多孔储液材料的仿生制备及其摩擦学性能研究进展∗

多孔储液材料因其优异的自润滑性能备受关注,特别是其孔隙结构参数与性能间对应关系的研究一直是学术界和工业界亟待解决的问题。 针对该类多孔储液材料,从来源、制备方法以及摩擦学特性等方面对其发展脉络及面临的问题进行梳理和分析,认为在仿生关节软骨制备适合工业应用的摩擦副方面,如何提取关键仿生特征参数是关键。 目前在进行服役可靠性、工况适应性分析时,多用孔隙率来表征多孔结构特征,在明晰孔隙形态参数(孔径,分布,贯通型等)与力学-物理性能、润滑状态之间的映射关系方面存在明显的不足,导致从优化孔隙形态参数入手实现多孔储液材料力学-物理性能与摩擦学性能的统一方面仍具挑战性。 3D 打印技术的快速发展有望解决当前多孔材料成形过程中孔隙形态参数不可精确控制的问题,并为其自润滑理论的发展提供有效试验手段。     

等离子体表面改性用于提高人工关节、椎间盘耐磨耐蚀性的研究进展

人工关节置换术和椎间盘置换术是目前治疗严重关节类疾病和椎间盘疾病的重要手段。人工关节和人工椎间盘在体内服役时,摩擦配副(关节头-关节臼、髓核-终板)需要往复运动数千万次,磨损产生的磨屑和腐蚀释放的有毒金属离子会导致关节假体松动、椎间盘假体下沉等临床并发症的发生。为了提高关节假体和椎间盘假体的耐磨损性能和耐腐蚀性能,研究者们采用等离子体表面改性技术在假体表面制备生物相容性好的陶瓷薄膜,希望显著延长关节和椎间盘假体寿命。文中综述了等离子体表面改性技术在提高人工关节、人工椎间盘耐磨损、耐腐蚀性能中的应用及存在的问题,总结了人工关节表面薄膜失效的主要机制,最后结合人工关节和人工椎间盘体内服役的特点,提出制备具有"体内磨损自修复功能"的薄膜来达到显著增加薄膜耐腐蚀、耐磨损性能的目的,从而延长活动金属植入假体在患者体内的服役寿命。当具有"体内磨损自修复功能"的薄膜改性假体在体内服役时,初始阶段的摩擦磨损会释放金属离子,从而促进生理介质中蛋白质等有机成分在磨痕表面沉积,在摩擦界面形成一层蛋白生物膜,这层蛋白生物膜在剪切力和金属离子催化作用下转变成为"类石墨碳润滑膜",能够对磨痕进行修复和润滑,增加假体的耐磨损特性。     

医用钛合金表面改性及其生物摩擦学的研究进展

综述了医用钛合金常用的化学改性和物理改性方法,介绍了改性后涂层的生物摩擦学性能,并对医用钛合金在提高耐磨性方面的改性技术进行了展望。提出了工艺改进和新材料开发等方面的建议。     

铝质材料的摩擦学表面改性

铝质材料阳极氧化膜系均匀、规则的微观多孔质结构，利用物理、化学或电化学的方法在其中沉积或原位合成润滑性物质，在保持阳极氧化膜质硬、耐磨特性的基础上，使其具有一定的白润滑性，是近十多年来铝质材料表面改性研究的热点领域之一，本文对该研究的基本原理和国内外发展概况进行了概述，并重点介绍了我们在这一方面研究中的一些最新进展和结果，分别介绍了三种新型体系的自润滑改性阳极氧化铝材料．     

铝质材料的摩擦学表面改性

铝质材料阳极氧化膜系均匀．规则的微观多孔质结构．利用物理．化学或电化学的方法在其中沉积或原位台成润滑性物质，在保持阳极氧化膜质硬．耐磨特性的基础上，使其具有一定的自润滑性．是近十多年来铝质材料表面改性研究的热点领域之一，本文对该研究的基本原理和国内外发展概况进行了概述，并重点介绍了我们在这一方面研究中的一些最新进展和结果．分别介绍了三种新型体系的自润滑改性阳极氧化铝材料。     

