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机械工程学会摩擦学分会 固体润滑国家重点实验室 摩擦学学报

研究进展

Friction丨NiPS₃：一种具有超低摩擦系数的三元二维材料 2024-11-26 扫描二维码或点击文末“阅读原文”可阅读论文研究背景超低摩擦（Ultra-low friction）是指微观层面上摩擦系数小于0.01的状态。实现超低摩擦可以显著降低摩擦能耗、减少材料磨损、延长机械设备的使用寿命。随着微纳机电系统（M/NEMS）的小型化，对超薄厚度，特别是纳米级厚度的超低摩擦薄膜的需求日益增加。二维范德华材料由于具有原子层厚度、强的层内共价相互作用和弱的层间范德华相互作用，被视为一类新型的润滑材料。当前纳米摩擦学研究主要集中于单元素或双元素二维材料，包括石墨烯、黑磷、二硫化钼等，研究人员基于这些材料提出了许多摩擦磨损的微观机制。然而，对于三元乃至多元二维材料在摩擦学领域的研究却鲜有报道。三元二维材料相对于单元素以及双元素二维材料具有更为丰富的元素可设计性，有望为探究摩擦磨损的微观机制提供新的自由度。因此，寻找新的三元二维材料，探究其微观摩擦机制以及超低摩擦特性具有重要的研究意义。研究思路NiPS₃是一种新型的三元二维材料，属于MPX₃金属磷硫化物（M = Ni、Fe、Cr、Co、Mn、Zn、Cu、Co、Cd，…；X =S、Se和Te）的一员。这类材料具有高度的设计灵活性，可以加入多个II B或VI A元素，从而得到高熵二维材料。此外，由于比二元二维材料多了一种元素，它们为元素设计调控摩擦力提供了理想的基础。由于硫和磷具有较高的化学活性，在摩擦学中可能产生良好的抗磨减摩效果。此外，镍元素可能对摩擦有良好的影响。因此，NiPS₃是一种具有优异润滑性能的新型润滑材料。主要贡献本研究制备了高纯度、大尺寸的NiPS₃单晶材料，利用横向力显微镜系统地研究了NiPS₃的纳米摩擦学性能对层数、角度和速度的依赖性，并从接触界面的微观褶皱效应以及摩擦耗散能方面，对其微观摩擦机理进行了深入的分析。此外，通过降低摩擦环境的真空度， NiPS₃纳米片在高真空条件下可以实现超低摩擦，摩擦系数降低到0.0045。本工作中对三元二维材料纳米级摩擦的研究，为探索具有超低摩擦特性的新型二维材料以及为三元二维材料纳米摩擦学性的元素调控奠定了基础。潜在应用本研究中制备新型三元二维材料NiPS₃，可以在真空环境中实现稳定的超低摩擦，有望成为一种可以在太空环境中使用的润滑材料。作者简介邓浩宇，中国科学院兰州化学物理研究所在读博士生。研究领域包括二维材料的生长、微观摩擦学及摩擦电学。于童童，中国科学院兰州化学物理研究所副研究员，研究领域包括二维材料的生长、微/宏摩擦学及摩擦电学。王道爱，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，主要从事材料摩擦磨损及表界面科学领域的研究。现任固体润滑国家重点实验室副主任，相关国家人才项目科技创新领军人才及基金委优秀青年基金获得者，获得国家自然科学二等奖1项、甘肃省自然科学一等奖1项。2018年入选科技部重点领域创新团队负责人，2019年入选中组部科技创新领军人才、山东省泰山学者特聘专家。编辑 | 徐军审核 | 解国新期刊简介Friction（《摩擦（英文）》）是清华大学主办的国内首个摩擦学领域国际学术期刊，旨在发表和出版涵盖接触、摩擦、磨损、润滑、表面粘着和界面科学跨学科的创新性研究论文及专题性综述文章，致力于为国内外摩擦学和表面界面科学领域的学者搭建一流的国际学术交流平台，促进摩擦学在中国和国际学术界之间的交流和发展。其2023年影响因子为6.3，五年影响因子为6.6，在Web of Science核心合集数据库机械工程领域180种期刊中排名第8位（前5%），稳居Q1区。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”领军期刊（全国共22项），2021年荣获“第五届中国出版政府奖期刊奖提名奖”。2022年变为月刊，年发文量120篇，在Springer平台和SciOpen平台同时完全开放获取出版。点击“阅读原文”可阅读论文高端装备界面科学与技术全国重点实验室电话：86-01062781379传真：86-01062781379E-Mail: [email protected]
兰州化物所力学性能可调控水凝胶制备方法研究获新进展 2024-11-26 具有湿软特性的水凝胶在仿生润滑、触觉感知、生物传感和柔性电子等领域受到广泛关注，但其性能调控大多具有“配方依赖”性。近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料重点实验室受自然界中广泛存在的图案化异质结构（如昆虫翅膀和植物叶脉等）启发，发展了一种图案化水凝胶（CSN水凝胶）方案实现了其多属性、宽范围的力学性能调控。如图1所示，研究人员以光固化聚（N-丙烯酰甘氨酰胺）（PNAGA）水凝胶作为软基质，通过先浸泡N-丙烯酰基氨基脲（NASC）前驱体溶液再以选区曝光构建图案化硬骨架（PNAGA@PNASC），然后经后续水平衡过程中的相转化诱导氢键重构实现软基质和硬骨架的无缝互锁，发展了具有局部互穿网络的图案化硬骨架强化水凝胶。图1. 图案化水凝胶的制备该方法制备的CSN水凝胶能够在软基质凝胶基础上，通过图案化设计（包括图案形状、图案参数、图案化比例等）实现了其机械性能的增强和调控。