacteria，IOB)所引发的微生物点蚀问题，包括由细菌不均匀的生物膜与腐蚀产物膜以及细菌本身的特性引起的点蚀。以广泛应用于海洋平台和船舶的碳钢和不锈钢为对象，分析其在海洋SRB、IRB和IOB下的点蚀状况，从腐蚀形貌和腐蚀产物两方面对比了碳钢、不锈钢在不同细菌体系中的腐蚀差异，腐蚀形貌分析包括腐蚀产物形貌和去除腐蚀产物后金属表面形貌的分析，腐蚀产物分析主要聚焦于金属材料表面不同成分与含量的变化。从代谢产物理论、氧浓差电池作用理论阐释了碳钢和不锈钢的点蚀机理，指出微生物点蚀研究需要综合考虑多种因素，包括多菌种的相互作用和多种环境因素对金属材料的点蚀影响，以及微生物对耐蚀金属材料的点蚀影响等。
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  原子力显微镜在有机缓蚀剂研究中的应用

  王伦滔, 王慧如

  表面技术. 2024, 53(2): 28-48. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.003

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  有机缓蚀剂具有低毒性和高性价比等优点，在低浓度的注射剂量下可以实现优良的缓蚀效果，被广泛应用于石油化工(碳钢)、电子工业(铜)、车辆船舶和航空航天工业(铝)，保护合金材料免受腐蚀危害。现有的电化学测试技术已经在有机缓蚀剂领域得以广泛应用，这种传统的研究方法可以提供有关界面电化学反应的平均动力学信息，但是无法直接解析缓蚀剂的吸附及作用机制。随着金属腐蚀与缓蚀剂研究的微观化和系统化发展，电化学分析手段逐渐与其他分析技术(如扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱等)紧密结合，开展了对缓蚀剂作用机制的深入研究。在这些分析技术中，原子力显微镜(AFM)由于空间分辨率成像能力高，受工作环境和样品性质的局限较少，在有机缓蚀剂于金属/溶液界面的直观研究中起到了重要作用。本文结合近年来原子力显微镜在有机缓蚀剂领域的研究进展，简述了原子力显微镜的工作原理和几种操作模式，详述了AFM的接触模式在有机缓蚀剂研究中的普遍应用和其局限性，总结了AFM的敲击模式在表面活性剂吸附研究中的重要作用和研究现状并延伸到有机缓蚀剂的吸附研究，综述了AFM几个衍生功能(包括纳米刮擦、力-距离曲线、摩擦力和电化学原子力显微镜)在有机缓蚀剂研究中获得的缓蚀剂膜的力学和电化学相关信息，最后对AFM在有机缓蚀剂领域当前研究中存在的问题和未来发展趋势进行了展望。
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  高熵合金电解水电极的研究进展

  邢伯玮, 张楠楠, 马婧雯, 左晓姣, 于惠舒, 霍萧冉, 张啸

  表面技术. 2024, 53(2): 49-59. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.004

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  开发合适的催化材料，制备出高性能、大规模、低成本的催化电极，可减少电解水过程的能量消耗、提升制氢效率。高熵合金由于具有高催化活性，在催化电极应用方面受到广泛关注。综述了应用于电解水过程中析氢反应和析氧反应的高熵合金催化电极的研究进展。首先简述了电解水制氢的工业背景和电化学原理;分析了高熵合金催化活性的来源，即杂化能带结构带来的更为合理的表面吸附能和更多的表面活性位点，以及其特有的高熵效应与“鸡尾酒”效应对整体催化活性的影响;接着讨论了高熵合金的成分设计理念，即通过非贵金属元素的替代来降低成本，同时通过改变合金化元素含量提高高熵合金的内禀活性、增加表面活性位点数量;介绍了第一性原理计算在高熵合金催化机理研究、催化表面吸附能调控、合金成分高通量筛选中的应用;总结了高熵合金平板、多孔、负载纳米颗粒催化电极制备的工艺特点，以及其中的问题与挑战;最后对未来高熵合金电催化电极的发展前景和研究方向进行了展望。
腐蚀与防护
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  预氧化处理对MP35N合金高温氧化行为的影响

