2023年, 第36卷, 第5期　刊出日期：2023-05-19

  

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综述论文
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  航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀与防护研究进展^*

  吴杨，郭星晔，贺定勇

  中国表面工程. 2023, 36(5): 1-13.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221120001

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  热障涂层（TBCs）广泛应用于先进航空发动机热端部件，可以有效提高发动机的工作效率和服役温度。随着发动机涡轮前进口温度不断提高以及工业生产和人类活动愈加频繁，TBCs 面临严峻的 CMAS 腐蚀问题。目前 CMAS 腐蚀已经成为制约 TBCs 应用和发展的关键因素，如何提高 TBCs 的 CMAS 防护能力是 TBCs 领域的研究热点和难点。针对此问题，对不同类型 CMAS 的室温和高温特性进行总结，深入分析 CMAS 作用下 TBCs 的失效机制，总结 TBCs 的 CMAS 防护方法，综述 TBCs 的 CMAS 腐蚀与防护研究进展。结果表明，不同 CMAS（如火山灰、沙石和灰尘等）的化学成分（质量分数）差异明显，影响了其高温黏度和熔化行为；高温下熔融 CMAS 渗入到涂层内部并与之发生化学反应，破坏了涂层的结构和性能稳定性，造成涂层失效；提出了增加惰性防护层、YSZ 材料掺杂改性和研发新材料等方法，以提高 TBCs 的 CMAS 防护能力。最后对未来的 CMAS 防护新方法进行展望，对超高温长寿命 TBCs 的研制提供理论支撑。
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  仿鱼类表皮减阻研究现状与进展^*

  陈登科，崔线线，苏琳，刘晓林，张力文，陈华伟

  中国表面工程. 2023, 36(5): 14-36.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20230128001

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  舰船、飞机等高速运动表面的高效减阻技术仍是一项重大挑战。水下减阻是鱼类等高速游动生物长期进化形成的优势功能策略，揭示水下高速游动鱼类表皮结构特征或材质特性与减阻功能机制的相互关系，可为解决高速运动表面高摩擦阻力问题提供可行参考方案。首先以鲨鱼皮盾鳞结构和海豚弹性表皮为典型生物原型，简要介绍表皮独特结构特征和弹性材质特性，对金枪鱼表皮拓扑覆瓦鱼鳞结构特征和法向多层弹性材质特性进行总结，并介绍其他鱼类表皮的独特结构特征，进而介绍以鱼类表皮独特结构特征或材质特性为生物原型的减阻表面的仿生制造、减阻特性及减阻机理研究现状。最后，对仿生减阻表面在工程和生活中的应用进行简要阐述。提出以鱼类表皮为生物原型的仿生减阻表面的研究现状和发展方向，填补仿鱼类表皮结构特征或材质特性减阻领域目前缺少综述文章来引领的空白，可为进一步深入分析鱼类优异的水动力性能提供借鉴，并为构筑新型减阻防污表面提供参考。
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  纳米复合海洋防污涂料研究进展^*

  贺小燕，白秀琴，袁成清，任坤

  中国表面工程. 2023, 36(5): 37-51.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221128002

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  海洋生物污损带来巨大的损失是亟须解决的难题。开发含纳米填料的无机-有机杂化涂料是传统防污手段的绿色替代方案，然而目前缺乏纳米复合涂料在海洋防污领域应用的系统报道。综述无机纳米材料改性聚合物涂料的研究进展，按照防污机制的不同，重点总结低表面能纳米复合防污涂料、超疏水纳米复合防污涂料、释放型纳米复合防污涂料、催化型纳米防污涂料、多因素协同纳米防污涂料的研究现状，对其防污特性进行分析，并指出各类涂层所存在的问题。最后，提出无机纳米材料在聚合物中的稳定分散、多种防污机制协同优化、无机纳米复合涂层的长效防污性能保障是纳米防污涂料在海洋防污领域所面临的难题及未来发展方向，填补了纳米复合涂料在海洋绿色防污领域应用系统报道的空白。
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  表面微纳结构和化学修饰对润湿性影响研究进展^*

