2016年, 第29卷, 第4期　刊出日期：2016-04-19

  

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特邀论文
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  喷丸强化的基本原理与调控正/切断裂模式的疲劳断裂抗力机制图

  王仁智,汝继来

  中国表面工程. 2016, 29(4): 1-9.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.001

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  20世纪90年代前，汽车上使用的各种圆柱螺旋弹簧（以下称弹簧）承受较低的扭转疲劳载荷，在交变正应力作用下，绝大多数发生的是宏观正断型疲劳断裂，其形貌呈45°斜断口。因为喷丸强化弹簧表层引入的残余应力与外施交变正应力间存在交互作用，所以都利用喷丸强化工艺中的“应力强化机制”提高其疲劳断裂抗力。但21世纪伊始，随着轿车结构的迅速发展，设计者迫切要求弹簧承受的扭转疲劳载荷水平与日俱增，由此导致喷丸强化的弹簧除正断型的疲劳断裂外，时而出现纵向或横向切断型的疲劳断裂，由此引发疲劳断裂抗力发生显著下降，以往很少出现这种难以理解的现象。目前从事喷丸强化工艺技术的弹簧制造行业很少有文献关注这类问题。文中通过逻辑思维对弹簧的受力分析得出的诠释发现：在切断模式下，喷丸引入的残余应力与外施交变切应力之间不存在交互作用，表明“应力强化机制”在改善切断型疲劳断裂抗力中的强化作用已经基本消失。根据作者提出的喷丸强化工艺原理，喷丸同步引入弹簧表层的是由残余应力与循环弹塑性变形改性的组织结构组成的一对“孪生”，通过分析作者发现，“孪生”中改性的显微组织结构形成的“组织结构强化机制”取代“应力强化机制”起到了改善切断型疲劳断裂抗力的作用。研究结果还表明，优化的喷丸强化工艺必须同时具备“组织结构强化机制”和“应力强化机制”，才能够起到改善正断型和切断型疲劳断裂抗力的作用。
摩擦学
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  超疏水自清洁涂层防结冰技术的研究进展

  杨钦,罗荘竹,谭生,罗一旻,张招柱,刘维民

  中国表面工程. 2016, 29(4): 10-22.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.002

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  仿生超疏水自清洁涂层是表面工程领域的前沿课题，在电力、通信等领域防结/覆冰雪方面显示出重要的工程应用前景。文中主要围绕“工程适用性”，在总结国内外典型“多步法”制备超疏水表面的发展历程及局限性基础上，重点介绍了新发展的“一步法”的优势及研究进展，并论述了超疏水涂层在工程应用性能方面的研究成果。进一步结合自然低温结冰环境，对比分析了国内外结冰测试方法的优点与不足，探讨了超疏水表面结冰/脱冰行为的理论及应用研究的最新进展，简要介绍了超疏水涂层防结冰工程示范的新成果，并展望了其于工程防结冰领域面临的挑战以及未来发展方向。
表面工程
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  电流密度对超临界石墨烯电铸层微观结构与性能的影响

  沈宇,雷卫宁,王云强,刘维桥,钱海峰,张桂尚

  中国表面工程. 2016, 29(4): 23-29.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.003

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  为获得电流密度对于超临界石墨烯复合铸层微观结构和力学性能的影响规律，在超临界二氧化碳流体（SCFCO2）环境下进行了镍基石墨烯复合电铸试验，采用扫描电镜、数显式显微硬度计、微摩擦磨损试验机、光学轮廓仪等对镍基石墨烯复合电铸层进行表征。结果表明：当电流密度从3 A/dm²逐渐增大至9 A/dm²时，石墨烯复合电铸层的显微硬度、耐磨性呈持续增大趋势；当进一步增大电流密度时，复合电铸层显微硬度和耐磨性开始降低。在压力为10 MPa，温度为52℃，电铸时间为50 min，电流密度为9 A/dm²时，石墨烯复合电铸层的显微硬度达到最大860 HV_0.2，磨痕截面积最小1 145 μm²，石墨烯含量达最大0.713%。与普通电铸条件相比，SCF-CO₂电铸条件制备的石墨烯复合电铸层显微硬度和耐磨性分别提高了1.25倍和1.31倍。
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  离子氮碳共渗与离子渗氮复合处理对45钢组织与性能的影响

  缪斌,李景才,孙泉,沾宪宪,胡静

  中国表面工程. 2016, 29(4): 30-34.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.004

