中国表面工程

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徐鑫哲, 黄虎, 安鸿

中国表面工程. 2025, 38(4): 1-22.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241125002

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超疏水性在调控材料表面功能特性方面具有广阔的应用前景,超疏水表面的黏附性对水滴在其表面上的动态行为有重要影响。通过控制表面微结构、化学成分以及外界刺激等,可实现对超疏水表面黏附性的调控,该技术可广泛应用于微流体调控、防尘防污和雾气收集等领域。从自然界中具有特殊黏附性的超疏水生物体表面出发,系统探讨水滴与超疏水表面之间黏附行为的产生机制、调控理论及表征技术。在此基础上,综述近年来在调控超疏水表面黏附性方面的主要研究进展。研究表明,通过调整激光加工参数改变表面微结构、调控表面化学成分以控制表面能,均可实现对超疏水表面黏附性的精确调控。此外,借助外部刺激（如光照、磁场、温度等）还可实现超疏水表面黏附性的动态可逆调控。最后,探讨超疏水表面黏附性调控技术在智能响应材料和表面科学融合创新等方面的应用价值,强调其在自清洁、液体操控及药物运输等领域中的发展潜力。

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大气压冷等离子体射流表面微加工技术研究进展

王涛, 王紫婷, 徐学张, 时礼平, 李蒙, 饶思贤

中国表面工程. 2025, 38(4): 23-41.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241119001

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随着柔性电子、微机电系统以及集成电路的快速发展,材料表面微加工需求日益迫切。现有湿法工艺及基于半导体的表面微加工技术在加工效率和环保等方面存在诸多局限。大气压冷等离子体射流表面微加工技术具有绿色环保、成本低廉、温度低、纯干法、无机械接触、活性强等优点,可以实现材料表面局域改性、图形化刻蚀以及功能薄膜沉积等,在表面微加工方面应用潜力巨大,但是对大气压冷等离子体射流表面微加工的研究进展尚缺乏系统综述。总结和分析大气压冷等离子体射流产生方式及常用电极结构形式;重点阐述大气压冷等离子体射流材料表面微加工技术的研究现状;探讨等离子体射流表面微加工技术目前还存在的主要问题,并指出其未来发展方向,以期增进对大气压冷等离子体射流表面微加工新方法和新技术的认识,提升大气压冷等离子体射流在柔性电子、微机电系统以及集成电路等先进制造领域的应用水平。

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纳秒激光加工金属疏水性能转变的环保处理方式及机理

王继强, 徐艳桦, 高蕴礼, 闫永达, 耿延泉

中国表面工程. 2025, 38(4): 42-63.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20250513001

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纳秒激光直写（NDLW）是一种通过纳秒脉冲激光束在材料表面实现局部加工的技术,广泛应用于微米尺度结构的制备。该方法通过激光烧蚀或光化材料,实现对材料表面进行刻蚀与形貌调控。通常,经NDLW处理的抛光金属表面表现出（超）亲水性,随后通过环境空气中有机物的吸附、低温退火或激光二次处理等绿色环保处理方式,可实现表面润湿性的转变,获得（超）疏水性表面。所制备的超疏水表面具有防霜防冰、流体减阻、抗菌等多种优异性能,在航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。系统阐述润湿性调控的理论基础及纳秒激光加工金属材料的物理机制,重点综述在无化学修饰剂参与的条件下,通过环境友好型处理方式实现金属表面由（超）亲水性向（超）疏水性转变的研究进展,并探讨相关转变机制。最后对当前研究现状进行总结,并提出未来发展方向,旨在为相关领域研究人员提供全面的参考与借鉴。

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二硫化钼-金-正方形阵列结构复合SERS基底的制备技术

张景然, 毕研瑞, 靖博文, 乔健, 于淼, 石广丰, 李晶

中国表面工程. 2025, 38(4): 64-73.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20250302002

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肌红蛋白的检测对于预防急性心肌梗死具有重要意义。基于聚焦离子束、磁控溅射、滴涂三种方法相结合制备二硫化钼-金-正方形阵列结构以作为复合表面增强拉曼散射（SERS）基底,以用于肌红蛋白的高灵敏检测。采用聚焦离子束方法制备不同边长和不同间距的正方形阵列结构。当正方形边长为300 nm时,相邻正方形间距（504、424、344、264 nm）的变化使其纳米孔的状态由分离到刚接触至相互叠加,且阵列结构的一致性高。采用该SERS基底检测10^-5 mol / L的R6G溶液,试验结果表明,与相邻正方形纳米孔为分离或叠加状态相比,边长300 nm、间距424 nm的正方形阵列结构（刚接触状态）检测R6G溶液的增强强度最高。其次,与Au-MoS₂-L1S2和Au-L1S2相比,MoS₂-Au-L1S2复合SERS基底检测10^-6mol / L R6G分子的拉曼强度最高,其检测R6G溶液拉曼强度的标准偏差为4.66%,且检测R6G溶液的分辨率为10^-8mol / L。此外,在生物蛋白分子检测方面,采用该复合SERS基底能够检测0.02 μg / mL的肌红蛋白分子,实现了对肌红蛋白分子的高灵敏度检测。

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微透镜阵列玻璃模压成形填充特性

朱志伟, 李凯敏, 李宏驰, 张霖, 朱利民, 徐江海

中国表面工程. 2025, 38(4): 74-85.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241231002

