2024年, 第53卷, 第20期　
刊出日期：2024-10-25

  

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研究综述
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  类金刚石碳基涂层热稳定性研究进展

  唐紫妍, 魏菁, 陈仁德, 崔丽, 郭鹏, 汪爱英

  表面技术. 2024, 53(20): 1-18. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.001

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  类金刚石碳基(Diamond-like Carbon，DLC)涂层性能优异，前景广阔，但热稳定性不足制约了DLC涂层在严苛高温工况下的应用。首先，综述了DLC涂层热稳定性研究方法的发展现状，对比了热处理结合非原位测试、热分析、高温原位测试、模拟计算4种常用研究方法的优劣势。其次，归纳总结了组分、制备方法和退火环境对DLC涂层热稳定性的影响过程和作用机制，发现高sp³含量的无氢DLC涂层呈现出最优异的热稳定性。而不同制备方法通过影响涂层结构、sp³含量、氢含量获得热稳定性各异的DLC涂层。另外，涂层在真空及惰性气体环境中的热稳定性比含氧环境更好。通过异质第三元素掺杂、多层结构、梯度结构，可进一步提高DLC涂层热力学性能。其中，元素掺杂通过改变DLC组分和键态结构，实现对涂层热稳定性的调控;而多层及梯度结构设计主要通过降低涂层应力，突破厚膜关键制备技术，进而提高涂层热稳定性。结合涂层微结构的演变规律，进一步从涂层自身石墨化、氧化、脱氢和剥落行为，阐述了DLC涂层的高温失效机理。最后，对设计和发展DLC高温防护涂层材料技术的共性挑战和未来趋势做了分析展望。
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  仿生集水表面的研究进展及应用

  韦函, 梅益, 罗鸿, 周学湫, 覃冰黎, 汪希奎

  表面技术. 2024, 53(20): 19-35. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.002

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  淡水资源紧缺是当今全球面临的严峻挑战，随着全球人口增长和气候变化的影响，人类面临着日益严重的水资源短缺问题。近年的研究结果显示，通过仿生手段从大气中获取水资源，是一种备受关注的可行方法，仿生集水技术应运而生。仿生集水技术具有广泛的应用潜力，在大气水收集、海水淡化、工业废水回收和微流控等多个领域具备较好的应用前景。综述了近年来仿生集水技术的发展现状、制备工艺、集水原理和应用前景，总结了基于新型生物学水收集原理的仿生材料/结构/表面处理方法和应用研究现状，分析了仿生集水技术当前面临的问题，包括非均匀润湿集水表面相关理论的深入研究、集水表面耐久性提高及高效低成本制备工艺的开发等，未来的研究方向可集中在提高仿生材料集水性能的可持续性和制备成本的降低等方面，以推动该技术的商业化推广和规模化应用。通过持续的研究和创新，有望看到更多高效、经济的仿生集水技术出现，为人类面临的水资源短缺挑战提供有效的解决方案。
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  农业触土机具仿生减阻抗磨特性研究进展

  张继豪, 李静, 陈文刚, Dongyang LI, 张垚, 李祖阳, 杨晓东, 代炳贵

  表面技术. 2024, 53(20): 36-50. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.003

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  农业触土机具的减阻抗磨性能与其自身的工作效率和使用寿命密切相关。因此，降低土壤附着力、工作阻力和磨料磨损成为当今触土农具领域迫切需要解决的热点问题。仿生学理论创建以来，借鉴土壤生物独特的几何结构面、几何结构形状和特殊功能设计仿生农业触土机具，制备仿生结构复合涂层，实现从自然生物到人造功能表面仿生减阻抗磨已获得了广泛的关注和发展。从数值模拟、土槽试验和现场试验角度来重点介绍结构仿生、非光滑表面仿生和仿生结构复合涂层3种技术在农业触土机具的性能及其减阻抗磨机理，总结国内外研究进展，介绍仿生原理、特点、制备和研究过程，例举最新的科研成果以及应用效果，针对当前和更深入探索仿生土壤动物减阻抗磨研究提供更新、更全面的参考。最后，对现有农业触土机具仿生研究存在的仿真模拟土壤参数不真实、性能检测方法不完善、减阻抗磨机理分析较少、减阻抗磨综合研究较少等问题进行阐述。为了改善上述提到的机具阻力大和黏附导致的能耗严重，以及磨损较快导致机具失效情况加剧的问题，更好地适应农业触土机械高效、低损耗发展，农业触土机具仿生技术的未来应当从性能综合测试、多种技术多功能交叉仿生、智能仿生等方面发展。同时，采用先进制备技术结合仿生材料制备新型机具，进一步优化性能。
腐蚀与防护
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  无保护层激光强化对316L/Inc600焊接接头焊缝部位耐腐蚀性的影响