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  为进一步提高渗层厚度及渗层性能，对45钢进行离子氮碳共渗与离子渗氮复合处理。采用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计和光学显微镜对渗层厚度、物相组成、截面与表面硬度、渗层脆性进行了分析。结果表明，复合处理可使45钢获得比单一离子渗氮或离子氮碳共渗更快的渗速、更优的性能。相同的处理时间下，复合处理渗层厚度比单一离子渗氮或离子氮碳共渗大幅度增加，有效硬化层比单一离子渗氮增加约35 μm，提高约1倍，同时渗层脆性显著降低。物相分析表明复合处理后化合物层中ε相和γ'相的相对含量发生了变化，即ε相增多，而γ'相减少。
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  SDAH13钢铝含量和离子氮化工艺优化及高温磨损性能

  计杰,杨浩鹏,吴晓春

  中国表面工程. 2016, 29(4): 35-42.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.005

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  铝元素对模具钢的离子氮化工艺和性能具有重要影响，适当的铝含量可以改善模具钢渗层质量，显著提高其表面硬度和耐磨性。通过正交试验和单变量试验研究了不同铝含量的SDAH13钢较优的离子氮化工艺及其高温磨损性能。利用OM、SEM、XRD表征了渗氮层的微观组织及物相，应用高温摩擦磨损试验机研究了SDAH13钢离子氮化前后的磨损性能，通过光学轮廓仪测量了磨损量并计算了磨损率，同时通过SEM观察了样品的磨损形貌并且进行了EDS能谱分析。研究结果表明：含铝质量分数为0.76%，氮化温度为540℃，保温时间14 h，炉压为400 Pa时，离子氮化效果较优；随着铝含量的增加，渗氮层厚度会减薄。在500℃条件下进行摩擦磨损实验时，与未氮化试样的磨损率比较，采用较优渗氮工艺进行离子氮化的Al_0.76-SDAH13钢的磨损率能降低45%，其耐磨损性得到了显著提高。
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  疲劳载荷对17CrNiMo6喷丸强化层残余应力与组织的影响

  孙寒骁,朱有利,侯帅,王燕礼,王伟

  中国表面工程. 2016, 29(4): 43-48.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.006

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  高强度渗碳钢17CrNiMo6常用喷丸强化工艺来改善抗疲劳性能，但疲劳载荷会使喷丸强化层的残余应力与组织发生改变，削弱了强化效果。采用X射线衍射方法研究了其残余应力、半高宽和残余奥氏体随疲劳载荷周次的变化规律，同时研究了喷丸前后表面形貌、硬度和组织的变化。结果表明，喷丸与二次喷丸强化层残余应力场在疲劳载荷前100周次内发生了应力松弛，松弛幅度分别为50%与33%，之后基本保持稳定。半高宽随载荷周次的增加分别下降了5%与7%，而残余奥氏体含量变化不大。此外，喷丸处理增加了材料表层残余压应力，细化了晶粒尺寸，使疲劳寿命提高了11%；二次喷丸可进一步增加材料表层残余压应力，细化晶粒尺寸并改善表面形貌使材料疲劳寿命提高了23%。因此在评估喷丸工艺强化效果，预测喷丸处理后零部件的疲劳寿命时，宜采用松弛后的残余应力作为衡量参数。
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  前处理工艺对NdFeB表面真空蒸镀Al薄膜结构及性能的影响

  张鹏杰,吴玉程,曹玉杰,徐光青,刘家琴,衣晓飞,陈静武

  中国表面工程. 2016, 29(4): 49-59.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.007

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  为了开发烧结钕铁硼磁体表面低损伤、环境友好型镀膜前处理工艺，在分别采用抛光、酸洗（50 s）、吹砂、吹砂+酸洗（5 s）4种不同工艺处理的烧结NdFeB磁体表面真空蒸镀Al薄膜。经不同工艺前处理的NdFeB基体和涂层的形貌采用扫描电子显微镜进行观察；采用拉伸试验对Al涂层和基体之间的结合力进行测试；NdFeB基体的自腐蚀行为采用电化学极化曲线进行表征。结果表明：吹砂前处理后NdFeB基体表面存在一层晶粒损伤层，导致镀Al薄膜试样镀层与基体之间的结合力（9.54 MPa）最差。而采用吹砂+酸洗（5 s）前处理后NdFeB表面镀Al试样镀层与基体之间结合力可达13.58 MPa。酸洗（50 s）及喷砂+酸洗（5 s）前处理后基体试样的自腐蚀电流密度基本相同（21 μA·cm^-2），仅为抛光及喷砂前处理基体试样的20%。在4种工艺当中，吹砂+酸洗（5 s）前处理工艺获得最高的结合力和优异的耐腐蚀性能。
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  DLC、TiN涂层对TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的影响