  刘鲁, 刘亚, 吴长军, 吴昱锋, 苏旭平

  表面技术. 2024, 53(2): 60-70. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.005

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  目的 探索并优化合金成分、工艺以获得致密稳定的预氧化膜，提高合金抗氧化能力。方法 利用非自耗真空电弧炉熔炼合金，在真空容器中加热金属及其氧化物粉末获得平衡氧压。通过莱茵装置进行预氧化实验。通过FactSage计算Co-Ni-Cr-Mo-Al-Si体系的合金组织相图及其氧化相图，利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜对预氧化的试样进行物相分析。结果 在1 000 ℃、10^–17 atm氧压下预氧化，未含Si的MP35N合金表面出现Cr2O3氧化物;随着Si添加量的增加，表面氧化物变为(Al,Cr)2O3，以Cr2O3为主，内氧化物为Al2O3;当Si含量(质量分数)为3%时，内部形成了近乎连续的带状Al2O3氧化膜。在1 000 ℃、10^–25 atm氧压下，合金表面形成连续的Al2O3膜;在1 000 ℃、10^–17 atm氧压下，Co-Ni-20Cr-10Mo-4Al-1Si合金预氧化后的外氧化膜为Cr2O3，内氧化物为Al2O3;随着氧压的提高，在空气气氛下合金表面生成尖晶石相氧化物。在1 000 ℃、10^–17 atm氧压下预氧化1、5、10 h，Co-Ni-20Cr-10Mo-4Al-1Si合金表面外氧化膜为Cr2O3，内氧化物为Al2O3，随着时间延长至20 h，合金表面形成连续的Al2O3膜。结论 随着Si添加量的增加，Al元素的活度不断升高，从而提高了Al2O3的形成驱动力，提升了Al元素的扩散系数，有更多的Al元素扩散至合金表层，有利于Al元素的选择性氧化。预氧化氧压的降低和氧化时间的延长，有利于保护性外氧化Al2O3膜形成，可有效提高合金的抗高温氧化性能。
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  高温水蒸气环境中TP439不锈钢的应力腐蚀开裂敏感性

  李富天, 刘光明, 刘欢欢, 何一鹏, 李玉, 柳志浩

  表面技术. 2024, 53(2): 71-77, 96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.006

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  目的 研究TP439不锈钢在高温水蒸气环境中的应力腐蚀开裂行为，并探讨水蒸气和温度对其应力腐蚀开裂敏感性的影响规律。方法 采用慢应变速率拉伸试验方法研究了TP439不锈钢在400~600 ℃水蒸气环境中的应力腐蚀开裂行为，利用SEM和EDS分析试样断口区域的形貌及元素分布。结果 同一应变速率(2×10^?5 s^?1)下，随着温度在400~600 ℃范围内升高，TP439不锈钢在空气和水蒸气环境中的屈服强度、抗拉强度和断裂能均逐渐降低，延伸率逐渐增大。400 ℃和500 ℃时，试样在水蒸气环境中的抗拉强度较空气环境中有所降低，而延伸率较空气环境中增大。600 ℃时试样在水蒸气环境中的力学性能较空气环境中无明显差别。试样在400、500、600 ℃水蒸气环境中的应力腐蚀开裂敏感性指数分别为0.7%、1.2%和?2.8%，应力腐蚀开裂敏感性较低。试样在400~600 ℃水蒸气环境中的断口均呈现韧性断裂特征，断口形貌整体由韧窝和微孔组成，颈缩现象显著，断口附近未发现二次裂纹。温度在400~600 ℃范围内升高时，断口的韧窝特征更加明显，颈缩程度逐渐增大，600 ℃时断口侧面的氧化膜表面Cr含量明显降低，主要由Fe的氧化物形成。结论 水蒸气对TP439不锈钢的应力腐蚀开裂行为起促进作用。基于应力腐蚀开裂敏感性指数和断口的分析，在应变速率为2×10^?5 s^?1的400~600 ℃水蒸气环境中，TP439不锈钢的应力腐蚀开裂敏感性较低。
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  平行磁场对含V型缺陷的管线钢的腐蚀行为影响

  王浩千, 王丹, 侯政煜, 梁守才, 张晓龙, 谢飞

  表面技术. 2024, 53(2): 78-87. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.007

