微纳超疏水钛合金表面的制备及其性能研究

目的 制备超疏水自清洁的Ti6Al4V合金表面。方法 首先使用飞秒激光在Ti6Al4V合金表面预制备微米级结构,然后将预制备的样品置于1.0 mol/L的氢氧化钠溶液中,在超声水浴状态下进行电化学去合金,获得微纳米复合结构。经表面改性后,得到微纳超疏水钛合金表面。结果 经复合制备的微纳超疏水表面结构由微米级的梯形凸柱阵列,以及通过电化学去合金形成的三维纳米孔洞骨架和沉积的微米或亚微米金属氧化物组成。经过表面改性后,该微纳复合结构表面呈现优异的超疏水性,其接触角可达162.5°,滚动角低至3.4°。自清洁性能测试结果表明,该微纳超疏水钛合金表面展现出优异的低黏附性和自清洁性,1滴水对表面的清洁效率达到99.8%。激光加工参数与静态水接触角之间的关系表明,接触角与扫描间距呈负相关,与能量密度、重复次数呈正相关。结论 飞秒激光结合电化学去合金方法制备的具有微纳结构的钛合金表面呈现出优异的超疏水自清洁性能,通过改变激光加工参数能够有效增大表面的静态水接触角,为后续研究提供了一定参考。     

烧结多孔Cu-Zn合金的脱合金行为

采用粉末冶金工艺制备微米多孔Cu-Zn合金前驱体,进而脱合金制备微纳米多孔铜。首先研究了烧结温度对前驱体合金微观结构的影响,然后对比了不同前驱体在不同浓度盐酸溶液中脱合金后的相组成和微观形貌,最后分析了前驱体合金在脱合金过程中的电化学行为。结果表明,以粉末冶金法与脱合金法相结合,可制备出微纳米双级多孔铜。不同烧结温度会造成前驱体合金的物相含量和孔结构发生变化,进而造成其脱合金过程的显著差异。Cu_(30)Zn_(70)前驱体包含Cu_5Zn_8与CuZn_5两相,脱合金时CuZn_5相优先被腐蚀;而Cu_(50)Zn_(50)前驱体仅含CuZn相,腐蚀速率更慢。在0.1mol/L腐蚀液中,试样不能完全脱合金;腐蚀液浓度增大至0.5 mol/L时,前驱体中的Zn完全脱去,微米级韧带由纳米多孔结构构成,其微米孔孔径为3.02～3.68μm,纳米孔孔径为157～183 nm。     

原子层沉积技术在微纳器件中的应用研究进展

原子层沉积(ALD)是一种新型的精确表层薄膜制备技术,具有沉积面积大、薄膜均匀、膜厚纳米级可控生长、低温性等特点,适用于纳米多孔和高深宽比基底材料,可应用于三维微纳结构器件的功能薄膜材料制备,广受国内外学术界和工业界的关注。综述了ALD技术发展历史和技术原理,介绍了ALD技术在微纳器件中的应用进展,涉及半导体微纳集成电路、微纳光学器件、微纳米生物医药等高新技术领域,对ALD技术当前存在的问题进行了分析,并展望了未来发展方向。     

快速凝固共晶铝硅合金的组织特征及形成机理

利用单辊甩带方法制备Al-12.6Si多元合金快速凝固条带,采用扫描电镜、透射电镜和DSC技术,对合金组织形貌、相结构进行了表征。结果表明：快速凝固不仅使合金组织细化,形成微纳米晶,并能使组织和相结构发生变化,形成了大量的α-Al等轴晶和少量的羽毛针列状共晶体组织。     

超快激光制备金属抗反射表面的研究进展∗

金属材料抗反射表面在太阳能电池、光电子产品和军事隐身等领域具有广泛应用,制备微结构的金属抗反射表面具有极大地挑战性,通常这种结构是通过相当复杂和耗时的技术制备。 超快激光微加工技术刻蚀的微纳抗反射结构具有可控、稳定、环保且单步制备等特点,已成为近年来的研究热点。 梳理抗反射表面的理论模型及影响因素,概述国内外超快激光刻蚀抗反射表面的结构类型,提出未来超快激光制备金属微纳结构可能在太阳能电池的开发和利用、军事隐身及环保产品的应用等领域得到应用。 最后,总结超快激光刻蚀制备抗反射微纳结构表面存在的问题,并对超快激光加工微纳结构抗反射多功能表面的应用前景进行展望。 结果表明:超快激光在金属表面织构能够制备纳米、微米和微纳混合多种类型的微纳结构,实现了金属表面多种波段的超宽波谱的低反射率。 随着波长的增加,具有微纳米结构的金属表面的反射率比具有相对光滑结构的金属表面的反射率增加得更慢。 对超快激光制备金属抗反射表面在各领域的应用研究有一定的理论依据与参考意义。     

