2025年, 第54卷, 第24期　
刊出日期：2025-12-25

  

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专题—超快激光表面加工
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  激光制备结构型抗反射表面的研究进展与展望

  常芷暄, 宋紫燕, 刘招, 陈国太, 李代洲, 张红军, 钟敏霖, 范培迅

  表面技术. 2025, 54(24): 1-26. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.001

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  材料表面抗反射结构通过精确调控表面几何形貌与局域光场分布,可在宽光谱范围内实现低反射、高吸收或高透过,并兼具防污染、防腐蚀与热稳定等多功能特性,已成为光电器件、红外窗口及能源系统等领域的关键支撑技术。本文系统综述了材料表面抗反射结构的光学机理、典型材料体系及激光制备策略,重点阐述了多尺度结构协同与多物理机理融合在实现宽带、宽角及环境稳定响应中的作用机制。同时,总结了激光制备材料表面抗反射结构在极端环境下的性能表现与工程化应用进展。最后,展望了基于智能光场调控与可设计制造的未来发展方向,旨在为结构型抗反射表面的设计、调控及应用研究提供思路借鉴与参考价值。
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  超快激光玻璃微纳加工技术进展与应用

  陈依兰, 吉鹏飞, 鲁意博, 田梦瑶, 赵亮, 陈博, 李欣

  表面技术. 2025, 54(24): 27-49. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.002

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  玻璃材料凭借其优异的透光性、绝缘性和化学稳定性,在新能源、生物医学及数据存储等高科技领域具有至关重要的应用价值。然而,其固有的高硬高脆特性,使得机械加工方法和传统激光加工方法往往伴随着微裂纹、应力集中和热损伤等加工难题,难以保证加工精度和质量。超快激光技术凭借其超短脉冲宽度、极高峰值功率,能够通过非线性吸收机制对玻璃材料二维表面及三维内部进行高精度、低损伤加工,为解决加工精度不足和内部加工难的问题提供了有效解决方案。本文系统总结了超快激光与玻璃材料的相互作用机制,重点分析了从非线性吸收到多时间尺度的能量弛豫机制等关键性物理过程和涉及的基础科学问题,并详细探讨了时域整形激光加工、空域整形激光加工、超分辨纳米激光加工及超快激光复合加工等关键技术对玻璃加工精度优化效率提升做出的贡献。本文还详细阐述了超快激光加工玻璃技术在光伏、生物医学、微机电及数据存储等前沿领域的最新应用进展。最后,针对该技术当前仍面临的挑战进行总结,并对未来发展趋势进行了展望,旨在为超快激光玻璃加工技术的进一步基础科学研究与工业化应用提供有益的参考。
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  激光制备吸液芯表面热功能结构研究进展

  贾友凯, 曹佐, 钟文洲, 王纪祥, 黄亚军, 谢小柱

  表面技术. 2025, 54(24): 50-69. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.003

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  面向均热板超薄化与高热流密度散热需求,吸液芯需在受限腔体内兼顾高毛细压与低流阻。激光微纳加工凭借极高峰值功率密度及形貌精确可控等优势,能够在金属表面原位构筑兼具高毛细力与高渗透性的复合结构,成为提升吸液芯毛细极限与传热性能的重要手段。本文系统综述了国内外吸液芯表面功能结构的研究进展,重点阐述了激光微纳加工在热功能结构制备中的应用现状。深入分析了激光能量密度、扫描策略等关键工艺参数对微纳形貌演变规律及表面浸润性的调控机制,阐明了多级复合结构对毛细力与渗透率的协同优化机理,并进一步揭示了其强化相变传热的作用。通过系统对比激光微纳加工与增材制造、电化学沉积及机械加工等工艺,论证了激光微纳加工技术在加工精度、尺度可控性及集成适配性等方面的显著优势。针对大面积加工一致性、长期运行可靠性及多材料体系兼容性等工程化应用瓶颈,探讨了激光与化学复合加工等潜在的技术演进路径。最后,对激光微纳加工技术在高性能、柔性相变散热器件领域的发展前景进行了展望,旨在为新一代高性能电子产品热管理系统的研发提供理论支撑与工艺参考。
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  飞秒激光还原沉积制备柔性电磁屏蔽金属网栅

  黄育欣, 崔梦雅, 肖荣诗, 黄婷

  表面技术. 2025, 54(24): 70-78. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.004