研究人员通过对预制缺陷下的裂纹扩展行为实验、循环拉伸实验、穿刺实验和落球实验对所制备的图案化CSN水凝胶的力学性能进行了系统研究，结果表明，其韧性可在0.15-18 kJ m-2（120倍）、模量在0.32-5.92 MPa（19倍）内进行调控（图2），并展现出优异的预制缺陷扩展和形变不敏感以及抗冲击等特性（图3），为适应不同应用需求及其应用过程中的自适应性提供了有效的解决方案。图2. 图案化水凝胶的宽范围机械性能调控图3. 图案化水凝胶的性能强化与应用前景相关研究工作以“Sculpting mechanical properties of hydrogels by patterning seamlessly interlocked stiff skeleton”为题发表在Advanced Functional Materials（2024,2417477,https://doi.org/10.1002/adfm.202417477）上。兰州化物所联合培养的石河子大学化学化工学院硕士研究生朱彬（现深圳大学化学与环境工程学院博士生）为论文第一作者，兰州化物所王晓龙研究员、Institut Jacques Monod博士后蒋盼和深圳技术大学助理教授张智星为共同通讯作者。该工作得到中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
Desalination：具有优异机械、化学和防冰性能的有效海水淡化氟化三元聚合物基材料 2024-11-25 托伦尼古拉斯·哥白尼大学Artur P. Terzyk教授Desalination：具有优异机械、化学和防冰性能的有效海水淡化氟化三元聚合物基材料引用格式：Zou X, Wang F, He J, et al. Hypothesis: A sustainable dynamic anti-icing surface with the potential for rapid rechargeability[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2024.冰的积累给许多行业带来了重大挑战。虽然动态防冰表面（DAIS）在减缓冰的形成和粘附方面显示出了潜力，但其实际应用往往受到液体快速扩散和缺乏可重复使用性的限制。克服这些限制对于解决与冰管理有关的环境和经济问题至关重要。在这项研究中，我们介绍了一种新的方法，通过将β-环糊精（β-CD）掺入聚二甲基硅氧烷（PDMS）硅橡胶中，从而能够创建具有快速可充电性潜力的可持续DAIS。β-CD外表面上存在的多个羟基促进偶极-偶极相互作用和氢键，特别是与极性分子如乙醇和异丙醇的氢键。这将表面转变为可充电系统，能够在液体补充后仅10分钟内恢复其低冰粘附功能。当冰在表面上形成时，该系统通过浓度梯度动态地响应环境变化，控制液体的释放并改变表面特性。这些保留的液体有效地降低了冰点，融化了冰，破坏了冰的结构，将固-液界面转化为液-液界面。DAIS有效地改变了冰-基质的相互作用，并在低至-18 ℃的温度下提高了性能。通过优化β-CD的质量比和液体处理，特别是异丙醇，我们实现了0.6 kPa的超低冰粘附强度，即使在35天后仍保持稳定。这项研究在可持续的、快速充电的DAIS的开发方面取得了重大进展，为各行业的应用提供了巨大的潜力。图1.膜的横截面（A1,A2-E1,E2）和顶表面（A3-A5-E3-E5）的SEM图像。图2. 所研究膜的AFM总结（扫描面积10×10μm）。图3.方程的拟合结果。图4.冻结阶段和地表温度变化的动态。图5. 所研究表面的WCA (T = 25◦C) (A)，以及回热时间（trec）与抗拉强度（σ） (B)、韧性模量Kf (C)冻结阶段持续时间（tfreeze -trec）和韧性模量Kf (D)冻结阶段持续时间（tfreeze -trec）和杨氏模量e之间的相关性。图中显示了液滴各自状态的图像。总结与展望综上所述，成功制备了膜蒸馏专用的平面结构聚四氟乙烯-共六氟丙烯-共偏偏偏氟乙烯（THV）基膜，并对其进行了系统表征。此外，通过将THV与生物聚合物添加剂（即壳聚糖）进行简单的物理混合来修饰膜。考虑到THV相关研究资料的缺乏和本研究的基本特点，分别对原始壳聚糖和功能化疏水壳聚糖进行了改性。调整了膜形成的实验方案，以生成高度稳定和有效的膜蒸馏专用材料。采用NIPS和VIPS两种方法，但只有通过VIPS技术制备的膜具有满意的参数。此外，通过实施VIPS方法，可以调整材料的粗糙度，疏水性和形貌。与原始THV样品相比，所有改性材料都具有升级的特征。在最低和最高驱动力下，THV + CSLMm膜的水渗透通量从原始膜的8.40±0.50 kg m−2 h−1提高到15.84±0.84 kg m−2 h−1和38.42±0.93 kg m−2 h−1。在不发生壳聚糖泄漏的情况下，材料在长时间（60 h）内的稳定性。考虑到抗冰性能，所有材料的凝固机理都是相同的，并且可以用动态生长角模型很好地描述。结冰过程的动力学取决于膜的修饰。在拉伸强度σ和韧性Kf值之间发现了新的相关关系。在THV中加入壳聚糖，可以延长THV的回光时间和抗结冰性能。冻结期持续时间缩短。LEP值与复光时间呈线性相关。然而，这种相关性的普遍性还有待更深入的研究。结果清楚地表明，为了增加冻结阶段的持续时间，应该引入降低而不是增加韧性Kf的添加剂。这将是未来研究的主题，并将结果报告。指出，通过适当选择聚合物基体和填料/添加剂，甚至通过简单的物理改性来增强原始材料的特性，可以生成高度稳定的材料。这种材料可以有效地用作防冰罩，特别是在冻结气氛中的短接触（到再发光阶段）。