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玻璃微透镜阵列在消费电子和生物传感等领域具有广泛应用,玻璃模压成形被认为是该类元件批量化生产中极具前景的制造技术。由于微透镜阵列结构的复杂性,模压成形过程中存在玻璃填充不均匀和应力分布复杂等问题,导致成形质量较低。为优化模压工艺,结合有限元仿真和试验测试系统研究微透镜阵列成形过程中玻璃的填充行为。建立玻璃模压成形有限元模型,揭示模压温度、模压速率、摩擦因数、透镜中心间距等因素对微透镜阵列填充行为和应力分布的影响规律。试验与仿真结果具有很好的一致性,验证了仿真模型的正确性。最终,采用550 ℃的模压温度、0.01 mm / s的模压速率和110 μm的下压深度,在D-ZK2玻璃平面预形体上模压获得均匀一致的微透镜阵列,表面粗糙度Sa为4.2 nm,单个透镜面型峰谷误差约为1.6 μm,成像分辨率为203.2 lp / mm。

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基于激光-化学复合加工工艺制备的超疏水碳化硅表面性能及影响机理

宋昕蓉, 施喆, 郭小喆, 李子昂, 付佳俊, 王青华

中国表面工程. 2025, 38(4): 86-103.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241016002

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碳化硅具有低膨胀系数、高热导率、抗辐照等诸多优良特性,其制备的刹车材料近年来在轿车和飞机等制动系统中得到广泛应用。然而,碳化硅的硬度很大,使用传统加工工艺很难对其进行加工。同时,碳化硅的本征亲水特性使其表面易产生污垢和结冰,进而缩短材料使用寿命。提出一种激光-化学复合加工工艺制备超疏水碳化硅材料表面,通过纳秒激光烧蚀在碳化硅材料表面构造微纳结构,利用硅烷乙醇混合溶液修饰和热处理工艺,成功制得超疏水表面。通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对超疏水碳化硅材料表面形貌进行表征,并根据EDS能谱和XPS能谱分析表面化学成分,阐明表面结构和表面化学对于表面润湿性的影响机理。超疏水碳化硅材料表面在性能表征试验中表现出优异的自清洁性、抗腐蚀性、抗结冰性和耐磨损性,这表明该激光-化学复合加工工艺能够制备性能稳定的超疏水碳化硅材料表面,最终得到一种性能良好的碳化硅材料表面的制备理论与方法。研究工艺成本低,有望为未来碳化硅的激光功能化制备工艺奠定基础,拓展碳化硅在不同领域的科学研究和工程应用。

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超声入射方向调控下金属涂层结构应力反演方法

柯庆镝, 钱智敏, 蒋守志, 李路宝

中国表面工程. 2025, 38(4): 104-114.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240820002

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针对增材制造过程中经常出现涂层结构内应力场检测问题,提出超声入射方向调控下金属涂层结构应力反演方法。基于声弹性理论,通过分析涂层结构内超声纵波各向异性传播过程,阐述不同应力场下超声信号特征的演化规律。构建超声信号特征与应力场状态参量关联关系的函数表达,量化分析应力场对不同入射方向下超声传播过程的影响程度,建立涂层结构应力反演模型,根据应力反演模型计算得到复杂应力场中应力状态参量。采用等离子喷焊增材制造工艺制备涂层结构（C45E4-Ni60）试件,进行拉 / 压应力加载环境下的超声信号分析试验。结果表明：通过三次调控超声入射角度,根据应力反演方法得到的模型反演应力值与实际加载应力值的相对误差最低能到6.15%,验证了所提出应力反演方法的有效性和精度。

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海洋防污技术研究进展

姜涛, 李思宁, 曹红波, 王倩倩, 户胜越, 许康威, 陈令杰, 谢述锋, 李龙, 王喆, 田佳佳

中国表面工程. 2025, 38(4): 115-131.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241030001

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海洋生物污损是海洋装备设施面临的最严重问题之一,显著威胁装备设施的服役性能和安全可靠性,研发能够显著提升装备设施防污性能的高性能、长期效、绿色环保防污技术是当前海洋防污领域的研究热点。综述现有常见防污技术的研究进展,在介绍海洋生物污损形成过程及危害的基础上总结了传统有机防污涂料的发展历程及优缺点;重点总结污损脱附型防污技术、污损阻抗型防污技术、仿生型防污技术以及新型环境友好型防污技术的研究现状,对其防污机理及特性进行概述,并指出各类防污技术存在的问题;从激光熔覆防污涂层及热喷涂防污涂层等入手介绍新型无机防污技术的研究进展及应用方向;对海洋防污技术发展面临的难点及未来发展方向和趋势进行展望,可为高性能、长期效、环境友好海洋防污技术的研发提供参考。

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大气等离子喷涂过程特性研究进展

白凯文, 黄艳斐, 刘明, 张志强, 王海斗, 高瑞, 张寒冰

中国表面工程. 2025, 38(4): 132-149.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241126003

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大气等离子喷涂是目前应用最广泛的热喷涂表面防护技术之一,深入研究其喷涂过程中的特性变化规律与机理,有助于从理化角度优化喷涂工艺,确保喷涂过程的可靠性和可重复性。综述了大气等离子喷涂过程中依次环环相扣的三个阶段：等离子射流、飞行粒子和涂层沉积,并结合试验监测与数值模拟,探讨了各阶段特征特性及其演变规律的相关研究。研究结果表明,在不同阶段中,不同影响参数决定了各阶段的关键特性：射流阶段的温度、速度和稳定性主要受喷枪内电弧能量和等离子体电离能量的影响;飞行粒子阶段的温度、速度和熔融程度取决于射流的加热加速作用、粒子与射流的相互作用时间以及粒子自身的物理性质;沉积阶段的熔滴铺展情况则主要由熔滴撞击时的状态及其与基体和下层熔滴的接触情况决定。对各阶段特性变化规律和机理的研究总结,为实现更可控的喷涂过程和更高的涂层质量提供了理论支持,并为喷涂工艺调整、程序优化和技术改进提供了重要参考。但当前研究仍存在一些挑战,如射流波动的消除以及多粒子堆叠与搭接的深入研究,仍需进一步探索。