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  目的 针对高频电磁波应用红外探测领域的需求,采用纳米材料增强吸收飞秒激光还原沉积技术制备柔性电磁屏蔽金属网栅,获得工艺窗口,测试金属网栅的耐弯曲导电性、界面结合性能、红外透过率及电磁屏蔽性能。方法 在聚酰亚胺（PI）薄膜表面预置前驱体油墨,飞秒激光聚焦于PI薄膜和前驱体油墨的界面处,通过调控激光参数实现作用区域的金属Cu离子还原并沉积在PI薄膜表面;采用光学显微镜、激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪、拉曼光谱仪进行沉积层形貌和成分分析;采用数字万用表和四探针电阻测试仪测试Cu线电阻;依据ASTM D3359-09附着性能测试标准评估Cu与PI基材之间的附着性能;采用傅里叶变换红外光谱仪测试Cu网栅在中红外波段的透过率;采用矢量网络分析仪测试Cu网栅的电磁屏蔽性能。结果 随峰值功率密度的增加和扫描速度的降低,Cu线线宽、线高随之增大;物相中Cu₂O减少,Cu相增多;当峰值功率密度过大且扫描速度过低时,Cu线中心发生烧蚀去除,PI基底发生分解与碳化。Cu线电阻率最低为2.25×10^-6 Ω·m。金属Cu网栅在中红外波段相对透过率达73.0%~98.7%,在8~12 GHz范围内电磁屏蔽性能为14~34 dB,附着性能达ASTM 5B等级,弯折10 000次后电阻变化率小于0.56。结论 飞秒激光还原沉积技术在红外光学窗口、高频电磁防护等器件的金属功能图案制造中展现出应用潜力。
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  选区激光熔融GH4169增材微缺陷的飞秒激光去除工艺及结构扰动影响研究

  范丽莎, 阚星普, 喻登宇, 张硕文, 吴岭, 王廷斌, 赵天真, 张迪, 项一侯, 姚建华

  表面技术. 2025, 54(24): 79-89. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.005

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  目的 解决增材制造GH4169合金表面球化缺陷难以高效、高精度去除的难题,提升增材制造件表面质量与服役性能。方法 采用飞秒激光器在氩气气氛下对带有球化缺陷的增材制造GH4169试样进行表面球化缺陷去除实验;基于正交实验设计,研究激光功率、轨迹重叠率LO、光斑重叠率PO及光斑大小d_f对去除效率与表面质量的影响规律,并结合多手段表征与有限元仿真分析烧蚀机制。结果 当激光功率30 W、LO=50％、PO=80％、离焦量≤90 µm时,球化缺陷的去除步长达4.65 μm且围球化缺陷凹槽式烧蚀损伤最小;累计20次扫描后球化缺陷高度由153.8 μm降至20.5 μm,基本完成缺陷去除;烧蚀过程中由于球化结构扰动作用形成围缺陷凹槽,深度约9 μm。飞秒激光烧蚀有效清除了表面氧化膜,表面O含量（质量分数）由6.67％降至5.58％,Ni、Ti、Cr含量（质量分数）变化<1％;表面硬度从364HV提升至409HV,增幅达12.3％;表面润湿接触角由96.7°降低至82.5°,润湿性显著改善。理论仿真表明,球化结构衍射导致激光能量在球化缺陷边缘能量集中、电场强度呈波纹放射状分布,从而形成了围缺陷凹槽烧蚀。结论 飞秒激光烧蚀可针对增材制造GH4169表面球化缺陷实现高效率、高精度的定点去除,同步改善表面硬度与润湿性,对基体成分影响小,为增材制造在线修复提供了可靠技术路径。
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  电介质表面电路的激光直写及精密刻蚀

  刘通, 张开虎, 赵越, 刘新宇, 孙一凯, 陆云霞

  表面技术. 2025, 54(24): 90-97. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.006

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  目的 提供一种实现柔性聚合物表面金属电路的激光高性能直写及无损聚合物的电路精修方法。方法 以聚酰亚胺（PI）表面铜电路为例,利用由乙酸铜、正辛胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）、甲酸及甲醇,配备了低分解温度的铜前驱体油墨,并通过功率仅1 W量级、波长532 nm的连续激光,将油墨以激光光热还原沉积的原理在PI表面直写形成铜线条;使用绿皮秒激光（12 ps、532 nm）及红外飞秒激光（小于1 ps且1 030 nm）,对前述PI表面铜线条和磁控溅射法在PI表面镀覆的1 μm铜膜进行局域化去除;使用TG-DSC测试铜前驱体油墨分解温度。结果 所配备前驱体油墨热分解温度为180 ℃,这有利于在直写过程不伤PI;铜电路直写效率和效能分别为2.0×10⁶ μm³/s（即0.12 mm³/min）、0.067 mm³/min/W,且所写铜材电阻率为11.8×10^-8 Ω·m;展示了可使用绿皮秒激光高选择性擦除PI表面铜膜且不伤PI的效果,而与之形成鲜明对比的是使用红外飞秒激光易出现的PI损伤问题：对于不同波长和脉宽组合形成的加工效果反差,结合铜反射谱,从铜和PI各自的去除阈值对激光波长和脉宽的依赖关系进行了机理分析。结论 采用连续激光辐照所配置的低成本铜前驱体油墨,可实现PI表面铜的高效且较高导电性的直写效果;超快激光脉宽和波长的协同调控,可促进聚合物与金属加工阈值的异化,从而易实现无伤聚合物的电路精修,其中以绿皮秒激光为代表的光源可适用于多种金属电路的高选择性刻除。
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  聚醚醚酮表面飞秒激光改性-辅助化学镀铜