  范维新, 蒲长庚, 罗思海, 何卫锋, 梁晓晴, 臧顺来

  表面技术. 2024, 53(20): 51-60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.004

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  目的 获得无吸收保护层激光冲击强化(LPwC，Laer Peening without Coating)对316L/Inc 600异种金属焊接接头焊缝部位耐腐蚀性能的影响机理。方法 对316L/Inc 600焊缝部位进行无吸收保护层的激光冲击强化处理，采用光学显微镜、扫描电子显微镜和共聚焦显微镜对不同强化工艺下焊缝部位的形貌和元素分布进行观察。用电化学工作站测试不同工艺下焊缝部位的交流阻抗谱和动电位极化曲线。对电化学测试后的焊缝进行形貌观察和能谱检测。结果 LPwC后在金属表层引入厚度约0.54 μm的重熔层，粗糙度从96 nm增加到691 nm。强化处理和打磨处理后焊缝的电荷转移电阻分别为原始样品的1.7倍和3.1倍，钝化电流减小1~2个数量级，点蚀电位增加100 mV以上。强化处理后的点蚀坑平均直径从原始样品的33.41 μm减小到17.20 μm，体积损失从122 886 μm³降为49 068 μm³，且内部无元素偏析和碳化物。原始样品的枝晶间处易发生点蚀，该处贫Cr，且周围富集C。强化加打磨后的点蚀坑出现在晶界处且深度很浅，无元素偏析现象。结论 LPwC的热载荷可以消除焊缝部位碳化物，减少贫Cr区，提高焊缝的耐腐蚀性能。打磨LPwC强化表面可以进一步提高焊缝的耐腐蚀性能。
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  结构缝隙宽度对6A01-T5铝合金腐蚀行为的影响

  孙晓光, 郭小玉, 向利, 李博文, 马麦收

  表面技术. 2024, 53(20): 61-68. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.005

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  目的 研究6A01-T5铝合金缝隙腐蚀行为规律，为6A01-T5铝合金缝隙腐蚀的防治提供理论依据。方法 采用常温常压浸泡法对缝隙深度恒定、缝隙宽度不同的6A01-T5铝合金缝隙腐蚀试样在碱性NaCl溶液中进行不同时间的腐蚀试验，采用数码相机、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)检测分析腐蚀后试片宏观形貌、腐蚀产物形貌和成分，采用白光干涉仪检测试片表面微观轮廓和腐蚀坑深度，采用电子天平检测腐蚀失重。结果 缝隙宽度为0.15 mm和0.3 mm的试片沿缝口产生腐蚀沟，并在缝内产生局部腐蚀坑，浸泡45 d后腐蚀沟宽度和最深腐蚀坑深度分别约为2 500 μm、60 μm，和1 200 μm、80 μm。而缝隙宽度为0.5 mm的试片在缝口处并未检测到明显的腐蚀沟，腐蚀45 d后最深腐蚀坑深度约40 μm;试片腐蚀失重随腐蚀时间的延长呈上升趋势，且在腐蚀过程中均表现为缝隙宽度为0.3 mm的试片腐蚀失重最大，缝隙宽度为0.15 mm的试片次之，缝隙宽度为0.5 mm的试片最小。结论 在碱性NaCl溶液中，6A01-T5铝合金缝隙腐蚀程度随缝隙宽度的增加呈先增大后减小的趋势，并随腐蚀时间的延长腐蚀程度逐渐上升;缝隙腐蚀会在缝口处产生沿缝口方向的腐蚀沟，并随着缝隙宽度的增加腐蚀沟孕育周期延长，腐蚀沟宽度减小，当缝隙宽度达到0.5 mm时，不再产生明显的腐蚀沟。
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  杀菌剂THPS对X80管线钢应力腐蚀开裂影响及机理研究

  杨吉可, 李众, 王军磊, 娄云天, 李晓刚

  表面技术. 2024, 53(20): 69-81. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.006

