2025年, 第54卷, 第6期　
刊出日期：2025-03-25

  

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研究综述
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  低温冷风微量润滑加工机理和应用研究进展

  姬长贺, 周宗明, 颜旭, 宋学磊, 王广, 董兰, 吴浩, 盛锐, 李长河

  表面技术. 2025, 54(6): 1-18. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.001

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  低温冷却和微量润滑是解决传统浇注式润滑中大量使用切削液问题的有效方法，然而，低温冷却和微量润滑有着各自应用的局限性。虽然低温冷风微量润滑是解决以上技术问题的有效方案，但低温冷风微量润滑参数和切削用量与加工性能之间的量化映射关系尚不清晰，限制了低温冷风微量润滑在工业中的推广应用。基于此，针对低温冷风微量润滑的供给系统、加工性能、机理和模型进行了系统分析与综合评价。首先，从作用形式与机理方面分析了低温冷风微量润滑在加工过程中的典型供给方式。其次，从提高换热效率和改善润滑油膜的理化性质方面揭示了低温冷风微量润滑的冷却润滑机理对切削力、刀具磨损和切屑变形等加工性能的影响。进一步地，综述了低温冷风微量润滑在机械加工中对降低切削力、抑制刀具磨损和减小切屑变形的性能作用规律。结果表明:在润滑介质供应流量为50 mL/h、低温空气压力为0.7 MPa的低温冷风微量润滑条件下磨削Ti-6Al-4V，与单一低温冷却条件相比，法向磨削力降低39%，切向磨削力降低40.9%。最后，分析了润滑条件和加工用量对切削力影响的变化规律，在平衡加工质量、加工效率和经济性的条件下得到了相对优选的磨削Ti-6Al-4V加工用量和射流供给参数。针对当前低温冷风微量润滑技术面临的挑战，提出了未来发展方向，旨在为工业应用提供理论指导和技术支持。
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  TiO2基自洁净玻璃的研究及应用进展

  王鑫娈, 任璐, 倪嘉, 鲍田, 孟丹, 施宇, 黄文成

  表面技术. 2025, 54(6): 19-35. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.002

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  经济的蓬勃发展和人民生活水平的提高使建筑节能及生活节能备受关注。玻璃作为在高层建筑中常见的建筑材料，存在着易被灰尘及空气污染的问题。TiO2基自洁净玻璃满足了自动清洁、降解表面污染物、降低人工清洁成本、减轻环境污染负担等需求，因此TiO2基自洁净玻璃的大力发展显得尤为重要。系统地从自洁净机理、TiO2基自洁净玻璃的发展历程、制备工艺、膜层表面改性4个方面综述了TiO2基自洁净玻璃的研究进展。首先，从自洁净机理入手，阐述了TiO2光催化性能和光致超亲水性能的基本原理，概括了国内外TiO2基自洁净玻璃的发展历程。其次，探讨了化学气相沉积法、磁控溅射法、液相沉积法和溶胶-凝胶法4种TiO2基薄膜的制备工艺，综述了离子掺杂、氧化物复合、石墨烯掺杂以及聚合物辅助等改性途径的研究进展，梳理了复合薄膜相较于纯TiO2薄膜的性能优势以及其光催化性能和光致超亲水性能得到相应改善的原因。最后，对TiO2基自洁净玻璃的研究进行总结，为其未来的应用推广提供了参考。
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  功能化自清洁涂层在车载镜头表面的应用综述

  廖依敏, 陈汉霖, 王方方, 张虎

  表面技术. 2025, 54(6): 36-46. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.003

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  自清洁涂层作为一种创新的表面处理技术，近年来在多个领域展现了其独特的应用价值，这些涂层不仅具备基础的自清洁功能，还融合了其他多种附加功能，如抗菌、防雾、抗紫外线等，从而极大地拓展了其应用范围。重点探讨了2种主要的功能化自清洁涂层:光催化型和超疏水型，并分析了它们在车载镜头表面的应用潜力。光催化型自清洁涂层主要利用TiO2的光催化效应，通过掺杂和改性手段提高其可见光吸收能力，从而在光照条件下分解有机物和污染物，实现自清洁效果。然而，这类涂层的性能受到多种因素的影响，如改性物质与TiO2的比例、涂层厚度与层数等，因此需要精细调控以优化其自清洁效率和稳定性。超疏水型自清洁涂层则主要依赖于涂层表面的微纳结构，通过形成空气垫、减小水与涂层表面的接触面积，使水滴无法停留并轻易滚落，从而带走表面的灰尘和污染物。然而，这种微纳结构在受到外力作用时容易受损，导致涂层的自清洁效果迅速下降。因此，提高超疏水涂层的耐磨性和稳定性是当前研究的重点。此外，针对车载镜头的特殊需求，如高温、高湿、强光照等恶劣环境，功能化自清洁涂层还需要具备优异的耐候性和化学稳定性。未来，随着材料科学和制备技术的不断发展，功能化自清洁涂层有望在车载镜头领域实现更广泛的应用，为汽车行业带来更加环保、节能和高效的解决方案。
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  心血管系统植入物抗菌表面的研究进展