从膜科学的应用来看，所生成的材料可用于去除MD工艺中的VOCs（低临界液体表面张力值低至19 mN m−1）。此外，在致密材料的情况下，它们可用于热蒸发或气体分离（由于高胺部分，这些材料可用于CO2捕获）。原文链接：https://doi. org/10.1016/j.desal.2023.117227相应的成果以“Toward effective fluorinated terpolymer-based materials for desalination with superior mechanical, chemical and anti-icing features”为题发表在 Desalination上，文章的通讯作者托伦哥白尼大学碳材料物理化学研究组化学系Artur P. Terzyk教授。END图文来源：殷 ;亮责任编辑：贾洋洋审核：何强、许渊投稿邮箱：[email protected]中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。便于课题申报，学术交流，特此建立一个《超疏水防冰领域技术交流三群》，诚挚邀请各位专家老师进群交流。同时本群会收集关于超疏水防除冰领域中具有显著影响力的研究成果和最新技术，并在《超疏水防冰表面研究站》公众号发布。进群请扫描下方群二维码。 ;添加群二维码，大家一起探讨 ;群管理员 【声明】版权归原作者所有，部分资料可能来源于网络，由于水平有限难免出现偏差，感兴趣者可点击左下角阅读原文，感谢您的支持和关注。欢迎您提出宝贵建议，任何事宜请联系后台管理员。
清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室刘宇宏教授课题组：二维ZIF-8的电控超滑行为研究 2024-11-21 近日，清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室刘宇宏教授课题组基于复杂电场环境下粘附调控和面外变形调控的耦合效应，对ZIFs的电控超滑行为进行了系统解析，提出了一种高效、便捷的外加电场调控摩擦行为的策略。成果以“Electrotunablesuperlubricity of two-dimensional ZIF-8”为题发表在国际学术期刊《Carbon》(2025, 232, 119803)。论文第一作者为清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室博士生李昱昕，通讯作者为清华大学刘宇宏教授和上海大学王鲲鹏副教授。研究背景 ; ; 电场控制可以主动、动态、可重复地影响界面摩擦行为。由于实际应用环境的复杂性和可变性，基于单一影响机制的电控摩擦方法是不够的。为更好地适应应用场景中各种带电工作环境，亟需研究多种机制对电控超滑行为的耦合效应。随着材料科学的不断发展，固-固接触电致摩擦和电控摩擦的研究体系已从传统的碳材料（如石墨）和无机材料（如二硫化钼）转向半导体材料和复合材料。近年来，无机-有机杂化结构的出现，使固体超润滑领域从二维无机材料扩展到有机杂化分子，其中二维ZIF-8丰富的电学性能使其成为一种有望应用于机电设备的极具发展前景的新型润滑材料。研究成果 ; ; 刘宇宏教授课题组对纵向电场和横向电场作用下二维ZIF-8的电控超滑行为进行了研究，实现了摩擦系数跨数量级变化（μ:0.0037~0.0124）（图1a-b）。通过实验和仿真得出，电场对二维ZIF-8润滑性能的调节机制可归结为粘附调节与面外变形调节的耦合效应：锚定效应的减弱降低了探针与二维ZIF-8之间的粘附（图1c-d）；纵向电场作用下界面电荷的紧密结合以及横向电场作用下晶格拉伸引起的表面刚度的增加（图1e-j），都抑制了摩擦引起的褶皱变形。 ; ; ZIFs独特的无机有机杂化结构、高配位态和强大的电场-功能调节潜力，使得ZIFs表面超润滑的主动、动态和可重复控制成为可能，有望将其用作电子设备（如NEMS/MEMS）中的减摩层和抗磨层。此外，基于电场调控机制，我们得以更深入地理解ZIFs的微观摩擦行为以及诸多调节机制的耦合效应对润滑性能的影响（图2），并通过优化ZIFs的电学和力学特性推进其作为高性能超润滑材料的应用进程。二维ZIF-8的电控超滑特性有助于实现带电工况下机电系统摩擦界面的快速灵活调节，照亮了智能控制的未来发展之路。图1 （a）纵向电场和（b）横向电场下的微观摩擦实验结果，（c）纵向电场和（d）横向电场下的体系能量，（e-j）横向电场下的原子摩擦图图2 （a）纵向电场和（b）横向电场对二维ZIF-8表面超润滑的调控机制。 ; ;该工作受到国家自然科学基金（52350323，52105194），国家资助博士后研究人员项目（GZB20230340），高端装备界面科学与技术全国重点实验室摩擦学科学基金（Grant No. SKLTKF23A04）和中国博士后科学基金（2023TQ0184，2023M731941）的支持。 ; ;《Carbon》是Elsevier出版社旗下材料科学领域的国际多学科期刊，专注于碳材料和碳纳米材料领域的科学进展，包括低维碳基纳米结构。最新影响因子IF=10.5。编辑 | 徐军审核 | 解国新点击“阅读原文”可阅读论文高端装备界面科学与技术全国重点实验室电话：86-01062781379传真：86-01062781379E-Mail: [email protected]