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  目的 研究平行磁场对含V型腐蚀缺陷的X70管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中的腐蚀行为影响。方法 利用失重法来计算含V型腐蚀缺陷的X70管线钢在不同平行磁场强度下的腐蚀速率。采用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱(XPS)对V型槽槽内外腐蚀样貌及腐蚀产物进行分析，并分析出各腐蚀产物相对含量。结果 发现平行磁场的加入，加速了V型槽槽外的腐蚀，减缓了V型槽槽内的腐蚀。随着磁场强度的增加，平行磁场对V型槽槽外和槽内的促进及抑制作用加强，无磁场时V型槽槽外腐蚀产物为Fe2O3，然而随着磁场强度的增加，V型槽槽外腐蚀产物Fe2O3的相对含量增多，单质Fe的相对含量减少。而V型槽槽内的腐蚀产物Fe2O3随着磁场强度的增加逐渐减少，并且在40 mT时腐蚀产物变化为Fe3O4，70 mT时腐蚀产物变化为FeO。结论 平行磁场的存在加速了V型槽槽外腐蚀，抑制了V型槽槽内腐蚀，并随着磁场强度的增加，磁场对管线钢腐蚀的促进及抑制作用均增强。本文的研究结果对理解管线钢在磁场作用下的腐蚀失效行为有一定的参考价值。
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  磁场对钕铁硼表面电沉积Ni镀层性能的影响

  项腾飞, 任黄威, 周军, 张世宏

  表面技术. 2024, 53(2): 88-96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.008

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  目的 研究不同磁场参数对钕铁硼表面电沉积Ni镀层性能的影响。方法 以烧结钕铁硼(NdFeB)为基体，采用磁场辅助电沉积方法在其表面镀覆Ni层。利用扫描电镜(SEM)、EDS能谱仪、X射线衍射仪(XRD)分析镀层的表面形貌、元素组成和微观结构，通过电化学工作站对Ni镀层进行耐蚀性能研究。结果 施加磁场能显著改善镀层的表面形貌，表面镀层形貌更加均匀致密;试样的耐蚀性显著提高，在平行磁场方向下，当磁场强度为0.07 T时电沉积30 min，所得Ni镀层自腐蚀电位(Ecorr)为–0.193 V，自腐蚀电流密度(Jcorr)为8.305×10^–7 A.cm^–2，阻抗值达到3.882×10⁴ Ω.cm²，耐蚀性最好。结论 施加磁场后，镀层性能得到改善，平行磁场作用下Ni镀层更加均匀细致，其耐蚀性最优，垂直磁场次之，均优于无磁场作用下制备的Ni镀层。
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  Q420qENH钢及其焊接接头在模拟含PM2.5的工业大气介质中干湿循环腐蚀行为研究

  张利帅, 郭铁明, 武维宏, 胡焱文, 刘晓倩, 南雪丽, 周贵易, 易维斌

  表面技术. 2024, 53(2): 97-109. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.009

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  目的 研究桥梁耐候钢板材及其焊接接头在模拟含PM2.5的西北工业大气环境中腐蚀行为的区别。方法 采用NaHSO3+SiO2的腐蚀介质进行干湿交替加速腐蚀实验，并采用腐蚀动力学、X射线衍射、扫描电镜+能谱、电化学测试等方法，分析了Q420qENH钢板材、焊缝及热影响区试样的腐蚀趋势、腐蚀类型及锈层的保护性，以及SiO2对腐蚀的影响。结果 Q420qENH板材试样初期腐蚀速率大于焊接试样，中后期2种试样腐蚀速率逐渐下降并趋于一致。3种试样腐蚀类型均为不均匀的全面腐蚀，外锈层均疏松易脱落，但焊缝、热影响区内锈层比板材致密且与钢基体结合紧密，锈层中Cu、Ni元素含量明显高于板材试样。3种试样腐蚀30 d的自腐蚀电流密度由大到小的顺序为板材＞焊缝＞热影响区，自腐蚀电位由大到小的顺序为热影响区＞焊缝＞板材，焊缝及热影响区试样的锈层电阻分别为板材试样的1.28倍、1.68倍。结论 PM2.5中的主要成分SiO2易在缺陷处沉积，成为腐蚀产物的形核基底，促进了腐蚀产物的非均匀形核，不利于锈层的致密性。热影响区和焊缝形成锈层的保护性、耐蚀性能优于板材试样。
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  热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气环境中的腐蚀行为研究