  支树迪, 袁坤山, 张海军

  表面技术. 2025, 54(6): 47-61. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.004

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  心血管系统植入物长期留置在人体与循环血液接触，在围手术期及留置期间均面临感染风险，极大地威胁着患者的生命安全。细菌在植入物上的黏附和繁殖是植入物引起心血管组织感染的主要原因。赋予心血管系统植入物抗菌功能可有效降低细菌感染发生概率，保障患者生存状态。随着抗菌表面的研究发展，出现了防黏附和杀菌两大类抗菌表面。防黏附表面不含杀菌活性物质，因此很少单独用于抗菌。主要从释放型抗菌、接触型抗菌和可再生型抗菌三方面介绍了杀菌型抗菌表面。释放型抗菌表面主要包含抗生素抗菌、金属粒子抗菌、NO抗菌和pH控释涂层以及4种表面的抗菌机理;接触型抗菌表面主要包含季铵盐抗菌、壳聚糖抗菌和抗菌肽抗菌及其抗菌机理;针对现有的抗菌表面难以避免被细菌残片污染的情况，介绍了可再生抗菌表面，该方法受启发于爬行动物的蜕皮行为，通过牺牲多层结构中的夹层，带走因细菌污染丧失抗菌功能的顶层，裸露出新的抗菌功能表面，实现抗菌表面再生，为长期抗菌功能构建提供了方向。最后，指出了当前心血管系统植入物抗菌功能表面存在的缺陷，并对未来进行了展望。
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  空气喷涂耐高温涂层的技术现状及展望

  曹仁伟, 李海燕, 桂林, 张建英, 孙坤, 宋慈, 高梦岩, 贺辉, 刘畅

  表面技术. 2025, 54(6): 62-73, 86. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.005

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  耐高温涂层在众多领域均拥有着关键的热防护功能。对于实际应用，空气喷涂设备简单、施工便捷，在大面积涂层施工中扮演着重要角色。为此，重点探讨了可空气喷涂的耐高温涂层，具体包括有机和无机耐高温涂层两大类。有机耐高温涂层方面，针对其耐温极限，重点阐述了4个提升涂层耐热性的技术发展方向，包括:有机无机杂化、杂环聚合物、隔氧保护以及成膜物再生耐高温涂层，并详细介绍了每种涂层的原理、特点及优缺点。有机无机杂化和杂环聚合物耐高温涂层直接提升了涂层成膜物的热降解温度，而隔氧保护和成膜物再生耐高温涂层间接提升了涂层的耐热性。无机耐高温涂层方面，则主要讨论了无机磷酸盐涂层，探讨了其耐高温和抗氧化机制，并针对磷酸盐涂料低温难以固化的技术瓶颈，讨论了硅溶胶、促凝剂、金属氧化物及其表面包覆金属氧化物对降低磷酸盐涂料固化温度的效果，其中表面包覆金属氧化物具有最佳的低温固化效果。最后，通过对比分析各种技术的适用特性，总结了有机和无机耐高温涂层目前存在的问题及难点，并明确了未来空气喷涂耐高温涂层的研究重点和技术发展方向。
腐蚀与防护
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  回收粉末再利用对等离子喷焊Ni-WC涂层冲刷腐蚀行为的影响机制

  柴慧, 王勤英, 西宇辰, 马文祺, 张兴寿, 肖檬, 董立谨, 白树林

  表面技术. 2025, 54(6): 74-86. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.006