  崔梦雅, 魏佳硕, 肖荣诗, 黄婷

  表面技术. 2025, 54(24): 98-105. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.007

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  目的 在聚醚醚酮（PEEK）为代表的低密度热塑性聚合物蒙皮材料表面集成功能性金属图案,可有效提升基于该材料构建的智能蒙皮天线的集成与感知能力。然而,现有制造技术无法同时兼顾图案化、强结合和高精度。本研究旨在探索一种兼具高精度和强结合能力的聚合物表面金属化方法。方法 提出绿光飞秒激光表面改性结合化学镀铜的工艺路线,在商用PEEK表面制造金属铜图案,系统研究了单脉冲能量密度对PEEK表面粗糙度和镀铜层导电性的影响规律,并对飞秒激光改性促进化学镀的机理进行了探讨。结果 随着单脉冲能量密度的增加,PEEK表面形貌由多孔结构转变为熔融凝固后的片状、絮状结构,改变了PEEK表面的粗糙度。通过优化飞秒激光加工参数,增加了PEEK表面活性官能团占比、提升了PEEK表面浸润性,最终实现飞秒激光改性区域均匀稳定化学镀铜层,铜层的方阻低至39.1 mΩ/sq,结合性能达到5B（ASTM D3359）等级。结论 飞秒激光改性辅助-化学镀技术实现了在PEEK表面局部区域制造高导电、强结合的金属铜图案。本研究为航空航天用聚合物表面功能化金属图案制造提供了新思路。
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  镀铝超表面材料激光刻蚀研究：从kHz纳秒激光到GHz飞秒激光

  彭浩东, 段生炜, 杨林玉, 刘智勇, 廖建飞, 娄德元, 成健

  表面技术. 2025, 54(24): 106-117. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.008

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  目的 超表面具有出色的电磁波调控能力及波段选频性能,在航空航天、光学器件、生物医学界等领域具有广泛应用前景。本研究拟采用不同脉宽及脉冲模式激光对镀铝超表面材料进行对比刻蚀实验与理论探索,从而掌握针对该类材料的优化激光刻蚀方法,并阐明其工作机理。方法 首先,观察评估不同激光参数下超表面金属铝膜的去除程度及形貌变化,对比分析微观表面的成分组成;然后采用COMSOL Multiphysics建立有限元理论模型,对kHz纳秒激光、MHz-burst飞秒激光以及GHz-burst飞秒激光与超表面的相互作用进行仿真分析,揭示三种激光源下温度场和应力场对该类材料的作用过程;最后将实验结果与有限元分析结合,对三种激光源刻蚀镀铝超表面的特性与机理进行深入探究。结果 相比于kHz纳秒激光与MHz-burst飞秒激光,GHz-burst飞秒激光可以实现刻蚀后镀铝层镀铝残留物最低至0.54%（原子数分数）;界面瞬时热应力可达2 600 MPa,获得更为完整的表层金属材料去除效果。结论 由于在镀铝层材料刻蚀的同时,可在介电层界面产生的热应力更大,且应力振幅更明显,采用GHz-burst飞秒激光获得了更优界面分离效果。本研究可为高质量激光刻蚀加工超表面材料提供新的研究思路。
腐蚀与防护
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  3.5%NaCl溶液中紫脲酸对AZ31B镁合金的缓蚀作用

  翟亚如, 熊金平, 赵景茂, 樊保民

  表面技术. 2025, 54(24): 118-127. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.009