  刘林，熊光耀，沈明学

  中国表面工程. 2023, 36(5): 52-75.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221207001

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  润湿性是赋予材料表面的重要特征之一，对功能件服役行为具有极为重要的作用。影响表面润湿性的主要因素包括材料表面能、表面表面粗糙度以及表面微纳结构，而鲜有定量研究其间关系。对表面微纳结构和化学修饰对润湿性影响进行研究，首先介绍表面润湿性的三种经典理论模型及润湿理论的最新进展，详细综述国内外学者对表面微纳结构和化学修饰对表面润湿性影响的研究现状，分析并讨论接触角随表面粗糙度变化的内在机理和成因，阐述表面微织构对润湿性的影响及在不同领域内化学修饰的作用，最后总结当前面临的主要问题和未来的发展方向。结果表明，表面微织构和调控表面能是调控材料表面润湿性的关键因素和基本条件；在润湿理论逐步完善的过程中，建立起的修正物理与数学模型使试验数据与理论模型更具匹配性，以期得到适用性更广的理论模型；润湿性表面的制备也逐渐从单一的圆形、方形和沟槽微结构向微-纳多尺度、 多层复合微织构和仿生功能性表面的创成与优化等方向发展；激光加工结合其他技术实现多响应、多功能润湿性表面的制备是未来的重要研究方向：材料表面润湿性影响因素众多，除受表面微纳结构和化学修饰的影响外，功能表面会与基底材料和周围环境发生化学反应，也会导致润湿性转变。综述了特殊润湿性表面制备方法和原理及应用领域，可为相关研究提供参考。
技术基础
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  苛刻空间环境下固体润滑涂层在谐波齿轮减速器表面的服役性能评价^*

  孙繁新，史彦斌，蒲吉斌，穆晓彪，孙伟

  中国表面工程. 2023, 36(5): 76-87.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221118001

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  随着航天技术和深空探测的发展，传统的脂润滑材料已难以满足谐波减速器在真空宽温区的润滑需求，固体润滑涂层是一种非常理想的空间润滑方式，具有较宽的温度使用范围，且润滑性能受工况的影响也较小，广泛应用于空间运动机构。 目前固体润滑谐波减速器在苛刻空间环境下的使役性能（传动精度和传动效率）还鲜有报道，通过物理气相沉积技术分别在 XBS-40-100 型和 XBS-60-120 型谐波减速器制备 MOSTP&MOSTP 和 DLC&MOSTP 两种固体润滑涂层，并对润滑前后的谐波齿轮减速器的传动精度、传动效率及真空高、低温适应性进行对比研究。研究结果表明：谐波减速器的传动误差不仅没受到润滑涂层的影响，其传动精度还远优于脂润滑的同型号谐波减速器；固体润滑谐波减速器具有优异的温度适应性， XBS-40-100 型和 XBS-60-120 型谐波减速器在-90 ℃~100 ℃温度范围内，传动效率分别为 69.4%~82.8% 和 66.2%~86.7%， 远高于全氟聚醚（-90 ℃，效率在 30%左右）和多烷基化环戊烷（-90 ℃，效率基本在 15%左右）润滑的同型号谐波减速。 系统研究了固体润滑谐波减速器的使役性能和温度适应性，可为空间谐波减速器润滑材料的选取提供试验依据。
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  后处理对高速激光熔覆表面性能的影响^∗

  王海楠，程延海，马昆，杨金勇，于海航

  中国表面工程. 2023, 36(5): 88-99.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221203003