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  目的 探究粉末回收再利用对等离子喷焊Ni-WC涂层微观组织结构及静态腐蚀、冲刷腐蚀行为的影响规律，揭示涂层腐蚀及冲刷腐蚀机理。方法 通过等离子喷焊技术在AISI 4145H钢表面制备了以新粉(C-p1)和回收粉(C-p2)为原料的Ni-WC涂层，并通过冲刷腐蚀装置和电化学工作站等开展涂层的冲刷腐蚀行为研究。采用扫描电子显微镜对冲刷腐蚀前后涂层的微观组织结构和元素分布等进行表征分析。结果 在静态条件下，C-p1的容抗弧半径大于C-p2，且C-p1的自腐蚀电流(Jcorr)为2.09×10^?6 A/cm²，而C-p2的Jcorr为1.03×10^?5 A/cm²，表明C-p1的耐蚀性高于C-p2。在冲刷腐蚀条件下，随冲刷角的增加，两涂层耐蚀性均先增大后减小，且在0°时最差，表明涂层受切削作用明显，涂层表面氧化物膜被破坏，使腐蚀加速。随流速增加，两涂层耐蚀性均减小，且在冲刷速度为6 m/s、冲刷角为0°时腐蚀最严重，此时C-p1的Jcorr为1.98×10^?4 A/cm²而C-p2的Jcorr为1.04×10^?4 A/cm²，表明两涂层的耐冲刷腐蚀性相似。结论 在静态腐蚀条件下，C-p2的耐蚀性比C-p1差，但在冲刷腐蚀条件下，二者的抗冲刷腐蚀性相仿，说明面向冲刷腐蚀工况的Ni-WC涂层，使用回收粉进行制备具有可行性。
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  酸性盐雾腐蚀预损伤对镍铬铁/铝/氮化硼涂层的可磨耗性能影响研究

  房永超, 李姝, 刘振, 李超超, 李彰, 王森源, 肖晨兵, 杜修忻, 王长亮, 田浩亮

  表面技术. 2025, 54(6): 87-97. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.007

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  目的 探究酸性盐雾192 h腐蚀对镍铬铁/铝/氮化硼(NiCrFe/Al/BN)涂层可磨耗性能的影响。方法 采用火焰喷涂与大气等离子喷涂方式制备NiCrFe/Al/BN涂层，并对其进行192 h酸性盐雾腐蚀处理。通过表面洛氏硬度检测、结合强度检测、可磨耗刮擦性能检测，分析酸性盐雾192 h腐蚀前后涂层的硬度、结合强度、进给深度比(Incursion Depth Ratio，IDR)值转变，并通过扫描电镜分析酸性盐雾腐蚀前后涂层的表面、截面与可磨耗刮擦面形貌。结果 经过酸性盐雾192 h腐蚀后，NiCrFe/Al/BN涂层表面的Ni、Cr等元素发生腐蚀，生成CrO(OH)、Ni2O2(OH)4、Ni(ClO4)2、NiClO4、FeCl2.2H2O、Al2O3等绿色、白色与锈红色混合腐蚀产物，内部局部位置发生渗透腐蚀。涂层的表面平均硬度由(64.9±3.1) HR15Y降低至(61.3±3.7) HR15Y，平均结合强度由(8.8±0.3) MPa降低至(7.0±1.0) MPa，平均IDR值由(13.09±1.80)%提升至(14.33±1.16)%，平均摩擦因数由0.341±0.017提升至0.460±0.019。酸性盐雾腐蚀后NiCrFe/Al/BN涂层的可磨耗性能下降。结论 NiCrFe/Al/BN涂层内部的局部腐蚀位置质软且结构疏松，刮磨作用下倾向于发生黏着态磨损，而并非腐蚀前喷涂态涂层的黏着磨损与磨粒磨损混合，进而导致涂层与对偶叶片间的刮磨加剧，引发径向碰磨力下降，切向碰磨力升高，平均摩擦因数升高。
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  LaB6颗粒对等离子堆焊Inconel625合金涂层显微组织和高温抗氧化性能的影响

  李景奎, 王瑞超, 潘琳琳, 邹晓东, 杨克

  表面技术. 2025, 54(6): 98-107, 142. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.008