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  目的 为提高镁合金耐蚀性并进一步探究缓蚀剂的作用机理,选取紫脲酸（PPA）有机缓蚀剂应用于AZ31B镁合金。方法 采用电化学技术、析氢测试以及静态失重法测试紫脲酸在质量分数为3.5%的NaCl溶液中对AZ31B镁合金的缓蚀效果,并利用扫描电镜观察表面形态,利用XRD和XPS研究表面膜层结构和成分,进而深入分析PPA的缓蚀机理。结果 失重测试、析氢测试和电化学测试显示PPA对AZ31B具有较好的缓蚀作用。25 ℃时,由失重法得到的缓蚀效率为74.9%,由析氢法得到的缓蚀效率为59.6%,由电化学阻抗得到的缓蚀效率为73.5%,由动电位极化得到的缓蚀效率为53.9%。缓蚀效率的不同是由于测试方法不同导致的。随着实验温度的升高和浸泡时间的延长,PPA的缓蚀效率增加,由失重法得到的缓蚀效率最高可到93.9%（50 ℃,72 h）。SEM-EDS、XRD和XPS结果表明AZ31B镁合金表面保护膜层为PPA阴离子插层的Mg Al-LDH,膜层致密。结论 PPA对AZ31B镁合金的缓蚀机理为：在3.5% NaCl溶液中加入PPA后,PPA分子电离出氢离子,使溶液变为酸性,而PPA变为阴离子。由于阴极发生析氢反应,溶液的pH会升高,最终稳定在pH=10,碱性环境下促进了镁基体表面Mg Al-LDH的生成,PPA则以阴离子形式插入Mg Al-LDH的层间,在AZ31B镁合金表面生成了具有PPA阴离子插层的Mg Al-LDH保护膜,隔绝了镁基体与腐蚀介质的直接接触,减缓了腐蚀。
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  Y掺杂NiAlHf涂层在1 150 ℃下的微观结构演变和抗氧化性能研究

  陈振鹏, 杨尚琴, 苏鹏, 杨洪志

  表面技术. 2025, 54(24): 128-137. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.010

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  目的 研究NiAlHfY涂层的高温抗氧化性能及其微观结构演变机理。方法 用电弧离子镀（AIP）技术在镍基单晶高温合金上沉积NiAlHf/Y涂层,将沉积后的样品在900 ℃、5×10^-2 Pa的压力下退火4 h,然后在1 150 ℃下进行200 h的恒温氧化实验。通过X射线衍射和装配有能量色散光谱的扫描电子显微镜对样品微观结构和组成进行分析。结果 在氧化初期,NiAlHf涂层表面出现大量放射性裂纹,而NiAlHfY涂层则形成更为连续、平整的Al₂O₃层,这一差异与Hf、Y共掺能延缓θ-Al₂O₃转变为α-Al₂O₃从而减小氧化层中的应力有关。不同于NiAlHf涂层中HfO₂主要在氧化层/涂层界面和涂层中分布,NiAlHfY涂层的HfO₂主要在氧化层偏析,并沿Al₂O₃晶界分布,而Y则均匀分布在氧化层中,且在涂层/基底界面处的互扩散区观察到Y的偏析。氧化动力学曲线分析表明,两种涂层的氧化增重变化曲线在氧化时间小于75 h时近似符合抛物线规律,在大于75 h后符合直线规律,且在氧化层中存在由Al₂O₃、NiAl₂O₄和NiO等混合氧化物构成的多层结构并含有较多难熔元素氧化物。此外,NiAlHfY涂层中β-NiAl相消耗速率比NiAlHf涂层慢,且氧化200 h后NiAlHfY涂层的氧化增重较NiAlHf涂层更低。结论 在NiAlHf涂层掺杂Y能进一步降低氧化层的生长速率,提高涂层的附着力,具有更为优异的抗氧化性能,可以为未来高温防护涂层体系进一步发展和工业化应用提供一定的参考。
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  氮气环境下铬涂层Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr合金高温氧化及失效行为

  宋光浩, 周腾, 蔡振兵, 赵明岩, 梁明轩, 胡剑虹, 张继成

  表面技术. 2025, 54(24): 138-148. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.011

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  目的 研究锆合金表面Cr涂层在空气和氮气气氛下的高温氧化性能及失效行为,揭示涂层结构与性能退化机制。方法 采用多弧离子镀工艺在锆合金上制备15 μm厚Cr涂层,并在Setaram Setsys Evolution型热重分析仪中开展1 200 ℃恒温氧化实验。通过监测质量变化并结合扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）分析氧化前后试样的微观形貌、元素分布及物相变化。结果 两种环境下涂层表面均反应生成Cr₂O₃,但氮气环境同时发生氮化反应形成CrN层;空气环境氧化后的试样表面出现颗粒状团聚物,而氮气环境中则出现蠕虫状团状物;氧化动力学曲线显示,氮气环境下试样的质量增重幅度相对降低了6.32%;结构分析表明,试样在空气环境氧化后形成了Cr₂O₃层、残余Cr层、Cr-Zr扩散层的三层结构,而氮气环境则以Cr₂O₃层和残余Cr层为主,结合XRD以及EDS元素结果表明,这两层结构之间存在一层CrN薄层;随着反应的进行,N原子扩散到Zr基体内部形成ZrN层,抑制了Zr、Cr间的元素扩散,阻碍了Zr-Cr金属间化合物的形成,对镀铬锆合金的服役性能产生积极正面的影响。结论 Cr涂层显著提升Zr-4合金的抗氧化性能。该研究为Cr涂层在事故容错燃料的工程应用提供了一定的实验依据及理论支撑。
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  基于深度学习的海洋生物污损评价方法