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  液压立柱表面镀铬涂层易出现微小裂纹并导致涂层剥落，对煤矿生产造成安全隐患。为强化液压立柱表面性能、提高液压立柱使用寿命，利用高速激光熔覆技术在 27SiMn 钢表面制备铁基耐腐蚀熔覆层，并对熔覆层进行车-滚后处理提升强化熔覆层表面性能。使用扫描电子显微镜、形状测量激光显微镜、显微硬度计、电化学工作站等对高速激光熔覆层、车削及不同滚压力作用后的熔覆层微观组织、表面粗糙度、残余应力、显微硬度、耐腐蚀性能进行研究分析。结果表明：初始熔覆层显微组织致密，无明显孔隙、裂纹等缺陷，从结合处到表面依次为平面晶、树枝晶、等轴晶；滚压加工的“削峰填谷”效应使熔覆层表面发生塑性变形，滚压力为 2.8 MPa 时，表面轮廓平整，表面粗糙度降低至 0.768 μm；熔覆层硬度随滚压力的增大而增加，熔覆层顶部出现明显的塑性变形区和硬化层；车-滚复合加工使熔覆层表面残余应力由拉应力状态转变为压应力， 滚压力增大，残余压应力先增大后减小；车-滚复合加工使熔覆层表层晶粒细化，增强 Cr 元素扩散，提高耐蚀能力，但过大的滚压力使熔覆层表面损伤，耐蚀能力下降。车-滚后处理工艺有效提升了熔覆层表面性能，可为高速激光熔覆高效低成本的后处理工艺研发提供参考。
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  电解液中铈盐对LDH/AAO复合膜层耐蚀性影响^*

  张优，陈楚平，张政，赵雪洁，文陈，陈飞

  中国表面工程. 2023, 36(5): 100-111.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221104001

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  普通阳极氧化膜难以对铝合金形成有效的防护作用，须进行封孔处理以改善膜层耐蚀性差问题。采用原位生长法制备的层状双金属氢氧化物（LDH）膜对阳极氧化（AAO）膜进行封闭，得到 LDH / AAO 复合膜层，研究阳极氧化电解液中三价铈盐浓度对 AAO 膜层及 LDH / AAO 复合膜层耐蚀性影响。利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、 辉光放电发射光谱仪(GDOES)分别表征膜层的微观形貌和元素组成，通过电化学交流阻抗（EIS）、动电位极化曲线和酸性盐雾试验检测膜层的耐蚀性。结果表明，在阳极氧化电解液中添加铈盐能够提高 AAO 膜层的致密性和耐蚀性， 并改善后续 LDH 膜层在 AAO 膜表面的生长。LDH 可以在 AAO 孔洞和缺陷中生长，并完全覆盖 AAO 层，耐蚀性明显优于铈盐封闭，铈盐浓度为 0.03 mol / L 时 AAO 膜层与 LDH / AAO 复合膜层耐蚀性更好。通过对 LDH 层负载钒酸根缓蚀剂，进一步优化了复合膜层的耐蚀性能。复合膜层的耐蚀作用主要归因于电解液中添加铈盐提高了 AAO 内层的物理阻隔性能，负载钒酸根的 LDH 外层对腐蚀性离子的捕获及对层间缓蚀剂的释放双重作用为基体铝合金提供了长效保护。提出层状双金属氢氧化物 / 阳极氧化复合膜层，并采用“纳米容器”负载缓蚀剂策略进一步提升复合膜层耐蚀性能。
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  中空二氧化硅微球包覆2-巯基苯并噻唑自修复涂层防腐性能^*

  石浩，褚贵文，李正利，宋立英，蒋全通

  中国表面工程. 2023, 36(5): 112-122.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221223001