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  目的 为保证垃圾焚烧炉换热管在高温环境下的正常服役，常在换热管表面制备一层耐高温Inconel625(IN625)合金涂层，然而，随着换热管服役温度的不断增加，有必要提高IN625涂层的高温抗氧化性能，以提升换热管的使用寿命。方法 在IN625合金中引入了1%(质量分数)平均粒径为5 μm的LaB6颗粒，并采用等离子堆焊技术制备了添加与未添加LaB6颗粒的IN625和IN625/LaB6涂层，随后对2种涂层取样，分别评价其微观组织、硬度以及在1 000 ℃下的高温抗氧化性能。结果 IN625样品为典型的柱状晶结构，随着LaB6颗粒的添加，IN625/LaB6样品转变为柱状晶和等轴晶的混合结构，并且IN625/LaB6样品中析出相明显增多，主要包括树枝状的Laves相和La-Ti-O复合氧化物等，细小弥散分布的La-Ti-O复合氧化物可以起到高温下阻碍晶粒生长的作用，从而细化晶粒，其显微硬度明显提升，从225.7HV0.3增加到268.92HV0.3。此外，在1 000 ℃高温抗氧化实验条件下，晶粒的细化使IN625/LaB6样品在氧化时有更多的Cr通过晶界运输到氧化界面形成致密的氧化膜，并且由于氧化界面附近Cr的大量消耗提高了Nb的活度梯度，促进了Nb向外扩散，在氧化膜/基体界面处形成了连续均匀的δ-Ni3Nb层，并在氧化膜表面形成了更多的CrNbO4，二者可以作为高温氧化期间阳离子和阴离子的扩散屏障。除此之外，一些在晶界析出的La-Ti-O复合氧化物会阻碍Ni、Fe和Nb等阳离子向外输运，从而避免了多种氧化物形成的生长应力使氧化层剥落，其氧化常数由(72±4)×10^?2 mg²/(cm⁴.h)降低到(26±3)×10^?2 mg²/(cm⁴.h)。结论 LaB6颗粒的添加促进了等离子堆焊IN625合金中部分柱状晶向等轴晶组织的转变与晶粒细化，提升了涂层的硬度，大幅改善了IN625合金在1 000 ℃下的高温抗氧化性能。
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  热暴露温度对TiAlSiN梯度涂层性能的影响

  吴雁, 谷嘉伟, 谢永乐

  表面技术. 2025, 54(6): 108-114. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.009

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  目的 探究不同热暴露温度对TiAlSiN梯度涂层表面微观结构及力学性能、结合强度、耐高温性能的影响规律及机制。方法 采用阴极电弧离子镀制备了TiAlSiN梯度涂层，对涂层进行1 h不同热暴露温度的加热，采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪等试验设备来研究热暴露温度对TiAlSiN梯度涂层表面微观结构、力学性能和结合强度的影响。结果 TiAlSiN涂层在800 ℃下表面平整性良好，主要衍射峰基本不变，在900 ℃及以上时，涂层表面平整性变差，生成氧化物，力学性能大幅下降;TiAlSiN梯度涂层的硬度和结合强度均随温度的上升而下降，弹性模量随着温度上升先下降后上升然后再下降;TiAlSiN梯度涂层在高温环境下会生成Al2O3、TiO、TiO2氧化膜，降低了O元素的扩散速度和活动能力，有效减缓了氧化速度。此外由于TiO2氧化膜结构疏松多孔，一方面可以细化晶粒，另一方面也增加了Al和Ti等元素的扩散通道，使涂层可以在更短时间内形成更多致密氧化膜，从而提高TiAlSiN梯度涂层的耐高温性能。结论 TiAlSiN梯度涂层使用温度可达800 ℃且高温耐久性较强，说明该梯度涂层是一种综合性能优异的防护性涂层。
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  基于磷酸盐化学转化的超疏水抗菌涂层的制备与性能研究

  夏先朝, 聂敬敬, 孙京丽, 姚文德, 蔡微波, 武丽丽, 邹文兵, 袁勇, 张利嵩, 王晓雪

  表面技术. 2025, 54(6): 115-124. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.010

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  目的 利用植酸(PA)交联壳聚糖(CS)并通过超疏水改性来提升磷酸盐化学转化膜层的抗菌和防护性能，并研究超疏水改性处理对磷酸盐化学转化膜耐蚀性的影响，方法 将仿生超疏水技术和化学转化技术相结合，在镁合金基体上制备了具有超疏水和抗菌效应的磷酸盐化学转化膜。通过扫描电子显微镜、红外光谱、接触角测试、电化学测试等方法研究膜层的微观形貌、润湿性和耐蚀性。结果 SEM结果显示，通过优化PA的浓度可以使膜层更加均匀致密。接触角测试结果表明，该转化膜的接触角高达153.2°，呈超疏水性。电化学测试结果显示，相比于裸镁合金，该转化膜的自腐蚀电流密度下降了1个数量级，低频阻抗模值提高了2个数量级，展现出了卓越的耐蚀性能。结论 该膜层展现出了优异的抗菌性能和良好的自清洁性能，能够为基体提供优越的腐蚀防护效果。
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  TGO形貌和厚度对热障涂层热循环应力的影响

  王敏, 刘星宇, 程道来, 袁建辉

  表面技术. 2025, 54(6): 125-133. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.011