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MAX相碳化物陶瓷宽温域摩擦学性能研究进展

贾丙森, 许文举, 李景锋, 刘晓红, 吉利, 李红轩, 王坤杰

中国表面工程. 2025, 38(4): 150-165.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240326001

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MAX相碳化物陶瓷是一类非常有前景的高温结构材料,多种化学键的共存使其具有陶瓷和金属双重性能以及优异的化学稳定性、耐腐蚀、抗氧化性、耐摩擦磨损和可加工性等潜在优势,有望解决极端环境中关键运动部件的宽温域润滑和磨损问题。以MAX相碳化物陶瓷材料的宽温域润滑性能为中心点,介绍了几种典型的MAX相的制备工艺及宽温域润滑研究现状,详述了常见MAX相材料体系的性能特点,阐明高温环境下材料元素和结构的演变规律及其与高温润滑的关系;分析了MAX / 金属、MAX / 陶瓷及其他复合体系协同润滑的作用,总结了MAX 相作为增强相在协同摩擦、高温摩擦中的磨损机理;另外,对新型高熵MAX相陶瓷的设计和多元素固溶所存在的关键问题进行讨论,阐明高熵化对MAX相的高温摩擦学性能的影响机制。为设计新型宽温域自适应润滑材料提供新思路和理论依据。

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事故容错燃料用锆合金管表面冷喷层研究进展

傅硕, 许爱军, 罗杰, 张远应, 徐濯清, 马鑫, 徐雅欣, 黄春杰, 李文亚

中国表面工程. 2025, 38(4): 166-178.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241031006

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自福岛第一核电站事故以来,越来越多的国家开始关注轻水堆事故容错燃料用锆合金包壳管涂层的研究。在众多涂层制备方法中,冷喷涂作为一种高质量涂层制备方法,以热输入低、沉积效率高及组织致密等优势,已在锆合金包壳管涂层制备上崭露头角。对现有关于锆合金包壳管冷喷涂涂层制备的相关研究进展进行了综述。介绍了冷喷涂Cr涂层的结合机理及其在高温及辐照环境下的保护机制。介绍了其他相关冷喷涂涂层（如FeCrAl及MAX相）的制备及高温服役性能,并对其高温服役后组织演变规律及互扩散行为进行了归纳。对当前研究进展及锆合金包壳管冷喷涂涂层现阶段存在的问题及未来的发展进行了总结和展望,旨在提高应对冷却剂丧失事故时核电站的运行安全性。

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铁基非晶涂层的研究现状及应用

胡明超, 赵运才, 王慧鹏, 黄艳斐, 邢志国, 朱合法, 郭伟玲, 王海斗

中国表面工程. 2025, 38(4): 179-197.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240716002

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铁基非晶合金以其优异力学性能、软磁性能和耐磨耐腐蚀性能,被广大研究者所关注。但铁基非晶合金块体材料的室温脆性及尺寸限制严重影响其在表面防护中的应用,而铁基非晶涂层在突破非晶合金块体材料的室温脆性及尺寸限制的基础上还保持了其高硬度、高耐磨耐腐蚀性能的特点,使其能出色地应用于零件的表面防护,因此针对铁基非晶涂层的研究现状进行系统地总结。主要从铁基非晶涂层材料、涂层制备技术、涂层耐磨耐腐蚀性能以及实际应用四方面综述了近年来铁基非晶涂层的研究进展。结果表明：铁基非晶涂层材料中“Fe-ETM-LTM-M”型的铁基非晶合金粉末的玻璃形成能力最高,雾化法制备出的铁基非晶合金粉末最适用于非晶涂层制备;热喷涂技术制备出的涂层成分均匀,结构致密;激光熔覆技术制备出的涂层能与基体形成冶金结合,结合强度高。因此热喷涂技术和激光熔覆技术成为制备铁基非晶涂层最常用的两种技术,并且都可通过相应的技术调整或添加辅助场手段使制备出的铁基非晶涂层性能更佳;在制备涂层过程中,调配元素组成、增强相的加入和预 / 后处理都可以为铁基非晶涂层的耐磨耐腐蚀性能的改善做出贡献,扩大了其在复杂工况中的应用前景;铁基非晶涂层通过科研技术人员的性能调控,已在军事、核工业、电力材料防护等方面发挥关键作用。从上述四个不同的角度阐述了铁基非晶涂层的性能提升以及实际应用现状,以期为广大铁基非晶涂层开发的科研技术人员提供参考。

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拉伸应力激励时铁磁性材料表面三维金属磁记忆信号变化规律

王慧鹏, 李海航, 石家龙, 董丽虹, 王海斗, 刘惠中

中国表面工程. 2025, 38(4): 198-207.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240417001

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目前金属磁记忆损伤检测主要采用一维及二维磁记忆信号检测损伤,但磁场是三维向量,仅用一维及二维信号无法准确表达损伤信息。为丰富金属磁记忆的检测机理与检测依据,采用试验分析与理论研究的方法,对单应力激励下母材试样与对接焊试样表面三维金属磁记忆信号的变化规律进行探究。主要结论如下：施加轴向应力后,母材试样表面B_x和B_y信号为平直线,B_z信号为斜直线,B_x和B_y信号的均值以及B_z信号的斜率值随应力增加而增大,并在塑性变形后快速下降,三者均能用于表征应力大小;对接焊试样在焊缝区域B_x和B_z信号具有明显的异变信号,能够指示焊缝位置,B_x信号的均值和峰值以及B_z信号的斜率值可用于表征试样受到轴向应力的大小。获取了准确、全面的三维金属磁记忆信号幅值及特征变化规律,基于磁荷理论和磁导率模型建立了金属磁记忆信号的物理模型,可对应力损伤进行定位与定量。