钛合金植入物材料的表面改性研究进展

简介了钛合金植入物材料的开发及表面改性技术。     

激光表面改性有机高分子材料的研究进展

有机高分子材料具有质轻、易成型、成本低等优点,在汽车、电子等领域有广泛的应用,但有机高分子材料的原始表面多数呈现化学惰性、表面能低,导致其应用受限。激光表面改性技术具有柔性化程度高、区域选择性好、可三维加工等诸多优势。简要综述了激光表面改性有机高分子材料的性能变化、机理和应用的国内外研究进展,表明通过激光改性可以在有机高分子材料表面形成诸如凸起、凹坑、沟槽、多孔和周期性结构等微观形貌,并使表面化学成分发生显著变化,进而影响其表面润湿性、表面能、吸附性、颜色和/或减阻等性能,这主要与有机高分子材料的自身特性、激光改性参数以及改性环境等因素密切相关,而且通过控制激光改性参数,还有可能实现对上述表面性能变化的精密调控。激光表面改性有机高分子材料在理论研究和实际应用中都具有巨大的价值,但目前对于激光表面改性有机高分子材料的理论研究落后于应用研究,还应进一步加强对改性技术和机理的探索与研究。     

仿生防冰表面研究进展

飞机、风电设备和输电线路等覆冰会降低工作效率,造成财产损失,严重时甚至威胁人民生命安全.仿生防冰表面具有低能耗、低污染等优点,成为国际研究热点.首先概述了仿生防冰表面的概念,根据作用机理将仿生防冰表面分为超疏水表面和超润滑表面.分别详细地介绍了两种防冰表面的防冰机理、仿生对象及制备技术.超疏水表面改变水的润湿状态,延迟水滴结冰,减小冰粘附强度,其仿生对象包括荷叶、水稻叶等,其制备技术包括光刻、等离子刻蚀等自上而下方法,及喷涂、化学气相沉积等自下而上方法.超润滑表面将固-气-液界面作用时的空气层替换为液体层,增强润滑,减小冰粘附,其仿生对象包括猪笼草、箭蛙皮肤等,其制备技术主要为多孔制备方法.随后介绍了仿生防冰表面技术的发展趋势.在保证表面疏水/冰性能的同时,直接或间接增强表面的稳定性和耐久性,构建具有良好环境适应性(如超双疏、柔性、透明、自清洁等)与防冰结合的多功能融合表面,是未来仿生防冰表面的重要发展趋势.最后,对当前仿生防冰表面的发展和挑战进行了展望.     

仿生微纳结构抗菌表面研究进展

介绍了天然抗菌微纳结构的特点及抗菌效果,从灵感来源、基底材料、构建方法、表面特性和结构、抗菌效率六个方面,总结了利用不同技术模拟蝉和蜻蜓的翅膀、蛾眼和壁虎皮肤微纳结构的仿生研究进展。阐述了材料表面微纳结构的形貌和粗糙度对抗菌效率的影响,发现具有多层次、间隔紧密、尖锐纳米柱结构的表面对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均表现出较强的抗菌活性。微纳结构抗菌表面与细菌相互作用,破坏细胞壁/膜,导致细菌死亡,该抗菌机制是物理机械性的,避免了细菌耐药性的产生。该综述为今后仿生微纳结构抗菌表面的发展提供了理论基础,并提出了未来的研究思路和发展方向。     

低温等离子体表面改性高分子材料研究进展

综述了低温等离子体技术的最新进展,指出目前最具开发潜力的低温等离子体有大气压下辉光放电等离子体和介质阻挡放电等离子体。经低温等离子体处理的高分子材料表面发生多种物理和化学变化,例如产生刻蚀、形成致密的交联层以及引入极性基团,使材料的亲水性、粘结性、生物相容性等得到改善,故低温等离子体处理技术广泛用于高分子材料的表面改性,重点介绍了低温等离子体在医用高分子材料、合成纤维材料、薄膜材料中的研究概况和进展。     

发动机零件的摩擦磨损机理和表面改性技术

有关研究表明,影响燃料消耗的两个主要因素是车身的自重和摩擦损失。在一个典型的发动机系统中,摩擦引起的损失超过总功率的40％。本文介绍了发动机零件摩擦磨损机理和表面改性技术的研究工作,以及普通的和新开发的润滑技术,和发动机摩擦学的研究方法。进而探讨了为减少摩擦损失,在发动机零件上采用表面改性技术的发展趋势。     

焊接接头表面改性的研究进展

概述了高能喷丸、表面机械研磨处理、超音速微粒轰击、超声冲击、激光冲击改性等表面改性方法的基本原理,重点分析了其对不同材料焊接接头表面进行改性的效果。这些改性方法可以细化焊接接头表面的晶粒,甚至使晶粒尺寸达到纳米级;提高焊接接头表面的显微硬度,从而提高焊接构件的强度;消除接头处的残余拉应力,使拉应力转变为残余压应力,从而抑制焊接接头裂纹源的产生,提高焊接接头的抗疲劳断裂能力,进一步提高焊接构件的寿命。了解了现有表面改性处理方法应用的领域范围及其优缺点,并对焊接接头表面改性处理方法的发展及研究方向进行了展望。     