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  目的 对热循环工况下双陶瓷(LaMgAl11O19/YSZ)热障涂层TGO界面形貌和厚度变化导致的涂层界面残余应力进行仿真分析，为涂层的失效研究提供依据。方法 用Abaqus有限元软件模拟热障涂层不同热循环次数和位置的残余应力分布，通过改变TGO/黏结层交界处相应厚度的材料参数模拟TGO厚度的增长。分析YSZ/TGO不同热循环次数的残余应力与界面形貌的关系。研究TGO/BC界面上位置点随TGO厚度增长而变化的残余应力情况，以及同一位置点在热循环过程中的残余应力变化规律。结果 YSZ/TGO界面在幅值15 μm、波长30 μm的曲线段，波峰经过10次热循环产生最大轴向、径向压应力，分别为87.2 MPa和358.5 MPa，波谷在110次热循环后产生最大径向拉应力201.4 MPa。TGO/BC界面在幅值15 μm、波长30 μm的曲线段，波峰经过10次热循环出现最大轴向、径向压应力，分别为89.5 MPa和336.7 MPa，经过90次热循环出现最大轴向残余拉应力104.7 MPa。TGO/BC界面最左侧点在1 100 ℃保温阶段，轴向和径向残余应力接近0 MPa，第90次热循环后轴向最大拉应力、压应力分别为32.2 MPa和28.7 MPa。结论 TGO界面上振幅大波长短的曲线段，在波峰和波谷位置易产生最大残余应力。径向残余压应力最大值随TGO厚度增加有变小趋势。通过控制TGO的形貌和厚度变化，可以降低热障涂层的失效风险。
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  电子束物理气相沉积Yb掺杂Gd2Zr2O7/8YSZ双陶瓷层热障涂层性能研究

  高栋, 刘燚栋, 张国栋, 黄爱华

  表面技术. 2025, 54(6): 134-142. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.012

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  目的 分析电子束物理气相沉积Yb掺杂Gd2Zr2O7(简称为Yb-GZO)/8YSZ双陶瓷层涂层的关键性能，推动涂层工艺优化和质量提升。方法 采用镀铂渗铝在单晶合金试样表面制备金属黏结层，随后在黏结层上采用电子束物理气相沉积制备Yb-GZO/8YSZ双陶瓷层涂层，对涂层的高温相稳定性、热导率、燃气热腐蚀和热循环寿命等进行表征。结果 所制备的Yb-GZO/8YSZ双陶瓷涂层具有典型的柱状晶结构，涂层具有良好的应变容限，有利于延长涂层的热循环寿命，1 100 ℃下试样级涂层的热循环寿命不低于1 250个循环;陶瓷面层在1 450 ℃下具有良好的高温相稳定性;相对于8YSZ涂层，Yb-GZO涂层的热导率相对较低，在25~1 200 ℃范围内仅相当于8YSZ涂层的80%左右;900 ℃下Yb-GZO/8YSZ双陶瓷层涂层的燃气热腐蚀速率平均增重速率仅为0.018 g/(m².h)，具有良好的抗热腐蚀能力;热循环失效的结果表明，贯穿性裂纹和层状分层剥落是涂层热循环失效的主要形式，TGO层内应力的增加和张应力松弛释放，以及黏结层附近高温塑性变形的耦合作用是造成热循环过程中热障涂层失效的主要原因。结论 Yb-GZO/8YSZ双陶瓷层热障涂层具有优异的高温服役性能，拥有更广泛的应用前景。
精密与超精密加工
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  预制应力提高大尺寸金刚石抛光成功率

  安康, 张永康, 刘鹏, 张亚琛, 杨志亮, 许光宇, 李利军, 冯旭瑞, 吴海平, 李鸿, 张旭芳, 刘峰斌, 李成明

  表面技术. 2025, 54(6): 143-151. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.013

