2025年, 第54卷, 第16期　
刊出日期：2025-08-25

  

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研究综述
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  碳化硅辅助增效化学机械抛光材料去除机理研究进展

  徐腾飞, 刘伟, 邓朝晖, 陈根, 朱德财

  表面技术. 2025, 54(16): 1-17. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.001

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  碳化硅具有优异的物理和化学特性,是典型的第三代半导体材料。但碳化硅具有高硬度和化学惰性,导致其精密抛光加工面临材料难去除、表面易损伤和加工成本高等问题,无法满足高效低损伤平坦化加工的迫切需求。目前,化学机械抛光是实现碳化硅衬底全局平坦化的关键技术,但碳化硅化学机械抛光及其辅助增效的研究主要注重实验和技术方法开发,而在其化学反应和机械去除过程中材料去除机理的深层次研究方面存在一定的不足。针对碳化硅典型的晶型结构特点,简述了不同晶型结构的碳化硅材料性能差异,以及材料特性对抛光去除的影响;综述了碳化硅化学机械抛光的原理、材料去除机理及其微观去除机制;分析了几种较为典型的辅助增效化学机械抛光技术,揭示了碳化硅在多能量场耦合作用下的材料去除机理,以及多能量场的耦合效应对其抛光过程中机械作用和化学反应的促进作用。并展望了提高碳化硅抛光材料去除率和表面质量的未来发展方向,以期为碳化硅的高效高质量、低损伤、低成本加工提供新的研究方法和思路。
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  CVD金刚石薄膜与涂层制备技术及关键领域应用研究进展

  吴勇, 郭于洋, 孙清云, 陈辉, 杨甫, 夏思瑶

  表面技术. 2025, 54(16): 18-38. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.002

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  金刚石因其优异的理化性质,在众多领域都有着广阔的应用前景,化学气相沉积则是金刚石薄膜与涂层常用的制备技术之一。详细阐述了CVD金刚石的生长机理,包括气体输送与活化、表面吸附与分解、成核与生长等过程。介绍了多种CVD金刚石制备技术,如热丝化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积和直流等离子体增强化学气相沉积,并对其原理与特点进行了比较。在工艺调控方面,分析了气源体系选择、沉积参数调控等对金刚石膜质量和性能的影响。通过优化碳源气体种类、浓度、反应气氛以及沉积气压和温度等参数,可以显著提升金刚石膜的生长速率和质量,精准调控这些参数是实现高质量金刚石生长的关键。在应用方面,阐述并分析了金刚石薄膜在量子技术、光学、能源领域,以及金刚石涂层在机械加工、生物医学、航天领域的应用场景。尽管CVD金刚石技术已实现多领域突破应用,但其仍面临规模化生产、长期生物安全性验证及复杂工况性能优化等挑战。未来研究将聚焦多功能涂层开发、低成本制备、生物安全性验证及极端环境性能突破,进一步攻克大尺寸单晶生长、低温高质量沉积及智能化工艺控制等关键技术,以满足高端制造与科技发展需求。
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  选择性激光熔化制备难熔高熵合金研究进展

  朱恩, 杨宝震, 张登科, 张微, 李婉秋, 虞飞标

  表面技术. 2025, 54(16): 39-59. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.003

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  旨在系统梳理选择性激光熔化（SLM）技术在难熔高熵合金（RHEAs）制备领域的研究现状,明确工艺参数-微观结构-性能之间的关联机制。揭示SLM技术解决传统铸造RHEAs晶粒粗大、成分偏析等问题的有效性,并探讨其在工程应用中的关键瓶颈与发展前景。研究表明：SLM技术通过极端非平衡凝固实现了RHEAs的微观结构创新,其独特的晶粒细化效应和原位纳米强化机制为开发高性能RHEAs提供了新途径。通过统计分析近年国际权威文献中SLM制备RHEAs的工艺参数,系统研究能量密度对难熔高熵合金致密度、缺陷特征及元素分布的影响规律。结合文献中电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）等表征,阐明快速凝固条件下亚稳态相形成机制,定量分析晶粒细化与力学性能提升的对应关系。进一步阐明了如NbC、TiC等纳米析出相通过晶界钉扎效应抑制晶粒粗化及提高材料抗氧化性能的机理。然而,尽管SLM-RHEAs在复杂构件成形方面展现出显著优势,但残余应力分布不均及成分均匀性控制仍是制约其工业化应用的核心瓶颈。最后展望了其在生物医用植入物和航空航天部件等领域的潜力。
腐蚀与防护
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  Inconel 690合金晶体取向依赖的腐蚀行为和光学反射特征研究

  谭鼎耀, 滕李虎, 但丽玲, 郭勇, 李煌政, 吴刚, 武肖雷, 王静雅, 储淑芬, 杨耀, 曾小勤

  表面技术. 2025, 54(16): 60-66. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.004