论文推荐 | 中国矿业大学（北京）黄啸副教授团队：基于坡缕石制备的稳定超双疏涂层 2024-11-20 Preparation of Stable Superamphiphobic Coatings Based on Palygorskite基于坡缕石制备的稳定超双疏涂层本文为中国矿业大学（北京）黄啸副教授团队撰写发表在《中国表面工程》2024年第37卷第4期的研究论文，题为“基于坡缕石制备的稳定超双疏涂层”。水、油接触角大于150°的超双疏表面，因其在防污、防粘、防腐、自清洁和管道运输等方面具有巨大的应用潜力而备受关注。但因为超双疏表面结构的脆弱性，目前制备出的超双疏涂层仍具有稳定性不足和价格高昂的问题。鉴于此，中国矿业大学（北京）黄啸副教授团队在《中国表面工程》2024年第37卷第4期发表研究论文《基于坡缕石制备的稳定超双疏涂层》，使用溶胶-凝胶法在坡缕石（palygorskite, pal）表面原位生长二氧化硅（SiO2）并进行氟化改性，制备高含氟量的pal@SiO2-F填料，利用分层喷涂的方法将pal@SiO2-F填料与聚二甲基硅氧烷（PDMS）结合，制备出具有超双疏性的PDMS / pal@SiO2-F涂层。01引用格式高兴华，黄啸，张晓强，王欣，许春玲. 基于坡缕石制备的稳定超双疏涂层[J]. 中国表面工程，2024，37(4)：151-160.GAO Xinghua, HUANG Xiao, ZHANG Xiaoqiang, WANG Xin, XU Chunling. Preparation of Stable Superamphiphobic Coatings Based on Palygorskite[J]. China Surface Engineering, 2024, 37(4): 151-160.02论文创新点本文研究选择微米级的无规则 pal 颗粒作为 pal@SiO2-F 填料制备的前驱体，选用具有优异粘结强度、耐蚀性和弹性的PDMS作为粘结剂。为了获得具有低表面能、高纳米粗糙结构的功能填料，采用改性溶胶-凝胶法，在pal颗粒表面生长纳米级的 SiO2粗糙结构，随后利用1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）对pal@SiO2颗粒进行氟化改性，以获得表面具有高氟含量的pal@SiO2-F填 料。通过粘结剂、填料分层喷涂制备了一种具有优异稳定性的PDMS / pal@SiO2-F 超双疏涂层。涂层在浸泡、腐蚀和自清洁等测试中展现了优异的拒液性、耐腐蚀性、自清洁性和防污性，拥有在复杂油、污环境中应用的潜力。03重要结论 ; ; 01选用成本较低的微米级无规则 pal 颗粒作为前驱体，使用溶胶-凝胶法，以微米级颗粒为基础，在其表面原位生长纳米二级结构，并进行氟化改性，制备了高含氟量pal@SiO2-F填料。02引入 PDMS作为粘结剂，增强pal@SiO2-F填料与基底结合力，通过简单的分层喷涂方法，充分发挥粘结剂与填料各自的优势，制备了具有稳定性能的PDMS / pal@SiO2-F 超双疏涂层。涂层对多种液体表现出良好的超双疏性，其中水、白矿油接触角分别达到160°和158.2°。03得益于精密的表面结构设计，粘结剂固定微米颗粒，微米颗粒为纳米结构提供保护作用，使得涂层在经历油浸、腐蚀性测试后，双重粗糙结构不被破坏，仍能稳定地捕获气垫，表现出良好的疏油疏水性能。 04涂层缺乏极端工况下的性能测试，在极端条件下的性能表现仍有待验证。04课题组简介论文主创高兴华第一作者，中国矿业大学（北京）在读硕士研究生，主要研究方向为超双疏涂层的制备及应用。黄 ; 啸中国矿业大学（北京）机械与电气工程学院副教授，中国电工学会电子束与离子束专委会委员，先后主持国家自然科学基金、中国航发、中国航天科工、清华大学、积水潭医院等项目10余项。主要研究方向为航空航天关键零部件表面耐磨、耐疲劳理论设计与模拟、石油矿山仿生功能涂层等。王 ; 欣博士，研究员，北京航空材料研究院表面工程所副所长，中国航发科技委热工艺专委会委员，表面改性技术组组长，中国机械工业学会喷丸强化和磨料丸料专委会副主任。长期从事高强度金属材料和结构机械喷丸、孔挤压、激光冲击等表面形变强化工艺与疲劳性能研究。发表期刊论文100余篇，授权受理专利超60项。主持两机专项基础研究、自然科学基金面上项目等项目十余项，获国防奖三等奖两次（第一完成人），中国航空学会发明奖一等奖（第二完成人），2018 年获首届“中国宋庆龄基金会中国航发人才成长奖”。来阅读本文责任编辑：吴 ; 桐责任校对：梁福军审 ; ; ;核：张 ; 强 ;长按图片，识别二维码，关注我们吧中国表面工程中文、中国科技核心期刊ESCI、EI、Scopus等收录文章推荐/稿件查询/期刊游览
电弧离子镀膜技术在复合材料表面的应用 2024-11-14 一、复合材料与表面金属化复合材料是通过先进的材料制备技术，将不同性质材料组分优化组合而成的创新型材料。其具备以下特点：人造设计性：是根据特定需求人为设计制造的。多组分组合：由两种或更多化学、物理性质不同的材料组分，按照设计好的形式、比例和分布组合，各组分之间有明显的界面。结构可设计性：可依据需求进行复合结构设计。性能综合优势：不仅保留各组分材料的性能优点，还能通过各组分性能的互补和关联，获得单一材料无法企及的综合性能。复合材料的基体材料分为金属和非金属两类。金属基体常见的有铝、镁、铜、钛及其合金，非金属基体则包括合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属等。在航空、航天和国防等领域，复合材料结构功能一体化制件因其重量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能佳、可设计性强等一系列独特优点，成为重要的零部件。