2024年, 第53卷, 第8期　
刊出日期：2024-04-25

  

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研究综述
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  冷喷涂金属颗粒变形行为数值模拟研究进展

  陈进, 殷强, 郑志明, 邢亚哲

  表面技术. 2024, 53(8): 1-10. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.001

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  理解冷喷涂中的颗粒变形和沉积行为一直是科学工作的焦点。由于颗粒撞击基底后的瞬时变形行为难以通过实验观测，因此多数研究工作聚焦于数值模拟。总结了一些颗粒撞击基底的建模方法，在前人研究的基础上，针对每个模型的原理及优缺点，分析了每个方法的适用场景，给出了改善模型的方法。综述了颗粒特性、入射角度、气体预热温度等对颗粒变形行为的影响，其中粒径大小、颗粒形状等是影响颗粒变形行为的主导因素，因此重点探讨了颗粒特性的影响。颗粒的撞击变形是影响冷喷涂涂层残余应力分布的重要因素，对涂层残余应力的相关数值模拟研究进行了综述，分析了颗粒变形与颗粒残余应力的关系。最后就目前冷喷涂残余应力建模较单一的形势，探讨了如何建立一种新模型以分析涂层残余应力。
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  基于激光表面微纳结构的胶接性能研究进展

  徐喻琼, 郑黔松, 杨奇彪, 钟紫珊

  表面技术. 2024, 53(8): 11-24. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.002

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  胶接具有独特的性能而被广泛关注，但在实际应用中往往由于界面结合强度不足而导致接头在服役过程中过早失效。激光表面处理是一种能够有效提高胶接接头表面性能的方法，通过激光表面处理会使黏接材料表面形成不同的表面微纳结构，从而改善接头的性能。首先介绍了激光表面处理原理及激光器分类，对比了不同激光器的优缺点及加工质量特性，分析了激光加工参数对接头强度的影响。其次从激光加工不同表面微纳结构入手，阐述了不同表面微纳结构的加工方式，分析了不同表面微纳结构对不同材料接头强度的影响。此外，针对不同的表面微纳结构，其结构参数有所不同，导致接头表面化学成分和润湿性能也有所不同，使得接头强度有所差异，在此基础上分析了微纳结构参数对接头强度的影响及原因。同时，胶层间的作用机制与接头强度具有密不可分的联系，研究表明，不同的表面微纳结构对胶层的作用机制具有明显的不同，归纳总结发现，经激光表面处理形成表面微纳结构后接头表面粗糙度、化学性质、润湿性能及胶层间裂纹的扩展对接头强度的提升具有一定作用。最后，对激光表面处理微纳结构的研究进行了展望。
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  CrFeCoNi系高熵合金块体/涂层表面改性技术的研究进展

  孟超, 刘书鑫, 宋子衡, 邱星武, 王广林, 王子奕, 陈子夏, 吴纯, 任鑫

  表面技术. 2024, 53(8): 25-39. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.003

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  综述了近年来高熵合金(涂层)表面改性技术的研究进展，从原理角度将表面改性技术分为高能量束表面重熔处理和表面冷变形处理2类。这2类表面改性技术都可以改善高熵合金(涂层)的微观组织并减少缺陷，从而达到调控性能的目的。不同之处在于，高能量束表面重熔处理是通过快速熔化及凝固实现的，而表面冷变形处理则是通过使表面发生严重的塑性变形来达成的。高能量束表面重熔处理包括激光重熔和强流脉冲电子束重熔，而表面冷变形处理包括表面机械研磨处理、超声表面滚压处理、超声冲击处理和激光冲击强化。简述了以上几种技术的原理，总结了不同技术之间的优缺点，并对不同改性技术与工艺参数对高熵合金相结构、微观组织的影响进行了概述。基于微观结构的变化，重点探讨和总结了不同改性技术对高熵合金(涂层)力学性能、磨损性能、腐蚀性能的强化机理。最后提出了高熵合金表面改性技术所面临的困难和挑战，并对未来发展方向进行了展望。
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  TiAlSiN涂层力学性能改善措施的研究现状及进展