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  目的 为了探索一种基于光学显微镜的金属晶体取向快速标定方法,需要构建晶体取向依赖的表面腐蚀形貌,并建立晶体取向、腐蚀形貌与光学反射特征之间的对应关系。方法 以Inconel 690合金为模型材料,首先对其腐蚀形貌进行了微观表征,建立了晶体取向与腐蚀形貌之间的对应关系。进一步,使用自主开发的程控的离轴照明光学显微镜装置,研究了腐蚀表面在不同方向入射光下的反射特征。结果 腐蚀后{111}晶面附近的晶粒形貌呈三棱锥形,在{001}附近的晶粒表面覆盖有大量腐蚀坑,而在{110}附近的晶粒形貌呈鱼鳞状。进一步,自主开发了一套离轴照明光学显微镜装置,通过程序控制LED阵列以不同的入射光角度照明样品表面,探索腐蚀表面对不同方向入射光的反射特征。通过分析3个接近主轴方向的典型晶粒的光学反射强度,证明了光学反射特征对晶体取向显著的依赖性,这可以归因于腐蚀表面上排列有序的微结构单元特有的反射能力。结论 上述研究结果建立了晶体取向、腐蚀形貌和光学反射特征之间的明确关系,意味着可以通过腐蚀后的光学反射特征来推导晶体取向。在此基础上,有望使用简单的光学显微镜装置来进行快速和低成本的表面晶体取向的测定。
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  极地船舶螺旋桨用不锈钢的腐蚀与海冰冲蚀性能研究

  孙士斌, 郭昇旭, 常雪婷, 蒋颖畅, 王东胜

  表面技术. 2025, 54(16): 67-79. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.005

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  目的 探究极地船舶螺旋桨用不锈钢表面受海冰冲蚀与海水腐蚀的损伤特征与机理,并尝试用数值仿真方法模拟海冰冲蚀过程。方法 对3种不同合金含量的螺旋桨钢样进行海冰冲蚀实验和海水浸泡腐蚀性能,利用金相显微镜、白光干涉显微镜、扫描电子显微镜等对实验样品表面晶粒组织、宏观形貌、微观组织等进行观测并分析,分析样品冲蚀速率、腐蚀速率与不同合金含量的相关性。在FLUENT软件使用SST k-ω模型与Standard k-ε模型2种湍流模型对冲蚀实验过程进行模拟,使用Oka冲蚀模型计算壁面冲蚀率,并与实验值对比。结果 3种极地螺旋桨用不锈钢都出现明显损伤,部分冲蚀后表面出现直径约为100 μm的坑洞和片状剥落区,冲蚀后与腐蚀后形貌存在明显区别,试样冲蚀率为1.39×10^-8~3.56×10^-8 kg/(m²·s);海水浸泡腐蚀后表面出现点蚀坑,随着环境温度降低,不锈钢腐蚀电位正移,腐蚀电流密度减小,腐蚀速率降低,20 ℃下腐蚀速率最高,腐蚀速率为9.846×10^-4~ 6.175×10^-3 mm/a。随着合金元素Cr、Ni含量的提升,不锈钢的耐冲蚀与腐蚀性能显著改善,表面损伤减少。使用SST k-ω模型仿真得出冲蚀率为1.11×10^-8~2.42× 10^-8 kg/(m²·s),仿真值与钢材表面冲蚀率试验变化趋势接近。结论 Cr、Ni含量是提升极地船舶螺旋桨用不锈钢抗冲蚀与腐蚀性能的重要因素,能够使钝化层致密并提升不锈钢抵抗侵蚀的能力,模拟冲蚀时壁面正前方会出现速度骤降区域,此处静压增大、动压减小,SST k-ω模型下获取的冲蚀率与实验值有较好的相符性。
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  甲基二氧化硅超疏水涂层的酸碱腐蚀机理

  侯天宇, 张立雄, 王晟伍, 罗康, 张恒, 王琛程, 周蜀策, 李黎

  表面技术. 2025, 54(16): 80-91. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.006