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  涂层技术广泛应用于金属设备腐蚀防护，而针对传统涂层服役过程中的微损伤难以及时探测并修复，导致损伤后涂层防腐性能失效、金属腐蚀进程加速等问题。开发一种中空介孔 SiO₂微球包覆 2-巯基苯并噻唑的自修复涂层，并对涂层的自修复性能进行全面表征测试。将包覆 2-巯基苯并噻唑的 SiO₂微球作为填料，添加到无溶剂环氧树脂涂层中制备自修复涂层，在质量分数为 3.5%的 NaCl 溶液中探查受损涂层在铜基体表面的自修复过程。采用多种测试表征方法测试 SiO₂ 微球包覆 2-巯基苯并噻唑的可行性，对涂层的自修复机理进行深入分析，综合评价自修复涂层的防腐性能。采用溶胶-凝胶法对 SiO₂ 微球进行制备，制备的 SiO₂微球具有中空结构，微球直径约为 623 nm。通过 XDR、FTIR 与 TG 等测试表征技术验证 SiO₂微球实现对 2-巯基苯并噻唑的包覆，且负载量良好；通过 EIS 阻抗测试对自修复涂层的修复性能进行测试，经对照实验测试自修复涂层具有较为良好的防腐性能，并在 6 d 时防腐性能达到最大；通过 SEM、EDS 以及 SKP 等测试技术，从微观角度验证包覆 2-巯基苯并噻唑的 SiO₂微球对损伤涂层的修复性能以及对铜基体的防腐性能。当涂层被划伤后，2-巯基苯并噻唑缓慢释放并通过强化学吸附与铜基体结合，在裸露金属基体表面形成一层保护膜，阻滞外部环境的腐蚀性介质对铜腐蚀，实现了涂层对损伤处的主动修复，在浸泡 6 d 后防腐效果显著。制备的包覆 2-巯基苯并噻唑 SiO₂微球对损伤涂层具有一定的修复能力， 能够有效延长涂层的服役寿命。
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  工业纯钛TA2在液体推进剂单推-3中的耐蚀机理

  唐占梅，郭伟，蒋榕培，方涛

  中国表面工程. 2023, 36(5): 123-130.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220409002

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  发动机贮箱长寿命服役是航天技术发展的必然要求，工业纯钛 TA2 是火箭发动机重要结构材料之一，然而该材料与液体推进剂的长期相容性机理仍缺乏深入的研究，难以满足推进剂贮箱长寿命评估的需要。针对典型液体推进剂单推-3（DT-3）， 采用电化学方法研究工业纯钛 TA2 在液体推进剂 DT-3 中的电化学腐蚀行为，应用扫描电镜（SEM）、光电子能谱（XPS）分析 TA2 表面钝化膜的结构特征。动电位极化曲线测试表明，TA2 在 DT-3 中自腐蚀电流密度为 58 nA / cm² ，腐蚀速率约为 0.5 μm / a，点蚀电位为 2.15 V，耐点蚀能力强；具有两段钝化电位区，在点蚀电位下，肼和硝酸肼对 TA2 钝化膜的破裂溶解过程具有协同效应。交流阻抗谱测试表明，TA2 表面钝化膜具有很高的反应阻抗，抗均匀腐蚀性能良好，且随着阳极电位的升高，表面钝化反应机理一致。氧化膜 XPS 分析表明，较高钝化电位下形成的钝化膜更完善，形成的是外层为 TiO₂，内层为 Ti₂O₃、TiO 的双层结构特征的钝化膜。获得的 TA2 在 DT-3 中的电化学腐蚀机理对贮箱寿命评估具有重要指导作用。
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  磁控溅射(AlCrNbTiVCe)N涂层的高温摩擦学机理^*

  畅为航，蔡海潮，雷贤卿，薛玉君，李航

  中国表面工程. 2023, 36(5): 131-141.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221104002

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  高熵合金涂层作为航空发动机轴承防护涂层有重大的潜在应用价值，鉴于其服役环境日益严苛复杂，进一步提高涂层的高温摩擦学性能是十分必要的。通过非平衡射频磁控溅射技术制备含 Ce 元素的（AlCrNbTiVCe）N 涂层，利用扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射仪（XRD）和 X 射线光电子能谱仪（XPS）表征涂层磨损后的微观形貌、物相和价态，用纳米压痕仪、球盘式摩擦磨损试验机测试涂层的力学性能和摩擦学性能，探讨 Ce 对涂层微观结构、高温稳定性和摩擦磨损的影响与机制。结果表明，（AlCrNbTiVCe）N 涂层主要由多元金属氮化物和单质 Ce 相组成。引入 Ce 元素改善了涂层组织结构， 提高了高温抗软化能力，有助于涂层摩擦磨损性能的改善。与不含 Ce 的涂层相比，500 ℃下（AlCrNbTiVCe）N 涂层的摩擦因数和磨损率分别下降 27.5%和 45.6%，其氧化磨损占主要磨损机制。该涂层高温摩擦学性能的提升主要是由于高温摩擦过程中涂层表面生成了氧化铈，增强了高温稳定性；氧化铈具有润滑特性，起到了减磨耐磨作用。在磁控溅射制备高熵涂层中， 引入稀土元素，可为提高涂层高温摩擦学性能的提供借鉴。
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  15-5PH不锈钢表面类石墨碳基多层膜结构设计及摩擦学行为^*