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氮化物中间层对碳薄膜结构及摩擦学性能影响研究

赵燕春, 何瑞芳, 高凯雄, 张斌, 王欣, 许春玲

中国表面工程. 2025, 38(4): 208-220.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240422001

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类金刚石（Diamond like carbon, DLC）膜具有高硬度、高耐磨和高化学稳定性等特点,已被广泛应用于航天领域。但类金刚石膜在摩擦过程中存在较高的内应力,在复杂的耦合载荷下极易发生膜脱落。利用中频磁控溅射技术在Si基底上制备了系列多层结构的含氢碳薄膜。采用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、原子力显微镜、显微共聚焦拉曼光谱仪、纳米压痕仪、表面轮廓仪和摩擦试验机等表征测试手段,考察了TiSi / TiSiN / TiSiC / a-C:H薄膜的结构、表面形貌、力学及摩擦学等性能。结果显示：随着中间层氮气含量的增加,含氢碳薄膜沉积速率有增大趋势,在N-10（氮流速10 mL / min）样品中薄膜生长的最快。力学和摩擦试验结果表明：在N-10样品中,含氢碳薄膜具有最高的硬度（15.50 GPa）、最小的残余应力（-0.5 GPa）和最强的结合力（13.4 N）。同时,该薄膜在摩擦过程中具有最优的减摩耐磨性能,磨损率达到最小值为1.8×10^-8 mm³/ (N·m)。较N-0（无氮）样品,其余样品都具有较大的硬度和良好减摩耐磨性能,表明加入中间层TiSiN可以提高a-C:H薄膜的力学与摩擦学性能。试验结果将为航空齿轮钢基体上制备耐磨损DLC多层薄膜提供技术方案和理论依据。

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DLC薄膜对A100钢摩擦学及力学性能影响研究

杜娟, 高深远, 虞文军, 樊小强, 朱旻昊

中国表面工程. 2025, 38(4): 221-232.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240529002

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航空航天领域中,超高强度钢在高应力、高磨损的服役工况下仍存在较为严重的摩擦磨损。而固体润滑薄膜与润滑脂作为提升金属基体耐磨损性能的关键手段,发挥着举足轻重的作用。采用磁控溅射技术成功地在A100钢基体上沉积了致密的DLC薄膜。试验结果表明,在石墨烯润滑脂润滑状态和干摩擦条件下,DLC薄膜均能有效降低A100钢基体的摩擦因数与磨损率。干摩擦时,磨损率由14.38×10^-6 mm³/ (N·m)下降到0.47×10^-6 mm³/ (N·m),显著提升其耐磨性能。进一步对A100-DLC复合材料的力学性能进行测试,结果显示相较于A100钢,该复合材料展现出更为优异的抗疲劳性和弯曲力学性能。结果表明,DLC薄膜不仅提高基体的耐磨性,还增强其整体力学性能,从而提高金属基体的使用寿命。此外,探索了固脂复合条件下的润滑效果,试验发现,DLC薄膜与石墨烯润滑脂之间产生了良好的协同效应,共同作用能够发挥更出色的减磨抗磨效果。综上所述,通过磁控溅射技术制备的DLC薄膜与石墨烯润滑脂的复合应用,为提升金属基体的耐磨损性能提供了有效的解决方案。这一研究具有重要的实际应用价值,有望为工业领域的耐磨材料设计和应用提供新的思路和方法。

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Invar 36表面脉冲直流磁控溅射制备AlN薄膜的择优取向调控及性能

吴熠, 唐国梁, 李文举, 肖舒

中国表面工程. 2025, 38(4): 233-243.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231129001

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为提高OLED蒸镀制程中Invar 36合金掩膜板的防护性能,采用反应磁控溅射在Invar 36合金基材表面制备AlN薄膜。因AlN薄膜的性能与择优取向相关,通过探究三种基底转速（0、5和20 r / min）对择优取向的影响以实现性能的调控。采用X射线衍射、扫描电镜和能谱仪分别对AlN薄膜的晶面取向、截面形貌、沉积速率、晶体结构及成分进行表征。结果表明,从0到20 r / min转速的提升会增大薄膜的晶粒尺寸,静止沉积有利于AlN(002)的生长,提升转速则促进AlN(100)的生长。对两种不同择优取向的AlN薄膜进行绝缘性能和耐F^-腐蚀性能测试,(002)取向具有更高的表面电阻率（1.3×10¹⁴Ω）,表现出更优异的绝缘性;在1 mol / L的NaF溶液体系中(100)取向具有更低的腐蚀电流密度（1.62×10^-9A / cm²）,表现出更优异的耐F^-腐蚀性能。阐明转动动能对AlN薄膜择优取向生长的影响机理：①静止及低速条件下的低转动动能有利于吸附原子在基材上的堆叠,具有足够的表面扩散能形成(002)取向;②转速增加可以提高转动动能,使吸附原子偏离原有沉积区域并获得基材表面切向的能量,对表面扩散能存在抵消作用,影响原子重排过程并因此形成(100)取向。针对两种AlN取向进行性能测试,表明不同取向具有不同的优势性能。转动动能对取向影响的机理阐明和不同取向的性能测试结果为实现Invar 36合金表面AlN薄膜的可控制备和防护性能提升提供理论指导。