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  目的 探明甲基二氧化硅超疏水涂层在酸碱环境中的化学腐蚀老化机制及其对防污闪性能的影响,揭示涂层疏水性随腐蚀时间的演变规律,分析接触模式的转变过程,为提升其耐腐蚀性和应用稳定性提供理论依据。方法 通过人工腐蚀试验,将涂层样品分别浸泡于酸性和碱性溶液中,测试接触角与滚动角随时间的变化;结合光电子能谱与扫描电镜,表征表面化学组分与微观结构演变;构建几何模型,量化实际接触面积随气液界面高度的变化;评估不同腐蚀时间、污染等级、电压、温度及润湿时间对自清洁性能与泄漏电流的影响。结果 涂层疏水性随腐蚀时间显著下降,碱性环境下退化更快。腐蚀导致表面低表面能基团减少、表面能增大,实际接触面积扩大,Cassie-Baxter模式逐渐转变为Wenzel模式,增强腐蚀液接触。污染等级越高,自清洁能力下降越明显,污秽残留质量增加。泄漏电流随腐蚀温度和电压升高而增大,与润湿时间呈负相关,表明绝缘性能随腐蚀时间显著下降。结论 涂层化学腐蚀老化是表面能升高和微观结构破坏共同作用的结果,实际接触面积扩展是腐蚀加速的关键因素。提升涂层耐腐蚀性能可通过引入稳定低表面能基团与优化微观结构设计,延长Cassie-Baxter状态维持时间。本研究为提高涂层长期防污闪性能提供了理论依据与设计方向。
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  Co₂O₃/Ni₂O₃密着剂对搪瓷涂层界面行为及密着机制的影响

  洪昊, 李文生, 李翠霞, 俞雷, 张婷

  表面技术. 2025, 54(16): 92-99. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.007

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  目的 以镍、钴氧化物密着剂为基础,探索其协同作用及氧化态对碳钢搪瓷涂层密着界面反应过程的影响机制,以期进一步提升搪瓷涂层的密着性能。方法 采用磨加法在Q235钢基体上制备了分别含有质量分数为1%Ni₂O₃、1%Co₂O₃、0.5%Ni₂O₃+0.5%Co₂O₃和0.5%NiO+0.5%CoO密着剂（组合）的4种搪瓷涂层,通过落重冲击和拉脱附实验评价了涂层的结合性能,采用扫描电子显微镜、能谱仪和电子探针对涂层界面反应和元素扩散机制进行分析。结果 Co₂O₃比Ni₂O₃密着剂更易在界面处形成沉积层,Ni₂O₃在烧结过程中释放的氧气会促进钴的密着反应,Co²⁺/Co³⁺向界面处扩散促进了Ni²⁺的扩散并在界面处形成沉积层,可见同时磨加镍、钴氧化物密着剂具有一定的协同促进作用。Co³⁺高的标准电极电位促进了釉层与基体的电偶腐蚀反应,使界面处的枝晶数量增加。结论 钴密着剂具有比镍密着剂更优的密着性能,高价态氧化物有利于促进界面密着反应,因此Ni₂O₃+Co₂O₃密着剂组合比NiO+CoO具有更优的密着效应。
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  不同轧制态医用Zn-Li-Ce合金表面涂层特征及腐蚀行为研究

  张源, 牛丽静, 张朋, 刘芸, 王子剑, 田亚强, 陈连生

  表面技术. 2025, 54(16): 100-110. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.008

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  目的 锌基合金具有良好的生物降解性、可加工性和优异的生物功能性,但铸态锌合金存在局部腐蚀倾向,过度释放的Zn²⁺会造成局部组织毒性并对骨愈合/修复产生不利影响,难以满足临床植入的要求。方法 通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）及动电位极化PDP/EIS等手段探究轧制态合金组织对其表面涂层特征及降解行为的影响。结果 当轧制压下率为80%时,磷酸锌锶涂层锌合金表现出优异的耐蚀性能。这是由于适宜晶粒尺寸的轧制锌合金具有较高的晶界密度,在化学转化过程中Zn²⁺能够通过晶界更有效地释放到暴露的表面中,产生更多活性点,有利于促进表面形成均匀致密的磷酸锌锶涂层,有效地阻碍了侵蚀性离子与基体的直接接触,增强了合金的耐蚀性能;此外,轧制后的高密度晶界可作为腐蚀点蚀的屏障,阻碍腐蚀坑的进展,进一步增强基体对腐蚀的防御能力。结论 随轧制压下率增加（20%、40%、60%和80%）,磷酸锌锶涂层锌合金在模拟体液中测得的电化学腐蚀速率（0.669、0.408、0.249和0.160 mm/a）及失重速率（0.0526、0.0313、0.0170和0.0121 mm/a）均呈现逐渐降低的趋势。其中,磷酸锌锶涂层锌合金在轧制压下率80%时获得最优异的耐蚀性能。
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  PEMFC钛双极板表面TiCr/TiCrN涂层性能的研究

  李涛, 张涵怡, 严义刚

  表面技术. 2025, 54(16): 111-120. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.009