核壳结构石墨/磁性纳米合金复合微球的制备

以硫酸亚铁、硝酸钴、硫酸镍、碳酸钠和石墨微球为主要原料,利用非均相沉淀工艺分别制备出水合氧化铁、碱式碳酸钴和碱式碳酸镍包裹石墨微球的前驱体复合微球;然后将前驱体复合微球于600℃热还原处理2 h,分别得到了钴铁、铁镍和钴镍磁性纳米合金颗粒层均匀包裹石墨微球的粉体材料.利用SEM,EDS,XRD对前驱体复合微球和核壳结构石墨/磁性纳米合金复合微球的形貌、成分、物相进行了表征,利用VSM对核壳结构石墨/磁性纳米合金复合微球的磁性能进行了研究.这些核壳结构复合微球的磁性合金颗粒层分别由晶粒为37.9 nm的Co0.5Fe0.5、38.5 nm的Fe0.5Ni0.5和38.2 nm的Co0.5Ni0.5组成,相应的矫顽力分别为36676,20972,16894A/m.     

生物医学诊疗用磁性微纳材料

磁性微气泡是由包膜微气泡和磁性纳米粒子组成的微纳复合结构,由于其具有超声对比剂和核磁共振对比剂的双重特性,已被应用于双模造影领域。声致穿孔现象（Sonoporation）使得磁性微气泡能介导多种生物学效应,使其在药物输运和基因转染等方面有潜在的应用价值,而磁性微气泡与各种生物分子（抗体、肿瘤标记物等）的偶联,又扩展了磁性微气泡的应用领域,可用于分子影像诊断和靶向治疗肿瘤等方面,可以说磁性微气泡是新一代的生物医学诊疗用磁性微纳材料。总结了磁性微气泡的制备方法,磁性纳米颗粒与微气泡的结合方式,磁性微气泡的功能扩展,以及磁性微气泡在生物医学诊疗领域的实验研究,最后对磁性微气泡在未来的发展方向提出了一些构想,展望了磁性微气泡在诊疗学上广阔的应用前景。     

单/双咪唑环阳离子结构对离子液体薄膜微/纳摩擦学性能的影响*

粘着、摩擦和磨损是影响微/纳机电器件稳定性和寿命的关键因素。利用浸渍-提拉法在硅基底上制备了两种具有单、双咪唑环阳离子结构的离子液体薄膜。采用热重分析仪评价了离子液体的热稳定性。利用原子力显微镜测定了薄膜的表面形貌和纳米摩擦学性能。利用球-盘式摩擦试验机考察了载荷和频率对薄膜的微摩擦学性质的影响。对比分析了基于不同阳离子结构的薄膜的微/纳摩擦学性能。结果表明:两种离子液体薄膜的纳米摩擦力随着原子力针尖扫描频率的增加而增加,且[BMIM]PF6薄膜的摩擦力低于2[BMIM]PF6薄膜。此外,[BMIM]PF6薄膜的微摩擦系数低于2[BMIM]PF6。因此,离子液体的阳离子结构对其作为薄膜的微/纳摩擦学性能有重要影响。     