  周琼, 王涛, 黄彪, 张而耕, 陈强, 梁丹丹

  表面技术. 2024, 53(8): 40-51. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.004

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  TiAlSiN涂层具有耐温性好、化学惰性高等优异性能，其作为防护层被广泛应用于摩擦零部件、机械加工工具上。但TiAlSiN涂层内应力过大导致的力学性能不足，限制了其在严苛工况下的进一步应用。总结了目前改善TiAlSiN涂层力学性能的主要措施:涂层微观结构优化、膜层结构设计以及热处理工艺。对改善涂层力学性能所涉及的细晶强化、共格效应、固溶强化以及模量差理论等机理进行了全面的描述，并详细地对比分析了上述理论之间的内在联系与差异。系统地讨论了纳米多层和梯度复合膜层结构对涂层力学性能的影响规律，主要从调制结构以及成分调整2个角度对膜层结构变化进行了分析，有利于指导具有良好力学性能的膜层结构的设计。此外，分别阐述了退火温度、时间以及气氛环境对TiAlSiN涂层力学性能的影响规律，分析了退火条件对涂层微观结构的影响以及微观结构与力学性能之间的关系。在此基础上，提出了未来可以从基础理论和改善措施之间的协同作用角度，对TiAlSiN涂层力学性能的改善展开进一步研究。
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  DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望

  汤鑫, 王静静, 李伟, 胡月, 鲁志斌, 张广安

  表面技术. 2024, 53(8): 52-62. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.005

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  类金刚石(DLC)薄膜是一种良好的固体润滑剂，能够有效延长机械零件、工具的使用寿命。DLC基纳米多层薄膜的设计是耐磨薄膜领域的一项研究热点，薄膜中不同组分层具备不同的物理化学性能组合，能从多个角度(如高温、硬度、润滑)进行设计来提升薄膜力学性能、摩擦学性能以及耐腐蚀性能等。综述了DLC多层薄膜的设计目的与研究进展，以金属/DLC基纳米多层膜、金属氮化物/DLC基纳米多层膜、金属硫化物/DLC基纳米多层膜以及其他DLC基纳米多层膜为主，对早期研究成果及现在的研究方向进行了概述。介绍了以上几种DLC基纳米多层膜的现有设计思路(形成纳米晶/非晶复合结构、软/硬交替沉积，诱导转移膜形成，实现非公度接触)。随后对摩擦机理进行了分析总结:1)层与层间形成特殊过渡层，提高了结合力;2)软/硬的多层交替设计，可以抵抗应力松弛和裂纹偏转;3)高接触应力和催化作用下诱导DLC中的sp³向sp²转化，形成高度有序的转移膜，从而实现非公度接触。最后对DLC基纳米多层膜的未来发展进行了展望。
腐蚀与防护
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  钽掺杂对多层Ta-DLC薄膜摩擦及腐蚀行为的影响

  李超, 孙刚, 马国佳, 吴俊升, 张博威, 张昊泽

  表面技术. 2024, 53(8): 63-73. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.006

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  目的 解决316L不锈钢在苛刻海洋环境中易磨损、易腐蚀的问题。方法 采用中频磁控溅射技术在316L不锈钢上沉积了Ta/TaN/TaCN/Ta-DLC薄膜。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射、纳米压痕、往复摩擦磨损试验和电化学测试等手段，重点研究了DLC膜层中Ta元素掺杂含量对薄膜结构、组成成分、力学性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响规律。结果 随着Ta元素含量(原子数分数)从2.04%增到4.16%，薄膜中的sp³键含量呈现先升高后降低的趋势，当Ta原子数分数为3.60%时，薄膜中sp³键含量最高，且薄膜的硬度及弹性模量达到最大，分别为7.01 GPa和157.87 GPa。随着Ta元素含量的增加，薄膜的平均摩擦因数逐渐减小，在4.16%(原子数分数)时达到最小0.21。Ta元素含量对薄膜的结合力影响较小，且所有薄膜结合力总体在10 N左右。当Ta原子数分数为3.60%时，薄膜的腐蚀电流密度及钝化电流密度最小，分别为0.006 μA/cm²和0.63 μA/cm²，比其他薄膜的低1~2个数量级，并且薄膜电阻及电荷转移电阻最大，展现出最为优异的耐腐蚀性能。结论 Ta元素的掺杂提高了薄膜的耐摩擦性能，且适当的Ta元素掺杂能够提高Ta/TaN/TaCN/Ta-DLC薄膜的耐磨耐蚀性能。
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  深冷处理对X52管线钢耐磨性与耐腐蚀性的影响