  曹鑫,何卫锋,何光宇,廖斌,张虹虹,李应红

  中国表面工程. 2016, 29(4): 60-67.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.008

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  为提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能，采用金属蒸汽真空弧（MEVVA）离子源注入与磁过滤真空阴极弧（FCVA）沉积复合技术、磁控溅射技术在TC4钛合金表面制备DLC、TiN涂层。采用SEM、Raman、XRD、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的物相结构、硬度、弹性模量以及与基体的结合力进行表征。在冲蚀试验平台上考核试样在不同入射角度条件下的抗砂尘冲蚀性能。结果表明： DLC涂层表面结构致密，含有大量sp³键，硬度为62.1 GPa，弹性模量为391.64 GPa，结合力达80.4 N；TiN涂层表面存在许多熔滴颗粒及空穴，硬度为22.72 GPa，弹性模量为383.18 GPa，结合力达34.7 N。30°冲蚀条件下，涂层主要是通过提高基体表面硬度来抵抗砂尘粒子的微切削作用，从而提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能。90°冲蚀条件下，涂层通过延缓基体的塑性变形来实现TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的提高。
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  类金刚石薄膜改性钛合金的扭动摩擦磨损特性

  许林敏,张德坤,陈凯,杨雪晖,王庆良,亓健伟

  中国表面工程. 2016, 29(4): 68-74.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.009

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  以Ti6Al4V合金、类金刚石薄膜（DLC膜）改性Ti6Al4V合金分别与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）配副，模拟颈椎间盘的轴向旋转运动，并在改装后的多自由度磨损试验机上进行扭动摩擦试验。结果表明：随着循环周次的增加，两对摩擦副均呈现出摩擦扭转力矩、摩擦耗散能、磨损量相应增大的趋势。与Ti6Al4V合金相比，DLC薄膜改性后的Ti6Al4V合金摩擦副接触界面间摩擦扭转力矩降低了51.6%、摩擦耗散能降低了48%，进入完全滑移状态的时间缩短，具有更好的耐磨性。Ti6Al4V合金的磨损机制表现为严重的磨粒磨损，经DLC薄膜改性后的钛合金的磨损形式以应力集中产生的脆性剥落为主。DLC薄膜增大了对磨副UHMWPE的磨损，UHMWPE的磨损机制是粘着磨损和磨粒磨损综合作用的结果。
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  喷射电沉积技术制备Co-Cr₃C₂复合镀层的工艺优化

  王猛,谭俊,吴迪,兰龙

  中国表面工程. 2016, 29(4): 75-85.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.010

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  为提高微米级硬质陶瓷颗粒在金属基复合镀层的含量，制备性能优异的防护性镀层，采用喷射电沉积的方法在直流电压下制备了Co-Cr₃C₂复合镀层，利用控制变量法探讨了电流密度、固体颗粒用量、镀液流量以及喷枪移动速度等对镀层中颗粒含量及镀层性能的影响，并分析了各因素的影响机理。同时，分别采用能谱仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机对复合镀层的成分、硬度和摩擦因数进行分析，最终确定了制备该复合镀层的较优工艺参数。结果显示：喷头移动速度对颗粒复合量的影响最为显著；颗粒复合量越大，复合镀层硬度越高、摩擦因数越低；在较优工艺参数下制备的Co-Cr₃C₂复合镀层的Cr₃C₂颗粒含量高达23.6%。
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  不同结构8YSZ热障涂层对CMAS沉积物的防护作用

  何箐,汪瑞军,邹晗,由晓明,王伟平

  中国表面工程. 2016, 29(4): 86-95.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.011

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  利用常规等离子喷涂和高能等离子喷涂工艺分别制备了不同结构的8YSZ热障涂层，研究了不同结构涂层在高温退火（1 250℃，2 h）和燃气热冲击条件（1 200℃/900℃）下对CMAS沉积物防护作用。结果表明：提高8YSZ涂层致密度和在其表面制备致密氧化铝封阻层可延缓CMAS沉积物渗入和反应，并提高涂层在CMAS耦合条件下燃气热冲击寿命，在孔隙率12.9%的8YSZ涂层表面制备厚度10～20 μm致密氧化铝层，热冲击寿命提高4.4倍。8YSZ涂层致密度提高或表面致密氧化铝薄层制备，可进一步降低涂层表面粗糙度，同时燃气热冲击条件下氧化铝层自身逐层剥离的失效形式，均能减缓CMAS的粘附；1 250℃下氧化铝层会溶解进入CMAS提高局部Al含量，从而使CMAS中局部低熔点相向高熔点钙长石相转变，会进一步提高界面稳定性。
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  等离子喷涂纳米结构YSZ涂层的结构与性能