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纳米二氧化硅 / 氟碳树脂耐用超疏水复合涂层制备及防覆冰特性

石尔, 刘博文, 赵斌, 姜昌伟, 周武林

中国表面工程. 2025, 38(4): 244-254.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240903003

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现有超疏水涂层在风力机叶片防覆冰应用中存在制备复杂和耐久性不足的问题。为解决这一问题,采用二步喷涂法在玻璃纤维增强环氧树脂基材上制备出接触角达156.1°的超疏水复合涂层。将疏水性的氟碳树脂作为粘合剂层喷涂后,再将γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷偶联剂改性的二氧化硅纳米颗粒分散体喷涂到半固化的粘合剂层,通过自由沉降使得纳米颗粒在氟碳树脂内均匀分布,并增加涂层的疏水性。研究表明：复合涂层表面形成典型的超疏水微纳米结构,涂层中各元素分布均匀。涂层经400目砂纸磨损160个周期后,接触角、滚动角分别保持在152.9°和8.7°。超疏水复合涂层表面在-12 ℃工况下,结冰粘结强度为97.6 kPa,相较未涂层表面降低了72.1%,延迟结冰时间长达2 413 s,相较未涂层表面增加了574%;模拟雨凇动态覆冰工况下,覆冰质量为4.63 g,相较未涂层表面减少了54.58%。二步喷涂法和自组装沉降技术有效提高了超疏水复合涂层的防覆冰性能和耐久性,为风力机叶片防覆冰领域的实际应用提供了新的解决方案。

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基于Fe₃O₄@SiO₂复合粒子的光热超疏水涂层制备及性能

谢雨龙, 李黎, 罗超月岭, 谢毅, 陈俊武

中国表面工程. 2025, 38(4): 255-265.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240805001

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覆冰现象在电力系统中易引发安全故障,超疏水涂层虽然在防冰方面得到广泛应用,但在覆冰后的防冰和主动除冰能力上存在明显不足。针对该问题,通过引入光热转换材料,开发一种新型的光热超疏水防冰涂层。在改性SiO₂分散液中加入光热材料Fe₃O₄,制备得到的Fe₃O₄@SiO₂复合粒子,在保留涂层浸润特性条件下,显著提高了防冰和除冰能力。测试结果表明,制得涂层表面接触角达到158.0°,滚动角小于3°,具有较好的防浸润特性。在无光照条件下,涂层的覆冰时间较传统材料表面延长了2.71~8.17倍,在光照条件下,涂层在1 000 s内未出现结冰现象。光热融冰试验表明,制得涂层的光热融冰能力至多缩短65.83%。此外,耐候性试验表明,经过高温作用、循环覆冰和磨损后,该涂层仍可保持其防浸润特性与防冰能力。研究成果可以为电力系统提供一种高效、可靠的防冰解决方案。

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PS-PVD YSZ / GZO复合涂层制备工艺优化

李新慧, 何箐, 王世兴, 由晓明, 邹晗, 赵乾

中国表面工程. 2025, 38(4): 266-279.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240604003

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目前等离子物理气相沉积（PS-PVD）技术为制备高隔热、长寿命柱状结构热障涂层提供了巨大潜力,但PS-PVD工艺参数较多、工艺复杂,且各参数之间存在交互作用,导致涂层微结构及性能存在明显差异。为探究PS-PVD工艺参数对涂层微结构及性能影响的交互作用规律,采用田口试验方法（Taguchi method）,以喷涂电流、喷涂步进和送粉速率等工艺参数为影响因子,以涂层微结构特征、燃气热冲击寿命等为响应值,分析各响应值均值的主效应图、方差以及交互作用。研究结果表明,在其他参数一定的情况下,对YSZ / GZO涂层寿命影响的显著性依次是喷涂步进>喷涂电流>送粉速率,这种情况下优选的工艺参数依次为喷涂步进200 mm,喷涂电流2 200 A,送粉速率10 g / min,1 350 ℃燃气热冲击寿命可达3 062次。通过田口试验方法系统研究各工艺参数之间的交互作用以及对涂层微结构和燃气热冲击寿命的影响规律,有效提高试验数据的准确性、可靠性,降低研发成本及试验周期,制备出高性能、长寿命PS-PVD YSZ / GZO复合涂层,掌握了该复合涂层微结构调控及可控制备方法。

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甜菜碱衍生物与Na₂SiO₃复配在碱性介质中对铝合金表面的缓蚀性能

敖然, 袁春华, 何伟, 贾艳, 陈博

中国表面工程. 2025, 38(4): 280-293.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240112003

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铝合金作为因其优异的性能被广泛地应用于生活中的各个领域,但铝合金在碱性介质中很容易发生腐蚀。为抑制这种腐蚀的发生,探究1-（3-硫丙基）-2-乙烯基吡啶甜菜碱（SVPB）单独以及与Na₂SiO₃两者在 0.01 mol·L^-1NaOH溶液中混合对AA2024-T3铝合金的缓蚀性能。采用失重法、电化学法、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、量子化学计算和分子动力学模拟来研究SVPB单独及与Na₂SiO₃复配对铝合金表面的缓蚀作用及缓蚀机理。结果表明,单独使用SVPB和Na₂SiO₃为缓蚀剂对铝合金的缓蚀效果不佳,但将SVPB与Na₂SiO₃复配后,缓蚀效率有明显提升,当SVPB的浓度为5×10^-3 mol·L^-1,Na₂SiO₃的浓度为7×10^-3 mol·L^-1时,缓蚀效率最高达到92.37%,发现该复配缓蚀剂为控制阳极过程的混合型缓蚀剂。AFM和XPS结果表明,该复配缓蚀剂能有效吸附在铝合金表面形成一层缓蚀分子膜层,能有效的防止金属不受腐蚀。计算吸附模型表明该复配缓蚀剂符合Langmuir吸附等温线,量子化学计算和分子动力学模拟也能证明缓蚀剂分子能吸附在铝合金表面。研究结果不仅丰富了相关领域的理论基础,还为寻找环保、低成本和高效的缓蚀剂提供可靠的途径。