  曾超凡, 焦建博, 欧志辉, 陈柏屹, 杨艳玲, 吴建华

  表面技术. 2025, 54(24): 149-162. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.012

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  目的 设计一种快速、高精度的海洋生物污损定量检测算法,实现对常见生物污损的评价任务。方法 基于深度学习算法YOLO提出改进算法YOLO-FPSC,通过实验对比与模型优化相结合的方法,针对图像模糊和对比度低的问题,在Backbone层使用特征金字塔共享卷积（FPSC）替换原本的快速空间金字塔池化（SPPF）进行特征提取,有效捕捉图像局部细节,减小图像噪声干扰;在Neck层使用AFGC注意力机制,捕捉污损生物表面与边缘细节,避免漏检和误检;针对污损生物生长边界模糊和重叠的问题,损失函数采用NWD替换原始的CIoU。结果 改进后的算法在污损生物图像数据集上的平均精确率（mAP）达到96.2%,较原始算法提高3.0%,每秒检测帧数（FPS）达到305.0,满足实时检测需求。结论 改进的算法能更充分提取污损生物的纹理与轮廓特征,实现对海洋生物污损的快速准确评价,也为防污涂层的性能评价提供了新的手段。
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  电流密度对316L不锈钢电解抛光腐蚀特性的影响

  夏佳桢, 李馨, 华琳, 赵万意, 潘刚, 陈文娟

  表面技术. 2025, 54(24): 163-172. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.013

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  目的 通过调节电流密度的方法,提高316L不锈钢表面质量的同时获得较高耐蚀性。方法 由316L不锈钢极化曲线设置不同电流密度下电解抛光的实验组,通过3D激光显微镜扫描仪、电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）和电化学工作站等设备,研究不同实验组的表面质量水平和腐蚀钝化行为,探索不同电解抛光电流密度对316L不锈钢腐蚀规律。结果 当电流密度为4 mA/cm²时,不锈钢表面粗糙度为0.229 μm,达到实验组最小值,划痕显著减少,麻点数量急剧下降,表面平整度与轻微腐蚀痕迹并存,呈现最佳表面质量;在电流密度为4 mA/cm²时,其腐蚀电位达到了最大值0.203 V,腐蚀电流降低至1.043 µA/cm²,腐蚀速率也随之降低至0.012 mm/a。电解抛光产物扩散速度较为合适,能够在不锈钢表面形成覆盖性较好的钝化膜,具有更好的防护性能,不易遭受腐蚀介质的侵蚀,耐腐蚀性提高。结论 316L不锈钢电解抛光的电流密度可参考其预实验对比组的极化曲线,在稳定钝化区内选择,可得到表面质量以及耐腐蚀性能较好的电流密度。在实验组中,316L不锈钢电解抛光后的表面质量水平以及耐腐蚀性能在钝化区电流密度为4 mA/cm²时达到综合最佳水平。
精密与超精密加工
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  FeNi@SiC磁性磨料制备及研磨行为

  成波, 杨蓓, 梁佳彬, 陈瑞瑞, 侯东, 赵旭东, 梁国栋, 张辛健, 李文生

  表面技术. 2025, 54(24): 173-183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.014

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  目的 提高磁性磨料SiC磨粒相转化率,降低Gd₂Zr₂O₇热障陶瓷涂层表面粗糙度。方法 利用C粉和Si粉在FeNi₅₀球形粉末表面原位生成SiC磨粒相,优化了机械球磨转速、时间及真空烧结温度。对所制备磨料微观形貌、物相、磨料导磁相与磨粒相的纳米硬度与弹性模量进行了分析。通过单一变量法,确定了制备FeNi@SiC磁性磨料的最佳工艺参数,利用该工艺条件下获得的磁性磨料对等离子喷涂Gd₂Zr₂O₇热障陶瓷涂层进行磁力研磨加工。结果 随着球磨转速增加,C粉和Si粉均匀包覆在基体FeNi粉末表面;球磨10 h包覆效果最佳;FeNi粉末与C粉Si粉的比例为6∶2∶1时,FeNi@SiC球形粉末壳层状结构明显;随烧结温度增加,生成SiC物相含量增加。球磨参数：200 r/min,10 h;质量比：6∶2∶1;烧结温度：1 350 ℃; 烧结时间：2 h,所制备的磁性磨料,SiC包裹在FeNi粉末表面,磨粒相中SiC含量达32.2%,磨粒相平均纳米硬度为11.31 GPa。磁力研磨加工实验后,Gd₂Zr₂O₇热障陶瓷涂层的Ra从15.8 μm下降到2.08 μm,表面变得光滑、平坦。结论 利用C粉和Si粉在FeNi₅₀球形粉末表面原位生成法成功制备核-壳结构FeNi@SiC磁性磨料,有效提高了磁性磨料的加工性能。
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  双壳层P(MMA-MPS)/SiO₂/CeO₂核壳复合磨料制备及其抛光性能研究