  何琼, 李永刚, 朱艳强, 杨林滋

  表面技术. 2024, 53(8): 74-83. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.007

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  目的 提高X52管线钢基体的耐磨性能与耐腐蚀性能，探究深冷处理对X52管线钢性能的影响机制。方法 采用液体法的冷处理方式，对X52管线钢进行不同时间的深冷处理。采用显微硬度仪、超景深光学显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、摩擦磨损仪器、万能拉伸机以及电化学工作站，分别观察或评价深冷处理后X52管线钢的显微组织、物相组成、硬度变化、拉伸性能、耐磨性与耐腐蚀性能。结果 经过不同时间的深冷处理后，由于弥散碳化物的析出和晶粒细化，试件的显微硬度、抗拉强度和弹性模量均有所提高，但屈服强度变化不明显。当深冷处理时间为30 h时，其显微硬度达到最大值210.8HV0.2，比未深冷态190.3HV0.2提高了10.77%，当深冷处理时间为7 h时，其抗拉强度达到最大值600.7 MPa，比未深冷态574.7 MPa提高了4.05%。经过深冷处理，由于试件的晶粒得到了细化，组织成分更加均匀，试件的摩擦磨损性能得到提高，磨损机理为氧化磨损和磨粒磨损的共同作用，其中磨粒磨损起着主要作用。极化曲线结果显示，深冷处理后的试件自腐蚀电位均正移，当深冷处理时间分别为11、30和55 h时，腐蚀电流密度由未深冷态的15.47×10^?6 A/cm²分别降低到1.781×10^?6、1.335×10^?6、1.257×10^?6 A/cm²，数值降低了一个数量级，说明材料的耐腐蚀性能得到了提高。结论 深冷处理可以有效改善X52管线钢的力学性能、耐磨性能和耐腐蚀性能，在管道运输领域具有潜在的应用前景。
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  轴向应变作用下含腐蚀缺陷X80管道氢渗透的有限元分析

  刘韦辰, 韦博鑫, 尹航, 许进, 于长坤, 孙成

  表面技术. 2024, 53(8): 84-92, 132. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.008

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  目的 研究在役天然气管道掺氢输送条件下氢原子在管道腐蚀缺陷处的扩散和分布情况及应变对腐蚀缺陷处氢扩散行为的影响。方法 利用COMSOL软件，将固体力学模型和扩散模型相结合，建立了基于有限元的氢原子扩散渗透模型，研究了在纵向拉伸应变作用下X80钢制管道不同尺寸腐蚀缺陷处氢原子的分布情况。结果 在没有拉伸应变的情况下，氢原子一旦进入管道内，在浓度梯度的驱动下，沿径向梯度扩散到管道内。当在管道上施加应变时，氢原子的扩散受到静水应力的驱动。氢原子在腐蚀缺陷处的最大浓度超过了进入管道的氢原子初始浓度。结论 氢原子在腐蚀缺陷处聚集。此外，施加的拉伸应变也影响氢原子聚集的位置，随着缺陷长度的减小和深度的增大，在内壁腐蚀缺陷处，更多的氢原子会集中在缺陷中心和尖端。
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  BI@ZIF-8/EP涂层的制备及在深海压力下的防护性能研究

  景超杰, 郭辉, 赵方超, 吴德权, 陈雪晴, 刘杰

  表面技术. 2024, 53(8): 93-106. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.009