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氧分子在CrN(111)表面吸附的第一性原理

贵宾华, 周晖, 汪科良, 赵蒙, 何延春, 马占吉, 杨拉毛草

中国表面工程. 2025, 38(4): 294-303.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241009004

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为深入探究氧分子在氮基涂层表面的吸附作用机理,利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算氧分子在CrN(111)表面不同点位吸附体系的吸附能、电子结构以及能态密度,阐明CrN(111)表面吸附氧分子的微观作用机制。吸附能方面,氧分子在CrN(111)表面hollow-Cr点位吸附能最低,可达-5.17 eV。针对不同吸附点位,被吸附氧分子与表层Cr及N原子间呈现出明显的电荷转移现象,表明吸附O原子与表层Cr及N原子间形成了离子键交互作用。同时,表层Cr原子3s、3d及N原子2p轨道与O原子2p轨道态密度峰的重叠与共振,表明吸附体系原子间产生了轨道杂化作用。此外,受氧分子吸附作用影响,CrN(111)表面原子发生明显结构弛豫,表层及次表层原子间距呈收缩状态;同时,不同吸附点位氧分子均未发生角度偏转,但bri-Cr-Cr点位氧分子出现明显位移,偏移至hollow-Cr吸附点位。以上结果表明,吸附氧分子与表层Cr及N原子间呈典型离子交互作用与共价交互作用共存状态,进而形成稳定的O₂ / CrN(111)吸附体系,且以hollow-Cr为最稳定吸附位。

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NiO / g-C₃N₄异质结复合材料的制备及光催化性能

李静, 韦武君, 蔡文昊, 涂川俊, 罗宏, 刘艳丽

中国表面工程. 2025, 38(4): 304-312.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20250311001

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光催化技术因其绿色、高效等优点有望应用于污水体系中四环素的处理,但目前被广泛研究的石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为光催化剂使用尚存在催化效率过低的问题。通过水热法和热聚合法制备氧化镍 / 氮化碳（NiO / g-C₃N₄）异质结复合材料,通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析仪（EDS）分析所制备材料的形貌特征及元素组成,通过X射线衍射仪（XRD）和傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）分析物质组成及官能团结构,通过X射线光电子能谱仪（XPS）对材料的化学键及元素组成进行分析。通过紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和莫特-肖特基测试（Mott-Schottky）分析所制备异质结的价带导带结构,最后通过光催化降解四环素比较不同比例异质结的性能。结果发现,复合材料（NiO / CN-2）具有较优的光催化降解能力,60 min可降解79.4%的四环素,降解速率约为纯相g-C₃N₄的三倍。这归功于异质结形成后,光生电子和空穴的有效分离,激发自由基的产生以提高复合材料的光催化效率。

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仿贝壳织构化多金属层涂层表面耐磨耐蚀行为

许静, 蔡林烜, 杨俊彦, 廖毅弘, 连加俤

中国表面工程. 2025, 38(4): 313-323.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20231124002

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海洋设备的磨蚀已经成为探索海洋资源的重要难题。为提高涂层耐磨性能,提出仿贝壳织构多金属层涂层,为耐磨耐腐蚀性能的统一设计提供设计思路。以316L不锈钢为基体,采用激光加工制备仿贝壳织构环纹（hw）、肋条（lt）、环纹肋条（hwlt）,采用物理气相沉积法分别制备TiCrCu、TiCr、TiCu、CrCu多金属层涂层,通过扫描电子显微镜、能谱仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站观察,研究涂层与织构化表面的耐磨耐蚀机制,分析织构与涂层的协同作用机制,提出利用织构与涂层互相改善其缺陷的新策略。摩擦测试表明：在干、水（3.5wt.% NaCl溶液）、油（切削液）这三种环境下,织构化涂层样品的摩擦因数明显低于光面涂层样品,摩擦因数最大降低73%,这是由于织构能够将部分滑动摩擦转换为滚动摩擦,且存储溶液形成润滑膜。腐蚀测试表明：环纹肋条织构样品具有低频阻抗,容抗弧半径均小于环纹肋条化涂层,且自腐蚀电流密度均低于环纹肋条织构样品。此外,环纹肋条化涂层样品的耐腐蚀性能分别提高40%~81%,样品的耐蚀性依次为TiCrCu-hwlt>TiCr-hwlt>TiCu-hwlt>CrCu-hwlt>hwlt,归因于致密均匀的多金属涂层修复了织构的缺陷,填补微纳米间隙,阻止电荷的运动,抑制金属腐蚀的进一步发生。织构化多金属层复合涂层能够弥补各自的缺点,其形性协同效应可以有效改善材料表面的磨蚀性能,为后续海洋设备摩擦腐蚀的防护研究提供新思路。

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铝合金表面复合漆层连续激光清洗的机理

杜蓉, 张志强, 张天刚, 康嘉杰, 侯云梦, 刘洪丽

中国表面工程. 2025, 38(4): 324-334.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241008001

