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表面微纳结构与纳米涂层专栏
吴永玲

        材料的表面具有与其整体性能不同的特殊功能。自20世纪30年代Young’s Equation揭示了表面接触角与表面张力之间的关系以来,表面微纳结构对表面疏水性的影响规律逐渐受到关注,并得到充分研究,Wenzel理论、Cassie-Baxter理论及其结合的模型,为表面性能的研究奠定了理论基础。随着科学研究方法及表面分析手段的不断提高,德国波恩大学的Wilhelm Barthlott教授于1997年首次公布其采用高清显微镜观察到的荷花叶表面微米-纳米结构高清照片,成功解释了“荷花叶效应”。随后,表面微纳结构的制备成为各种加工制造领域的热门方向,其应用范围涵盖了机械表面润滑摩擦磨损、航空航天防冰、隐身表面、环境保护之自清洁表面、有助于节能减排的功能表面以及生物制药领域等。近年来,科研人员对仿生结构的特殊研究兴趣和对制备方法的探索,重新定义了仿生学这一新兴学科领域,即以自然界各种生物为启迪,专家学者不断探索生物功能的奥秘,并以科学和工程手段仿真制造具有特殊功能表面的器件与设备,探索更大、更深、更远的自然界。

        为进一步推动表面科学的研究及表面工程的深入发展和应用,《材料保护》特开辟“表面微纳结构与纳米涂层”专栏,诚挚邀请了在相关领域有所成就的部分专家学者撰稿,重点推介我国在相关领域的研究进展。我们期待本专栏的推出,能起到抛砖引玉的作用,使得科研人员对相关领域的研究更加广泛和深入,并为企业从业人员提供更好的交流平台,推动表面技术的产学研用融合创新,引领相关产业高质量发展,期待并热诚欢迎专家学者及工程技术人员进一步深入探讨和继续赐稿交流。


