2019年, 第32卷, 第3期　刊出日期：2019-03-19

  

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表面工程
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  飞秒激光刻蚀对纳米金刚石薄膜表面微观特性的影响

  马玉平,魏超,张遥,李翔,陈雪辉

  中国表面工程. 2019, 32(3): 1-10.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180715001

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  利用飞秒激光对纳米金刚石涂层进行刻蚀试验，通过改变激光的重复频率，输出功率以及焦点扫描速度，研究不同的激光加工参数对金刚石涂层烧蚀结果的影响。利用白光干涉仪器、SEM、拉曼光谱仪研究了飞秒激光刻蚀后涂层表面微观粗糙度、微观形貌以及碳相结构变化。采用面积推算法计算出扫描速度1 mm/s，有效脉冲数为90时的烧蚀阈值。结果表明：金刚石涂层表面飞秒激光诱导的条纹状结构周期（LIPSS）接近飞秒激光波长，改变飞秒激光重复频率对涂层表面形貌修饰影响不大；由于烧蚀饱和作用，飞秒激光功率增加至80 mW过程中涂层表面微观粗糙度持续减小随后维持在325 nm左右；激光扫描速度的增大可使LIPSS特征消失，当扫描速度增加至1.4 mm/s后，涂层表面微观粗糙度不再继续降低而是随着速度的增大而增大。激光诱导的金刚石涂层表面石墨化程度越高，涂层表面微观粗糙度则越低；当有效脉冲数为90时纳米金刚石薄膜的飞秒激光烧蚀阈值为0.138 J/cm²。
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  纳秒激光微刻蚀取向硅钢的形貌特征及磁性能

  陈宗汪,张健,杨林,吴来新,刘文文

  中国表面工程. 2019, 32(3): 11-20.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190121001

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  为有效降低取向硅钢铁损、改善其磁性能，采用红外纳秒激光对取向硅钢进行微刻蚀试验。利用3D共聚焦显微镜、扫描电镜与能谱仪研究典型工艺参数下的硅钢表面烧蚀形貌特征及表面质量，利用铁损仪测试不同刻蚀参数下取向硅钢的铁损、相对磁导率等磁性能参数及动态磁滞回线，对比分析刻痕前后磁性能的变化行为、规律及磁滞特性。结果表明：激光刻痕后，硅钢的铁损、相对磁导率、矫顽力及剩磁等性能得到明显改善，铁损的改善表现在高磁感强度下、相对磁导率的改善表现在低磁场强度下，回线特性得到优化。扫描速度为800 mm/s、脉冲能量为0.25 mJ时，刻痕边界呈近似规则的“波浪线”，且刻痕表面质量较高，铁损降低高达11.6%、剩磁降低12.8%等；刻痕后相对相对磁导率明显提高，提高约为5.7%~15.16%，最大可达2.598×10⁴。激光频率与扫描速度的耦合关系是影响刻痕边界形状与磁畴细化效果的重要因素。
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  不同密封副材料的表面织构设计及其润滑和密封特性

  戴庆文,李思远,王秀英,黄巍,王晓雷

  中国表面工程. 2019, 32(3): 21-29.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190119002

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  表面织构化是提升机械密封性能的有效途径，合适的密封副材料是保证机械密封长寿命、高可靠性运行的先决条件。为获得基于不同密封副材料的表面织构设计原则，选取硬质合金/碳石墨、硬质合金/碳化硅两类密封副材料，在硬质合金密封环端面加工不同参数的直线型、V型槽表面织构，研究其润滑和密封特性。结果表明，对于硬质合金/碳石墨密封副，在密封端面加工面积率为4%、（θ，β）参数为（-30°，60°）的V型沟槽织构具有较优的减摩和抑制泄漏效果；对于硬质合金/碳化硅密封副，织构化密封端面能显著降低摩擦因数和启动力矩、促进密封端面热量排散、且不会增加泄漏，面积率为6%直槽型织构效果最优。进一步揭示了织构类型和排布形式对润滑和密封性能的作用机理，为不同工况下密封副端面织构化设计提供了参考。
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  喷丸处理对45钢表面Al⁺注入层抗高温氧化性的影响

  杨浩,孟堃,王远,陈文刚

  中国表面工程. 2019, 32(3): 30-35.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180819001