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  目的 研究Ti和TiCr过渡层对TiCrN外层组织结构的影响,进一步分析具有不同组织结构的TiCrN外层耐腐蚀和导电性能的差异,为后续PEMFC双极板涂层的设计提供依据。方法 采用多弧离子镀方法在钛双极板表面制备单层TiCrN、双层Ti/TiCrN和TiCr/TiCrN涂层。通过XPS、XRD、SEM和三维表面轮廓仪分析涂层表面元素含量及组成、物相结构、表面和截面形貌以及表面粗糙度值。结合动电位极化、电化学阻抗和恒电位极化分析涂层的耐腐蚀性能。通过测试涂层与碳纸之间的界面接触电阻值（ICR）分析涂层恒电位测试前后的导电性能。结果 单层TiCrN、双层Ti/TiCrN和TiCr/TiCrN涂层表面均由金属—N、金属—O、Ti—N_x—O_y及Cr—Cr键组成,双层TiCr/TiCrN涂层表面高耐腐蚀性金属—O键含量达18.49%。3种涂层均呈现面心立方结构,且沿(111)晶面择优取向,T_C(111)值分别为0.798、0.950和1.000。与单层TiCrN涂层相比,双层Ti/TiCrN和TiCr/TiCrN涂层具有更加致密的表面,3种涂层的表面粗糙度S_a值分别为2.967、2.016和1.834 μm。与TiCrN和Ti/TiCrN涂层相比,TiCr/TiCrN涂层具有更好的耐腐蚀和导电性能,腐蚀电流密度值低至0.125 μA/cm²,极化电阻值高达318.57 ´ 10³ Ω·cm²,电荷转移电阻值高达11.73× 10⁴ Ω·cm²。经过10 h的恒电位测试,ICR值从2.5 mΩ·cm²仅增加至2.8 mΩ·cm²。结论 双层TiCr/TiCrN涂层表面金属—O键含量较高,同时TiCr过渡层可促进TiCrN外层完全沿(111)晶面取向,并促进TiCrN外层生长得更加致密,减少表面缺陷,从而提高涂层的耐腐蚀和导电性能。
精密与超精密加工
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  高分散氧化铝磨粒抛光液实现不锈轴承钢高效化学机械抛光研究

  田毅铭, 彭武茂, 王荣沛, 李新竹, 李昕, 石智康, 张韶华, 江亮, 钱林茂

  表面技术. 2025, 54(16): 121-130. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.010

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  目的 引入高硬度氧化铝磨粒增强机械作用,并引入过氧化氢和草酸增强腐蚀,以提高9Cr18Mo不锈轴承钢的化学机械抛光效率。方法 使用浊度计、纳米粒度电位仪、透射电子显微镜对制备的氧化铝磨粒悬浮液进行表征。随后,开展9Cr18Mo不锈轴承钢化学机械抛光实验,使用光学3D表面轮廓仪测量抛光后样品的表面三维形貌和表面粗糙度。使用扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪和X射线光电子能谱仪表征抛光后样品的表面形貌和组分。使用流变仪测量抛光液的黏度。结果 向1%（质量分数）氧化铝磨粒添加0.06%~0.1%（质量分数）聚丙烯酸钠可以实现优异的分散性。使用高分散氧化铝磨粒抛光液对9Cr18Mo不锈轴承钢进行抛光,材料去除速率最大值可达573 nm/min,是二氧化硅磨粒抛光液的4.3倍,表面粗糙度S_a为6.2 nm,表面较光滑,铁区域和铬区域之间没有明显的高度差。抛光后样品表面主要由二价铁氧化物、三价铁氧化物和三价铬氧化物组成。结论 制备了高分散的氧化铝磨粒及对应的抛光液,在过氧化氢和草酸的协同作用下,实现了9Cr18Mo不锈轴承钢高效化学机械抛光。其高效抛光机理描述如下：一方面,氧化铝磨粒具有锋利的切削刃且自身硬度高,在过氧化氢和草酸的协同作用下,切削深度大,少量切削刃可以穿透表面膜,切削基体。另一方面,氧化铝磨粒具有多个切削刃,可以同时在多个切削轨迹上去除材料。本文研究结果可以为铁基材料超精密加工提供一种高效抛光方法。
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  基于多层进化神经网络的立式振动式滚磨光整关系模型构建及工艺参数优化

  张燎原, 李文辉, 温学杰, 张演, 李秀红, 王海珠, 杨胜强

  表面技术. 2025, 54(16): 131-140. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.011

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  目的 构建高精度立式振动式滚磨光整加工工艺参数的关系模型,实现工艺参数优化。方法 以TC4钛合金板材为试件开展正交实验,通过方差分析获取各工艺参数对表面粗糙度下降率的影响程度。将工艺参数作为输入,表面粗糙度下降率作为输出,通过数学回归以及神经网络的方法构建初始工艺参数关系模型。通过迭代训练隐含层确定神经网络的最优隐含层结构,采用遗传算法（GA）优化网络权重和偏置,构建多层进化神经网络（GA-MLP）关系模型,进一步将关系模型耦合遗传算法实现工艺参数优化。结果 采用数学回归与传统神经网络构建的工艺参数关系模型预测精度为75.6%和76.4%,基于多层进化神经网络构建的关系模型预测精度可提升至96.6%。优化后的加工参数为振动频率25 Hz、偏心块相位差98°、上偏心块质量1.55 kg、下偏心块质量1.8 kg,在此工艺参数下加工可将试件表面粗糙度由0.976 μm降低至0.311 μm,表面粗糙度下降率达68.12%。结论 提出的多层进化神经网络相较于传统的数学回归以及初始神经网络具有更高的预测精度,优化的工艺参数能够有效降低试件表面粗糙度并提升其下降率。研究结果为立式振动式滚磨光整加工工艺参数关系模型构建与参数优化提供了新的方法。
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  单晶GaN平面研磨及材料脆塑性去除评估方法研究