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2A12铝合金广泛应用于航空航天领域,其表面复合漆层的高效去除对于再制造和修复具有重要意义。相比传统的化学或机械除漆方法,激光除漆技术因其高效、精准、环保等优势成为研究热点。为探讨连续激光清洗的作用机制,采用COMSOL Multiphysics软件对激光除漆过程进行数值模拟,并结合二氧化碳连续激光在三种扫描速度下进行除漆试验,分析除漆后的表面成分和微观形貌,模拟漆层内部温度场和应力场分布,深入探讨连续激光清洗的作用机制。试验结果显示：当扫描速度为3 000 mm / s时,残留少量面漆且底漆未被除去;当扫描速度为2 100 mm / s时,底漆几乎完全去除,暴露出大量氧化膜;当扫描速度降至1 200 mm / s时,氧化膜表面出现大量裂纹,并在裂纹交界处形成明显凹坑。研究发现,连续激光多道多次除漆过程中主要的除漆机制为烧蚀效应和热应力振动效应。随着扫描速度的降低,材料表面长时间受到激光辐照,能量累积效应增加,烧蚀效应更为显著;而在较高扫描速度下,激光迅速扫过表面,材料内部温度梯度较大,热应力引发的振动现象则更为突出。研究揭示了扫描速度对激光除漆效果的影响规律,明确了连续激光清洗的主要作用机制,为铝合金复合漆层的高效去除提供了理论依据和试验支撑。

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基于激光熔覆机器人的复杂曲面路径规划与实现

宋玉杰, 吴意发, 祖海英, 陈文启

中国表面工程. 2025, 38(4): 335-346.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240604002

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目前激光熔覆技术可用于简单平面零件局部损伤表面的修复,但针对复杂曲面零件的激光熔覆修复还存在许多问题。为实现激光熔覆再制造技术在复杂曲面上的应用,结合逆向工程和机器人技术,开展复杂曲面激光熔覆路径的生成研究。基于逆向工程,以螺杆泵转子的螺旋曲面作为研究对象,利用等距平行平面组与试件表面求交得到熔覆路径,针对传统等弓高误差法在曲率变化较大场合的局限性,提出一种曲线离散方法离散熔覆路径,完成路径平滑过渡处理。通过机器人正逆运动学分析验证和运动链的解耦分析,完成激光熔覆机器人轨迹规划;在机器人离线编程软件PQart中搭建机器人激光熔覆仿真平台,进行仿真模拟。选取合适材料与工艺参数,开展复杂曲面机器人激光熔覆试验。结果表明：该方法下的激光熔覆加工路径与曲面轮廓的最大弓高误差在设定目标值范围内,熔覆曲面表面平滑,波纹度小,在曲率变化较大部位搭接良好,整体成型质量较好。研究实现了复杂曲面零件的路径规划,并验证了其合理性与有效性,可为激光熔覆技术在复杂曲面零件上的修复提供参考。

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兜孔织构的圆柱滚子轴承打滑及生热特性

刘延斌, 李旭莹, 宁仲

中国表面工程. 2025, 38(4): 347-362.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240806003

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高速圆柱滚子轴承的保持架打滑及摩擦生热是亟待解决的问题,圆兜孔-滚子在滚子轴承中具有高滑速和协调动态接触的特征,在兜孔表面添加微织构势必影响兜孔润滑、保持架打滑及轴承摩擦生热,但其影响规律目前尚不清晰。基于动态Reynolds方程和Winkler弹性基础模型,建立沟槽织构圆兜孔-滚子协调动态接触润滑模型,运用牛顿-欧拉动力学理论,建立轴承的动力学模型,采用有限差分法、多重网格法及Runge-Kutta积分法实现兜孔润滑与轴承动力学模型的耦合求解,研究圆兜孔沟槽织构的面积率、沟槽数和沟槽深度对兜孔润滑、保持架打滑及轴承摩擦生热的影响规律。结果表明：无论兜孔是否有织构,当轴承高速稳定运转时,兜孔油膜的压力 / 厚度分布主要取决于滚子的方位角,在非承载区滚子与兜孔后侧的油膜压力远大于与前侧的油膜压力,在承载区则与之相反,但是有沟槽织构的兜孔能够保证双侧都有流体动压效应,而无织构的兜孔则不能保证双侧都存在流体动压效应;有沟槽织构的保持架打滑率和轴承摩擦功耗均比无织构的低,且在沟槽深度小于0.17 mm的范围内,保持架打滑率和轴承摩擦功耗随着沟槽深度的增加而减小,然而当沟槽深度大于0.17 mm时,保持架打滑率和轴承摩擦功耗均有所回升;保持架打滑率和轴承摩擦功耗随着织构面积率的增加而减小;沟槽数对保持架打滑率和轴承摩擦功耗的影响不大。建立兜孔润滑 / 轴承动力学耦合模型,探究兜孔表面织构对兜孔润滑、保持架打滑及轴承摩擦生热的影响规律,可为圆柱滚子轴承的摩擦学 / 动力学耦合分析及防滑减摩研究提供参考。

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微织构对超薄气膜轴承润滑行为影响

吴垚, 韩冷, 郗文君, 刘钊, 辛骅, 张萌

中国表面工程. 2025, 38(4): 363-381.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20241031008