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  目的 制备负载苯并咪唑(BI)的BI@ZIF-8粒子，研究BI@ZIF-8/EP涂层在2种静水压力下的失效行为。方法 制备并表征BI@ZIF-8粒子。制备BI@ZIF-8/EP涂层，在常压(0.1 MPa)和模拟深海压力(6 MPa)开展浸泡实验。通过微观形貌、失光率、色差、附着力、红外光谱、电化学阻抗谱等手段进行涂层失效行为对比分析。结果 成功制备了BI@ZIF-8粒子;在相同压力条件下，BI@ZIF-8/EP涂层具有更高的附着力和阻抗值;同种涂层在6 MPa下退化更加严重，附着力和阻抗值下降速率增大;随着浸泡时间的延长，6 MPa下BI@ZIF-8/EP涂层中的BI特征峰强度明显减弱，2种涂层的主要特征峰强度均有下降。结论 ZIF-8粒子中的咪唑基，能增加环氧涂层交联密度，降低侵蚀性粒子渗透速率;高静水压能显著加速侵蚀性粒子向涂层内部的扩散，并加速有机涂层失效进程;BI分子和2-Melm分子中N原子的孤电子对与Fe原子的空轨道能在金属基体表面形成吸附膜，并且Zn²⁺和OH^?能在金属基体表面形成沉积膜，有效减缓了金属腐蚀。此外，2种涂层的退化机制不受静水压力升高的影响。
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  NH2-ZIF-7 MOFs负载羧基化苯并异噻唑啉酮防污剂的制备和抗菌防污性能研究

  张馨, 郝晓娴, 刘文静, 赵海超, 郑文茹, 蓝席建

  表面技术. 2024, 53(8): 107-118. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.010

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  目的 开发长效缓释且具有生物相容的绿色环保防污剂，消除防污剂在涂层中初期“爆释”、后期无法释放的弊端，实现新型缓释剂长效防污的功效。方法 通过简单的浸渍法负载防污剂分子，实现有效且缓慢释放;通过SEM、TEM观察负载前后纳米粒子的形貌;通过FT-IR、XRD、TGA、XPS、BET探究客体分子与纳米容器间的耦合作用，利用UV-Vis测试其释放性能;通过抑菌圈、平板菌落计数法、浊度法测试其抑菌性能;通过激光共聚焦观察涂层表面防细菌/藻类贴附性能。结果 氨基ZIF-7(NH2-ZIF-7)成功负载羧基化1,2-苯并异噻唑啉-3-酮(BIT-COOH)，实现了有效封装和稳定释放，并且金属有机框架材料负载后(NH2-ZIF-7@BIT-COOH)，革兰氏阴性菌(E.coli)和革兰氏阳性菌(S.aureus)的抑菌圈直径分别提高至(21.7±0.2)和(21.7±0.3)mm。进一步利用激光共聚焦观察涂层表面的细菌/藻类贴附情况，表明添加质量分数4%NH2-ZIF-7@BIT-COOH的混合树脂涂层具有优异的防细菌/藻类贴附性能。结论 利用NH2-ZIF-7封装BIT-COOH防污剂，可有效捕获、稳定释放并具有优异的抗菌性能，另外在丙烯酸树脂涂层中加入NH2-ZIF-7@BIT-COOH新型缓释防污剂能够有效抑制细菌/海藻的贴附，为新型缓释长效广谱低毒的防污剂开发提供了新的思路。
精密与超精密加工
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  轴承内圆轴向超声高速磨削理论建模与试验研究

  吴金津, 王旭, 袁巨龙, 苑泽伟, 王安静, 陈聪

  表面技术. 2024, 53(8): 119-132. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.011