  罗斌, 张龙, 焦振华, 柴京富, 罗金星

  表面技术. 2025, 54(16): 141-155. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.012

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  目的 针对异质外延生长的GaN晶片表面粗糙度高、亚表面损伤大等问题,通过优化平面研磨工艺,实现单晶GaN的高效率、高质量平面研磨加工。方法 采用游离磨料对GaN表面进行单因素研磨实验,研究磨料种类、磨料粒径、研磨液流量、研磨盘转速、研磨压力、研磨时间和研磨盘材质等对研磨效果的影响规律,通过图像分割识别法对已加工表面脆塑性域去除面积进行精准识别分割,研究工艺参数对脆塑域去除面积的影响规律。结果 单晶GaN的材料去除速率（Material Removal Rate,MRR）和表面形貌受多种因素的影响。粒径为W3的金刚石磨料最适合GaN的研磨加工,与其他磨料和粒径相比其表面粗糙度和材料脆性域去除面积占比最小。随研磨液流量的增大,MRR先增大后减小,表面粗糙度Ra和材料脆性域去除面积占比逐渐减小。随研磨盘转速和研磨压力的增大,材料去除速率不断增大,表面粗糙度和材料脆性域去除面积占比先减小后增大。在工艺参数为1%（质量分数）W3金刚石磨料、合成铜盘、研磨液流量8 mL/min、研磨转速40 r/min、研磨压力166 kPa条件下研磨12 min后,表面粗糙度从Ra 190 nm下降到Ra 20 nm,材料去除速率为3.61 μm/min,材料脆性域去除面积占比仅为7.66%。结论 采用优化工艺进行单晶GaN游离磨料研磨能有效降低表面粗糙度,采用图像分割识别法能快速精准识别材料的脆塑性域去除面积,用于指导工艺参数优化。
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  机理与数据融合驱动的薄壁筒切削表面形貌预测方法研究

  吕凯波, 李姚龙, 石鑫, 胡洋, 白生文, 庞新宇

  表面技术. 2025, 54(16): 156-164. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.013

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  目的 预测薄壁筒工件车削振动状态下加工表面形貌。方法 综合考虑刀具与工件几何参数、切削用量以及切削振动参数的影响,建立一种机理与数据相融合的薄壁筒切削表面形貌及粗糙度预测模型。首先,基于切削原理推导切削刀刃上点在加工过程中相对于工件表面的运动轨迹方程以及坐标变换矩阵,建立薄壁筒切削表面形貌运动学模型,随后利用时频分析提取切削过程中工件振动位移信号的特征,最后,将构建的振动特征方程代入运动学机理模型中仿真计算表面形貌。结果 探明了加工表面形貌特征与切削振动信号频率特性之间的映射关系,数值仿真获得不同加工参数下薄壁筒的表面形貌及粗糙度,工件A在稳定切削区的仿真表面粗糙度与实测表面粗糙度的相对误差为4.27%,在颤振区的平均相对误差为6.03%;工件B在稳定区的仿真表面粗糙度与实测表面粗糙度的相对误差为3.61%,在颤振区域的相对误差为2.42%。结论 预测表面与实测表面结果具有一致性,研究成果可为薄壁筒类零件切削表面质量的在线监测与控制提供理论依据。
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  基于改进金豺算法优化最小二乘法支持向量机的磨削表面粗糙度预测

  朱文博, 张淑权, 张梦梦, 迟玉伦

  表面技术. 2025, 54(16): 165-181. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.014