  赵岩,高阳,刘久成,刘洪军

  中国表面工程. 2016, 29(4): 96-102.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.012

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  利用大气等离子喷涂技术在300、400和500 A电流下分别制备具有不同纳米结构及含量的涂层，于1 300℃高温下分别保温20 h与 50 h后，采用场发射扫描电镜，X射线衍射技术及努氏压痕法研究涂层中纳米结构的变化。在1 000℃下进行热震性能测试，观察涂层结构对抗热震性能的影响。结果表明，300、400和500A电流下涂层的平均晶粒尺寸分别为62、98和104 nm，而300 A电流下涂层具有非常高的孔隙率，约44.8%±8%。高温加热后纳米结构涂层出现烧结收缩，涂层孔隙率降低，弹性模量增加。涂层初始纳米区域颗粒尺寸越低与完全熔化区域烧结速度差异越大越有利于涂层的抗烧结性。当涂层中含有较多纳米区域时涂层抗热裂纹扩展能力有所提高，但是较高的孔隙率加速了涂层与粘结层界面的失效，此时通过降低粉体熔化程度提高纳米区域含量对热障涂层的寿命有负面作用。
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  等离子喷涂制备ZrB₂-SiC涂层及其抗氧-丙烷焰流烧蚀性能

  王佳文,刘敏,邓春明,毛杰,韩伟,曾德长

  中国表面工程. 2016, 29(4): 103-110.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.013

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  为提高C/C复合材料的抗高温烧蚀性能，利用大气等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备ZrB2-SiC复合涂层，并对其进行抗高温氧-丙烷焰流烧蚀试验。采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析仪（EDS）对涂层的物相成分、微观形貌等进行检测分析。结果表明：大气等离子喷涂能在C/C复合材料表面制备出均匀致密的ZrB₂-SiC复合涂层，涂覆有ZrB₂-SiC涂层的C/C复合材料分别承受1 600、1 700和1 800℃的氧-丙烷焰流烧蚀300 s后依次增重0.63%、0.76%和0.71%，而烧蚀600 s后试样质量烧蚀率分别为9.42×10^-5、2.04×10^-4和1.04×10^-3 g/s。ZrB₂-SiC涂层显著提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能，涂层氧化生成的玻璃态SiO2能有效填充孔隙。直到SiO₂耗尽，涂层烧蚀后的孔洞成为环境中的氧进入基体的通道，导致基体烧蚀。
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  电弧电压对低能等离子喷涂WC-Co涂层组织及性能的影响

  安连彤,孙成琪,高阳

  中国表面工程. 2016, 29(4): 111-117.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.014

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  使用烧结破碎的WC-12%Co粉末，采用轴向送粉等离子喷涂系统制备WC-Co涂层。保持电弧电流不变，增加工作气体中的氢气含量来提高电弧电压，以研究电弧电压对于涂层微观结构的影响。使用X射线衍射仪（XRD）分析WC-Co涂层的脱碳相变，使用扫描电子显微镜（SEM）观察粉末的熔化程度、扁平化状态和涂层的微观结构，使用MH-6维氏硬度计和MM200磨损试验机分别测量了涂层的显微硬度和耐磨性。结果表明，提高电弧电压有利于粉末的熔化。根据熔化程度的不同，粉末会呈现四种典型的扁平化状态。提高电弧电压促使碳化钨脱碳生成的 W₂C和Co₃W₉C₄，涂层中硬质相体积增加，钴基体积减小。适当提高电弧电压有利于增加涂层的硬度和耐磨性，但过高的电弧电压会恶化涂层质量，反而降低涂层的硬度和耐磨性。
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  激光熔敷原位合成WC增强铁基复合涂层的组织和性能

  陈希章,胡科,袁其兵

  中国表面工程. 2016, 29(4): 118-124.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.015