为满足特定功能需求，对复合材料表面进行处理，尤其是表面金属化处理应用广泛。二、复合材料表面金属化方法及真空镀膜难题（一）多种金属化方法实现复合材料表面金属化的方法多种多样，主要包括化学镀、电镀、热喷涂、真空镀膜等。其中真空镀膜还可进一步细分为蒸发镀膜、磁控溅射、电弧离子镀膜等。（二）真空镀膜在复合材料中的挑战对于结构功能一体化的复合材料制件，由于其尺寸可能较大且曲面复杂，真空镀膜法在实施过程中面临两个显著问题。一方面，靶基距的变化范围极大；另一方面，金属薄膜的厚度均匀性很难有效控制。相比之下，电弧离子镀膜技术在这种情况下显示出独特优势，它具有沉积粒子能量高、作用距离远、绕射性好、作用范围大、金属薄膜结合力高、沉积速度快等特性，非常适用于复合材料制件的表面金属化。三、电弧离子镀膜技术剖析（一）基本原理电弧离子镀膜（Arc Ion Plating，AIP）是将电弧技术与真空镀膜相结合的技术。在真空环境下，在阴极靶材和真空室形成的阳极之间引发弧光放电。在这个过程中，弧光放电使靶材物质蒸发，然后沉积到制件表面，从而实现镀膜。20 世纪，电弧离子镀膜技术取得了长足发展。20 世纪 70 年代后期，前苏联和美国的科学家针对其工业应用开展了大量研究，并在 20 世纪 80 年代实现了该技术在硬质薄膜、装饰薄膜领域的产业化。近二十年来，电弧离子镀膜技术开始向光学、电学薄膜等应用领域拓展。（二）弧光放电的特点及其对镀膜的影响弧光放电会在阴极靶材表面形成无规则运动的弧斑，其电流密度可高达 10¹²A/m² 量级，能量密度高达 10¹³W/m² 量级。这种高能量密度致使弧斑处的靶材物质从固态迅速转变为金属蒸气等离子体。这种金属等离子体用于沉积薄膜时具有以下显著特点：可镀多种金属：能够镀覆多种金属，特别是像钨、钽等难熔金属，这是其他物理气相沉积（PVD）技术难以实现的。带电粒子沉积：与其他 PVD 技术以中性粒子沉积为主不同，阴极弧斑能产生大量带电（单电荷或多电荷）粒子，这些离子可以被加速、约束，并沿着特定方向运动，最终沉积在制件表面。轰击效应优化薄膜：在薄膜沉积过程中，阴极弧斑产生的离子初始能量在 20 - 200eV 之间，会产生轰击效应。这一效应能够增强沉积粒子的扩散能力和成核密度，同时剥去薄膜表面结合松散的粒子，部分消除柱状晶和薄膜内应力，从而提高薄膜表面活性，使薄膜更加致密。液滴和碎片问题：阴极弧斑在产生带电粒子和等离子体的同时，会生成大量的液滴和碎片，而其他 PVD 技术产生的大颗粒相对较少。正是基于这些特点，电弧离子镀膜技术具有薄膜致密、结合力高等优点，并且能够在复杂表面进行薄膜沉积。不过，该技术也存在一定的缺陷，即较大的熔滴会沉积到薄膜表面，导致薄膜表面粗糙，影响薄膜性能。但随着磁过滤技术的不断发展，目前已经可以较好地控制较大熔滴，避免其沉积到薄膜表面，使得该技术沉积的薄膜表面质量已接近其他 PVD 技术，这也是电弧离子镀膜技术在光学、电学薄膜等领域获得应用的重要原因。四、复合材料表面真空镀膜的关键问题与对策（一）温度矛盾的处理与金属或半导体材质的制件不同，复合材料结构功能一体化制件对温度较为敏感，不耐高温，而且部分功能制件对型面精度有着很高的要求。因此，在真空镀膜过程中不能使用高温，否则会导致材料损坏和型面精度降低。然而，较高的沉积温度对于获得牢固、致密的金属薄膜是非常有利的。为解决这一矛盾，可以在薄膜沉积前，利用离子源清洗等技术手段对复合材料表面进行原位活化处理，以此提高表面活性，增强金属薄膜与基底的结合力。（二）材料出气问题的解决对于大尺寸的复合材料制件，在真空镀膜过程中材料出气是一个关键问题。如果材料出气率较高，可能会引起金属薄膜的氧化等一系列问题，进而影响金属薄膜的表观质量和电学性能等。因此，需要采取预出气等技术手段对复合材料进行预处理，以减少此类问题的发生。五、电弧离子镀膜技术的发展前景电弧离子镀膜技术能够实现大型复杂型面复合材料制件的表面金属化，所制备的薄膜质量高，具有均匀致密、结合牢固、厚度可控等优点。在航空、航天和国防等对材料性能要求极高的领域有着广阔的应用前景。然而，我们也必须认识到该技术存在的一些限制因素，例如需要大型设备、成本较高、周期较长等。在未来的研究和发展中，需要进一步探索如何克服这些限制，使电弧离子镀膜技术更好地服务于复合材料表面金属化处理，推动相关领域的材料技术进步需要第一时间收到我们的文章，请您把我们的公众号设置为星标或多点在看！更多内容请点击：视频分享设备订制优秀PVD镀膜供应商推荐二手设备资源库加PVD镀膜群方法招聘求职工具类涂层发展趋势洁净室标准规格说明真空材料之锆阴极电弧放电稳定性研究真空技术与材料工程社群已经有2800多人了，赶快来加入吧！真空与真空镀膜技术简介氦质谱检漏仪的工作原理5G发展背后的新材料气体的放电扫描二维码关注我们
我国科研人员利用飞秒激光技术提升金属防腐蚀性 2024-11-14 记者从中国科学院长春光学精密机械与物理研究所了解到，该所科研团队通过飞秒激光技术实现了金属表面超疏水稳定性能提高，同时显著提升了金属表面防腐能力。超疏水是自然界中一种普遍现象。荷叶能“出淤泥而不染”，就与植物表面的超疏水性有关系。目前，科研人员通过仿生手段在多种材料上实现了人工超疏水功能。当金属表面实现超疏水后，其具有不沾水特性，在自清洁、防腐、减阻和防冰等方面成效显著。然而，当前金属表面实现超疏水性能大都仍依赖于传统的粘附涂层方式，这种方式很容易遭受侵蚀性离子的渗透，导致涂层分解、疏松和剥落，引发超疏水化学耐久性显著下降。为了解决这一难题，长春光机所微纳光子学与材料国际实验室杨建军团队创造性地提出利用飞秒激光元素掺杂微纳结构与循环低温退火相结合的研究方法，即在金属表面构建了一种以次晶相态为主导的仿生蚁穴状结构，成功实现了高效稳定的自启动超疏水效果。值得注意的是，次晶相态形成还可以大幅度地提升超疏水稳定性。▲科研人员在金属表面构建次晶态仿生蚁穴状结构提升超疏水性能的模拟图。长春光机所供图杨建军表示，通过实验发现，该金属样品即使在经历了长达2000小时的腐蚀性盐水浸泡后，表面依然能够保持良好的超疏水性能。不仅如此，在经过强烈的电化学反应测试后，这种结构的耐腐蚀性能也尤为突出，还能承受住不同酸碱溶液浸泡、紫外辐射和冷冻循环等多种苛刻环境的挑战。该项研究的相关研究论文在国际期刊《先进材料》上发表。来源：新华社