  李迎春，杨更生，聂傲男，邱明，范恒华

  中国表面工程. 2023, 36(5): 142-155.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221203002

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  针对马氏体沉淀硬化不锈钢 15-5PH（0Cr15Ni5Cu4Nb）在海水环境中易腐蚀磨损的问题，采用直流磁控溅射的方法在 15-5PH 钢样片上制备调制周期分别为 940、375 和 234 nm 的掺杂 Cr 的类石墨碳基多层膜（分别标记为 Cr / GLC-S1、 Cr / GLC-S2 和 Cr / GLC-S3），采用扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱仪（Raman）、MFT-5000 多功能摩擦磨损试验机等仪器设备系统考察三种类石墨碳基多层薄膜的结构及摩擦学性能。研究结果表明：不同调制周期的类石墨多层膜表面均呈现“菜花状”形貌，随着调制周期的减小，“菜花状”颗粒逐渐减小，膜层变得致密；sp2 键含量逐渐增大，石墨化程度加剧，机械性能更加优异。在干摩擦条件下，调制周期适中的 Cr / GLC-S2 薄膜具有良好的减摩耐磨性能，磨损形式以磨粒磨损为主， 而调制周期较大的 Cr / GLC-S1 和调制周期较小的 Cr / GLC-S3 薄膜，在高载荷下均发生不同程度的脆性剥落，导致其摩擦学性能劣化。在人工海水环境中，Cr / GLC-S1 和 Cr / GLC-S2 薄膜在中低载荷下的摩擦学性能较好，磨损形式仍以磨粒磨损为主，在高载荷下三种多层膜均发生不同程度的脆性剥落，特别是调制周期较小的 Cr / GLC-S3 薄膜已失效。针对不同的工况， 设计合理的调制周期是提高 GLC 薄膜摩擦学性能的关键，结果可为类石墨碳基薄膜在海洋防护中的实际应用提供一定参考。
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  纳秒-飞秒激光复合制备TC4合金高抗反射表面^*

  成健，陈宇龙，谢丰，黄志远，李帅，翟中生，刘顿

  中国表面工程. 2023, 36(5): 156-166.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221123001

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  单一使用皮秒或者飞秒激光器制备抗反射表面已经可以取得很好的结果，但是其加工效率不满足工业生产的需要。提出利用纳秒-飞秒激光复合制备金属高抗反射表面的方法和思路。使用纳秒、飞秒两种激光器对 TC4 钛合金表面进行刻蚀处理，在金属表面引入微纳米结构，使其在电磁波波长 200~2 500 nm 间的反射率降低至 2%以内并分析作用机理。首先利用纳秒激光在 TC4 钛合金表面刻蚀槽状结构，该结构在波长 200~2 500 nm 的最佳平均反射率为 5.76%，飞秒激光扫描后，平均反射率降低至 3.5%。然后，构造复合结构在槽状结构基础上进一步优化金属表面的抗反射性能，在波长 200~2 500 nm 的最佳平均反射率为 1.87%。最后，制备复合结构，制备中其表面形貌呈现出对齐状和蜂窝状两种微孔排列方式。设计并验证控制激光脉冲起始位置方法，可制备出稳定蜂窝状结构，蜂窝状孔排列的复合结构在波长 200~2 500 nm 的最佳平均反射率可降低至 1.63%。单位面积内蜂窝状复合结构的有效表面占比更大；同时可以附着更多的纳米颗粒，由于纳米粒子的激元共振效应，加之纳米颗粒团尺寸不同，其吸收峰从单一频率拓宽至一个频率带，金属表面的光吸收性能提升。复合制备的抗反射表面性能达到甚至超越单一使用飞秒或皮秒激光器制备的金属抗反射表面，并且不改变金属本身的性质，对其他对金属表面降低反射率有借鉴作用。
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  容器尺寸对叶片竖直强制振动光整加工效果的影响^*