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  目的 磨削过程中粗糙度直接影响产品质量,为有效预测工件磨削表面粗糙度,基于声发射和振动信号提出一种改进金豺算法（IGJO）优化最小二乘法支持向量（LSSVM）的磨削表面粗糙度预测方法。方法 为增强信号特征与磨削表面粗糙度相关性,利用皮尔逊相关分析和主成分分析（PCA）对信号特征进行筛选,降低特征之间的多重共线性,降低模型复杂度;为改善磨削表面粗糙度预测模型的性能,对于金豺算法（GJO）易陷入局部最优问题,在GJO基础上引入佳点集初始化种群、非线性能量因子更新策略以及融合鲸鱼优化算法改进搜索策略,提升算法的初始种群多样性、收敛精度和全局搜索能力;为提高磨削表面粗糙度预测模型有效性,利用IGJO对LSSVM进行参数寻优,建立磨削表面粗糙度预测模型。结果 通过轴承套圈内滚道磨削加工实验数据进行验证,结果表明IGJO-LSSVM磨削表面粗糙度预测模型能有效预测粗糙度值,预测精度为95.223%,RMSE值为0.013 3,MAPE值为4.776%,R²值为0.956,均优于GJO-LSSVM、LSSVM和BP神经网络模型。结论 通过IGJO优化后的LSSVM模型可实现磨削表面粗糙度有效预测,同时能够避免传统LSSVM容易陷入局部极小值的问题,对提高产品磨削质量具有重要意义。
表面功能化
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  钛合金表面激光原位制备CaTiO₃/CaSiO₃复合涂层及其组织性能研究

  肖健, 王博文, 沈少凡, 潘存良, 邱长军, 朱红梅

  表面技术. 2025, 54(16): 182-191. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.015

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  目的 针对Ti-6Al-4V（TC4）合金作为人体骨修复材料时易受到体液腐蚀、目前单一CaSiO₃涂层制备存在工艺复杂且应力大的问题,提出利用CaO、TiO₂、SiO₂的混合粉末在TC4表面激光原位制备CaTiO₃/CaSiO₃复合涂层。方法 采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪分析涂层的微观形貌和组织成分;用维氏硬度计、电化学工作站测试涂层的显微硬度并模拟体液（SBF）中的耐蚀性能;通过SBF浸泡试验评价涂层的生物活性。结果 涂层与基体间呈冶金结合,无裂纹等缺陷,物相主要由CaTiO₃、β-CaSiO₃及少量CaO、SiO₂组成。涂层硬度为718.4HV0.2,为基体的2.14倍,涂层在SBF中的腐蚀速率降低了49.7%,耐腐蚀性显著提升;经SBF浸泡14 d后,涂层表面生成大量的类骨磷灰石。结论 利用激光熔覆技术原位制备的CaTiO₃/CaSiO₃复合涂层具有高硬度、高耐蚀性以及优异的生物活性,有望提升含有害离子的钛合金植入材料的长期安全性和有效性。
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  液滴撞击低温曲面时的动态行为特征

  宁雨萱, 贾志海, 张亚欣, 侯文璇

  表面技术. 2025, 54(16): 192-201. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.016

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  目的 探讨液滴撞击低温曲面时的动态行为及固化特征,对于电力输送、风力发电以及航空航天等领域增强设备运行安全及性能具有重要意义。方法 采用黄铜圆柱表面,使用半导体制冷技术将圆柱表面冷却至约-15 ℃,将液滴以不同高度撞击圆柱表面,采用高速摄影仪分析液滴的动态行为特征。在此基础上,分别探讨液滴撞击外部振动激励表面以及硅油浸泡表面时的动态行为特征,探究其对液滴铺展和冻结特性的影响。结果 随着液滴撞击We数的增加,液膜厚度从撞击位置向两侧显著降低,分布逐渐趋于均匀且铺展范围增加,并且液滴的最大铺展因子β_maxµWe^0.477,液滴到达最大铺展因子对应的时间t_maxµWe^0.306。当低温圆柱表面存在一定频率和振幅的振动时,振动使得液膜更多地集中在表面下方,铺展范围更大,液膜厚度更薄。当液滴撞击低温浸油圆柱表面时,由于表面的润滑性,液滴在表面上的铺展受到抑制,液滴铺展因子明显减小,并主要集中在表面上部,且最终覆冰厚度显著增加。当撞击We数超过某一临界值后液滴会发生分离现象。运用能量分析方法,建立了理论分析模型,分析了液滴撞击前后的能量特征。结论 施加振动,随着振幅增大液滴的铺展范围增大且液滴到达最大铺展因子的时间减小,β_max在振动的影响下增加了12%,冰层厚度相对减薄了16%。当液滴撞击浸油表面时,在撞击We数小于临界值情况下,冰层厚度增加了13%且变化更加平缓,β_max相对减小5%;当超过临界值时,液滴撞击浸油表面后发生分离,残余液滴在表面上半部分形成一层薄薄的厚度相对均匀的冰层。
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  雪花状微/纳米超疏水涂层的构建及光热除冰能力研究

  张省伟, 杨瑞峰, 赵振羽, 张杰

  表面技术. 2025, 54(16): 202-211. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.017