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  目的 研究杀菌剂THPS对X80管线钢应力腐蚀开裂的影响及机理。方法 37 ℃下，将X80钢U弯和10 mm×10 mm平片浸泡在接种了硫酸弧菌(Desulfovibrio vulgaris)的150 mL ATCC 1249培养基(添加杀菌剂THPS质量浓度为0、15、30、45、60 mg/L)中培养14 d。通过细胞计数实验、失重测试、H2S和H2测量、扫描电子显微镜(SEM)测试、激光共聚焦荧光显微镜(CLSM)测试、开路电位(OCP)、电化学阻抗(EIS)、线性极化电阻(LPR)、动电位极化测试、热力学计算和光电子能谱仪XPS，分别对X80钢在不同浓度杀菌剂含量的D. vulgaris中的腐蚀活动、应力腐蚀开裂裂纹生长情况、杀菌剂对生物膜的影响以及腐蚀产物进行分析。结果 失重、固着细胞计数和浮游细胞计数3项数据均呈现随着THPS浓度升高而下降的趋势。同时，SEM也可以观察到X80钢U弯在不同浓度下的THPS中形成的裂纹长度随着THPS的浓度增大呈减小趋势。OCP、EIS、LPR和动电位极化结果证实了杀菌剂THPS浓度增加导致微生物腐蚀活动下降，而较慢的微生物腐蚀活动减缓了X80钢的应力腐蚀开裂。通过理论计算确定了THPS对X80钢U弯的吸附类型。结论 杀菌剂THPS对SRB具有有效杀灭和驱散作用，从而减缓了X80钢的应力腐蚀开裂，THPS对X80钢U弯的吸附类型为静电导致的物理吸附和电荷交换导致的化学吸附二者兼有。
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  湿气环境中CO2-H2S在α-Fe(110)密排面上吸附与点蚀机理研究

  李金灵, 马文骏, 朱世东, 屈撑囤, 付安庆

  表面技术. 2024, 53(20): 82-93. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.007

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  目的 从微观尺度探究CO2-H2S(CO2和H2S共存)在湿气管道顶部的吸附特性，进而揭示点蚀机理。方法 基于密度泛函理论的第一性原理，利用Materials Studio构建CO2、H2S和CO2-H2S在α-Fe(110)密排面的吸附模型，对CO2、H2S和CO2-H2S在α-Fe(110)面的吸附能、局域态密度、分波态密度和差分电荷密度进行仿真;利用高温高压釜模拟CO2-H2S-Cl^?腐蚀环境，分析L360钢在湿气环境中的腐蚀行为;最后，揭示含Cl^?湿气管道顶部CO2-H2S吸附机制与点蚀机理。结果 CO2、H2S、CO2-H2S及CO2-H2S-Cl^?在最稳定位置时的吸附能分别为?4.065、?3.961、?8.538、?12.775 eV，表明相较于CO2与H2S单独吸附，CO2-H2S在α-Fe(110)面的吸附能更负，Cl^?会进一步降低CO2-H2S的吸附能;且CO2在与H2S竞争环境电子中占优势;Cl^?会使CO2-H2S的局域态密度峰值降低，转移趋势为失去电子，基体和腐蚀介质的电子向着低能级跃迁释放出更多能量，进而加强了Fe与CO2-H2S间的化学键强度;Cl^?的2p轨道与Fe的3d轨道在?6.8 eV和?5.7 eV发生重叠，Cl^?被吸附到Fe表面并与Fe形成化学键生成氯化物，进而改变腐蚀产物膜的组分与结构，削弱产物膜的致密性和稳定性，减弱腐蚀阻抗力。在含Cl^?湿气的CO2-H2S环境中，液相中的Cl^?浓度升高，使L360钢的气相平均腐蚀速率逐渐增大，最高达2.935 mm/a，点蚀越发严重。结论 CO2与H2S在α-Fe(110)面吸附存在一定的协同和竞争作用，协同促进金属的腐蚀，FeCO3会优先沉积成膜，但H2S会抑制FeCO3的生长，腐蚀产物以FeS为主;Cl^?会增强CO2-H2S与α-Fe(110)面间的作用力，弱化腐蚀产物膜层的保护性，进一步加速金属腐蚀、尤其是点蚀。
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  金属表面处理剂对2205双相不锈钢PAW焊力学性能和腐蚀行为的影响

  徐明亮, 乔红宇, 曹将栋, 仇潞, 尚振一, 张腾

  表面技术. 2024, 53(20): 94-101. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.008