兰州化物所光固化3D打印高性能聚氨酯弹性体研究获新进展 2024-11-14 聚氨酯弹性体是一类具有优异机械性能的高分子材料，其独特的软段结构提供了良好的弹性和柔韧性，而硬段结构则赋予了其高的强度和耐磨性。这种相分离结构使性能各异的聚氨酯弹性体在汽车、医疗、电子和纺织等领域得到了广泛应用。然而，传统的聚氨酯弹性体加工方法，如注塑和浇注，通常需要较高的温度和压力，且模具制造复杂、成本高。而光固化3D打印技术（Vat Photopolymerization 3D Printing）具有快速成型、高精度和复杂结构制造能力，使之成为制造聚氨酯弹性体的理想方法。近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料重点实验室3D打印摩擦器件组在光固化3D打印高性能聚氨酯弹性体研究方面取得重要进展。研究人员通过调控光敏聚氨酯预聚物的化学结构发展了具有优异光固化3D打印成形能力的高性能聚氨酯弹性体材料，构筑了机械承载稳定性的生物医用支架和具有仿生双梯度结构的阻尼减振、消音降噪等概念性功能器件。研究人员通过在聚氨酯前驱体中引入了脲基和酯基，发展了多重氢键诱导的可快速光固化3D打印的超分子聚氨酯弹性体，获得的弹性体具有优异的高弹性、高强度、韧性以及良好的生物相容性和血液相容性。具有高精度光固化3D打印性能的聚氨酯弹性体综合了高性能与快速结构制造方面的优势，为具有优异抗压缩承载能力和机械稳定性等特性的复杂柔性结构生物医疗器械的制造提供了新的材料技术方案。多氢键诱导的光固化3D 打印聚氨酯弹性体及生物医用支架另外，受向日葵髓双梯度结构启发，研究人员采用光固化3D打印聚氨酯弹性体设计构筑了具有孔径和壁厚双梯度变量的仿生双梯度结构聚氨酯。这种仿生双梯度结构聚氨酯具有选择性的抗屈曲性以及各向异性的机械性能和耗散行为，有效提升了其比强度、能量吸收和抗撕裂性特性，解决了传统多孔泡沫材料性能调控难、功能单一等问题，在阻尼缓冲减振和消音降噪等领域具有很好的应用潜景。光固化3D打印聚氨酯弹性体结构设计与仿生双梯度结构制造策略仿生双梯度结构聚氨酯缓冲减振和消音降噪功能演示上述研究丰富了高性能光固化3D打印聚氨酯弹性体材料的种类及其在功能结构器件定制化制造方面的应用探索，为其在生物医疗、柔性电子、摩擦密封等领域的应用拓展提供了材料和技术基础。相关研究成果分别以“Multiple H-bonds Induced Mechanically Robust Vat Photopolymerization 3D Printing Poly(urethane-urea) Elastomers”和“Sunflower Pith Inspired Dual-Gradient Cellular Polyurethane Architecture with Amplified Mechanical Functions”为题发表在Materials Horizons（Materials Horizons,2024,https://doi.org/10.1039/D4MH01191K）和Chemical Engineering Journal（Chemical Engineering Journal,2024,500,156740）上。石河子大学联培博士生杨星星和中国科学院大学博士生白常成分别为论文第一作者，兰州化物所刘德胜助理研究员和王晓龙研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院“西部之光”创新团队、中国科学院特别研究助理资助项目、兰州化物所重点培育项目和甘肃省科技计划等项目的支持。
Friction丨牙釉质基质蛋白促进唾液润滑 2024-11-14 扫描二维码或点击文末“阅读原文”可阅读论文研究背景唾液是人体口腔环境中的重要组分，由水、蛋白质、微量元素和无机物组成。其中，唾液蛋白能够通过选择性吸附在口腔表面，形成唾液蛋白膜，提供重要的润滑功能。牙釉质作为人类牙齿的外保护层，暴露在牙齿的咬合面，承受咀嚼引起的摩擦和磨损，其耐磨性能与唾液蛋白膜的润滑密切相关。目前，牙釉质中羟基磷灰石（HA）对唾液蛋白在牙釉质表面吸附和成膜的影响机制已被揭示，但牙釉质基质蛋白的作用尚不清楚。研究思路通过加热和脱蛋白处理分别破坏和去除牙釉质基质蛋白，对比研究唾液蛋白在原始、经加热处理和经脱蛋白处理牙釉质表面的吸附与润滑行为，进而探明HA晶体团聚对唾液蛋白吸附动力学行为的影响，最后揭示牙釉质基质蛋白对唾液润滑的作用机制。主要贡献本研究发现唾液蛋白在人牙釉质表面的吸附和润滑与牙釉质基质蛋白密切相关，后者通过防止羟基磷灰石（HA）聚集来保障唾液蛋白和牙釉质之间存在适当的静电相互作用。可见，牙釉质基质蛋白通过介导牙釉质纳米结构促进唾液润滑。