  贾慧灵, 吕镓屹, 吴锦绣, 李森, 王少峰

  表面技术. 2025, 54(24): 184-194. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.015

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  目的 针对磨料在机械耐用性和化学抛光效率两个方面的高需求制备出一种应用于KDP晶体等脆性材料抛光的新型双壳层复合磨料。方法 采用沸腾体系无皂乳液聚合法合成了3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（MPS）修饰的P(MMA-MPS)微球作为内核,使用溶胶-凝胶法在微球表面包覆SiO₂内壳层,通过均匀沉淀法沉积CeO₂外壳层,制备了P(MMA-MPS)/SiO₂/CeO₂双壳层核壳复合磨料用于KDP晶体抛光。用扫描电镜、透射电镜、XRD、FT-IR、X射线衍射等手段分析样品的结构和性质。结果 P(MMA-MPS)微球粒径在280~320 nm之间,Si—O—Si键和Ce—O键的XPS吸收峰的出现验证了SiO₂壳层和CeO₂壳层都均匀地依次包覆在P(MMA-MPS)微球上,P(MMA-MPS)/SiO₂/CeO₂磨料的单分散性良好。SiO₂层的引入增加了CeO₂层中氧空位的浓度,Ce³⁺含量增多,抛光时的氧化还原反应活性增强;同时增强了核壳间的结合强度。相比PMMA/CeO₂磨料,抛光后在5 μm×5 μm范围内的KDP晶体表面粗糙度RMS值由(1.03±0.05) nm降至(0.51±0.03) nm。材料去除率由(268.84 ±7) nm/min提升至(302.26±6.6) nm/min。结论 成功制备出一种克服界面结合弱和单一CeO₂壳活性受限,可以应用于KDP晶体等脆性材料抛光的新型双壳层复合磨料。
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  绝缘轴承Al₂O₃-TiO₂复合陶瓷涂层化学机械研磨高效低损加工及粗糙度仿真研究

  姚蔚峰, 张玉辉, 许荣滨, 闫明明, 杨建国, 吕冰海

  表面技术. 2025, 54(24): 195-206. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.016

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  目的 应用化学机械研磨加工技术旨在高效获得绝缘轴承Al₂O₃-TiO₂复合陶瓷涂层高质低损表面,从而提高其极端电场工况环境下抗电蚀损伤能力,延长新能源汽车、风电、高铁等领域电机服役寿命。方法 采用三角形沟槽阵列金刚石结构化磨盘与碱性反应液相结合开展陶瓷涂层的化学机械研磨加工试验研究;应用XPS测试验证化学反应,应用纳米压痕测试获得反应软质层的机械性能;基于多尺度接触力学理论构建表面粗糙度的数学模型并进行仿真预测。结果 化学反应后的陶瓷涂层表面硬度和弹性模量均显著降低;试验和仿真结果高度一致,验证了数学模型的有效性;在磨料粒径3 μm、加载压力14 N和磨盘转速160 r/min条件下进行化学机械研磨加工,可使陶瓷涂层表面粗糙度在5 min内从初始平均Ra 2.864 μm快速减少至平均Ra 0.285 μm,最终20 min后达到平均Ra 0.108 μm。此外,与传统研磨形成的最大径向微裂纹尺寸4.85 μm相比较,化学机械研磨可实现表面近无微裂纹。结论 本文所述加工方法可高效获得绝缘轴承Al₂O₃-TiO₂复合陶瓷涂层的高质低损表面,机械去除与化学反应的协同作用至关重要,化学反应、磨料粒径、加载压力和磨盘转速对材料去除率、表面粗糙度和微裂纹有显著影响。
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  特斯拉阀微织构对YG8N刀具切削性能的提升机制研究

  李婧, 杨发展, 姜芙林, 杨宇, 陈安琪, 王雪, 李广地, 颜世斌

  表面技术. 2025, 54(24): 207-219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.017