  牛啸，李秀红，王嘉明，李文辉，程思源，杨胜强

  中国表面工程. 2023, 36(5): 167-178.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221223003

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  为实现航发叶片的均匀一致性高效光整，探究竖直强制振动光整加工工艺中容器尺寸对叶片加工效果的影响。以正四棱柱容器的高度、宽度、长度作为变量，基于离散元法，对不同尺寸参数下颗粒介质对叶片表面的力学行为及加工效果进行分析，确定较优的容器尺寸参数，并通过接触力测试分析和加工试验验证模拟的有效性。结果表明：叶片安装位置相对不变时，容器尺寸直接影响叶片的加工效果；容器高度对叶片加工效果影响程度最为明显，随着容器高度的增加，叶片表面所受法向力增大，叶片与颗粒介质间的相对速度增大，加工效率变高，加工均匀性变好；随着容器宽度的增加，加工效率先提高后降低，均匀性逐渐变差；随着容器长度的增加，加工效率降低，均匀性变好；当容器的高度为 300 mm、宽度为 120 mm、 长度为 200 mm 时，加工效果较优；采用该工艺参数对试件加工后，表面粗糙度由 0.645 μm 下降至 0.246 μm，表面轮廓相对平整，铣削痕迹明显去除。研究成果可为滚磨光整加工中容器尺寸的优选提供数据支持。
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  基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响机制^*

  冉迪，郑鹏，苑泽伟，王宁

  中国表面工程. 2023, 36(5): 179-189.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221113001

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  机械裁剪法是简单高效制备石墨烯纳米带的加工方法，目前对基底化学吸附如何影响石墨烯机械裁剪行为的认识尚有不足。为探究基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响机制，基于 ReaxFF 反应力场和 Verlet 算法，采用反应分子动力学方法对 Ni、Pt、Cu 金属基底上的石墨烯机械裁剪行为展开研究，根据纳米压痕和机械裁剪中探针与石墨烯（C_T-C_G）、石墨烯层内（C_G-C_G）、石墨烯与基底（C_G-M）间键合数量和键合强度的变化规律，分析基底化学吸附对键合性能和石墨烯机械裁剪行为的影响。结果表明：Ni、Pt、Cu 基底对石墨烯的化学吸附能力依次减弱，强化学吸附作用增大了 C_G-M 键合强度， 促进了 C_T-C_G 键合，削弱了 C_G-C_G 键合强度，降低了石墨烯的抗破损强度，Ni、Pt、Cu 基底上的石墨烯抗破损强度分别为 110.19、121.71、176.53 GPa。强化学吸附使石墨烯发生了大面积撕裂破损，弱化学吸附使石墨烯仅发生了部分碳链和碳原子的剥离。强化学吸附基底提高了石墨烯的机械裁剪效率，减小了机械裁剪深度，降低了探针下压载荷，提高了探针对石墨烯的摩擦力，提高了石墨烯的机械裁剪性能。基于反应分子动力学方法可深入探究基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响规律及内在机理，研究结果可为不同化学吸附基底条件下高效、高精度石墨烯纳米带的机械裁剪提供理论依据。
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  沟槽型织构化火箭橇滑块磨损行为的有限元模拟^*

  严凯，林乃明，王振霞，王玮华，曾群锋，吴玉程

  中国表面工程. 2023, 36(5): 190-202.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221214003