  顾天真, 刘雨薇, 彭灿, 张鹏, 王振尧, 汪川, 孙力

  表面技术. 2024, 53(2): 110-119. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.010

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  目的 为详细研究热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气下的腐蚀行为及作用机理，同时为热浸镀Zn-Al-Mg镀层在湿热海洋大气环境中服役提供数据参考。方法 采用腐蚀失重、XRD、SEM、电化学等测试方法对热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气环境下的腐蚀行为进行研究。结果 腐蚀产物主要由Zn5(OH)8Cl2.H2O组成，腐蚀一段时间后，发现少量ZnO、Zn5(OH)6CO3，腐蚀产物具有与锌腐蚀类似的层状结构，1 848 h呈“三明治”型，相比于上下两层暗色物质，中层亮色腐蚀产物富集更多的Cl元素。热浸镀Zn-Al-Mg镀层腐蚀速率大体随时间延长呈上升趋势，只在672~840 h腐蚀速率下降，对比镀锌在模拟环境和锌在湿热大气环境中的腐蚀，热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气中表现出较好的耐蚀性。结论 热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气下腐蚀产物演变与腐蚀过程中Mg的参与有关。腐蚀672~840 h阶段腐蚀速率下降的原因与腐蚀产物中ZnO的减少和Zn5(OH)8Cl2.H2O占比增加有关。对比镀锌在模拟环境和锌在湿热大气环境中的腐蚀，预测热浸镀Zn-Al-Mg镀层在严酷湿热海洋大气中仍具有较高的耐蚀性，可以优先考虑作为湿热海洋环境的建设用材。
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  锌铝镁镀层和纯锌镀层在典型大气环境中初期腐蚀行为研究

  黎敏, 董妮妮, 商婷, 王保勇, 蒋光锐, 邵蓉, 刘武华, 刘永壮, 曹荣华

  表面技术. 2024, 53(2): 120-129, 139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.011

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  目的 增加对不同大气环境中锌铝镁镀层钢腐蚀行为的了解，研究中国地区不同气候条件下1 a内锌铝镁镀层钢腐蚀产物的组成和腐蚀速率。方法 采用SEM、GDS、XRD研究了纯锌(GI)镀层材料和锌铝镁合金(ZM)镀层材料的结构，对比研究了GI镀层和ZM镀层在吐鲁番、江津、青岛以及万宁4个大气试验站的腐蚀试验。结果 万宁GI的腐蚀速率为ZM的4.56倍，江津GI的腐蚀速率为ZM的3.76倍，青岛GI的腐蚀速率为ZM的2.84倍，吐鲁番GI的腐蚀速率为ZM的2.42倍，对于GI镀层和ZM镀层，按腐蚀速率从大到小的顺序依次为万宁、青岛、江津、吐鲁番。江津和万宁GI镀层的自腐蚀电流密度较小，万宁ZM镀层的自腐蚀电流密度最小。锌的大气腐蚀速率主要受相对湿度、氯离子含量、SO2含量等影响，主要通过影响腐蚀产物组成来影响锌的腐蚀速率。腐蚀产物的保护性受其化学组成、导电性、黏附性、致密性、溶解性、厚度、形态和亲水性等因素影响，不同的锈层结构对阴极氧还原的抑制作用不一样，高氯环境对GI的保护性腐蚀产物Zn5(CO3)2(OH)6有较大的破坏性，在高碱性环境下，容易使腐蚀产物转变成疏松导电的ZnO。在高氯环境中，由于镀层中MgZn2的阳极溶解，释放出可与OH反应的Mg²⁺以形成氢氧化镁(Mg(OH)2)。在ZM表面用Mg(OH)2代替氧化锌被认为可以降低阴极氧还原反应(ORR)，具有缓冲阴极位置的pH值升高的作用，能使碱式碳酸锌变得稳定，显著提升耐腐蚀性。结论 ZM镀层材料在高盐高湿环境下能形成稳定的腐蚀产物，降低阴极氧还原速率，在典型大气环境下具有广阔的应用前景。
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  基于板蓝根药渣氮掺杂碳点的制备及缓蚀性能研究