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  目的 电缆表面覆冰问题是造成电缆在极端天气条件下故障的主要原因,为此,在电缆表面构建了具有光热除冰能力的超疏水防冰/除冰涂层。方法 利用喷枪将负载含有石墨粉（GP）与纳米二氧化钛（TiO₂）的PDMS溶液喷涂在电缆表面并进行灼烧处理,构建具有光热转换性能的GP/TiO₂/PDMS雪花状微/纳米超疏水涂层。采用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱分析了超疏水涂层的物相组成与微观结构,同时利用接触角仪、超高速摄像机和热成像仪评估了超疏水涂层的超疏水防冰能力以及光热除冰能力。结果 物相表征证实GP与TiO₂被成功装载在PDMS涂层中,超疏水涂层表面在经过灼烧处理后形成了雪花状微/纳米结构。通过接触角/滚落角实验证实通过灼烧形成的雪花状微/纳米结构显著提高了涂层接触角,使涂层具备超疏水性能。同时光热实验显示,灼烧处理能够显著提高涂层的光热性能,使涂层表面温度在可见光照射1 min条件下上升至56.6 ℃,表现出良好的除冰能力。结论 在电缆表面构建富含空气的雪花状微/纳米结构能够显著提高涂层疏水能力,与光热作用结合能够有效清除电缆表面覆冰,为解决电缆表面覆冰问题提供了新思路。
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  苯基有机硅树脂增强环氧基超疏水涂层耐久性研究

  匡亮, 白超云, 彭慧慧, 秦灵, 谢丹, 聂朝胤

  表面技术. 2025, 54(16): 212-220. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.018

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  目的 制备出具有良好耐久性的超疏水涂层。方法 将苯基有机硅树脂和环氧树脂相结合,并加入羟基封端的聚二甲基硅氧烷疏水改性的纳米二氧化硅颗粒。采用简单的一步法在304不锈钢表面制备出具有优异性能的超疏水涂层。利用摩擦磨损实验模拟实际工况下涂层所遭受的机械摩擦作用,通过胶带剥离实验考察涂层与基底之间的附着牢固程度,以此综合评价超疏水涂层的机械稳定性;借助热老化和光老化实验,分别模拟高温环境和紫外线辐射等自然老化因素对涂层的作用,进而评估超疏水涂层的抗老化性能;通过电化学工作站对超疏水涂层的防腐蚀性能进行了测试。结果 当环氧树脂与苯基有机硅树脂含量为4∶3（质量比）时涂层表现出最佳的疏水性,疏水角为155.3°,滚动角为3.6°。同时超疏水涂层表现出优异的机械稳定性和耐久性,经过1000目砂纸摩擦磨损14 m、胶带剥离30次和紫外线照射96 h后涂层表面水接触角依然大于150°。电化学测试表明该涂层具有优异的防腐效果,腐蚀电流密度相比于环氧树脂涂层降低了2个数量级,防腐效率达到99.8%。结论 加入苯基有机硅树脂后,超疏水涂层机械稳定性和耐久性明显改善,涂层防腐效率也有所提升。
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  磁控溅射涂镀重稀土晶界扩散渗入钕铁硼磁体的能效分析

  田广科, 张希, 崔光宇, 王瑜, 许亿, 夏原

  表面技术. 2025, 54(16): 221-230. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.019

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  目的 采用Dy、Tb等重稀土元素晶界扩散是制备高性能钕铁硼磁材的重要技术手段,但现阶段工业化晶界扩散生产过程的工艺模式仍然较为粗放,对重稀土等国家战略性资源的极致利用还远不够精细。方法 采用直流磁控溅射镀膜技术在牌号42SH钕铁硼磁体表面沉积约10 μm厚Tb涂层,然后在高真空扩散炉中对镀Tb磁体进行晶界扩散处理,研究了一步扩散法和梯度扩散法工艺模式变化对Tb渗入效率和提高磁体内禀矫顽力实际效能的影响,尝试性地建立了重稀土渗入效率、单位重稀土渗入量产生的实际效能、单位重稀土沉积量产生的实际效能的计算方法,结合电子探针分析了不同扩散模式下重稀土渗入磁体的分布特征。结果 一步扩散法的重稀土渗入效率由86%提高到91%和95%,而梯度扩散法达到96%。梯度扩散法的单位浓度Tb渗入量的内禀矫顽力提升量可达到21.42 kOe/wt.%Tb,单位浓度Tb沉积量的内禀矫顽力提升量可达到20.5 kOe/wt.%Tb,换算成单位内禀矫顽力提升量需要的Tb沉积量则为0.049wt.%Tb/kOe,该指标可为不同内禀矫顽力提升量的生产需求预测出合理的重稀土沉积量。结论 在梯度扩散模式下,有更多的Tb原子沿晶界相渗入至磁体更深位置,在更多的Nd₂Fe₁₄B主相晶粒表面形成具有更高磁晶各向异性场核壳结构(Nd,Tb)₂Fe₁₄B硬磁层,所以梯度扩散模式下矫顽力提升量最大。
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  CF₄等离子体背沟道表面处理对IZO TFT电学性能及负栅偏压应力稳定性的影响