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  目的 解决钛合金切削时引发的刀具磨损过快和生产效率降低的难题。方法 利用飞秒激光设备将具有各向异性的特斯拉阀微织构结构引入YG8N硬质合金刀具的前刀面中,并对具有正向与反向结构的微织构刀具切削TC4钛合金的性能和加工特征进行分析研究。通过将切削试验与Johnson-Cook本构模型仿真相结合,分析微织构形貌特征对刀具切削力和切削温度的影响,同时探究切削温度对切削液黏度的影响,通过SEM观察刀具前刀面磨损和切屑的微观形貌。结果 随切削温度的升高切削液的黏度不断降低,同步切削液进入微织构底部的概率不断加大,而通过对微织构底部的元素组成分析,结果证实切削液能有效进入微织构中。在300 mm/s低速切削时,微织构刀具刀尖温度及切削力均低于无织构刀具,刀具前刀面黏附物明显减少,切削性能得到显著提升;在1 000 mm/s高速切削下,正向微织构刀具切削力比无织构刀具降低了19.4%,刀尖处的温度降低了29.4%,同时与低速切削工况相比也展现出更优异的切削性能。结论 特斯拉阀微织构通过改变刀具表面的切屑流动路径,减小刀具与切屑的接触面积,进而有效降低切削力、降低刀尖处的切削温度,同时减少了前刀面的黏附物和氧化层,有效减缓了刀具表面崩刃和黏结磨损现象,显著降低了摩擦系数与切削磨损,延长了刀具的使用寿命。
表面功能化
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  亲水/超疏水/超滑表面液环轴承支撑特性研究

  何利平, 岳出琛, 戴庆文, 王晓雷, 黄巍

  表面技术. 2025, 54(24): 220-230. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.018

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  目的 针对液环轴承中亲水表面引发的液膜非均匀承载,以及超疏水表面因接触线钉扎导致的液膜动态泄漏问题,提出构建超滑表面以实现高支撑力与液膜稳定性的协同调控。方法 以铝为基底,通过激光加工构建微纳结构并进行低表面能改性后,分别制备了亲水表面、超疏水表面及注入油液形成的超滑表面作为轴承的上表面。并在另一超疏水铝基底上利用激光加工出环形亲水图案作为滚环轴承的下表面。探索了不同浸润性上表面对液环轴承支撑力的影响。结果 20 μL的水滴在亲水、超疏水与超滑表面的黏附力分别为0.918、0.091 1和0.246 9 mN,其中超疏水表面因低黏附性抑制液滴吸附,而亲水表面因强黏附力导致液滴呈现非对称分布并引发局部应力集中。对于液环轴承,当其液环厚度为0.2 mm时,亲水、超疏水与超滑表面的最大支撑力分别为0.022、0.058和0.048 N。结论 超疏水表面虽支撑力最高,但其在临界间隙（0.3 mm）下引发液环边缘钉扎,致使拉普拉斯压力失衡并导致泄漏,而超滑表面的支撑力接近超疏水表面,并且能够通过液-液接触模式动态调控液膜,兼顾低黏附与稳定性。下试样旋转时,超滑表面在保持支撑力稳定上更加突出,且液环内的速度分布为线性减小。
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  MMT-Fe₃O₄-STAB@硅化聚氨酯超疏水复合涂层的制备与性能

  王杰, 李梦, 赵欣, 邢一龙, 戴泽宇

  表面技术. 2025, 54(24): 231-240. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.019

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  目的 构建一种兼具超疏水性与光热响应能力的功能涂层,以提升其在低温环境下的除冰性能。方法 通过在碱性条件下采用共沉淀法,在蒙脱土（MMT）表面原位合成四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米颗粒,并在氮气气氛下反应以防止亚铁氧化,随后引入十八烷基三甲基溴化铵（STAB）对复合粒子进行插层改性,从而提高其疏水性。所得MMT-Fe₃O₄-STAB颗粒经洗涤与磁分离后,均匀分散于有机硅改性聚氨酯（SiPU）基体中,制备得到MMT-Fe₃O₄-STAB@SiPU超疏水光热复合涂层。结果 涂层在填料含量为15%（质量分数）时达到超疏水阈值,形成具有微乳突的微纳二元结构,其静态水接触角高达158.4°,滚动角低至6.7°。该涂层在250~2 500 nm波段的宽谱吸收率达88.2%,在1个标准太阳光照（100 mW/cm²）下,仅85 s即可实现55.5 ℃的最大温升,光热转换效率高达72%。得益于MMT的二维支架作用,Fe₃O₄纳米颗粒（20~40 nm）分散均匀（500 µm×500 µm范围内Fe元素）,并使涂层的耐刮擦性相较于纯SiPU提升了3.5倍。在-15 ℃环境下的除冰测试表明,该涂层表面的冰层在光照下350 s内即可完全脱落,较空白对照组（>900 s）加速2.6倍。结论 该涂层体系不仅具备良好的超疏水性,还具备优异的光热除冰潜力,为复杂环境下功能防护材料的开发提供了可行路径。
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  碳纳米管改性颗粒光热防冰涂层的制备与性能表征

  吕大娟, 于城浩, 胡锐, 罗贤

  表面技术. 2025, 54(24): 241-249. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.020