  谢微微, 陈佳起, 董社英

  表面技术. 2024, 53(2): 130-139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.012

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  目的 为提高板蓝根药渣资源回收利用率及减缓碳钢腐蚀所造成的环境污染和经济损失等一系列问题，制备一种环境友好型碳点缓蚀剂。方法 采用一步水热法制备了氮掺杂板蓝根渣碳点(N-CDI)缓蚀剂。利用红外光谱(FTIR)、紫外光谱(UV-Vis)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对N-CDI的结构、粒径及荧光性能进行表征，并通过失重法和电化学测试，研究了N-CDI对Q235碳钢在1 mol/L HCl溶液中的缓蚀性能与机理。结果 303 K时，在1 mol/L HCl溶液中N-CDI投加量仅为15 mg/L时，缓蚀率可达91.6%，较未掺杂前有明显提高。测试结果表明，N-CDI是以抑制阳极铁的溶解为主的混合型抑制剂，在碳钢表面的吸附符合Langmuir吸附等温模型，SEM断面图也进一步证实N-CDI在碳钢表面形成有效的保护层。结论 证实了中药渣碳点在酸性介质中可以有效抑制Q235碳钢的腐蚀，且具有低投加量、高效、热稳定性好等优势，拥有广阔的应用前景。
精密与超精密加工
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  基于反刍类动物臼齿仿生的平面磨具形貌结构设计与性能研究

  宋沛鸿, 郭磊, 刘天罡, 曹蕾蕾, 陈瑱贤, 张静

  表面技术. 2024, 53(2): 140-149, 167. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.013

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  目的 提高平面研磨加工效率及加工质量。方法 提取了反刍类动物臼齿齿面形貌特征，设计了一种模块化分布式平面研磨工具，采用ABAQUS分析了无特征规则排布磨具与仿生特征排布磨具在研磨抛光过程中对工件压力分布均匀性的影响;采用Fluent分析了仿生特征排布磨具形貌结构对磨削液流动性的影响;利用3D打印技术制备了仿生特征排布磨具与无特征规则排布磨具并进行了对比实验，通过响应面分析法讨论了转速、压力、表面结构特征等因素对磨具研磨性能的影响。结果 仿真结果表明，与无特征规则排布磨具相比，在4 N研磨压力下仿生特征排布磨具具有更优的工件表面应力分布均匀性;磨削液在磨具形貌特征间隙入口的流速为2.400 m/s时，与其他特征磨具相比，仿生特征模块化排布磨具的形貌特征间隙出口平均流速提升了29.45%。实验结果表明，与无特征规则排布磨具相比，在同等工艺下，使用仿生特征模块化排布磨具研磨的铝合金试件表面粗糙度由0.301 μm降至0.188 μm，下降了17.94%;当研磨压力为5 N时，材料去除速率由1.44 μm/min提升至1.93 μm/min，提升了34.47%。结论 平面磨具的形貌结构特征设计与排布对研磨过程中的工件接触压力分布、磨削液流动性具有重要影响。与无特征规则排布磨具相比，在相同工艺条件下臼齿仿生特征模块化排布磨具能够更有效地提升加工效率及加工质量。
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  基于多源数据融合的半导体晶片CMP抛光材料去除率预测

  方维, 王宇宇, 宋志龙, 吕冰海, 赵文宏

  表面技术. 2024, 53(2): 150-157, 167. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.014