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  目的 以GCr15材料的6309型轴承内圆为研究对象，探究高转速超声磨削过程中超声辅助振动对磨粒运动轨迹、磨削后表面粗糙度、圆度以及微观形貌的影响规律。方法 基于超声内圆磨削磨粒切削轨迹及超声振幅与砂轮转速对轨迹影响的理论仿真，构建磨削去除量与磨削表面粗糙度的理论模型，通过对轴承内圆进行超声磨削试验，研究高转速(16 000~22 000 r/min)下各工艺参数对内圆表面质量的影响并验证理论粗糙度评价模型。结果 超声振幅的增大使磨粒与内圆接触轨迹变长，但随砂轮转速的提高，磨粒切削轨迹的密集程度也有所下降。振幅和砂轮转速的增大可使切削去除量增大、粗糙度降低，铬刚玉粒度100^#陶瓷结合剂砂轮磨削GCr15轴承内圆后，其表面质量更有优势，单因素下表面质量变化趋势与理论分析结果相一致。结论 在相同磨削参数下，1.5 μm振幅超声磨削可使内圆圆度降至0.92 μm，粗糙度降至130.5 nm，与传统磨削相比，粗糙度最高减小了41.5%，圆度最高减小了52.6%。在高转速下，各因素按砂轮对磨削后表面质量的影响由大到小的顺序依次为砂轮转速、超声振幅、进给速度，当磨粒线速度超过41.8 m/s、进给速度超过600 mm/min、振幅超过1.5 μm时，表面质量呈下降趋势。
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  基于自转一阶非连续式微球双平盘研磨的运动学分析与实验研究

  吕迅, 李媛媛, 欧阳洋, 焦荣辉, 王君, 杨雨泽

  表面技术. 2024, 53(8): 133-144. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.012

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  目的 分析不同研磨压力、下研磨盘转速、保持架偏心距和固着磨料粒度对微球精度的影响，确定自转一阶非连续式双平面研磨方式在加工GCr15轴承钢球时的最优研磨参数，提高微球的形状精度和表面质量。方法 首先对自转一阶非连续式双平盘研磨方式微球进行运动学分析，引入滑动比衡量微球在不同摩擦因数区域的运动状态，建立自转一阶非连续式双平盘研磨方式下的微球轨迹仿真模型，利用MATLAB对研磨轨迹进行仿真，分析滑动比对研磨轨迹包络情况的影响。搭建自转一阶非连续式微球双平面研磨方式的实验平台，采用单因素实验分析主要研磨参数对微球精度的影响，得到考虑圆度和表面粗糙度的最优参数组合。结果 实验结果表明，在研磨压力为0.10 N、下研磨盘转速为20 r/min、保持架偏心距为90 mm、固着磨料粒度为3000目时，微球圆度由研磨前的1.14 μm下降至0.25 μm，表面粗糙度由0.129 1 μm下降至0.029 0 μm。结论 在自转一阶非连续式微球双平盘研磨方式下，微球自转轴方位角发生突变，使研磨轨迹全覆盖在球坯表面。随着研磨压力、下研磨盘转速、保持架偏心距的增大，微球圆度和表面粗糙度呈现先降低后升高的趋势。随着研磨压力与下研磨盘转速的增大，材料去除速率不断增大，随着保持架偏心距的增大，材料去除速率降低。随着固着磨料粒度的减小，微球的圆度和表面粗糙度降低，材料去除速率降低。
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  基于二维切削的SiCp/Al复合材料表面损伤形成机制研究

  毋宇超, 郭淼现, 郭维诚, 周金强

  表面技术. 2024, 53(8): 145-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.013

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  目的 研究SiCp/Al复合材料切削过程中的表面损伤形成机制。方法 以SiCp/Al复合材料为研究对象，展开基于二维切削的仿真和实验研究，建立了包含铝合金2A14、SiC增强颗粒以及界面特性的SiCp/Al切削仿真模型，对作用于不同SiC颗粒部位的材料表面缺陷进行分析;接着利用高速直线电机搭建能映射二维切削条件的实验平台，在不同材料去除条件下，利用扫描电子显微镜和白光干涉仪对切削表面形貌进行测试，分析和验证切削表面损伤形成条件。结果 SiCp/Al复合材料切削表面损伤机理取决于SiC颗粒相对刀具切削路径的位置:当刀尖作用在SiC颗粒的顶部时，表面损伤主要为基体撕裂、颗粒破碎;当刀尖作用在SiC颗粒的中部时，表面损伤为颗粒破碎导致的裂纹和凹坑;当刀尖作用在SiC颗粒的底部时，表面损伤为颗粒拔出导致的凹坑。随着切削深度的增大，凹坑逐渐增多，表面粗糙度随之增大。结论 利用二维切削模型仿真方法和高速直线电机实验，可以有效研究复合材料切削损伤形成机制。SiC颗粒相对刀具切削路径的位置不同会导致切削损伤不同;SiCp/Al复合材料表面质量会随着切削速度的提升而有所提高。
表面功能化
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  医用钛表面石墨烯薄膜的PECVD法制备及其性能