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  火箭橇系统的服役工况条件直接导致火箭橇滑块磨损，而滑块的磨损严重威胁着火箭橇系统的可靠运行和长寿命服役安全，更是制约火箭橇系统发展和应用的主要技术瓶颈。因束缚于极端服役工况条件和高昂的试验成本，以及仅通过二维模型或只考虑局部碰撞变形的模拟仿真，尚且未能克服这一问题。根据 Archard 磨损理论、非线性自适应几何更新和弹塑性变形等有限元分析方法及表面织构技术，建立由 0Cr18Ni9Ti 不锈钢滑块和 U71Mn 钢轨钢滑轨组成的有限元三维磨损模型，并分别对火箭橇滑块光滑表面、沟槽型织构化表面进行磨损仿真，揭示滑块磨损过程中接触面磨损、Von-mises 等效应力以及接触压力等接触特征的变化。结果表明：沟槽型织构能够显著影响滑块磨损，织构密度增加促进了接触面均匀磨损，使得应力分布均匀、梯度变化平稳，缓解了应力集中，避免了长时间的剧烈磨损；接触压力也随织构密度的增加而增加，使得接触面与目标面接触紧密、间隙更小，可有效避免磨粒或磨屑引起的三体磨损。有限元模拟表明，通过恰当表面设计获得沟槽型表面织构能够显著影响磨损，也可为实现兼具减摩抗磨性与结构可设计性于一体的火箭橇滑块提供技术参考和理论支撑。
工程应用
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  低能Ar离子束处理对CuO纳米线的微观结构、化学成分及润湿性能的影响

  于晶晶，廖斌，张旭

  中国表面工程. 2023, 36(5): 203-212.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221203001

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  离子束技术作为一种精确可控的表面改性技术，已开始成为调控纳米材料结构和性能的重要技术之一。利用热氧化法在铜网表面直接合成高密度、高质量和高长径比的 CuO 纳米线（CuO NWs）阵列，采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、 X 射线光电子能谱（XPS）和接触角测试仪，研究低能（860 eV）Ar 离子束表面处理不同时间（0、5、10、15、20 min）对 CuO NWs 微观结构、化学成分及润湿性能的影响。结果表明：CuO NWs 表面经低能 Ar 离子束处理后，CuO NWs 顶端弯曲， 表面变粗糙。随处理时间的增加，相邻 CuO NWs 之间出现熔合现象，CuO NWs 顶端逐渐由双晶结构转变为非晶结构， CuO NWs 表面部分 CuO 逐渐被还原成 Cu₂O，CuO NWs 表面的静态水接触角（SWCA）值从（86±2）°先大幅度增大到（152 ±3）°后轻微减小到（141±2）°，当处理时间为 10 min 时，获得最大的 SWCA 值为（152±3）°，表明 CuO NWs 表面具备超疏水性。因此，利用低能 Ar 离子束表面改性技术可以基本实现对 CuO NWs 形貌、结构和性能等的精确调控。研究结果可为离子束技术精确调控其他一维纳米材料性能提供理论基础和试验依据。
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  激光熔覆镍基高温耐磨合金的组织及性能^*

  李胜，雷远涛，伍文星，申龙章，陈勇，朱红梅，邱长军

  中国表面工程. 2023, 36(5): 213-221.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221110002

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  通过增加 IN718 合金中（Ti+Al）含量制备一种镍基高温耐磨合金，以满足超临界机组镍基合金阀门密封面再制造的需求。采用万能试验机、摩擦磨损试验机、XRD、SEM 等仪器和 JMatpro 软件研究该合金激光熔覆试样的组织与性能。研究结果如下：当 IN718 合金的（Ti+Al）含量增加至 7.6 %时熔覆层会出现开裂；当 IN718 合金的（Ti+Al）含量增加至 6.6 % 时，其激光熔覆试样初始平均硬度值为 40 HRC，抗拉强度为 998 MPa，延伸率为 5.2 %，室温摩擦因素为 0.75 左右，磨损量为 0.327 5 mm³ ，主相为 γ 相和 γ′相，700 ℃×10 h 时效处理后平均硬度值为 54 HRC，700 ℃摩擦因素为 0.35 左右，磨损量为 0.024 mm³ ，主相 γ′占 53 %。研究结果表明，IN718 合金中（Ti+Al）含量增加至 6.6 %时具有良好的激光熔覆工艺性能和高温摩擦磨损性能，可应用于超临界 / 超超临界机组镍基合金阀门密封面的维修与再制造。
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  PECVD喷淋板上微通道结构对射流均匀性的影响性分析