等离子体表面改性技术的发展

主要论述了等离子体技术在金属材料表面强化中的应用研究现状和发展趋势，特别是各种工艺的基本原理和应用优势。     

仿生取向结构表界面及其摩擦各向异性研究进展

在长期的进化和生存竞争中,自然界生物表界面形成了优异的取向结构来执行传播、攀爬、移动与粘附等诸多行为,而基于形态结构的摩擦各向异性在其中扮演了重要角色。研究自然界取向结构表界面,从而揭示其摩擦各向异性行为和规律,并从中获得灵感,采用物理、化学手段进行仿生构筑和研究,对现代许多科技领域发展新型仿生功能性表界面材料具有重要意义。以露珠草和猪殃殃的倒刺结构、蛇腹部鳞片微结构、壁虎脚掌刚毛微结构为例,详细阐述了具有代表性的自然生物表界面的取向微结构形态及其功能,并对生物表界面产生摩擦各向异性行为的两种机理做了解释。在此基础上,简介了模板法、增材制造等几种仿生取向结构的制备方法,以及基于仿生取向结构的表界面摩擦各向异性研究成果。最后,列举了以蛇的蠕动行进、壁虎的高粘附为仿生对象,构筑具有摩擦各向异性的取向结构表界面,及其在仿生驱动、攀爬和定向输运等方面的应用实例,并展望了仿生摩擦各向异性领域未来的研究重点和发展方向。     

氮表面改性非晶碳基涂层的摩擦及腐蚀行为

目的 在本征无氢非晶碳涂层表面进行掺N表面改性处理,研究其摩擦性能与海水腐蚀行为的演变规律,为海洋防护非晶碳涂层应用提供新思路。方法 采用直流磁控溅射固体石墨靶制备非晶碳涂层,并在顶层进行N掺杂表面改性。改变Ar/N2气流量比来控制顶层掺N量,调控沉积时间,控制涂层厚度一致。SEM用于观测涂层厚度与截面形貌,XPS和Raman光谱仪分别用于表征涂层N掺杂量和碳键结构。涂层力学性能和动态摩擦因数则通过连续刚度模式纳米压痕仪和球盘式摩擦实验机测试得到。采用含有三电极体系的Gamry电化学工作站测量涂层的动电位极化曲线、电化学交流阻抗谱等电化学性能。结果 对无氢非晶碳涂层进行表面改性,随顶层改性N含量的增加,sp2—C易与N结合,导致sp2相含量降低。随着N含量的增加,涂层的力学性能逐渐提升,当N质量分数为21%时,硬度与弹性模量达到最大值,分别为11.71GPa和284.28GPa;但当N质量分数最小（12%）时,涂层的断裂韧性与抗弹塑性变形能力最优。由于顶层引入掺N层后,sp2润滑相减少,涂层摩擦因数显著上升,且随N含量的增大逐渐增大。在顶层引入N掺杂量较少的改性层有利于提高非晶碳的耐蚀...     

铜及铜合金表面改性技术的研究进展

本文介绍了利用热处理多元共渗、辉光放电渗硫、等离子喷涂、自蔓延制备复合陶瓷铜管以及铸渗法进行铜合金表面改性的研究成果,并指出了其发展意义与前景.     

快速表面改性技术研究

本文介绍一种快速表面改性技术，碳氮共渗时间只需３￣５ｍｉｎ，共渗层厚度即达０．２￣０．４ｍｍ。本文还分析了放电过程及共渗机理、试样温度与电压的关系以及渗层硬度，得出渗层厚度与电压及时间的关系式。     

镁及其合金表面化学改性技术

主要对国内外镁及其合金的化学转化处理的现状进行综述，分析了其发展趋势。     

摩擦搅拌表面改性技术研究进展

摩擦搅拌表面改性技术通过对材料表层进行摩擦加热和机械搅拌,产生强烈塑性变形和动态再结晶,可以显著细化表层组织,消除铸造缺陷.通过直接添加或原位固相反应可以形成颗粒增强复合表层,使材料表面硬度和耐磨性以及整体机械性能得到显著改善.摩擦搅拌表面改性固相加工的特点还使其具有良好的工艺性能.作为一项清洁高效的先进表面工程技术,摩擦搅拌表面改性技术具有广阔的应用前景.