激光刻蚀和阳极氧化对纯钛植入体表面性能的影响

钛本身为生物惰性材料,为了提高钛植入体的生物活性,制备出兼具微米级结构和纳米级结构的表面,发挥微纳米双级结构的协同效应。 采用纳秒激光刻蚀出微沟槽结构并在其表面进行阳极氧化,在钛表面制备了一种有序的微沟槽-TiO₂ 纳米管复合结构。 对各组不同表面结构的试件的表面形貌、粗糙度、亲水性、物相组成等进行表征。 应用生物矿化试验对不同组试件的生物活性进行评价。 与抛光表面相比,微纳米复合结构的表面粗糙度从 0. 281 μm 增加到 7. 297 μm,表面接触角从 73. 1°减小到 32. 1°,亲水性显著提高。 XRD 图谱显示,阳极氧化后经热处理的表面出现了锐钛矿(2θ= 26°)的特征峰,表明 TiO₂ 由无定型转变为锐钛矿型。 此外,与抛光表面和单一微/ 纳米结构表面相比,微纳组表面在模拟体液中浸泡 14 d 后沉积的羟基磷灰石层更致密。 采用激光刻蚀与阳极氧化制备的微纳复合结构可以显著提高钛表面的粗糙度和亲水性,且具有更加优异的生物活性。 此研究为在钛植入体表面构建规则的微纳米结构以改善生物活性提供了一种有效的方法。     

生物材料表面微纳结构对成骨相关细胞的影响

生物医用材料表面性能,包括表面形貌与化学组成,对诱导骨组织形成并形成骨整合具有重要作用。细胞行为对基底表面形貌和组成的依赖性决定了设计不同功能表面的重要性。作者小组多年来从事生物材料表面微纳结构相关研究。在微图形方面,结合微加工和磁控溅射技术制备出的羟基磷灰石微沟槽;采用溶胶一凝胶与复制微模塑相结合的方法制备了TiO2微图形;采用掩模曝光电化学微加工技术和喷射电化学微加工技术,在钛基底上制备多孔微图形;通过转移微模塑法与自组装技术相结合,得到壳聚糖与牛血清蛋白复合微图形。在纳米结构方面,采用电化学阳极氧化处理,获得一定管径和管长的二氧化钛纳米管。在微纳多级结构方面,结合高压微弧氧化和低压阳极氧化制备了微纳多级结构钛表面。除了考虑微纳结构单独效应之外,还考虑了微纳结构化与生物功能化的协同效应,即在具有微纳结构的生物材料表面通过层层自组装等手段进行生物化学修饰。最后通过成骨相关细胞培养实验及体内植入实验,考察各试样的生物活性。研究表明,微米尺度表面促进骨细胞粘附、增殖、分化等,而纳米尺寸结构以及微纳多级结构对细胞功能具有进一步促进作用。微纳结构化与表面功能化修饰存在有协同效应。这些研究结果为微纳米技术应用于人体植入研究提供了新方向。     

液相等离子喷涂技术研究进展

随着航空航天等高精尖技术的发展,涂层材料的研究与应用受到广泛关注。高性能涂层材料应用在航空发动机领域可以提高效率、减少能源损失、增加使用寿命。与传统的大气等离子体喷涂(APS)技术相比,液相喷涂技术可以制备出纳米或亚微米级多孔结构涂层。综述了液相喷涂技术的研究现状,并对喷涂形成机理、溶液的制备、涂层的微观结构及热稳定性能进行了分类讨论。首先,介绍了液相喷涂中悬浮液等离子喷涂(SPS)和溶液前驱体等离子喷涂(SPPS)的研究背景和意义,并对两者之间的差异和相关性进行比较说明;其次,对液相喷涂涂层的形成机理、溶液的制备以及工艺参数,对喷涂过程中液滴移动轨迹进行了分析;最后,对不同涂层的组织结构、热稳定性等方面进行了讨论,提出通过优化工艺条件,改善涂层的微观结构和性能,提高液相喷涂技术在工业中的应用价值。     

化学刻蚀法调控铝合金阳极氧化膜的表面结构及防腐性能

为了提高铝合金的耐蚀性能,采用化学刻蚀与阳极氧化相结合的方法在铝合金表面构造了微纳结构,经进一步化学修饰后得到耐蚀性能良好的表面防护膜层。利用扫描电子显微镜、红外光谱仪表征所制备膜层的表面形貌和化学成分,采用激光共聚焦显微镜测定样品的表面粗糙度,通过接触角测量仪和电化学工作站对膜层的润湿性和防腐性能进行表征,考察刻蚀时间对于膜层表面结构和耐蚀性能的影响规律。结果表明:当刻蚀时间为3min时,膜层的耐蚀性能最佳:相对于未经刻蚀的样品腐蚀电位正移了0.15V,腐蚀电流下降了两个数量级。且接触角最大(152°),这是由于此条件下制备的薄膜表面微/纳结构最完整、比例最合理。     