  刘万锁，岳向吉，蔺增

  中国表面工程. 2023, 36(5): 222-233.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221202001

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  喷淋板微通道结构对等离子体增强化学气相沉积镀膜工艺成膜均匀性具有重要影响，目前缺少对不同微通道差异性的研究。通过采用滑移边界修正的连续流计算方法，获得克努森数为 0.009~0.01 的微通道流动特性结果，计算结果与其他微通道试验与计算结果具有一致性。结果表明，等径型与收缩型微通道几何尺寸对均匀性影响较小，出口射流所形成的涡流会降低均匀性，扩张型微通道提高出口扩散性，其射流均匀性明显优于前两者。通过提出均匀性量化方法，研究等径型、收缩型和扩张型三种具有代表性的微通道结构，进一步完善了喷淋板及稀薄环境微通道研究的不足。
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  盐浴氮化对电工纯铁腐蚀磨损性能的影响^∗

  聂开勋，杨秀杰，费佳玟，唐正强，吴兵

  中国表面工程. 2023, 36(5): 234-247.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221222002

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  盐浴渗氮作为一种有效提高金属材料性能的化学热处理技术而被广泛研究，但目前鲜有在电工纯铁上的应用报道，且缺乏在不同环境下的磨损性能研究。采用盐浴氮化对电工纯铁进行处理，采用 SEM、显微硬度计、XRD、XPS、盐雾测试箱、 电化学工作站、摩擦磨损试验机等测试手段对渗氮层的微观组织、硬度、腐蚀行为及不同环境下的磨损行为进行测试分析。 结果表明，经过渗氮处理后在试样表面形成主要为 ε-Fe₃N、γ′-Fe₄N 相的渗层，矫顽力和表面硬度随氮化温度和时间的增加逐渐升高，截面硬度呈梯度分布。其中 580 ℃×4.5 h 工艺试样具有最优的耐腐蚀性能，自腐蚀电位较纯铁正移，自腐蚀电流密度低于纯铁，电荷转移电阻提升了 7.7 倍。空气环境下，氮化试样的摩擦因数比纯铁低，氮化试样磨损率只约为纯铁的 1 / 2； 去离子水与 3.5 wt.% NaCl 溶液环境皆有利于降低摩擦因数，但增加了磨损率，3.5 wt.% NaCl 溶液环境对材料的加速磨损效果比去离子水更明显。系统研究了盐浴渗氮对电工纯铁腐蚀磨损性能的影响，可为提升海工装备电气开关元器件的服役寿命提供一定理论指导与技术支持。
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  超疏水表面高效制备方法及其在养殖工程中的应用

  王慧鑫，刘建龙，王青华，霍连飞，柏宗春

  中国表面工程. 2023, 36(5): 248-261.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20220902002

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  目前规模养殖业中养殖舍内灰尘、皮屑、粪污沾染问题严重，严重影响了环境清洁与动物健康。金属超疏水表面由于具有的特殊性质，有望成为改善养殖环境的重要手段。以鸭羽表面结构为仿生原型，以不锈钢为基底材料，利用激光加工方法制备仿生结构，同时利用低温硅油-热处理方法改变表面化学。最后通过超景深显微镜、SEM、XPS、接触角测量仪等对表面的理化性质进行测试。结果表明，通过表面结构与化学的双重影响，制备后的表面获得较好的超疏水性（接触角 156.8°， 滚动角 2.7°），表面的自清洁性获得大幅提升，同时表面粪污粘附情况得到明显优化。通过激光-硅油热处理工艺，加工效率与经济性相比于传统超疏水表面制备方法得到显著提升，且制备过程清洁环保，可为仿生超疏水功能表面在养殖工程中的应用提供重要支持。