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  目的 提高等离子弧焊(PAW)焊接2205双相不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能。方法 采用金属表面处理剂为介质，对2205双相不锈钢PAW焊接接头进行保护试验，研究了金属表面处理剂对2205双相不锈钢PAW焊接接头力学性能和耐腐蚀性能的影响，采用扫描电镜、能谱分析、维氏硬度仪、万能试验机和电化学工作站等，对2205双相不锈钢原始试样、2205双相不锈钢PAW焊无金属表面处理剂保护试样、2205双相不锈钢PAW焊金属表面处理剂保护试样的性能进行分析。结果 在经过金属表面处理剂保护的2205双相不锈钢PAW焊中，金属表面处理剂中化学元素扩散至材料表面，扩散深度不小于0.005 mm。与未采用金属表面处理剂保护焊缝相比，焊缝硬度为262HV~271HV，提高了25%，热影响区硬度为262HV~271HV，提高了15%。万能试验机拉伸试验分析结果表明，双相不锈钢焊接接头抗拉强度提高了20%，有效提高了2205双相不锈钢PAW焊接头的力学性能。电化学试验结果表明，在2205双相不锈钢金属表面处理剂保护PAW焊中，动电位极化曲线的点蚀电位与自腐蚀电位差最大分别为0.287 6 V和0.555 4 V。维钝电流密度最小，交流阻抗分析结果表明其容抗弧半径最大，钝化膜内层电阻最大为7.531×10⁵ Ω.cm²，有效提高了其抗腐蚀能力。结论 经过金属表面处理剂保护的2205双相不锈钢PAW焊后，焊接接头的力学性能和抗腐蚀性能最好。
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  Fe3O4-MoS2协同改性环氧树脂涂层的制备及耐磨防腐性能研究

  林潼, 杜蓉, 郑晓军, 殷绿, 肖航, 武元鹏, 王勤英, 张进

  表面技术. 2024, 53(20): 102-117. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.009

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  目的 解决油气装备管道面临的腐蚀磨损等失效问题。方法 使用不同物质的量比的纳米Fe3O4、MoS2通过硅烷偶联剂(APTES)结合为杂化填料，并将其填充至环氧树脂(EP)中，制备出复合涂层。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及傅里叶红外光谱(FT-IR)对杂化填料的显微结构、物相组成及成分进行了分析。同时，利用分散稳定性试验、显微维氏硬度、往复摩擦试验、表面轮廓测试、吸水率及接触角测试、电化学阻抗谱及动电位极化曲线综合评价复合涂层耐磨及防腐蚀性能。结果 Fe3O4-MoS2纳米杂化物在环氧树脂中具有良好的分散稳定性。与Fe3O4/EP、MoS2/EP相比，Fe3O4-MoS2/EP复合涂层的显微硬度与耐磨性提高，同时其耐水性和防腐性能也得到增强。当Fe3O4-MoS2物质的量比为1∶5时，复合涂层摩擦因数最低为0.337，相比于纯EP降低34.56%。当Fe3O4-MoS2物质的量比为1∶1，复合涂层阻抗值最高，并且显示出最大的腐蚀电位(Ecorr)和最小的腐蚀电流(Jcorr)，Fe3O4-MoS2/EP涂层的阻抗(Rc)提高了近2个数量级。结论 Fe3O4-MoS2是可用于制备高性能环氧耐磨防腐涂料的有效的纳米填料。复合涂料优异的减摩性得益于Fe3O4颗粒的纳米球滚动润滑效应和MoS2片的滑移效应，而其高防腐性能归功于Fe3O4-MoS2良好的分散性和阻隔性。
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  Nb-Ti含量对FeCoNiCrNbxTiy高熵合金熔覆层韧脆转变与耐腐蚀性能影响研究

  卜善飞, 姜芙林, 魏长生, 张耀辉, 杨发展, 梁鹏

  表面技术. 2024, 53(20): 118-133. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.010

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  目的 针对海工装备承载件工作时因耐腐性及强韧性不足而发生失效的问题，研究了元素含量对高熵合金熔覆层塑脆性转变与耐腐蚀性能的影响规律和作用机理。方法 首先，在确定FeCoNiCrNbTi高熵合金体系的前提下，利用第一性原理计算方法对元素配比进行筛选，其次采用激光熔覆技术在典型海工装备材料42CrMo钢表面制备FeCoNiCrNbxTiy高熵合金熔覆层，以探究Nb、Ti元素含量对高熵合金熔覆层韧脆转变与耐腐蚀性能的影响规律与机理。结果 通过第一性原理计算得出FeCoNiCrNbTi高熵合金FCC相和BCC相的晶格常数均随着Ti含量的上升而下降，且这种下降趋势逐渐减缓;在涂层的物相中熔覆层主要由FCC相、BCC相以及Laves相组成，随着Nb含量的增加，Laves相衍射峰增强，而随着Ti含量的增加，BCC相衍射峰增强，Laves相中出现含Ti的化合物，并且组织中出现富Ti区;随着Nb与Ti含量的增加，熔覆层硬度均呈现上升趋势，但其抗拉强度及延伸率均呈下降趋势，并且当Nb元素含量与Ti元素的原子比分别增加至0.3和0.5时，其断裂方式实现由韧性断裂到脆性断裂的转变;随着Nb与Ti含量的增加，其耐腐蚀性因组织结构分布不均以及缺陷的产生而逐渐变差。结论 物相占比以及组织结构的分布是影响高熵合金熔覆层力学性能、断裂方式和耐腐蚀性的主要因素。在FeCoNiCrNbTi高熵合金中，BCC相及Laves相的增加均有利于显微硬度的提升，但会导致抗拉强度和延伸率变差，甚至发生韧脆转变;而且多种物相的生成破坏了组织成分的均匀性，甚至产生裂纹等缺陷，成为耐腐蚀性变差的主导因素。
精密与超精密加工
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  选区激光熔化制备IN738LC流道的电化学抛光工艺