Al基准晶薄膜/涂层研究进展∗

准晶材料固有脆性限制其作为结构性材料的应用,广泛用于表面薄膜/ 涂层,而得到高纯度准晶相与控制准晶相变仍是应用难点。 围绕 Al 基准晶在表面薄膜/ 涂层应用方面,介绍真空蒸镀、溅射镀膜、热喷涂、激光熔覆等常用制备工艺,总结各工艺的特点。 分析准晶薄膜/ 涂层的成分、冷却速度、热处理对准晶相变的影响,合理的制备工艺和适当的后续热处理对薄膜/ 涂层中形成高纯度准晶有显著提升。 讨论相变对薄膜/ 涂层的力学性能、疏水性、摩擦性、耐腐蚀性和抗氧化性的影响,分析准晶薄膜/ 涂层在减磨耐磨涂层、热障涂层、太阳能选择性吸收薄膜等领域的应用前景。 综述了近 30 年准晶薄膜/ 涂层的制备技术及改性研究的重要结果和研究现状,提出了准晶薄膜/ 涂层应用方面存在的问题并进行了展望。     

微纳米生物活性玻璃的细胞基因激活性能研究

微纳米生物材料目前已成为生物医用材料领域一个研究热点和难点。大量研究表明具有微纳米结构特征的生物材料表现出了积极的生物学响应。生物活性玻璃（BG）具有较高的生物活性、生物相容性,是一类重要的骨修复材料。而微纳米生物活性玻璃（MNBG）因其具有特殊的形态结构和理化性能,引起众多研究者的关注。但是目前对MNBG的研究还主要集中在制备、表征以及其表面类骨羟基磷灰石矿物在SBF溶液中的形成活性等方面,关于MNBG的细胞相容性以及基因激活性能方面的研究还鲜有报道。通过溶胶一凝胶法结合模板仿生技术合成了具有特殊微纳米结构和形态的MNBG,并将其浸提液与MG-63细胞共培养,研究生物玻璃溶出物对细胞增殖,成骨相关基因和蛋白表达的影响,结果证明相比于传统的熔融法制备的生物玻璃（45S5）浸提液,MNBG浸提液能够明显促进细胞增殖,激活细胞成骨相关基因,上调相关蛋白的表达,为设计和制备具有基因介导作用的新型生物活性玻璃骨修复材料提供了理论依据。     

NiAl-W共晶定向凝固组织控制与W介纳米丝形貌

在300 K/cm 的温度梯度条件下,实施不同抽拉速率下的NiAl-1.5at%W共晶合金定向凝固,分析研究抽拉速率对W纤维相相间距、纤维相尺寸的影响规律,并使用盐酸双氧水溶液对NiAl基体进行选择性溶解,制备出当量直径小于500nm的钨纤维丝束。研究结果表明：随着抽拉速率的增大,W纤维相截面形状圆度增加, W纤维相相间距和W纤维相截面当量直径均减小,两者的比值在6.12到7.54之间,经选择性溶解获得W纤维具有多样的三维形貌,呈现出薄带状、珍珠串状和搭接状,发现其形貌与抽拉速率有关。     

超浸润油水分离膜及其研究进展

受到自然界中动植物表面超疏水/超亲水特性的启发,仿生超浸润膜材料作为一种新兴的油水分离材料引起了科研人员的广泛关注。首先通过对影响膜材料表面润湿性的基础模型进行分析,包括Young方程、Wenzel模型和Cassie模型,总结了制备超浸润膜材料需要调控的2个关键因素——表面张力和纳微多级结构。其次,对比分析了不同类型超浸润膜的油水分离过程,概述了超浸润油水分离膜的技术优势,包括油水选择性好、分离效率高、操作简单、能耗低等。揭示了常见超浸润膜对稳定油水乳液的分离机理,即基于膜孔径小于乳液尺寸的筛分效应;通过膜材料对油水截然相反的浸润性实现界面破乳和选择性分离。在此基础上,重点综述了近年来常见超浸润油水分离膜的研究进展,其中包括超疏水/超亲油膜、超亲水/水下超疏油膜、Janus膜、智能响应膜,并对不同类型的超浸润膜材料在分离过程中存在的技术优势和问题进行了分析。最后,提出了该领域研究存在的问题和面临的挑战,并对未来超浸润膜材料的发展方向和应用前景进行了展望。     