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表面织构技术是改善轴承摩擦学性能的有效手段,而织构化微型动压气体轴承的润滑机理尚不明确。将基于Boltzmann方程的稀薄效应模型引入可压缩气体润滑模型,考虑超薄气膜和单个织构网格的奇偶一致性,结合中心差分法和超松弛迭代法数值求解,系统研究微轴承的承载能力、摩擦因数和最大气膜压力等随凸包 / 凹坑菱形、六边形、圆柱形、球形、正方形及等边三角形织构和轴承结构参数的变化规律。结果表明,微型气体轴承的长径比较小时,表面微织构形状和凹凸性的作用效果可以忽略。相比光滑表面微型气体轴承,随着轴向和周向织构数目增加,凹坑型织构微轴承的承载能力和摩擦因数逐渐降低,而凸包型微织构对承载能力和摩擦因数均有增强作用。六边形凸包织构的强化程度最显著,正方形次之,随后是圆柱形、菱形、球形和等边三角形织构。织构面积率和偏心率越大,承载能力和摩擦因数的波动幅度越大。凸包织构化微轴承的承载能力和摩擦因数随织构深度的增加而增大,凹坑型织构则表现出相反的影响趋势。在气膜承载中心区域设置凸包型微织构可大幅提升气膜压力峰值。建立表面织构参数灵活可控的微型动压轴承超薄气膜润滑模型可为微织构优化设计和工程应用奠定理论基础。

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基于永磁交变磁场的黄铜管内表面磁粒研磨工艺

闫宇航, 丁云龙, 应骏, 孙岩, 韩冰, 巨东英

中国表面工程. 2025, 38(4): 382-392.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240511001

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为满足各类精密零部件的光整加工需求,解决加工黄铜管内表面缺陷时磁场单一和磁性磨粒团聚的问题很有意义。设计新型永磁交变磁场发生装置,使管内加工区域的磁场复杂化,提升研磨效率。通过步进电机控制研磨头内部永磁极的旋转实现磁场的交变;使用脉冲发生器控制步进电机的转速,从而控制磁场的交变频率。研磨时间为15 min、加工间隙为1.5 mm的条件下,通过响应面试验方法对比不同参数下黄铜管内表面的加工效果,得出最佳工艺参数分别为磁极转速95.921 r / min、磨料目数88.057目、主轴转速914.320 r / min。在使用最佳工艺参数研磨后,使用超景深3D电子显微镜和触针式表面粗糙度测量仪对黄铜管内表面进行检测,黄铜管经研磨后表面的原始拉伸纹理、凹坑以及沟壑均被去除,表面粗糙度由原始的Ra 0.581 μm降低到Ra 0.070 μm。新型永磁交变磁场能够促进管内磁性磨粒的翻滚运动,保证磁性磨粒具有良好的切削能力,提高磁性磨粒的使用率及研磨效果。设计永磁交变磁场磁粒研磨装置并通过响应面对试验数据进行优化,从而得出最佳工艺参数。

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4Cr13钢等离子电解表面淬火热处理工艺及性能

代锋先, 牛辰睿, 张俊杰, 刘自刚, 李洋

中国表面工程. 2025, 38(4): 393-401.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240816001

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现有热处理技术无法通过控制淬火温度和冷却速度获得软硬组织交替出现的高硬度和高淬硬深度的硬化层。针对这一难题,采用等离子电解表面淬火热处理技术在4Cr13钢表面形成过热电解质蒸气的等离子体层,通过集中电解液液压流和电压控制等离子体层中的能量密度对表层进行高速加热和冷却。结果显示：在加热区域表面外貌未烧蚀的情况下,淬火区域淬硬层硬度达到800 HV_0.1左右,淬硬层硬度相对基体提高3~4倍,500 HV_0.1以上的淬硬深度2~3 mm。表明等离子电解表面淬火热处理技术可以明显提升4Cr13钢的表层硬度和淬硬深度。因此,采用等离子体电解热处理技术可以对形状复杂的零件和不能使用其他常规方法处理的零件进行局部硬化处理,能够使得硬化层逐层形成,确保淬火前奥氏体晶粒的多次细化和均质化,同时获得软硬交替的组织结构,减小应力,提高工件在高硬度下的冲击韧性。梳理电解等离子表面淬火技术研究现状,对应用电解等离子表面淬火技术强化4Cr13钢表面质量的研究以及工艺路线优化有积极帮助。

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纯锌镀层热成形钢表面及涂装性能

龙袁, 李学涛, 郝玉林, 张博明, 徐德超, 刘华赛, 王松涛

中国表面工程. 2025, 38(4): 402-413.
https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20240728003

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纯锌镀层热成形钢主要应用于汽车结构件,其热处理后的涂装性能是制约其应用的原因之一。为使得该材料热处理后的表面状态满足涂装质量要求,结合涂装前处理反应机理和电泳性能要求,采用喷砂等方法改变其表面状态进行分析。研究结果如下：材料热处理后,材料表面最表层到铁基体依次为氧化层,Г 相,α-Fe(Zn) 相和铁基体,其中氧化层为一层含有 Al₂O₃、MnO、Fe₂O₃ 和 ZnO 厚度 2~4 mm 的复合化合物。该氧化层会抑制镀层在磷化液中的溶解过程,导致磷化膜覆盖率不足,进而引起耐蚀性能下降。延长涂装前处理脱脂工序时间来溶解去除氧化层中的两性氧化物,没有获得磷化膜覆盖率的有效提升,需要喷砂去除氧化层才能在镀层表面形成均匀、致密、覆盖率 100% 的磷化膜,电泳漆膜杯突和耐蚀性能才会获得明显提升。因此,材料热处理后生成的氧化层是导致镀层磷化性能和电泳耐蚀性能下降根本原因。通过分析纯锌镀层热成形钢热处理后的表面状态对涂装性能的影响,明确氧化层对磷化膜和电泳耐蚀的影响机理,说明去除氧化层是提升该材料涂装质量的重要手段,为纯锌镀层热成形钢进一步推广应用提供支撑。

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