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  目的 验证预制应力方法在抛光大尺寸金刚石膜中的有效性，通过预制应力方法提高大尺寸金刚石膜的抛光成功率。方法 首先，利用拉曼光谱(Raman Shift)、X射线衍射(XRD)对金刚石膜样品进行测试，利用拉曼测试数据在有限元分析中引入金刚石膜残余应力，并通过扫描电子显微镜(SEM)观察了常温黏样抛光致样品开裂的典型断口形貌，结合有限元模拟抛光过程中金刚石膜应力变化揭示了抛光过程中升温引起的应力导致金刚石膜开裂。随后，采用有限元分析模拟了预制应力在金刚石膜中的引入过程及其在抛光过程中对拉应力的抵消作用。研究了黏接温度和夹具厚度对预制应力的影响。结果 在相同夹具厚度下，预制应力随黏样温度升高，呈近似线性增高;在相同黏样温度下，预制应力先随夹具厚度增加而快速增高，夹具厚度达到30 mm后预制应力增长速率变缓，夹具厚度达到50 mm后预制应力逐渐趋向于稳定。通过预制应力方法在夹具厚度50 mm、90 ℃黏样的条件下成功抛光出直径125 mm的金刚石膜。通过原子力显微镜(AFM)测试抛光过的金刚石膜晶粒内部粗糙度Sa=1 nm。结论 研究结果表明，预制应力法能够有效地在金刚石膜中引入压应力，显著提高了大尺寸金刚石膜抛光成功率。
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  CFRP高速干切过程中铣削力及工件表面损伤的试验研究

  张韬, 邓刘云, 李英之, 黄孟琼, 薛喆, 孙方宏

  表面技术. 2025, 54(6): 152-161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.014

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  目的 研究适用于碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)铣削加工的极限切削速度，并探讨切削参数与切削力、CFRP加工表面质量之间的关系。方法 基于正交试验，利用高速加工中心及自制的金刚石涂层立铣刀对T300 CFRP板进行铣削试验研究，并采用KISTLER测力仪及PG1000显微镜监测切削力及工件表面质量。结果 适度增加切削速度至300 m/min、进给量至400~600 mm/min，可有效减小切削力;通过极差分析可得出切削参数对主切削力的影响程度从大到小为:径向切削深度＞轴向切削深度＞主轴转速>进给量。当切削力较小且辅以合理的加工参数时(如:切削速度300 m/min、进给量800 mm/min、轴向切深1.5 mm、径向切深3 mm)，可有效避免CFRP工件表面产生毛刺、崩边等缺陷，并获得较高的材料去除率。结论 切削速度范围在264~300 m/min时，有助于改善CFRP工件的表面质量。超过此切削速度会导致切削力增大，增加工件损伤的风险。
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  SLM增材制造弯管磨粒流抛光防过磨创新结构设计与试验研究

  王坤, 李方祺, 吕伊凡, 朱伟光, 张松泽

  表面技术. 2025, 54(6): 162-172. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.015

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  目的 针对磨粒流抛光直角弯处因磨料惯性力梯度变化导致肘部流道外侧过磨问题，提出一种带有创新保护结构的弯管设计方法。方法 以不均匀增厚、条状凸起和半球凸起结构弯管为实验对象，通过数值模拟和磨粒流实验相结合的方法，研究3种创新结构设计弯管内表面在磨粒流光整工艺加工下各样点压力与流道形状对弯管肘部材料去除量的影响。结果 仿真和实验结果揭示了各结构弯管的压力变化趋势，以及去除量的分布特征。在10 MPa的加工压力和100次的循环加工次数下，不均匀增厚弯管在入口倒角处存在压力增大突变，所以在倒角处、弯管段去除量最大，比普通弯管增加了20.7%。2种凸起结构在弯管段外侧压力随凸起结构的阻滞作用加剧而突变增大，随形磨削导致外侧凸起结构处去除量变化波动加剧，相比普通弯管分别增加了67.2%和47.5%，内侧去除量相比普通弯管也显著提升，分别提升172%和151%。结论 不均匀增厚弯管可以显著减少肘部过磨，保持内壁表面连续均匀的梯度变化，而凸起结构导致去除量波动，虽然可以减少过磨但难以控制稳定的表面粗糙度，所以不均匀增厚弯管结构对肘部流道外侧过磨问题具有较好的工程应用价值。
表面功能化
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  超疏水表面多尺寸液滴撞击冻结特性的模拟研究

  张丹, 郑海坤, 陈孝松, 张培成, 盛伟, 郝晓茹

  表面技术. 2025, 54(6): 173-181, 239. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.016