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  利用激光熔敷原位合成技术，以一定比例的Fe、C、W等粉末为熔敷材料，在Q235钢基体上原位反应合成WC颗粒增强型铁基涂层。分别采用OM、SEM、XRD、EDS、显微硬度、摩擦磨损等分析测试方法对熔敷金属的组织、成分和力学性能等进行研究。结果表明：合适的工艺参数下，能够得到无缺陷的与基体冶金结合的熔敷层金属，熔敷层内的硬质相主要为Fe₃W₃C、W₂C和很多晶粒细小WC；W粉颗粒尺寸影响熔敷层中WC的生成量，小尺寸的钨粉颗粒可以生成更多的WC，当W粉颗粒尺寸达到23 μm时，出现了细小的六边形的WC形貌；适当提高Cr的含量可以增加熔敷层的硬度，但会减少WC的生成数量。激光熔敷层的硬度相比基体有很大提高，平均硬度可达到921 HV；耐磨性能远高于基体，当出现细小的六边形WC颗粒时，耐磨性能可达到基体的602倍。
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  激光原位制备TiN/Al复合涂层及其抗冲蚀性能

  张辉,付尧,张成成,候乃先,邓国坚

  中国表面工程. 2016, 29(4): 125-131.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.016

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  表面处理是提高钛合金抗冲蚀性能的重要途径。采用激光氮化涂层过程中同步送Al粉的方法，在Ti6Al4V合金表面制备了一层均匀的TiN/Al复合涂层，涂层内没有微观裂纹和孔洞。研究结果表明：激光扫描速度对复合涂层的微观结构、硬度及抗冲蚀性能有着重要的影响。随着激光扫描速度的增加，复合涂层的厚度降低。在复合涂层最表面存在一层平均厚度大约为2～3 μm的连续的氮化物陶瓷层，涂层内部存有大量的枝状晶组织。复合涂层的微观硬度和抗冲蚀性能明显高于Ti6Al4V合金基体。当激光扫描速度从240 mm/min升高到720 mm/min时，涂层表面的微观硬度从1 600 HV_0.1降低到1 200 HV_0.1，而且涂层的冲蚀失重也逐渐降低。这主要是因为随着激光扫描速度的降低，由于反应时间的增加，导致涂层中TiN硬质相的含量也在增加。
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  核壳型碳微球和碳纳米管的制备及其阻燃性能

  牛梅,薛宝霞,杨雅茹,李京京,戴晋明

  中国表面工程. 2016, 29(4): 132-139.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.017

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  为改善碳微球（CMSs）/碳纳米管（MWNTs）与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基体相容性，采用原位聚合法对CMSs和MWNTs分别进行表面修饰，制成核壳型结构的PET@CMSs（PCMSs）和PET@MWNTs（PMWNTs），并通过熔融共混法制备了PCMSs/PMWNTs/PET复合材料，对其阻燃性能进行探讨。使用TEM、SEM、FTIR、TGA、CONE等测试手段，表征了PCMSs与PMWNTs的结构及与PET基体的相容性，并测试了PCMSs/PMWNTs/PET的力学性能、阻燃性能、热稳定性和燃烧行为等。结果表明，与修饰前的CMSs/MWNTs相比，PCMSs/PMWNTs与PET基体具有更好的分散相容性，在 PCMSs\PMWNTs添加的质量分数为1%，PCMSs与 PMWNTs的质量比为 1：2时，PCMSs/PMWNTs/PET比CMSs/MWNTs/PET的抗拉强度提高的最大，可达26.1%；与纯PET、CMSs/MWNTs/PET相比，PCMSs/PMWNTs作为阻燃材料添加到PET中，具有较好的热稳定性、且有效延长了PET的点燃时间、增大FPI指数，从而降低火灾危险性，阻燃效果较好，其LOI值为28.1%，熔滴数为3 d/min，UL-94阻燃级别可达到V-0级。
中国学者海外论文摘要
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  类金刚石碳薄膜摩擦机理研究取得新进展

  王立平

  中国表面工程. 2016, 29(4): 140-140.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.018

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  类金刚石碳（DLC）薄膜因其集高硬度和低摩擦因数于一身而成为固体润滑领域研究的热点。滑动界面钝化理论可以较好地解释环境气氛对DLC薄膜摩擦行为的影响规律。然而，对于无氢DLC薄膜在氧气气氛下的摩擦因数处于0.2~0.4中等范围的现象，钝化理论未能给出相应解释。为此，中科院宁波材料技术与工程研究所、兰州空间技术物理研究所和中科院兰州化学物理研究所等单位的研究者采用第一性原理模拟的方法解释了该现象。文章发表在《Carbon》2016年第100卷。