  王聪, 丁有坤, 刘玉荣

  表面技术. 2025, 54(16): 231-239. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.020

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  目的 提高IZO TFT电特性及负栅偏压应力稳定性。方法 以ITO玻璃为基底,采用射频磁控溅射法沉积的掺铟氧化锌（IZO）薄膜作为有源层,原子层沉积法（ALD）沉积的Al₂O₃薄膜作为栅介质层,直流溅射法溅射Al靶材制备源、漏电极,制备了底栅顶接触型结构的掺铟氧化锌薄膜晶体管（IZO TFT）。采用CF₄等离子体对IZO TFT背沟道表面的IZO有源层薄膜进行表面处理,并对IZO TFT进行后退火处理。详细研究了CF₄等离子体射频功率和处理时间对IZO有源层及TFT器件电学特性和偏压应力稳定性的影响。结果 选择合适的射频功率和处理时间,由于F原子取代了弱M—O结合键中的氧,形成了更稳定的In—F、Zn—F强结合键,从而有效地降低了IZO薄膜中的氧空位,因此可以明显改善IZO TFT的电学性能和负栅偏压应力稳定性。结论 当射频功率为15 W,处理时间为100 s时,IZO TFT器件的电特性和负栅偏压稳定性较佳,器件的迁移率、阈值电压、亚阈值摆幅和开关电流比分别为35 cm²/V·s、0.4 V、64 mV/dec和4×10⁹,当-10 V的栅偏压应力作用1 h后,阈值电压漂移为-1.8 V。
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  具有自清洁功能的长效自发光涂料

  吴泽宇, 何智灵, 朱琦

  表面技术. 2025, 54(16): 240-248. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.021

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  目的 解决传统道路标线在实际应用中存在的夜间能见度差和引导效果不佳的问题。方法 使用加热共混法,将长余辉发光材料、填料和助剂与热熔石油树脂混合,在设定温度下加热至完全溶解,制备出一种新型热熔荧光涂料。随后,将气相纳米二氧化硅与乙酸乙酯混合均匀,制得疏水改性溶液,并使用浸涂法在热熔荧光涂料表面添加了一层疏水涂层,使涂料在兼顾优良荧光性能的同时,展现出卓越的疏水性,并使其具备优异的抗污和自清洁特性。利用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、分光光度计和接触角测量仪,对涂料物相组成、横截面微观形貌与元素分布、发光性能和疏水性能进行了测试。最后,测试了热熔荧光疏水涂料的自清洁性能和抗污性能。结果 获得热熔荧光涂料的最佳配比（质量分数）,即C5石油树脂含量为42%、荧光粉含量为25%、玻璃微珠含量为30%、助剂含量为3%,此配方制备的自发光涂料经日光激发2 h后,余辉时间可持续8 h。当涂料在纳米二氧化硅溶液中疏水改性2 min时,其发光性能达到最佳状态,其接触角可达153.279°。结论 这种具有自清洁功能的长效自发光涂料既能极大缩短标线施工时间,又能够改善公路夜间照明条件,达到节约能源和减少人力维护成本的目的,助力实现智慧公路理念。
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  氧空位自掺杂黑色TiO₂超亲水表面的构建用于可见光驱动光催化降解有机污染物

  高佳琦, 杨存玙, 谢岩钰, 王朔, 李勇, 马腾, 赵亚丽

  表面技术. 2025, 54(16): 249-257. https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.16.022

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  目的 针对工业废水中难降解有毒染料污染治理的迫切需求,研发高效光催化水处理技术已成为环境工程领域的研究焦点。基于缺陷工程原理,设计并构筑了氧空位（OVs）可调控的黑色二氧化钛纳米管阵列（B-TNT-x）,旨在强化其光催化降解有机污染物的性能。方法 通过阳极氧化结合铝热还原法调控氧空位浓度,系统研究了氧空位对材料表面特征、晶体与电子结构及光电性能的影响。结果 表征结果表明,成功制备了一系列形貌规整的TiO₂纳米管阵列。电子显微学观测表明,OVs主要富集于催化剂表面,并诱导晶格重构,导致催化剂表面粗糙度增加。光电性能测试显示,OVs显著拓宽了催化剂的可见光吸收范围,并提升了电荷转移效率;此外,氧空位修饰赋予催化剂超亲水表面特性,在亚甲基蓝降解实验中,B-TNT-450样品表现出最优性能,降解效率达91.1%。结论 归因于适量OVs通过形成局域缺陷能级缩小了TiO₂带隙,同时作为电荷分离中心提升了载流子迁移率,抑制了光生载流子复合,且与超亲水表面结构产生协同效应,进而显著提升了氧空位自掺杂黑色TiO₂光催化性能。本研究为缺陷工程调控半导体光催化剂表面功能化及光降解性能提供了理论依据与技术参考。