  张宪明, 蔡丁森, 钱仕

  表面技术. 2024, 53(8): 156-162, 190. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.014

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  目的 在医用钛表面制备石墨烯薄膜，研究生长时间对石墨烯薄膜理化性能和生物学性能的影响。方法 采用等离子体增强化学气相沉积设备，在医用钛表面制备石墨烯薄膜，控制石墨烯薄膜生长时间为5、10、30 min。通过拉曼光谱、扫描电子显微镜、接触角测量仪和电化学工作站对石墨烯薄膜的结构、表面形貌、表面润湿性和耐腐蚀性进行表征，通过小鼠成骨细胞培养评价石墨烯薄膜的细胞相容性。结果 薄膜的拉曼结果呈现石墨烯的D、G和2D特征峰。生长时间为10 min和30 min的石墨烯薄膜在医用钛表面呈现垂直纳米片状态。随着生长时间的延长，医用钛表面石墨烯薄膜的水接触角逐渐增大。3组样品中，生长时间为5 min的样品具有最小的腐蚀电流密度(1.822×10^?7 A/cm²)，生长时间为10 min的样品具有最高的腐蚀电位(?0.404 V);生长时间为5 min和10 min的样品有利于细胞的黏附与铺展，生长时间为30 min的样品对小鼠成骨细胞活性具有一定的抑制作用。结论 石墨烯薄膜可以有效提高医用钛的耐腐蚀性。石墨烯薄膜生长时间影响其形貌，进而改变水接触角。不同生长时间的石墨烯薄膜对小鼠成骨细胞的黏附和铺展表现出明显的差异。
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  可降解Fe@Fe-Zn骨组织工程支架体外生物相容性研究

  罗彩云, 王伟强, 史淑艳, 杨帅康, 许雅南, 朱明, 刘慧颖

  表面技术. 2024, 53(8): 163-172. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.015

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  目的 以多孔铁为基体，利用脉冲电沉积制备可降解多孔Fe@Fe-Zn复合材料骨组织工程支架，以期提高材料的降解速率和抗菌性能。方法 通过调节脉冲频率，得到不同Zn含量的Fe-Zn合金层;使用电子探针、X射线衍射仪、扫描电镜来研究材料的元素含量、相组成和显微结构;通过压缩测试考察支架的力学性能;用体外浸泡来考察材料的降解性能;用浸提液培养分析材料对小鼠胚胎成骨细胞的黏附铺展和细胞活性的影响;用浸提液和直接培养来探究材料的抗大肠杆菌性能。结果 随脉冲频率增加，合金中Zn含量减小;不同合金均为单一的α(Fe)相;电沉积组织致密，杂质含量低;Zn含量为7.5%(均以质量分数计)时，支架抗压屈服强度较多孔铁提升6%;复合材料的降解速率为0.44~0.48 mm/a，较多孔铁有显著改善;复合材料浸提液在稀释到25%(体积分数)时，表现出良好的细胞相容性，且随Zn含量增加，细胞活性增强;Zn含量为7.5%时，材料的抗菌性能最好。结论 通过电沉积制备的Fe@Fe-Zn支架的腐蚀速率相较于多孔铁有明显提高。随合金层中Zn含量的增加，其细胞活性增强，抗菌性能提高。Fe@Fe-Zn有望发展为可广泛应用的可降解骨组织工程支架材料。
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  基于贻贝仿生构建高效抗菌及良好血液相容性的聚胺-酚表面

  孟昊天, 李鹏程, 魏嘉佳, 王文轩, 李天瑀, 黄楠, 涂秋芬, 熊开琴, 杨志禄

  表面技术. 2024, 53(8): 173-183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.016