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  为改善45钢的抗高温氧化性能，在其表面制备单一Al⁺注入层和喷丸+Al⁺注入层。检测表征改性层的表面粗糙度、显微硬度、微观形貌、以及铝元素含量，并进行600℃、200 h下的抗高温氧化性能试验。研究结果表明：喷丸处理45钢表面呈现出凹坑、丘陵状、具有近似等轴状纳米晶结构，Al⁺注入使纳米晶进一步细化。喷丸处理使45钢的表面粗糙度Ra从0.42 μm增至1.15 μm，显微硬度、注入铝元素含量及氧化增重分别从单一Al⁺注入层的257 HV_0.05增至喷丸+Al⁺注入层的最高505 HV_0.05，从3.7%增至4.2%和从14.8 mg·cm^-2降至8.3 mg·cm^-2。即喷丸处理有效增强了45钢表面Al⁺注入层的抗高温氧化性能。
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  拉应力条件下微弧氧化膜对铝合金腐蚀及电化学行为的影响

  花天顺,宋仁国,宗玙,蔡思伟,王超

  中国表面工程. 2019, 32(3): 36-48.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181228004

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  为研究在拉应力条件下微弧氧化膜对铝合金腐蚀及电化学行为的影响，采用恒载荷应力环在3.5% NaCl溶液中研究了经微弧氧化（MAO）处理后的7050铝合金（AA7050）应力腐蚀行为。用原位电化学阻抗谱（EIS）的方法评价在拉应力条件下，膜层的腐蚀破坏随浸泡时间的变化，并建立了相应的等效电路模型。结果表明，在3.5% NaCl溶液中，微弧氧化膜在有无拉应力的条件下都可以提高AA7050的耐蚀性和减少AA7050的塑性损失。在400 MPa拉应力条件下，微弧氧化膜的阻抗在应力腐蚀的过程中呈现出先减小后增大，再减小最后趋于稳定的规律；另外，AA7050在有拉应力的条件下，拉应力会促进基体的点蚀形核，提高腐蚀速率，微弧氧化膜的疏松层在拉应力的作用下会失去对基体的保护作用。
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  基于磁过滤技术制备亚微米级TiAlN/TiAlCN/TiAlC复合涂层的耐腐蚀性能

  陈淑年,廖斌,吴先映,陈琳,黄杰,何光宇

  中国表面工程. 2019, 32(3): 49-58.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181210001

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  海洋环境中长期服役的船舶、舰载机关键部件存在严重的腐蚀问题。为提高其耐腐蚀性能，采用磁过滤真空弧（FCVA）技术制备不同Al/Ti含量比的亚微米级Ti （Al） N/Ti （Al） CN/Ti （Al） C多元复合多层膜（以下简称TANC）。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电化学工作站和盐雾试验机等表征薄膜的形貌、结构和腐蚀性能。结果表明：在盐雾试验中腐蚀形态主要以点蚀为主，随着膜层中Al/Ti含量比的增大，耐腐蚀性提高；电化学腐蚀试验中，亚微米级膜层的自腐蚀电流密度可达到10^-7 A/cm²数量级，且随着膜层Al/Ti含量比的增大，腐蚀电流密度从7.73×10^-7减小到3.83×10^-7 A/cm²，低频区阻抗值从1.19×10⁵增大到4.70×10⁵ Ω·cm²，较基底提高了2个数量级，耐腐蚀性能不断提高；盐雾腐蚀和电化学腐蚀结果一致，高Al含量的TANC耐腐蚀性能最优。通过FCVA技术能实现亚微米级TANC涂层的强防腐效果，该涂层具有发展成为关键部件耐海洋腐蚀涂层的潜力。
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  NiCr和TiAl合金靶材阴极电弧弧斑的运动特性

  左帅,王浩琦,陈淑年,庞盼,廖斌

  中国表面工程. 2019, 32(3): 59-68.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190228001

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  研究采用多弧离子镀技术镀膜时，电弧放电阶段中电弧弧斑的运动对后续膜层质量与靶材烧蚀有着非常重要的影响，目前很少有弧斑运动相关的研究。研究通过外加脉冲磁场以实现对阴极靶面磁场分布的精确调控，探究了磁场分布对弧斑运动的影响，并结合分形理论分析弧斑的运动轨迹，系统研究了电弧放电过程中靶面电弧弧斑的运动特性。结果表明，在永磁铁磁场与脉冲磁场共同作用下，弧斑在原有的随机运动基础上叠加了反安培力方向的旋转运动与向靶沿扩散的漂移运动。随着靶面总磁场强度的上升，弧斑平均运动速度增加，弧斑寿命变短；弧斑运动范围可控，最大运动范围可覆盖靶面的90％以上；分形维数可控，镍铬合金靶和钛铝合金靶弧斑轨迹图像的最大分形维数可分别为1.145和1.159，对应靶材烧蚀区域面积达到92％。通过改进工艺参数，能够显著减少大颗粒污染并提升膜层质量，同时通过维数可预测靶材烧蚀情况，能更高效地利用靶材。
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  偏压对自源笼形空心阴极放电制备Si-DLC薄膜结构和性能的影响