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  目的 研究不同直径过冷液滴撞击超疏水表面的动力学特性和传热特性。方法 以宏观结冰/结霜过程中过冷水滴的撞击结冰为背景，运用CLSVOF方法，结合凝固-融化模型，对直径为3 000、2 375、1 750、1 125 μm的水滴撞击结冰行为进行了模拟研究，从动力学和传热学角度定量分析了水滴撞击结冰过程，获得了水滴撞击结冰动态图。结果 不同直径的液滴撞击超疏水壁面所经历的动态过程类似，但随着液滴直径的增大，液滴撞击壁面不同阶段所需的时间、液滴最大铺展面积以及液滴与壁面的接触时间均会增加，依次递增了3.691、4.444和5.867 ms;液滴撞击壁面的传热量随着液滴的铺展过程逐渐增大，在达到最大传热量后随着液滴回缩而下降，最终趋近于0 W，且直径较大的液滴达到最大铺展时其传热量的波动较明显。液滴与壁面的传热速率在铺展阶段和回缩阶段都有所增加，随着液滴逐渐弹离而趋近于0 W/s，较大直径水滴会导致更高的传热量。结论 液滴直径对撞击过程的动力学和热力学特性具有显著的影响，研究结果可为超疏水表面多尺寸液滴的有效去除和防冰提供新参考。
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  CeO2/MWCNTs光热超疏水复合涂层的制备及其防结冰/除冰性能

  郭浩冉, 王优强, 安恺, 张海洋, 黄兴保, 任奕冰

  表面技术. 2025, 54(6): 182-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.017

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  目的 应对工业和日常生活中积冰带来的危害。方法 以激光刻蚀形成的微米粗糙结构为基础，采用磷酸二氢铝(ADP)进行表面装甲化，通过喷涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)改性的CeO2/MWCNTs混合溶液构建了CeO2/MWCNTs光热超疏水涂层。MWCNTs和CeO2纳米颗粒填充在ADP形成的装甲化微米粗糙结构中，形成了双尺度微纳米结构，增强了涂层的超疏水性和光热转换能力。利用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜分析涂层表面形貌;使用傅里叶红外光谱仪和接触角测量仪探究涂层表面化学组成和润湿性。结合涂层光热性能测试和防结冰/除冰测试确定了CeO2/MWCNTs最佳质量配比，并全面评估了涂层在光热转化、防结冰/除冰、防污及耐磨方面的性能。结果 当CeO2与MWCNTs的质量比为5∶5时，涂层表面的接触角最大，高达153.5°。更重要的是，该配比下涂层的光热转化效果最佳，温差达到45.2 ℃。同时，防结冰时间延长至(2 100±20) s，除冰时间缩短至180 s。结论 微纳米粗糙结构能有效增强光吸收并抑制反射，同时CeO2/MWCNTs复合材料显著提升了表面的光热转换效率。该制备方法在优化涂层光热转换性能、防结冰及除冰能力方面展现出显著成效。此外，该涂层还表现出优异的自清洁性和机械稳定性。为光热超疏水涂层的制备提供了一种新的思路。
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  基于电子场发射性能的高导电性金刚石/碳纳米墙薄膜的一步法制备

  徐戴, 卢嘉琪, 刘鲁生, 杨越朝, 关印, 黄楠, 姜辛, 杨兵

  表面技术. 2025, 54(6): 194-205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.018

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  目的 金刚石薄膜的电导率和薄膜/衬底界面电导率的提高对其场发射性能优化非常关键。通过一步法制备具有高导电性且无高电阻率中间层的金刚石/碳纳米墙(D/CNWs)薄膜，提高金刚石的场发射性能。方法 利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术，通过调控生长温度和CH4浓度，采用一步法制备了2种高导电性的金刚石复合薄膜:金刚石/石墨(D/G)纳米片薄膜和D/CNWs薄膜。采用SEM、XRD、Raman、XPS、AFM、TEM和场发射测试设备对薄膜的形貌结构、化学成分和场发射性能进行分析。结果 在968 ℃下沉积的D/G薄膜由金刚石为核、石墨为壳的纳米片结构组成。而在较高温度(1 058 ℃)下，形成由纳米片和三维网状的碳纳米墙组成的D/CNWs薄膜，碳纳米墙的引入使其具有更高的电导率。随着CH4浓度升高，D/G和D/CNWs薄膜中的石墨含量升高，薄膜电导率和发射位点的数量增加，场发射性能提升。此外，D/G薄膜形成了纳米晶金刚石(NCD)中间层，导致界面电导率较低(仅为12.6 S/cm)。而无NCD中间层的D/CNWs薄膜，界面电导率高达57.8 S/cm，使其场发射性能显著优于D/G薄膜:在较高CH4浓度(14%，体积分数)下D/CNWs薄膜的开启场为4.0 V/μm，在7 V/μm电场下的电流密度为3.237 mA/cm²。结论 一步法制备的D/CNWs薄膜具有更高的薄膜电导率和界面电导率，表现出更好的场发射性能。
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  电解液时效对两次阳极氧化法制备TiO2纳米管涂层及性能的影响

  李月月, 海几哲, 单春龙, 李海杰, 徐庆宇, 雷岳衡

  表面技术. 2025, 54(6): 206-216. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.019