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  目的 赋予血液接触类材料优异的表面抗菌性能。方法 受天然贻贝黏附现象的启发，通过多巴胺(Dopamine，DA)、ε-聚赖氨酸(ε-Poly-L-lysine，ε-PL)、高碘酸钠(Sodium Periodate，NaIO4)构建一种简易、快速的聚胺-酚涂层(ε-PL@PDA)，同时利用ε-PL丰富的氨基质子化形成的阳离子，实现表面高效抗菌的目的。其中DA和ε-PL通过共价交联形成酚胺聚合物，酚胺共同介导基底材料黏附形成涂层。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电镜(SEM)、椭圆偏光、氨基定量、水接触角(WCA)等材料学表征评价ε-PL@PDA涂层的理化性能;通过菌落计数法、细菌活/死染、液体法等细菌实验评价涂层抗菌性能;通过内皮细胞黏附与增殖实验评价其细胞相容性;通过血小板黏附与激活及半体内血液循环实验验证其血液相容性。结果 材料学表征结果证明，ε-PL@PDA富氨基涂层成功制备，同时ε-PL的浓度大小会影响涂层的沉积过程;细菌实验表明，ε-PL@PDA涂层具备优异的抗菌性能，当ε-PL质量浓度为3 mg/mL时，对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的抑制率高达91%;细胞实验和血液相容性实验表明，相较于316不锈钢(316L SS)，ε-PL的质量浓度为3、30 mg/mL时，涂层均不会促进细胞毒性增强、血小板黏附和激活以及血栓形成。结论 ε-PL@PDA涂层能够在不影响细胞相容性和血液相容性的基础上有效提高表面抗菌能力，因此，该高效便捷且适用性强的表面抗菌策略或有助于解决临床血液接触类器械细菌感染等问题。
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  冷喷涂制备多孔Ta涂层及生物相容性

  贾利, 崔烺, 刘光, 王晓霞, 郝建洁, 魏连坤, 沈志森

  表面技术. 2024, 53(8): 184-190. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.017

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  目的 提高生物医用钛合金的生物相容性。方法 采用冷喷涂技术在其表面制备了内部多孔且表面粗糙的钽涂层，并对涂层的微观组织、弹性模量、表面粗糙度、孔隙率、相组成等进行表征;通过溶血率实验、动态凝血时间实验、血小板黏附实验和细胞增殖实验等评价其血液相容性。结果 涂层表面粗糙度为24.9 μm，孔隙率为12.6%，弹性模量为147 GPa。喷涂后涂层相组成为Ta，涂层与基体的结合强度为24 MPa。TC4钛合金基体和钽涂层2种材料均具有优异的红细胞相容性且2种材料表面的动态凝血程度相似，表明在TC4钛合金表面制备钽涂层后，钽涂层不会影响凝血因子的活性。钽涂层具有更好的防止血小板黏附与变形的性能。在细胞增殖实验中，细胞在钽涂层表面的增殖能力略高于TC4钛合金。结论 多孔钽涂层的弹性模量相对钽块降低了22%。其生物活性高于TC4钛合金基体。
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  AP2铝硅合金超疏水表面的制备和耐腐蚀性研究

  焦一帆, 王守仁, 王高琦, 张明远

  表面技术. 2024, 53(8): 191-201, 219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.018

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  目的 针对AP2铝硅合金中相组织结构种类较为丰富的特点，通过化学刻蚀的方法，构建出层次丰富、耐腐蚀性强的超疏水表面结构。方法 由于在不同刻蚀溶液中，所构建出的表面润湿性存在较大差距。因此采用正交设计的方法设计试验，找到最适宜的刻蚀浓度和反应时间。由于AP2铝硅合金中含量最多的Al与Si元素之间的固溶度低，NaOH溶液可以对主体α-Al相进行刻蚀，HCl溶液可以腐蚀Al、Cu、Mg、Si等元素形成的金属间相(IMPs)和共晶硅相，采用先碱后酸的刻蚀方法相比使用单一的刻蚀溶液推测能形成更丰富的触突结构。结果 在0.25 mol/L NaOH溶液和9 mol/L HCl溶液中分别刻蚀60 s，在2%(质量分数)十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS-17)溶液表面改性的条件下，成功构建出了表面接触角为157°，滚动角为5.64°的超疏水表面。表面腐蚀电位由抛光后的?1.282 V提高到了超疏水表面制备完成后的–1.228 V，腐蚀速率由抛光后的1.07×10^–4 A/cm²降低到7.44×10^–5 A/cm²，耐腐蚀性显著提高。结论 制备的超疏水表面的耐腐蚀性有显著提高，为亚共晶铝硅合金材料在超疏水方向的应用提供了一定的参考。
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  CaSO4液滴在超疏水表面上的蒸发结晶特性研究