  孙薇薇,田修波,李慕勤,吴明忠,巩春志,田钦文

  中国表面工程. 2019, 32(3): 69-79.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190114002

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  针对利用笼形空心阴极放电在大工件表面制备DLC薄膜时，笼网内大工件操作困难、大工件影响放电的问题，开发了自源笼形空心阴极放电方法，在不同偏压（-300~0 V）条件下于Si （100）表面制备了Si-DLC薄膜，考察了偏压对Si-DLC薄膜结构和性能的影响。结果表明：获得Si-DLC的沉积速率达到7.90 μm/h。由偏压引起的高能离子轰击使薄膜的组织结构更为致密，降低了表面粗糙度和H含量。Si-DLC薄膜中的sp³/sp²值随偏压增加先上升后下降，薄膜纳米压入硬度和弹性模量也呈现相同规律。偏压为-200 V沉积的Si-DLC薄膜具有最高的sp³/sp²（0.69）、H/E和H³/E²值，表现出致密的结构和优异的摩擦性能，摩擦因数低至0.024，磨损率为1×10^-6 mm³/Nm。说明自源笼形空心阴极放电是一种有效制备大面积DLC膜的工艺，-200 V偏压是最优化的参数。
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  轰击离子能量对V₂AlC MAX相涂层结构及力学性能的影响

  赵公澍,葛芳芳,程晓英,黄峰

  中国表面工程. 2019, 32(3): 80-87.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181205002

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  采用物理气相沉积（PVD）磁控溅射沉积方法，通过改变轰击离子能量制备高密度的V₂AlC涂层，并探究不同轰击离子能量对涂层结构和性能的影响。利用能谱仪测试、X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、原子力显微镜对涂层的化学组成、相结构、表面与截面形貌进行分析，同时利用纳米压痕测试评价V₂AlC涂层力学性能。结果表明，提高轰击离子能量从15 eV到35 eV可以有效使得V₂AlC涂层致密化，且降低涂层表面粗糙度~50%（从~20.2 nm到~11.9 nm），同时提高涂层的硬度~50%（从~14 GPa到~21 GPa），与杨氏模量~20%（从~309 GPa到~363 GPa）。但当轰击离子能量升高到50 eV时，Al元素含量急剧下降，涂层由V₂AlC相转变为V₂C与VC多相混合。轰击离子能量的提高有效改善V₂AlC涂层的结构，提高V₂AlC涂层的硬度，杨氏模量，但需控制轰击离子能量改变范围才可实现结构与性能最优化。
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  电流模式对柠檬酸盐体系镀金的影响

  王卿,张勇斌,陈金明,王锋

  中国表面工程. 2019, 32(3): 88-98.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181112002

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  针对作为密封层使用的镀金层存在沉积速率低、厚度不均匀的问题，使用自研精密电镀电源，对比直流（DC）、正向单脉冲（FPC）、正向群脉冲（FGPC）、周期换向脉冲（PPRC）对镀金的影响。仿真PPRC一个周期内镀层厚度的变化情况。使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线衍射仪（XRD）和X射线荧光测厚仪分析镀层的表面形貌、结构、沉积速率、厚度均匀性和电流效率。结果表明：仿真中PPRC较FPC可以明显改善镀层的厚度均匀性，电流模式影响镀金层的晶面峰强和电流效率，DC、FPC、FGPC、PPRC镀金层的晶粒尺寸依次减小，镀金层表面的致密性和厚度均匀性提高，脉冲模式下阴极振动可显著提高沉积速率。使用适宜的PPRC参数镀金，可以在较高的沉积速率下获得厚度均匀、致密的镀金层。
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  基于溶胶-凝胶法制备PFTMS-SiO₂有机-无机杂化超双疏涂层

  刘栋,张希,刘凤东,王冬梅,滕藤,张鹏宇

  中国表面工程. 2019, 32(3): 99-108.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181224001