  吕海卿, 王琦舜, 李明川, 常帅, 李俐群

  表面技术. 2024, 53(20): 134-142, 157. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.011

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  目的 改善选区激光熔化制备的流道部件内表面的成形质量。方法 采取内置阴极的电极排布方式，对IN738LC流道内表面进行电化学抛光，在磷酸-硫酸体系下对电解液配比进行试验优化，同时确定适用于流道内表面电化学抛光的最佳添加剂(丙三醇)添加量、温度区间、外加电压等主要工艺参数。采用激光共聚焦显微镜与表面轮廓仪测量流道内表面的表面粗糙度以评价电化学抛光效果，并通过光学显微镜对抛光前后流道内表面形貌变化进行对比与分析。结果 在60%(体积分数)磷酸与15%(体积分数)硫酸的混合电解液中，IN738LC流道内表面取得了最佳的抛光效果，表面粗糙度降低最多。在每100 mL混合电解液中加入6 mL的丙三醇，可以进一步提高抛光效果;最佳抛光温度为50~60 ℃;在2.3 V(vs.MSE)的外加电压下，可以实现SLM制备流道粗糙内部表面的高选择性电化学抛光，直流道内表面粗糙度由约10 μm降低至1.12 μm。结论 与常规电化学抛光采用的极限电流平台中间电压1.7 V(vs.MSE)相比，新型过电位电化学抛光所采用的特殊电压2.1~2.3 V(vs.MSE)明显更适用于选区激光熔化成形的复杂流道内表面，在不带来表面损伤的前提下，最大限度地实现了黏附颗粒的选择性去除。在合适的电解液中加入适量甘油使抛光后内表面的熔道轮廓更加平滑，电化学抛光的整体均匀性有所提高。过电位抛光方法在局部选择性和整体均匀性上的优异表现，证明了其在增材制造复杂构件表面光整方面具有极高的应用价值。
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  3D打印镍基合金GH3536化学机械抛光机理研究

  杭伟, 王应刚, 韦岚清, 韩云晓, 马毅, 陈泓谕

  表面技术. 2024, 53(20): 143-157. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.012

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  目的 实现无瑕疵的3D打印镍基合金GH3536超光滑镜面，揭示镍基合金GH3536在不同成分溶液下的化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)去除机理。方法 采用单因素实验法通过CMP对镍基合金GH3536展开研究。采用电化学测试技术和X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)分析3D打印镍基合金GH3536在不同pH值、不同氧化剂浓度和不同抛光液类型下的溶解与钝化行为。结果 当pH值为3~3.5、H2O2质量分数为10%时，可获得最优的材料去除率(MRR为20.24 nm/min)和表面粗糙度(Surface Roughness，其中Ra为0.684 nm，Sa为1.699 nm)，CMP抛光面可达到超光滑低损伤的镜面效果。根据电化学和XPS测量结果，建立了化学反应方程，确定了去除机理，具体为:在化学机械抛光过程中，镍基合金GH3536表面首先被H2O2氧化成Ni、Fe等氧化物;其次，在酸性H⁺作用下，氧化物转化为Ni²⁺、Ni³⁺和Fe³⁺等多价离子;最后，多价离子会与柠檬酸发生络合反应生成较软的柠檬酸盐络合物，在CMP抛光中发生去除。结论 与传统电化学加工相比，采用CMP加工的3D打印镍基合金GH3536的表面粗糙度更低，表面形貌更好，可用于对面型精度要求较高的镍基合金的超精密加工。基于电化学测试技术和XPS深度剖析的方法有效揭示了镍基合金GH3536的材料去除机理，获得了不同pH值、氧化剂浓度和不同抛光液种类对材料去除机理的影响规律。为获得新型高质量表面的3D打印合金材料提供指导意义。
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  离子束抛光去除函数的在位快速计算与抛光实验