  董立婷, 胡丽娜, 杜一枝

  表面技术. 2024, 53(8): 202-209. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.019

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  目的 在铝基底上制备稳定的超疏水表面，研究其表面上硫酸钙液滴的蒸发结晶特性。方法 通过简单的化学刻蚀法制备了一种超疏水表面，基于温湿度可控的可视化平台开展固着硫酸钙液滴的蒸发过程实验研究。同时，基于温度和相对湿度，开发了多变量拟合二次回归模型来描述其对液滴蒸发速率的影响。结果 基底温度为40、50、60 ℃时，硫酸钙液滴和纯水液滴在亲水铝片表面上的蒸发模式均表现为CCR模式，在超疏水铝片表面上均表现为CCA模式。在超疏水铝片表面，纯水液滴与硫酸钙液滴的蒸发模式略有不同:在蒸发后期，硫酸钙液滴边缘盐分增加，在重力和Marangoni效应作用下，外部逐渐形成盐壳，接触半径呈上升趋势，说明超疏水表面不利于盐滴的钉扎。当蒸发速率较低时，在外部更容易形成盐壳，一旦外部形成盐壳，蒸发机制即发生了变化，液滴内部水分子需要克服盐壳内外的压差，并通过盐壳扩散进一步蒸发。结论 通过固着液滴实验验证了硫酸钙液滴的蒸发模式与基底温度无关，而与基底的润湿性有关，并且液滴的蒸发速率随着相对湿度的降低和温度的升高而增大。通过R²=0.993 7的多变量拟合二次回归模型，对影响液滴蒸发的因素进行了方差分析，结果表明:在超疏水表面上温度和相对湿度对硫酸钙液滴的蒸发速率均有显著影响。研究成果为矿井水的资源化利用提供了有效的理论支撑。
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  金红石型TiO2的氧化硅膜包覆及其动力学研究

  张成, 周春勇, 何俊, 陈葵

  表面技术. 2024, 53(8): 210-219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.08.020

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  目的 研究以液相沉淀法制备硅包膜钛白粉(SiO2@TiO2)及氧化硅在TiO2粒子表面的沉积成膜过程动力学，从而指导钛白粉表面改性工艺的优化。方法 以硅酸钠为包膜剂在TiO2表面包覆氧化硅膜层，通过比表面积、Zeta电位、SEM和酸溶率分析，研究包膜温度、包膜pH、熟化时间等工艺条件对SiO2@TiO2膜层结构的影响。采用动力学模型对氧化硅在TiO2粒子表面的反应成膜过程进行计算拟合。结果 在包膜温度368 K、包膜pH=9.0以及反应熟化时间180 min时，获得的SiO2@TiO2氧化硅膜层致密性好，酸溶率稳定在14%的较低水平，比表面积保持在10.58 m²/g，等电点维持在2.34。氧化硅在TiO2粒子表面的成核点形成阶段的活化能为16.31 kJ/mol，生长成膜阶段的活化能为25.80 kJ/mol。结论 提高反应温度、在弱碱性条件下、延长熟化时间可使制备的SiO2@TiO2膜层致密性提高;SiO2@TiO2的比表面积、等电点与反映SiO2@TiO2膜层致密程度的酸溶率具有高度的相关性;氧化硅膜层在TiO2表面的包覆过程分为成核点形成以及氧化硅沉积成膜两个阶段，均符合三级反应动力学特征。