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  针对超双疏涂层在建筑室内、外功能性家装领域的应用问题，采用溶胶-凝胶法，以正硅酸乙酯（TEOS）和甲基三甲氧基硅烷（MTMS）为共前驱体，结合1H，1H，2H，2H-全氟辛基三甲氧基硅烷（PFTMS）改性制备了PFTMS-SiO₂有机-无机杂化超双疏涂覆液。当改性剂与正硅酸乙酯摩尔比达到0.3时，该涂覆液在玻璃、瓷砖、石材、水泥板表面形成的涂层均呈现超双疏特性，最高水接触角157.4°，正十六烷接触角142.6°，涂层附着力达到1级，耐洗刷试验1600次后仍保持良好超双疏性能。XPS结果表明，经过改性处理后的SiO₂链段上含氟基团相对含量达到了69.53%，在玻璃表面形成的超双疏涂层含氟基团相对含量为33.75%，涂层表面的平均粗糙度达到937 nm，说明了含氟基团的成功引入及表面凹凸不平的微观形貌共同构成了涂层表面的超疏性能。
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  激光熔化沉积AlSi10Mg及气孔对力学性能的影响

  李俐群,王宪,曲劲宇,陶汪

  中国表面工程. 2019, 32(3): 109-114.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181106002

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  采用激光熔化沉积的方法对AlSi10Mg增材制造，制备出致密度大于99%、抗拉强度350 MPa左右、延伸率8%的薄壁墙体试件，利用光学显微镜与扫描电镜分析了沉积态的组织。发现即使增材制造过程水氧含量（体积分数，下同）均控制在1×10^-5以下，试件内部仍存在一定的气孔缺陷，气孔均为直径100 μm以下的氢气孔。进一步试验表明，环境中的氧体积分数与气孔率呈正相关关系。在保持环境湿度和温度不变的情况下，环境氧含量由1×10^-5增加到1×10^-3，气孔直径略微增大，气孔率由0.45%增大到2.71%，气孔率增加近5倍，同时抗拉强度降低100 MPa左右，降幅超过30%，延伸率降幅超过20%。最后探讨了氢气孔在激光熔化沉积制造的试件中产生的机理，给出了利用激光熔化沉积工艺制备稳定的AlSi10Mg合金的策略。
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  集束电极电火花合成沉积TiN涂层组织及耐磨性能

  徐安阳,王晓明,朱胜,常青,袁鑫鹏,周克兵

  中国表面工程. 2019, 32(3): 115-122.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180727001

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  为满足提高铜合金表面耐磨性能的需求，提出了一种利用集束钛电极在QAl9-4铝青铜旋转工件表面电火花合成沉积TiN涂层的新方法，并进行了试验研究。结果表明：在铜合金表面制备出了均匀连续的TiN涂层；涂层表面由细化了的晶粒结构构成，组织致密；电极丝对涂层表面有较强的磨削涂覆作用，显著降低了涂层表面粗糙度值；涂层主要由TiN硬质相构成，厚度为85 μm左右，显微硬度可达890 HV_0.05，约为基体（185 HV_0.05）的4.8倍；涂层与基体间具有合金化冶金结合的过渡层；涂层表面摩擦因数为0.125~0.2，远小于基体（0.23~0.35）且波动性较小，磨损率约为基体的49.6%，具有更好的减摩耐磨特性。
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  激光熔覆低温相变合金熔覆层的热疲劳性能

  刘焜,陈希章,徐淑文

  中国表面工程. 2019, 32(3): 123-129.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20181210002

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  采用激光熔覆技术在Q235表面制备低温相变合金熔覆层。采用金属热疲劳的试验方法，对低温相变合金（Low temperature transformation，LTT1，LTT2）熔覆层进行热疲劳实验，热循环次数分别为N=4000、4500、5000和6000，采用单纯的热应力，加热和水淬交替进行，设置上限温度为600℃，下限温度为室温，加热到上限温度并保温55 s，循环水冷却时间10 s。利用3 D激光共聚焦显微镜对低温相变合金（LTT1，LTT2）热疲劳实验后的熔覆层表面裂纹加以观察；利用电子背散射衍射（Electron back scattered diffraction，EBSD）技术研究试样疲劳裂纹附近晶粒形貌及裂纹扩展趋势。结果表明：热疲劳裂纹主要与冷热循环次数有关，随着热循环次数的增加，熔覆层表面裂纹密度也随之增大且相互交错贯通，当循环次数达到6000次时，LTTI熔覆层裂纹深度相对热循环次数为4500次时增大了43.2%，裂纹平均深度达到了210.3 μm；裂纹方向沿晶界扩展；合金元素的配比影响合金的热疲劳性能。
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  中碳钢水下湿法激光焊接焊缝成形行为与性能