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  目的 在钛合金表面制备TiO2纳米管涂层，探究电解液重复阳极氧化后成分及数值的变化，以及电解液时效对TiO2纳米管涂层性能的影响。方法 采用乙二醇基电解液，通过两次阳极氧化法，在钛合金表面制备TiO2纳米管涂层，控制电解液时效为0、10和20 h。通过测试，对不同时效的电解液成分及涂层的结构、形态、物相组成、表面润湿性、耐腐蚀性、力学性能、膜结合强度和生物相容性进行综合表征与分析。结果 电解液时效的增加，导致电导率降至491 μs/cm²，pH值升至8.11，氟离子浓度下降而钛离子浓度上升;电流密度降低，纳米管从纳米草状变为开放管顶形态，管壁增厚，管长从7.0 μm缩短至4.4 μm;物相组成保持不变;涂层的耐腐蚀性、硬度、弹性模量均得到增强。在3组样件中，电解液时效为10 h的样件展现出最优的亲水性(15.10°)、结合强度(0.528 N)以及良好的生物相容性。结论 通过调节电解液时效可以提高TiO2纳米管涂层的耐蚀性、硬度和弹性模量，而TiO2纳米管涂层的形貌、亲水性与结合强度在特定的电解液时效范围内展现出优良性，并非随电解液时效的增加而提升。在电解液时效为10 h时，TiO2纳米管涂层的整体性能得到显著提高。
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  带热障涂层的涡轮叶片气膜冷却与流阻特性分析

  张王子, 谭晓茗, 韦裕恒, 张镜洋

  表面技术. 2025, 54(6): 217-229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.020

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  目的 获得涡轮导向叶片附加热障涂层后叶栅通道、气膜孔流动损失和叶片表面气膜冷却效率的变化规律。方法 采用三维数值模拟，研究某型发动机涡轮导向叶片敷设热障涂层后，热障涂层厚度和表面粗糙度2个参数对气膜孔、叶栅通道流动特性和叶片表面气膜冷却效率的影响。结果 热障涂层厚度与表面粗糙度增加，会导致气膜孔流量系数减小、叶栅通道总压损失系数与能量损失系数增大;叶片基底冷效与温度削减率随着涂层厚度增加不断增大，当陶瓷层厚度增加至0.4 mm，叶片基底平均冷效提升19.1%，温度削减率高达6.5%;随着涂层表面粗糙度增加，叶片基底平均冷效与涂层表面平均冷效均下降，粗糙度为20 μm时降幅分别为7.2%、8.9%;在研究范围内，温度削减率与表面粗糙度呈正相关，最大高达2.58%。结论 在研究参数范围内，附加热障涂层可以明显提升叶片表面综合冷效，但也增加了叶栅通道与气膜孔的流动损失;热障涂层表面粗糙度的增大不利于热障涂层的热防护和减小流动损失。
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  不同微纳结构表面流体滑移的CFD模拟

  王妍玮, 范钰晨, 王天翔, 关磊

  表面技术. 2025, 54(6): 230-239. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2025.06.021

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  目的 探究微流道中不同参数下微纳结构对流体边界滑移长度的影响。方法 基于有限元方法，对具有不同微纳结构形状、大小和间距的各模型进行仿真。基于NAVIER滑移基本条件，获得边界滑移长度求解理论模型，结合仿真结果以及相关参数，得到不同微纳结构下流道表面流体流动的边界滑移长度。结果 在各参数相同的情况下，方柱、圆柱和三棱柱3种微结构流道表面流体的边界滑移长度分别为22.7、23.1、22.9 μm。边长和间距不同，边界滑移长度存在差异，当微结构间距在1~12 μm时，微结构尺寸对边界滑移长度的影响较小，呈负相关;当微结构间距增大到12 μm以上时，边界滑移长度随着微结构尺寸的增加具有较大波动。当流道高度改变时，边界滑移长度在流道边长变化时始终保持稳定。当流道边长改变时，边界滑移长度随流道高度增大快速增加。在各参数相同的情况下，方柱、圆柱和三棱柱微结构表面流体的边界滑移长度随放置角度的增大分别在(22.7±0.1)、(23.1±0.1)和(22.9±0.1) μm范围内上下浮动。结论 不同微结构参数与流道参数的边界滑移长度存在显著差异。微流道表面的微结构形状、间距和流道高度会对边界滑移长度产生较为明显的影响。微结构的尺寸、放置角度、流道边长和驱动压强差对边界滑移长度的影响较小。