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  • 表面微纳结构与纳米涂层专栏
    赵元亮, 吴永玲, 郑宏宇
    材料保护. 2023, 56(5): 1-15. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0103
    通过构建表面微纳结构和制备纳米涂层可使材料表面获得特殊功能。主要综述了表面微纳结构的特殊功能和制备表面微纳结构和纳米涂层的主要方法和加工技术。首先,介绍了表面微纳结构在超疏水、光学超透镜和减摩耐磨方面的应用;其次,分别阐述了光刻技术、激光加工技术、自组装技术、增材制造技术(3D打印)、沉积法和溶胶凝胶法等表面微纳结构和纳米涂层的加工方法的研究进展;最后,总结了表面微纳结构及纳米涂层的不同制备方法存在的问题和发展趋势。
  • 表面微纳结构与纳米涂层专栏
    彭夏文, 曾小军, 张小锋, 田伟
    材料保护. 2023, 56(5): 16-30. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0104
    功能纳米涂层一直是近年来的研究热点。以纳米尺寸为组成单位为功能纳米涂层提供了良好的体积效应和表面效应,大大优化了涂层的力学性能、耐腐蚀性、抗氧化性和耐磨性等。功能纳米涂层的制备技术以及性能决定了涂层的应用范围。但是目前,多数综述集中于功能纳米涂层的某种性能、某种制备方法或者某种应用,缺乏对功能纳米涂层整体性的介绍。首先,简单介绍了功能纳米涂层的概念及分类;其次,详细描述了功能纳米涂层的制备技术,包括传统的化学气相沉积、物理气相沉积和溶胶-凝胶法,最新的等离子喷涂技术以及其他的制备技术,分析总结了各种功能纳米涂层制备技术的原理、优缺点以及涂层在材料中的应用;最后,从功能纳米涂层最新和热门的应用方面进行综述,展望了功能纳米涂层的应用前景和潜力。
  • 表面微纳结构与纳米涂层专栏
    张金涛, 吴浩, 鲁涵, 曹均, 任潞, 张秀强, 所新坤
    材料保护. 2023, 56(5): 31-39. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0105
    悬浮液等离子喷涂(SPS)作为一种新兴的喷涂方法,能够制备均匀、缺陷少的生物涂层。介绍了SPS制备羟基磷灰石(HA)纳米生物涂层的原理,总结了烧结区和致密区组织的形成机制,分析了悬浮液在飞行过程中的液滴演化,讨论了不同工艺参数对SPS制备HA生物涂层的影响,揭示了HA涂层沉积机理,概括了SPS制备HA生物涂层的力学性能、抗菌性能、细胞相容性和体外生物活性等性能。
  • 表面微纳结构与纳米涂层专栏
    刘明明, 侯媛媛, 陈唐建, 吴永玲, 郑宏宇
    材料保护. 2023, 56(5): 40-62. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0106
    在寒冷高湿环境下,冰和霜易凝结于飞行器、轨道交通、风电叶片、输电线路等设备表面,从而降低工作效率,影响设备使用,同时造成巨大的安全隐患。因此,如何有效延迟冰霜在固体材料表面的形成以及促进结冰的去除,成为当前高性能材料领域的研究热点。传统的机械除冰、化学除冰和热力除冰方式在很大程度上存在能耗高、除冰废液多、除冰效率低等问题,而且容易破坏机械设备表面,与“绿色环保、高效节能”的可持续发展理念相悖。受自然界生物启发,研究人员开发了新型被动超疏水防冰技术,该技术具有成本低、能耗低和防冰性能优异等优点,具有良好的应用前景。针对新型超疏水型防冰材料,综述了固体表面的超疏水润湿理论进展和固体表面结冰/防冰机理;总结了超疏水防冰表面的自上而下制备方法(激光刻蚀、化学刻蚀、模板法等)和自下而上制备方法(涂层技术、磁控溅射技术、溶胶-凝胶技术和电沉积技术等)。最后,对超疏水防冰材料的局限性进行了讨论,同时对其应用前景和发展趋势进行了展望。
  • 表面微纳结构与纳米涂层专栏
    宋宇涛, 李春玲, 张淑珍, 尚伦霖, 张广安
    材料保护. 2023, 56(5): 63-70. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0107
    为提高Inconel 718合金的表面硬度和高温摩擦磨损性能,采用多弧离子镀技术在其表面制备CrAlN/CrN涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪和划痕仪等对涂层的微观结构、力学性能进行分析表征。使用UMT摩擦磨损试验机测试涂层在室温、350 ℃和650 ℃下的摩擦性能,并对磨痕的形貌特征、元素分布和物相进行分析,分析涂层在不同温度下的摩擦磨损机制。结果表明:纳米多层CrAlN/CrN涂层微观结构致密,主要由fcc-CrN相组成,择优取向为(200)晶面;CrAlN/CrN涂层在Inconel 718合金表面具有良好的力学性能,其硬度和结合力分别为(29.3±1.2) GPa和70.4 N;涂层在室温和350 ℃下具有优异的耐磨性,磨损率分别低至1.5×10-6 mm3/(N·m)和1.7×10-6 mm3/(N·m),主导的磨损机制分别为磨粒磨损和疲劳磨损;650 ℃时涂层达到最低摩擦系数(0.33),但磨损率有所升高,主要表现为磨粒磨损。
  • 表面微纳结构与纳米涂层专栏
    周垲杰, 辛蕾, 黄小文, 李好
    材料保护. 2023, 56(5): 71-75. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0108
    为延长镁合金的使用寿命,使用喷涂法在AZ31b镁合金基体上制备出稳定的超疏水涂层。首先在基体表面涂覆环氧树脂粘结层,向其喷涂微米SiO2颗粒,以构建微米级框架,紧接着喷涂纳米聚四氟乙烯颗粒,以提供疏水性粒子。所制备的超疏水涂层接触角约为157.40°,滚动角仅为2°。试验结果表明:该超疏水涂层具有优异的化学与机械稳定性,良好的耐腐蚀性能以及自清洁、防污特性。
  • 表面微纳结构与纳米涂层专栏
    司诚毅, 樊小强, 朱旻昊
    材料保护. 2023, 56(5): 76-82. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0109
    为满足高温条件下高分子复合涂层的应用需求,推进高分子有机复合涂层在高温防护领域的实际应用,选择聚酰亚胺(PI)为树脂基体,通过加入纳米Si3N4改性增强其耐热性,研究硅烷偶联剂KH550与不同含量的Si3N4对涂层表面状态以及耐热性能的影响。实验结果表明:加入10% (质量分数)Si3N4的改性复合涂层的玻璃化转变温度(Tg)达到495 ℃, 高于纯PI涂层的Tg(483 ℃)。加入KH550后,一方面KH550在Si3N4表面引入氨基官能团使其与PI分子链交联,另一方面KH550直接与PI分子相互作用提升涂料的黏度,使Si3N4分散性及涂层与基体的结合力均有显著提升。此外,分别制备不同含量Si3N4的PI复合涂层并进行比较,发现10% Si3N4的PI复合涂层的耐热性以及表面质量最优。