  张旭, 王大森, 夏超翔, 郭海林, 黄思玲, 赵仕燕, 聂凤明

  表面技术. 2024, 53(20): 158-165. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.013

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  目的 基于BP神经网络使用法拉第杯扫描离子束流实现离子束抛光去除函数的在位快速计算。方法 对于空间分布不同的离子束流，通过法拉第杯扫描方法获得电流密度分布信息，通过刻蚀实验计算去除函数分布信息，使用BP神经网络对电流密度和去除函数分布之间的关系进行拟合，建立基于BP神经网络计算去除函数的模型。使用该模型可以实现对去除函数的在位快速计算，并应用于光学元件的离子束抛光实验中。结果 利用上述方法建立的BP神经网络模型计算的去除函数体积去除率和实验方法获得的去除函数体积去除率的误差为5.09%，使用计算的去除函数进行了离子束抛光实验，抛光样件为直径320 mm的融石英，抛光后光学元件表面PV值为0.197λ(波长λ=632.8 nm)，RMS值为0.009λ，收敛率达到4.19，实现了光学元件表面的超精密抛光。结论 使用建立的BP神经网络模型可以实现离子束抛光去除函数的在位快速计算，该模型对融石英及其他材料的光学元件均适用，计算的去除函数精度满足光学元件离子束超精密加工需求，并提高了离子束抛光的效率。
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  超声辅助电解电火花线切割流场仿真及试验研究

  蒋凌霄, 王艳

  表面技术. 2024, 53(20): 166-174. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.014

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  目的 将超声振动工艺引入电解电火花线切割加工，研究分析超声振动对加工过程的影响规律，并分析加工参数对加工性能的影响。方法 以镍钛记忆合金为加工材料，对超声振动辅助电解电火花线切割加工进行仿真及试验研究。通过理论分析和有限元仿真分析，对超声振动引入后对流场的影响规律进行深入研究;通过正交试验，分析了超声振动辅助电解电火花线切割的最佳工艺参数。结果 基于气泡在流场内的受力情况构建了数学模型，超声振动引入后气泡脱离半径变小，加速了气泡从电极丝上脱离。根据有限元仿真结果可知，附加超声振动能使极间流场速度明显上升，气体排除效率显著升高。正交试验结果表明，脉冲宽度以及峰值电流对加工表面粗糙度值的影响显著，超声振幅对加工表面粗糙度值的影响较小。对比试验结果表明，超声振动能显著提高材料去除率，平均增幅达10%，加工表面可以避免由过电解引起的点蚀现象。结论 提出的气泡脱离模型以及流场仿真为超声振动辅助电解电火花线切割加工机理研究提供了新的思路。加工参数对加工表面粗糙度值的影响程度依次为峰值电流(Ip)＞脉冲宽度(Ton)＞超声振幅(Ausv)，最优加工参数为Ton=12 μs、Ip =6 A、Ausv =8 μm。将超声振动工艺与电解电火花线切割相结合，在提高材料去除率的同时提高加工表面质量。
表面功能化
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  TEOS对有机硅基耐高温热控涂层的性能影响

  谢轩宇, 曹茜, 曾鲜, 程旭东

  表面技术. 2024, 53(20): 175-182. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.015

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  目的 研究不同组分有机硅基耐高温热控涂层的微观结构及光谱吸收/发射性能的演变规律，揭示涂层成分对涂层性能的影响机制。方法 以正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷为基料原料，以TiO2、云母为功能颜料，采用溶胶-凝胶法通过有机、无机杂化得到一种耐高温热控涂层，并对涂层的物相、表面微观结构、光学性能和热稳定性进行了测试表征。结果 所制得的热控涂层均具有较低的太阳吸收比以及较高的半球发射率，当TEOS物质的量比为8时，涂层具有最低的太阳吸收比和最高的半球发射率，其值分别为0.209和0.901。涂层在600 ℃高温下，Si—O—Si转变为SiO2，部分涂层表面出现微裂纹，但未与基体脱落。TEOS物质的量比为8的涂层经高温处理后的太阳吸收比最小，半球发射率最大，其值分别为0.169和0.894。结论 室温固化后涂层的太阳吸收比和半球发射率与TEOS的含量有关，太阳吸收比随着TEOS含量的增多而减少，半球发射率随着TEOS含量增多而增大。并且涂层的热稳定性随着TEOS含量的增多而增大。
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  镁掺杂对二氧化钒薄膜光学性能的影响