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  目的 针对传统防冰涂层成本高、工艺复杂的问题,设计了一种兼具被动防冰与主动除冰且制备相对简单的光热超疏水防冰涂层。方法 通过羧基化多壁碳纳米管（h-MWCNT）与全氟癸基三甲氧基硅烷（FDTS）的疏水改性反应,制备了微米级团簇（CMPs）,并协同碳化硅颗粒（SiC_p）构建微纳多级结构,采用一步喷涂法在铝基板上形成涂层。结果 研究了不同SiC_p/CMPs配比对涂层润湿性、延迟结冰性能、冰黏附强度及光热响应能力的影响。结果表明,当SiC_p/CMPs质量比为1∶2时,涂层展现出最优综合性能,接触角达158°,滚动角低至4.1°;延迟结冰时间达634 s,较未处理铝基板（96 s）提升5.6倍;冰黏附强度仅为38.3 kPa。CMPs堆叠形成的山峰状多孔结构可有效俘获空气层,显著降低液滴与基底的接触面积,从而延缓结冰并削弱机械互锁效应。此外,涂层表现出优异的光热性能,在1个太阳光强下240 s内温度从25 ℃升至75 ℃,并能在23 s内融化冰层,归因于CMPs的宽光谱吸收特性及粗糙表面的光散射增强效应。结论 该涂层通过微纳米多级结构与光热功能协同,实现了被动防冰与主动除冰相结合的双重除冰机制,且制备工艺简单,在电力传输线缆、铁路接触网等长距离运输设施的防冰领域具有重要应用潜力。
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  H₃PO₄磷化加MgF₂沉淀包覆磁粉对Nd-Fe-B磁体电阻率和磁性能的影响

  王亚娜, 张超, 张鸿荣, 雷芃, 郑立允, 黄光伟

  表面技术. 2025, 54(24): 250-259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.021

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  目的 通过钕铁硼磁粉表面改性的方式研制高电阻率钕铁硼磁体。方法 将钕铁硼磁粉H₃PO₄磷化处理后进行MgF₂沉淀包覆处理,研究了不同H₃PO₄浓度下磷化钕铁硼磁粉及优选H₃PO₄浓度磷化后不同溶液浓度MgF₂沉淀包覆钕铁硼磁粉对热变形磁体的电阻率、温度稳定性、耐腐蚀性、磁性能以及微观结构的影响。结果 H₃PO₄磷化钕铁硼磁粉制备热变形磁体的优选浓度为0.04 mol/L,此时所制备磁体的最大磁能积(BH)_max、剩磁B_r、矫顽力H_cj和电阻率分别为44.81 MGOe、13.78 kGs、9.05 kOe、229.4 μΩ·cm,较未改性磁粉所制备钕铁硼磁体的电阻率提高58.2%。优选H₃PO₄浓度磷化后MgF₂沉淀包覆钕铁硼磁粉的优选包覆浓度为3 mol/L（即MgCl₂溶液浓度为3 mol/L,KF溶液浓度为6 mol/L）,此时所制备磁体的最大磁能积(BH)_max、剩磁B_r、矫顽力H_cj和电阻率分别为40.46 MGOe、12.91 kGs、13.54 kOe、267.5 μΩ·cm,较未改性磁粉所制备钕铁硼磁体的电阻率提高84.5%。结论 与未改性磁粉所制备钕铁硼磁体相比,H₃PO₄磷化钕铁硼磁粉所制备热变形磁体的电阻率升高,温度稳定性和耐腐蚀性略低,优选H₃PO₄浓度磷化后再进行MgF₂沉淀包覆钕铁硼磁粉所制备热变形钕铁硼磁体的温度系数升高,其中β_{(20-120 ℃)}=0.581,耐腐蚀性略低。通过磷化-包覆协同改性磁粉工艺可以优化钕铁硼磁体的电绝缘性和热稳定性,所制备磁体有潜力应用于高温工况环境。
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  高功率下基片台尺寸对等离子体影响研究

  陈晓婧, 翁俊, 刘繁, 陈晴, 贾晓瑞, 张欢欢, 汪建华

  表面技术. 2025, 54(24): 260-269. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.24.022

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  目的 在实验室自制的2.45 GHz环形天线多模腔微波等离子体化学气相沉积装置中进行直径100 mm基片台上单晶金刚石的均匀批量生长。方法 通过建立一个二维氢等离子体模型研究了不同尺寸基片台对等离子体环境的影响。采用发射光谱（OES）诊断金刚石生长过程中的等离子体环境,利用红外测温仪测量基片台的温度,采用拉曼光谱表征生长得到金刚石质量。结果 基片台的尺寸增大会导致等离子体向中心集中,边缘效应的影响逐渐减弱,造成基片台温度的不均匀分布。通过减小底部Mo块尺寸,加强直径100 mm基片台的边缘效应,实现了温度的均匀分布,并成功在直径100 mm的基片台上制备了一批质量均匀的单晶金刚石。结论 增强直径100 mm基片台的边缘效应可以提升边缘温度,改善温度分布的均匀性,在合适的工艺条件下能够批量制备质量均匀的单晶金刚石。