  秦航,蔡志海,张平,尤家玉

  中国表面工程. 2019, 32(3): 130-137.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190123002

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  为了探索水下湿法激光焊接的可行性，使用光纤激光器探讨了激光功率、离焦量、水深等因素对45钢湿法焊缝成形性的影响，对比研究了空气中焊接和水下焊接焊缝的组织性能。结果表明，水下湿法激光焊接过程中，在水中入射激光和工件表面之间形成了一个“激光通道”，这个通道能否稳定存在影响着焊接的稳定性。不同的激光功率对应不同的水深阈值，当水深超过此阈值后，水会对激光产生强烈的屏蔽作用，导致焊接无法进行。激光功率、离焦量和水深影响湿法焊接焊缝的成形性，激光功率增加有利于形成外观良好的焊缝，适当的负离焦有利于形成具有较大深宽比的焊缝，水深增加不利于焊缝成形。空气中焊接焊缝中心主要是珠光体+铁素体，而水下焊接的焊缝主要是马氏体和少量残余奥氏体。水下焊接焊缝硬度高于空气中焊接，拉伸强度达606 MPa，达到基体拉伸强度的94.8%，断后伸长率降低至3.1%。
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  四点弯曲条件下热障涂层断裂模式的声发射表征

  袭晟堃,李强

  中国表面工程. 2019, 32(3): 138-153.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190213001

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  采用声发射技术实时监测喷涂态8% Y₂O₃稳定的ZrO₂（8YSZ）在四点弯曲载荷下的损伤断裂行为。采用特征参数分析、聚类分析和小波包变换分析声发射信号结合涂层的微观形貌和应力状态，从而推测出热障涂层系统的失效形式。结果表明：内弯和外弯两种加载模式下，均各有4种失效行为。宏观断裂对应的剥落信号无明显频带，而基底变形、表面垂直裂纹、张开型界面裂纹和剪切型界面裂纹信号对应的主频带可清晰区分为：0~156.25 kHz、156.25~234.375 kHz、312.625~390.625 kHz和390.625~468.75 kHz。热障涂层在外弯载荷下，表面垂直裂纹不断出现，随后扩展到粘结层-陶瓷层界面处并转化为张开型界面裂纹；而在内弯载荷下，则在粘结层-陶瓷层界面附近产生剪切型界面裂纹，仅出现少量的表面垂直裂纹。两种界面裂纹均会引起热障涂层的宏观裂纹和剥落。
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  工程陶瓷超声振动辅助下的预压应力压痕试验

  张高峰,谢国广,王志刚,龚俊明,谢慧,李景焘

  中国表面工程. 2019, 32(3): 154-161.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190130001

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  提出了一种超声振动辅助加工下的预压应力压痕试验，采用ZrO₂、95% Al₂O₃、SiC工程陶瓷作为试验材料，研究外部载荷对材料的加工损伤影响机理。结果表明，在无预压应力压痕过程中，3种材料的加工损伤表现出不同的形式，如径向裂纹、边缘破损和微裂纹；在预压应力压痕过程中，不论是相同法向负载还是相同压痕深度条件下，上述材料的加工损伤都受到了不同程度的抑制，同时证实了预压应力会加大压痕过程的法向力，减小压痕深度。在超声振动辅助下的预压应力压痕试验过程中，由于超声振动的作用机理，有效减小了压痕过程的法向力、增大了压痕深度，有利于工程陶瓷的高效低损伤加工。
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  石墨烯在PAO基础油中的摩擦学性能

  孔尚,胡文敬,李久盛

  中国表面工程. 2019, 32(3): 162-169.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190102001

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  为了改善石墨烯在润滑油中的分散稳定性，利用一种高分子量丁二酰亚胺（分散剂A）辅助石墨烯分散于聚α-烯烃（PAO4）基础油中，采用紫外-可见分光光度法对其分散稳定性进行了监测，并使用UMT-3多功能摩擦试验仪和ContourGT-K型三维轮廓仪考察了石墨烯/PAO4分散液的摩擦磨损性能，利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）对磨痕表面的形貌和元素组成进行定性和定量分析。结果表明：分散剂A可有效提高石墨烯在PAO4中的分散稳定性，加入分散剂A后，石墨烯/PAO4分散液静置一周后的相对浓度为0.667，是未加分散剂的分散液的7.8倍；石墨烯作为润滑油添加剂能显著提升摩擦磨损性能，添加0.8 mg/mL的石墨烯和质量分数为0.2%的分散剂A，跑合期从670 s缩短至250 s，磨损体积减少了55%。