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  目的 对半导体晶片抛光过程中的工艺参数、耗材使用量、抛光垫状态参数等多源数据预处理后进行数据融合，建立材料去除率(MRR)预测模型，为实现半导体晶片抛光加工工艺的决策和处理奠定基础。方法 研究晶片抛光加工中的数据特点及数据融合需求，提取数据集中每个晶片加工过程中的统计特征并生成新数据集，同时引入邻域特征以应对晶片加工过程中动态因素对材料去除率的影响。提出基于深度自动编码器的多源数据融合及材料去除率预测方法。设计深度自动编码器参数，优化深度自动编码器的损失函数从而增强深度自动编码器对强相关性特征变量的重建。基于深度自动编码器进行多源传感器信号融合，降低数据维度。使用超参数搜索算法优化BP神经网络超参数，利用BP神经网络方法将融合后的数据进行半导体晶片抛光过程中的材料去除率预测。结果 采用PHM2016数据集对模型进行验证，均方误差MSE达到7.862，相关性R²达到91.2%。结论 基于多源数据的融合模型能有效预测MRR，可以对半导体晶片CMP工艺过程的智能决策与控制起到良好的辅助作用。
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  微晶玻璃固结磨料研磨加工亚表面损伤预测研究

  王科荣, 宗傲, 牛凤丽, 张羽斐, 朱永伟

  表面技术. 2024, 53(2): 158-167. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.015

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  目的 快速、准确预测微晶玻璃在研磨加工过程中的亚表面损伤状况，制定合理的加工工艺。方法 通过建立微晶玻璃的离散元模型，仿真分析了研磨压力等研磨工艺参数对工件亚表面损伤的影响规律，并采用角度抛光法对研磨后微晶玻璃的亚表面损伤状况进行了实验验证。结果 采用W14金刚石固结磨料垫研磨微晶玻璃，当研磨压力为10 kPa时，工件亚表面裂纹层深度为1.75 μm，当研磨压力降低至3.5 kPa时，工件亚表面裂纹层深度为1.38 μm;随着研磨压力的降低，亚表面微裂纹数量减少。研磨残余应力层分布深度大于微裂纹层的，且在微裂纹的尖端存在较大的残余拉应力。结论 角度抛光法得到的亚表面裂纹层深度与仿真结果一致，偏差范围为?10.87%~11.29%，残余应力仿真结果与试验结果的偏差为7.89%。离散元仿真能够比较准确地预测固结磨料研磨微晶玻璃的亚表面损伤状况，为其研磨抛光工艺参数的制定提供了理论参考依据。
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  蓝宝石衬底CMP中氧化硅磨粒粒度分布对抛光液体系性能影响研究

  王晓剑, 李薇薇, 钟荣锋, 肖银波, 许宁徽, 孙运乾

  表面技术. 2024, 53(2): 168-174, 200. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.016

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  目的 化学机械抛光(CMP)包含化学腐蚀和机械磨削两方面，抛光液pH、磨粒粒径和浓度等因素均会不同程度地影响其化学腐蚀和机械磨削能力，从而影响抛光效果。方法 采用30~150 nm连续粒径磨粒抛光液、120 nm均一粒径磨粒抛光液、50 nm和120 nm配制而成的混合粒径磨粒抛光液，分别对蓝宝石衬底晶圆进行循环CMP实验，研究CMP过程中抛光液体系的变化。结果 连续粒径磨粒抛光液中磨粒大规模团聚，满足高材料去除率的抛光时间仅有4 h，抛光后的晶圆表面粗糙度为0.665 nm;均一粒径磨粒抛光液中磨粒稳定，无团聚现象，抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高94.7%，能至少维持高材料去除率18 h，抛光后的晶圆表面粗糙度为0.204 nm;混合粒径磨粒抛光液初始状态下磨粒稳定性较高，抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高114.8%，之后磨粒出现小规模团聚现象，后9 h材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的59.6%，18 h内材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的87.7%，但抛光后的晶圆表面粗糙度为0.151 nm。结论 一定时间内追求较高的材料去除率和较好的晶圆表面粗糙度选用混合粒径磨粒抛光液，但需要长时间CMP使用均一粒径磨粒抛光液更适合，因此，在工业生产中需要根据生产要求配合使用混合粒径磨粒抛光液和均一粒径磨粒抛光液。
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  大气等离子喷涂及固相反应法制备MnCoCu金属连接体防护涂层

  杨壮壮, 刘太楷, 文魁, 宋琛, 张留艳, 邓畅光, 邓春明, 刘敏

  表面技术. 2024, 53(2): 175-183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.017