  赵鑫, 康同同, 梁潇, 邬春阳, 周阳, 秦俊

  表面技术. 2024, 53(20): 183-189, 222. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.016

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  目的 通过在二氧化钒薄膜中掺杂镁元素，实现高优值光学相变材料的制备。方法 通过脉冲激光沉积方法在(0001)氧化铝单晶衬底上沉积二氧化钒外延薄膜，进一步采用交叉打靶的方法沉积不同镁掺杂浓度的二氧化钒外延薄膜;通过高分辨XRD和TEM表征镁掺杂外延二氧化钒薄膜的晶体结构和微观原子分布，采用XPS表征表面原子化学态，采用光谱椭偏仪表征不同镁掺杂浓度的二氧化钒外延薄膜的折射率和消光系数，并计算获得光学优值;最后构建第一性原理计算模型得到镁掺杂对二氧化钒薄膜光学优值影响的机理。结果 制备出4种不同镁掺杂浓度的外延二氧化钒薄膜，分析了镁掺杂对薄膜相变前后的晶体取向和微观原子结构的影响，分析了薄膜中镁和钒元素的价态，分析了镁掺杂对单斜相和金红石相光学常数和光学优值的影响，从电子态密度分布分析了镁掺杂对提升材料光学优值的原因。结论 镁掺杂二氧化钒与氧化铝衬底的外延关系为(020)VO2//(0006)Al2O3，随着镁掺杂浓度的提高，金红石相二氧化钒薄膜的光学损耗降低，且中红外波段的光学优值提升。在11.9%(原子数分数)掺杂量时光学优值比未掺杂提高3.7倍。第一性原理计算表明，高光学优值是源于镁掺杂后导带周围电子态密度的局部化。
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  TiN/TiNO/SiO2太阳能选择性吸收涂层的优化设计及热稳定性评价

  严梦迪, 邓敏蒂, 陈金志, 袁文旭, 刘瀚泽, 谢浩, 闵捷

  表面技术. 2024, 53(20): 190-197. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.017

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  目的 太阳能选择性吸收涂层是太阳能热利用的核心材料。方法 采用磁控溅射法制备TiN/TiNO/SiO2太阳能选择性吸收涂层，测定红外反射层TiN、吸收层TiNO的折射率n、消光系数k，对TiN层建立Tauc-Lorentz模型进行数据迭代优化拟合，对TiNO层建立Drude模型进行数据迭代优化拟合。通过TFCalc光学镀膜设计软件，设置连续目标在300~1 500 nm光谱区反射率低于5%，得到软件优化的反射率曲线、各层的最优厚度，确定优化的工艺参数。利用UV-VIS-NIR、FTIR、SEM、XRD、EDS、AFM和XPS表征优化涂层的光学性能、评价热稳定性。结果 优化后的涂层，吸收率为0.906、发射率为0.085 2;经265 ℃、600 h热处理后，涂层的吸收率和发射率分别为0.933和0.103 3，PC值小于0.01。随热处理时间的增长，α有小幅上升;热处理时间对ε的影响较小;这与表面SiO2氧化物薄膜层在一定程度上阻止了晶粒的长大有关。热处理后，发现涂层表面局部位置有少量的小坑，但涂层的表面成分不变。非晶基质SiO2和TiO2的再结晶是吸收率提高的主要原因;热处理后的涂层表面非常致密，粗糙度的降低有利于阻碍氧原子向内层的扩散，可以有效提高涂层的热稳定性。结论 优化的TiN/TiNO/SiO2涂层，选择性吸收性能及热稳定性得到有效提高，具有较好的实际应用前景。
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  激光辅助制备有序孔钽箔及其电容性能研究

  王文波, 康俊, 李年, 蒲靖文, 孔明光, 王振洋

  表面技术. 2024, 53(20): 198-207. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.018

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  目的 改善商业钽箔作为钽阳极材料时比容量有限的问题。方法 提出了一种利用激光刻蚀技术和电化学腐蚀相结合的工艺在商业钽箔上构筑有序孔用于提升其储电能力的方法，对处理前后钽箔的表面形貌、结构特征以及电容性能发生的变化进行表征。结果 利用15 V的电压阳极氧化处理预先在钽箔表面生长一层Ta2O5，其具有的厚度更好地适应了1 064 nm激光的重复扫描。Ta2O5层在激光的作用下被有效去除，电子显微镜的表征结果显示，钽箔表面形成有序分布的阵列型微结构，为钽箔在电化学腐蚀过程中的孔生长提供了范围，这种独特的结构也为钽箔的电化学反应提供了更丰富的活性位点。比电容量的测试结果显示，有序孔钽箔在1 mol/L的H2SO4电解质溶液中具有247.4 nF/mm²的优异面积比容量，与未处理的商业钽箔21.7 nF/mm²的面积比容量相比提升了近11.4倍。结论 通过对商业钽箔进行特殊的孔结构设计，可以显著提升其作为电极时的比容量，利用激光刻蚀和电化学腐蚀的双重作用来控制钽箔上孔隙生长的有序性，有望为下一代钽电解电容器阳极材料的研究提供设计思路。
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  钽掺杂含量对类金刚石薄膜力学性能及生物相容性的影响