不同δ铁素体含量的1Cr17Ni2钢耐腐蚀性能研究

研究1Cr17Ni2不锈钢中不同δ铁素体相含量变化分别在FeCl₃溶液和HNO₃+HF溶液中的耐腐蚀行为。通过腐蚀失重率计算及光学金相显微镜、扫描电子显微镜的观察发现:在FeCl₃溶液中,δ铁素体的存在减弱了1Cr17Ni2不锈钢的耐腐蚀性能,δ铁素体是优选腐蚀相;而在HNO₃+HF溶液中,δ铁素体的存在增强1Cr17Ni2不锈钢的耐腐蚀性能,优选腐蚀相则变成了回火索氏体。通过表面腐蚀形貌表征可以实现反推其受到腐蚀介质环境的性质,为1Cr17Ni2不锈钢腐蚀失效与预防提供可行的方法和依据。     

Effect of selective dissolution on fatigue crack initiation in 2205 duplex stainless steel

The effect of selective dissolution on fatigue crack initiation of 2205 duplex stainless steel (DSS) was investigated in this study. In mixed sulfuric and hydrochloric acid aqueous solution, there existed two distinctly separated anodic peaks in the active-to-passive transition region of the polarization curve. Either ferritic or austenitic phase was selectively dissolved at each characteristic anodic peak potential. Under sinusoidal cyclic loading condition, however, selective dissolution did not assist fatigue crack initiation instead resulting in the elimination of stress concentration site in the selectively dissolving phase. As a consequence, under selective dissolution condition, fatigue crack initiated in the phase while its dissolution rate was lower with respect to the other constituent phase in the duplex stainless steel. The microstructural evolution of the corrosion fatigue crack initiation in 2205 DSS in the mixed sulfuric and hydrochloric acid solution is highlighted in this investigation.     

Fabrication of superhydrophobic Cu surfaces with tunable regular micro and random nano-scale structures by hybrid laser texture and chemical etching

Hydrophobic Cu surfaces with tunable regular microstructure and random nanostructures were fabricated by nanosecond pulsed laser texturing and chemical etching. The regular micro-scale roughness can be tuned from 5 μm to 30 μm Rz by nanosecond laser texturing while the ligament width and spacing of the random nano porosity about 10-50 nm can be realized by selective chemical etching. Wettability tests demonstrate that the Cu surface with this micro/nanostructural hierarchy, analogous to that of lotus leaves found in nature, is superhydrophobic with a water contact angle around 153°. The random nanostructure by selective etching plays an important role for hydrophobicity in addition to the regular microstructure by nanosecond laser texturing.     

基于配方均匀试验优化微弧氧化电解液浓度配比

目的 研究电解液中各电解质不同浓度配比下微弧氧化膜层的制备、微观结构及耐蚀性能,以确定最优配方.方法 基于配方均匀试验方法,在硅酸盐系电解液中对AM60B镁合金进行微弧氧化处理.引入微弧氧化反应的可行性和微弧氧化膜层的成膜性两个试验指标,分别评判本研究中某电解液配方是否具有实际应用价值,以及评价在某个电解液配方下所制得膜层的合格程度.利用涡流测厚仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子探针(EPMA)、硝酸点滴实验以及电化学实验等方法,分别表征膜层的厚度、微观结构、物相组成、元素成分及耐蚀性能.结果 当电解液中NaOH的质量浓度小于10 g/L时,方能获得表观完整且色泽均匀的微弧氧化膜层.当NaOH和KF的浓度配比接近,且两者之和约为Na2SiO3所占配比时,即Na2SiO3为19.24 g/L、NaOH为8.80 g/L、KF为11.96 g/L时,膜层中孔径的尺寸小,缺陷少,致密度最高,此时膜层的耐蚀性最好,与基体相比,该膜层的硝酸点滴耐蚀性提高了39倍,电化学耐蚀性提高了3个数量级.膜层主要由MgO、Mg2SiO4及少量的MgF2、MgAl2O4组成,但含量有差别.结论 实验设计方法的选择是保证本研究结果有效性的核心和关键.电解液中NaOH的浓度高低是决定某电解液配方是否具有实用价值的首要因素.只有Na2SiO3、NaOH和KF三者间具备适当的配比时,才能降低膜层中的微孔尺寸,减少微裂纹,提高其致密度,并能够在膜层中沉积更多的优质物相,这些是增强膜层耐蚀性的前提和保障.