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  目的 锰钴尖晶石涂层可有效抑制金属连接体高温氧化、降低固体氧化物燃料电池(SOFC)性能衰减，但其成本较高，电性能和稳定性也需进一步提升。方法 本文拟采用大气等离子喷涂技术(APS)和固相反应法以金属粉末制备高电导率尖晶石涂层。通过Cu元素的添加，在尖晶石涂层中引入高电导率的铜锰尖晶石相，获得高电导率尖晶石涂层，并通过对涂层的相组成、表面截面形貌、元素分布、电性能等物性的表征，揭示Cu添加量及固相转变条件对尖晶石涂层性能的影响规律。结果 800 ℃热处理后涂层明显致密化、均匀化，涂层主相为CuxMn3-xO4(x=1, 1.2, 1.4)和MnCo2O4;在基体和涂层的界面处存在Cr富集，800 ℃氧化10 h后，含Cu量12%(质量分数)的试样面比电导最高;氧化100 h后，面比电导有所下降，含Cu量12%(质量分数)试样仍具有最高的面比电导;经过还原的试样面比电导明显低于未还原样品，其原因在于还原过程中Cr元素产生扩散，氧化后生成了较多的低电导率相。涂层导电性随Cu含量的增加而增大，800 ℃时Cu含量为12%(质量分数)的样品电导率可达93.15 S/cm。结论 尖晶石涂层可通过APS制备的金属涂层经热处理后获得;涂层的相组成可以通过金属粉末成分进行调控;Cu的添加有效提高了涂层的电导率，且随Cu含量的增加而增大;经还原处理后的涂层更加致密，但导电性低于未还原样品。
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  退火对钛合金钽涂层力学及生物性能的影响

  廖士铸, 张颂红, 宋振纶, 杨丽景, 杨驰, 郑吉驷, 周政印

  表面技术. 2024, 53(2): 184-192. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.018

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  目的 针对钛合金(TC4)在骨植入、骨替换方面因受体液腐蚀及骨骼之间的相互摩擦使改性涂层容易遭受破坏导致有毒金属离子的释放，通过退火提高TC4表面钽涂层的力学性能和生物相容性能。方法 采用磁控溅射技术在TC4基体上沉积钽涂层，并在不同的热处理温度650、750、850 ℃下退火5 h，使用扫描电子显微镜、能谱仪、XRD、划痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站和生物毒性实验对Ta涂层的组织形貌、力学性能及生物性能进行测试与表征。结果 所制备的Ta涂层组织较致密，在一定的退火温度下，组织结构变得更加致密。在退火温度650 ℃时的硬度值(16.68 GPa)和弹性模量值(208.90 GPa)最高，这是由于产生较强的β-Ta峰，使硬度值显著提高。经750 ℃退火后，涂层具有最大的结合强度(20.82 N)，优异的耐腐蚀性，摩擦曲线波动最小、最平稳且平均摩擦系数值(COF)最小。这是由于涂层与基体之间的元素相互扩散，降低了界面应力，促进了结合强度的提高。这有利于提高涂层的致密度，可降低涂层表面的微孔缺陷，阻碍腐蚀溶液通过涂层的路径作用，从而提高基体的耐腐蚀性。同时有效避免了涂层大面积脱落，减少了摩擦表面积，也提高了涂层的摩擦性能。在750 ℃和850 ℃退火温度下钽涂层的KRGR>80%，表现出良好的生物相容性。结论 经退火后的钽涂层组织更加致密，结合强度更高，耐磨性、耐腐蚀性、生物相容性更好。
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  凹槽结构强化液滴合并弹跳的数值研究

  吴卫民, 郑佳宜, 王芳

  表面技术. 2024, 53(2): 193-200. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.019