  李东昕, 王静静, 宓保森, 马迅, 陈天驹, 刘平, 李伟

  表面技术. 2024, 53(20): 208-222. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.019

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  目的 探索钽(Ta)掺杂类金刚石(DLC)薄膜的结构转变规律，并提升其力学性能、摩擦性能及生物相容性能。方法 采用非平衡性磁控溅射镀膜技术，在0~0.5 kW功率下，制备了不同Ta掺杂含量的DLC薄膜。对其微观形貌、组织成分、摩擦性能、力学性能以及生物相容性进行了详细表征。结果 钽的掺入提升了碳的沉积速率，导致薄膜厚度增加，薄膜中sp³-C含量随Ta掺杂量的增加先升高后降低。在Ta-0.2 kW及以上的DLC薄膜中出现了TaC晶体和Ta—Ta纳米团簇，这导致薄膜表面粗糙度先增后减。与未掺杂的DLC薄膜相比，掺杂Ta的DLC薄膜的膜基结合力从10 N提高到25 N，断裂韧性从0.6 MPa.m^1/2提高到1.6 MPa.m^1/2以上，干摩擦因数从0.45降低到0.1~0.15，湿摩擦因数0.35降低至约0.1，干摩擦磨损率从4 500× 10^?6 mm³/(N.m)降低至7×10^?6 mm³/(N.m)以下，湿摩擦磨损率更是降低到1×10^?6 mm³/(N.m)。但掺杂Ta的DLC薄膜的弹性模量有所降低，润湿性也略有下降，硬度并没有太大改变。此外，掺杂Ta的薄膜还表现出了良好的诱导羟基磷灰石形成能力，生成的羟基磷灰石层的钙磷原子比(Ca/P)介于1.4~1.65，接近人体的Ca/P比例，并且无论掺杂还是未掺杂的薄膜均未显示出细胞毒性。结论 钽的掺入显著提升了DLC薄膜的膜基结合力、断裂韧性、摩擦磨损性能和促进羟基磷灰石形成能力。因此，这种薄膜具有作为生物保护层应用于植入体表面的潜力。在Ta-0.4 kW时，Ta-DLC薄膜展现出了最佳的综合性能。
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  SEBS/sCFO复合涂层的制备及防污性能

  胡志威, 郭毅, 董丽杰

  表面技术. 2024, 53(20): 223-231. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.020

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  目的 合成可抑制海洋生物吸附的磁性纳米微球，制备具有微纳结构的新型防污复合材料。方法 首先采用溶剂热法和一步吸附法制备铁酸钴/苯并三唑(CFO/BTA，sCFO)磁性纳米球，将sCFO与嵌段共聚物聚(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)(SEBS)复合，通过喷涂法制备SEBS/sCFO复合涂层。使用透射电子显微镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、热重分析仪等分析sCFO的微观形貌、晶体结构和化学组成等，通过扫描电子显微镜、接触角测试、蛋白吸附实验、硅藻吸附实验等分析sCFO添加量对SEBS/sCFO复合涂层的表面形貌和防污性能的影响。结果 所制备的sCFO为球形结构，尺寸为60~70 nm，饱和磁化强度为44.7 emu/g，其中苯并三唑含量约为32.3%。SEBS涂层的表面因为相分离而呈现褶皱状形貌，SEBS/sCFO复合涂层的表面形貌也因磁性纳米粒子的诱导作用而发生取向，随着sCFO添加量的增加，SEBS/sCFO复合涂层的相分离结构发生变化，提高了SEBS/sCFO复合涂层的抗蛋白吸附性能和抗硅藻吸附性能。结论 sCFO纳米球的添加提高了复合涂层的抗蛋白吸附性能、抗硅藻吸附性能，通过sCFO纳米球对SEBS热塑性弹性体表面结构的诱导作用，为研制具有不同微纳表面的新型防污涂层提供了新方法，在海洋防污领域具有潜在的应用前景。