潜在应用本研究不仅能够深化对牙釉质耐磨机制的理解，而且为仿牙釉质耐磨材料的设计提供新原理，并为脱矿牙釉质的再矿化修复提供新思路。作者简介王胡军，西南交通大学机械工程学院助理教授，硕士生导师。研究领域包括仿生摩擦学、表/界面仿生设计与制造等。郑靖，西南交通大学机械工程学院研究员，国家级青年人才。研究领域包括天然牙齿和牙科材料摩擦学、生物润滑、仿生摩擦学等。编辑 | 徐军审核 | 解国新期刊简介Friction（《摩擦（英文）》）是清华大学主办的国内首个摩擦学领域国际学术期刊，旨在发表和出版涵盖接触、摩擦、磨损、润滑、表面粘着和界面科学跨学科的创新性研究论文及专题性综述文章，致力于为国内外摩擦学和表面界面科学领域的学者搭建一流的国际学术交流平台，促进摩擦学在中国和国际学术界之间的交流和发展。其2023年影响因子为6.3，五年影响因子为6.6，在Web of Science核心合集数据库机械工程领域180种期刊中排名第8位（前5%），稳居Q1区。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”领军期刊（全国共22项），2021年荣获“第五届中国出版政府奖期刊奖提名奖”。2022年变为月刊，年发文量120篇，在Springer平台和SciOpen平台同时完全开放获取出版。点击“阅读原文”可阅读论文高端装备界面科学与技术全国重点实验室电话：86-01062781379传真：86-01062781379E-Mail: [email protected]
论文推荐 | 中南林业科技大学刘秀波教授团队：表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展 2024-11-13 Research Progress of Surface Technology to Improve the Wear Resistance of Agricultural and Forestry Machinery and Application表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展本文为中南林业科技大学刘秀波教授团队撰写发表在《中国表面工程》2024年第37卷第4期的综述论文，题为“表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展”。农林装备是农业和林业高质量发展的基础和保障，是不断提高土地的产出率、劳动的生产率以及资源的利用率的重要方法和支撑。随着科学与技术的进步，我国农林机械设备发展迅速，特别是在竹工机械、园林绿化、病虫害防治方面都有极大的突破。但农林机械关键运动部件在运行时，会不可避免地产生碰撞与磨损，导致部件尺寸、形状、表面质量等发生变化，从而影响使用精度。尤其长期在复杂环境中使用，其零部件更易被磨损、氧化、腐蚀，甚至发生损坏。这令机械设备的工作效率、使用寿命、可靠性和安全性受到极大的影响。据研究表明，一般机械设备大部分零件失效报废是由于磨损导致的，极大地影响了机器的工作效率，严重降低了设备的可靠性，甚至提前报废。机械磨损不仅会造成巨大的经济损失，而且还易引发重大事故，因此提高其耐磨性对机械设备具有重要的意义。目前许多研究人员通过采用表面技术，对农林机械关键运动零件进行表面修复和强化，提高其使用性能、延长寿命，增加其安全可靠性。鉴于此，中南林业科技大学刘秀波团队在《中国表面工程》2024年第37卷第4期发表综述论文《表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展》，对四种表面技术（热喷涂、喷焊、堆焊、激光熔覆）的优缺点及其在农林机械上的应用进行了概述，提炼出针对不同工况表面技术的选择依据。01引用格式王志文, 刘秀波, 周安, 张飞志, 张世宏. 表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展[J]. 中国表面工程, 2024, 37(4): 102-116.WANG Zhiwen, LIU Xiubo, ZHOU An, ZHANG Feizhi, ZHANG Shihong. Research Progress of Surface Technology to Improve the Wear Resistance of Agricultural and Forestry Machinery and Application[J]. China Surface Engineering, 2024, 37(4): 102-116.02论文创新点表面改性技术应用潜力巨大，但针对农林机械的研究进展尚缺乏系统综述。阐述农林机械使用工况及其关键运动部件在服役过程中的失效原因，重点概述四种表面技术（热喷涂、喷焊、堆焊、激光熔覆）的优缺点及其在农林机械上的应用示例，提炼出针对不同工况表面技术的选择依据。通过对四种表面技术的特点和适用场合的归纳总结，激光熔覆作为一种新型的金属表面功能涂层制造技术，具有较高效率、高强度冶金结合和较高性价比，在提高农林机械关键运动部件耐磨性能上的应用具有较大前景。03主要内容据研究表明，一般机械设备大部分零件失效报废是由于磨损导致的，极大地影响了机器的工作效率，严重降低了设备的可靠性，甚至提前报废。机械磨损不仅会造成巨大的经济损失，而且还易引发重大事故，因此提高其耐磨性对机械设备具有重要的意义。目前许多研究人员通过采用表面技术，对农林机械关键运动零件进行表面修复和强化，提高其使用性能、延长寿命，增加其安全可靠性。目前，有多种表面技术应用在提高农林机械关键运动部件的耐磨性、减摩性等摩擦学性能上。