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  目的 为研究凹槽结构对液滴合并弹跳现象的影响，提高液滴自弹跳的速度和能量转化率。方法 通过有限元方法模拟，研究了液滴在凹槽结构上的动态行为和槽深H、槽宽W及液滴尺寸对V型槽和矩形槽上液滴的弹跳速度、无量纲速度、表面能转化率、动量和总动能的影响。结果 凹槽内与槽外液滴间的合并弹跳包含液滴接触、产生液桥、三相线收缩和液滴弹离表面4个过程;宽高比相同时，液滴弹跳速度和表面能转化率均随液滴半径先增大后减小，凹槽宽高比为1.5，液滴合并弹跳半径为0.25 mm工况下表面能转化效率最高;矩形槽与V型槽，宽高比为1.5，液滴合并弹跳半径为0.25 mm时，液滴弹跳速度与表面能转化率随半径比先增大后减小，在半径比为1时达到峰值，二者表面能转化率最大值为27.87%和30.66%。槽宽恒定时，凹槽结构强化液滴合并弹跳存在最佳凹槽宽高比和最优弹跳半径，V型槽提升液滴弹跳效率比矩形槽高约12%。结论 合并后液滴撞击V型槽侧壁的反作用力使液滴旁瓣较矩形槽更早受到侧壁面抑制而发生回流，从而提升了其能量转化效率，减少了液滴的振荡损失与黏性耗散。研究结果在设计高效的自清洁功能表面、提高冷凝表面换热效率、预防和抑制换热器表面结冰、成霜等工业领域有重要的应用意义。
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  基于经典成核理论的跑道结冰温度建模及仿真

  陈斌, 丁宇, 崔静, 王立文

  表面技术. 2024, 53(2): 201-220. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.020

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  目的 为进行积冰事件的预测，减小跑道积冰对飞机地面运行安全的影响，对跑道表面结冰温度展开研究。方法 从微观角度分析冰核在固体表面的形成机理，以接触角参数表示材料表面特性，基于经典成核理论建立结冰温度模型，在不同的边界条件下进行相应的数值模拟和跑道表面结冰的仿真模拟实验，最后完成模拟跑道低温环境的结冰温度实验。结果 对于机场跑道环境下因飞机轮胎摩擦而留有胶迹的水泥道面，胶迹比水泥更易结冰;以醋酸钙为主要成分的机场跑道除冰液可抑制跑道结冰，质量分数越大，抑制作用越强，从质量分数5%提高到40%时，结冰温度降低12.02 ℃;最后通过在模拟跑道低温环境下的实验，对比得出该模型的预测结果与实际值之间的误差约为0.94 ℃。结论 材料的表面自由能越高，结冰温度越高;高粗糙度对结冰起促进作用;机场跑道除冰液通过降低道面冰核的形核率和半径生长速率来抑制跑道结冰，质量分数越大，抑制作用越强;该模型可以为跑道积冰预警提供结冰温度预测的理论基础。
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  泡沫基材-Ni-石墨烯复合镀层制备及电催化析氢性能研究

  秦海森, 刘丽, 张凤, 孙大明, 彭云

  表面技术. 2024, 53(2): 221-229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.02.022

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  目的 采用电沉积技术在泡沫基材上沉积制备Ni-石墨烯复合镀层，期望借助泡沫基材的三维多孔结构和石墨烯的超高比表面积来改变复合材料的表面状态，进而获得高镀层的电催化析氢性能。方法 采用电沉积技术将石墨烯作为第二相粒子沉积，制备了泡沫基材-Ni-石墨烯复合电极，通过SEM和EDS研究了其微观形貌及成分，并利用电化学工作站完成了镀层电极的极化曲线、交流阻抗和电解水稳定性测试，使用控制变量法探究了镀层厚度、镀液石墨烯浓度和基材形貌对镀层电催化析氢活性的影响。结果 SEM和EDS表征发现，镀层表面形貌受镀液中石墨烯浓度影响较大，石墨烯作为第二相嵌入镀层后，明显改变了复合镀层的表面形貌，其存在形态为颗粒状，在150 mg.L^–1时颗粒堆积最多。进一步利用电化学分析技术探究了镀层厚度、镀液石墨烯浓度和基材形貌对电极电催化析氢性能的影响，发现在一定范围内，不同厚度镀层的电催化析氢活性基本相同;石墨烯质量浓度为150 mg.L^–1时制得的电极的电催化析氢性能最优，析氢过电位为211.2 mV(vs. RHE)，且电解水稳定性良好;泡沫基材镀层的电催化析氢活性明显优于平板基材镀层。结论 石墨烯的引入和泡沫基材三维多孔结构均增大了复合镀层的比表面积，是电极表现良好的电催化析氢活性的关键。