国内外学者提高农林机械关键运动零部件耐磨性的手段，大多数是增强其材料的性能或采用表面技术在其表面上制备摩擦学性能优异的合金涂层。目前常用的表面技术有热喷涂、喷焊、堆焊和激光熔覆等。采用表面技术对农林机械关键运动零部件表面进行强化，对提高其耐磨性、节约农业生产资源和林业机械作业成本等有重要的现实意义。本文主要综述了农林机械的使用工况及农林机械关键运动部件的磨损类型及磨损机理，重点概述了四种表面技术（热喷涂、喷焊、堆焊、激光熔覆）的优缺点及其在农林机械上的应用，提炼出针对不同工况表面技术的选择依据。最后总结了目前采用表面技术提高农林机械摩擦学性能研究工作中取得的进展、存在的难题与挑战，对不同表面技术提高农林机械关键运动零部件摩擦学性能的前景与未来研究方向进行了展望。04重要结论 ; ; 通过对农林机械关键运动部件的工作状况，磨损机制以及四种表面改性技术提高农林机械关键运动部件耐磨性能的综合论述，得到以下结论：01我国目前的农林机械装备和农林机械化水平与已实现农业机械化的发达国家相比仍有不小的差距，各种耐磨材料和表面技术在农林机械关键运动零部件上的应用还处于初级阶段。02随着农林机械的发展，农林机械关键运动部件的耐磨性不足已成为制约其普遍推广应用的重要因素。采用热喷涂、喷焊、堆焊、激光熔覆等表面技术提高农林机械关键运动部件的耐磨性，提高农林机械的工作效率，减轻工作强度，改善工作环境。推动农林装备走向高端化。03我国农村的土地大部分是小块不连续的，且大部分农村不适合高度的农业机械化。而农村劳动力价格相对较低，机器更换等作业并不会造成劳动力的浪费。相比于国外来说采用热喷涂、喷焊、表面堆焊和激光熔覆等表面技术提高农林机械零部件的性能，更适合我国农业现05前景与应用01热喷涂技术走过了近 100 年的发展历程，在喷涂材料、工艺及设备等方面均取得了长足的进步，面对日益增长的工业需求，该技术一定会继续发展下去。热喷涂技术涂层和基体结合强度低，在农林机械高强度工作下涂层极易发生脱落。因此，研究制备具有高附着强度、气孔少的热喷涂涂层，且适合农林机械的工况需求是该技术未来研究的重点。02等离子弧热喷焊技术是一种具有发展前景的表面强化技术，喷焊技术在农林业机械领域中的应用前景也十分广阔。随着工业发展,对机械产品的寿命和新材料的制备都提出了更高的要求。喷焊过程中所应用到的合金粉末价格相对较高，且喷焊技术易造成粗糙不平的涂层表面、咬边及塌陷等现象，所以在喷焊时要有较高的操作技术。这些不足限制了喷焊技术的发展。因此，在今后的农林机械制造和维修中，设计性价比较高的合金粉末是今后喷焊技术的发展方向，再进一步推广和应用喷焊技术，以满足农林业生产的需要。03堆焊是提高农林机械耐磨性的重要技术之一，由于农林机械零部件的几何构型及材质复杂化、对热加工过程材料和工艺控制、堆焊技术在农林机械上的研究和应用要更高的需求，需要进行更深入的研究。等离子堆焊行业正在不断发展，需要开发新的和改进的技术，以提供更好的结果和更高的效率。04采用激光熔覆技术制备涂层，涂层与基材结合强度高、涂层厚度和硬度可控、耐磨性和耐腐蚀性高等显著优势，但此技术在农林机械修复与强化的应用还存在成本高、试验环境要求苛刻等难题。在未来研发适用于农林机械修复与强化的新型复合材料粉末，在已有的材料体系上，结合农林机械的特点，设计出适合农林机械不同工况的性价比高的 优质熔覆材料粉末体系。05课题组简介论文主创刘秀波工学博士，中南林业科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。研究方向包括材料表面工程与摩擦学、激光材料加工等。中国机械工程学会摩擦学分会常务委员和表面工程分会委员、材料表界面科学与技术湖南省重点实验室主任、湖南省机械工程学会常务理事暨摩擦学分会副理事长，中南林业科技大学材料科学与工程一级学科硕士点带头人。20余种国内外材料/机械/应用物理领域知名SCI期刊通讯审稿人，《中国表面工程》（EI）、《表面技术》（EI）、《材料保护》、《表面工程与再制造》期刊编委；国家自然科学基金、教育部科技奖励和学位论文通讯评审专家，科技部创新人才、国际合作项目评审专家，国家科技部、湖南省、贵州省、江西省、四川省、广东省、湖北省、苏州市、长沙市科技专家数据库入库专家。王志文第一作者，中南林业科技大学材料科学与工程学院，在读硕士研究生，研究方向为材料表面工程与摩擦学。团队简介中南林业科技大学材料表界面科学与技术湖南省重点实验室团队目前有教师4人，研究生22人，带头人刘秀波教授、博导，中国机械工程学会摩擦学分会常务委员、表面工程分会委员、材料表界面科学与技术湖南省重点实验室主任、20余种国际知名SCI期刊通讯审稿人；《中国表面工程》（EI）、《表面技术》（EI）、《材料保护》、《表面工程与再制造》期刊编委；国家自然科学基金、教育部科技奖励和学位论文通讯评审专家，科技部创新人才、国际合作项目评审专家。主持国家自然科学基金3项、湖南省重点研发计划等省部级项目12项，发表学术论文160余篇，其中第一或通讯作者SCI论文63篇，获湖南省自然科学二等奖（排1），第一发明人有效中国发明专利10件，国内外学术会议邀请报告和大学讲座100余次。往/期/论/文/回/顾来阅读本文责任编辑：吴 ; 桐责任校对：梁福军审 ; ; ;核：张 ; 强 ;长按图片，识别二维码，关注我们吧中国表面工程中文、中国科技核心期刊ESCI、EI、Scopus等收录文章推荐/稿件查询/期刊游览
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