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第一篇：表面化学论文范文
表面微坑电化学加工技术研究
【摘要】在摩擦副表面加工蜂窝状微坑作为改善滑动摩擦的途径已经成为研究热点。文章研究了电解加工蜂窝状微坑结构的方法，介绍了加工原理和试验过程，分析了加工电压、加工时间、阴极贯穿孔尺寸、电解液等加工参数对所加工微坑的影响，优化了加工参数和加工条件，提高了所加工微坑的精度。
【关键词】蜂窝状微坑;电解加工;加工精度
研究磨损是国际普遍关注、急需解决的重大课题，是一项永远需要探索的问题。表面磨损是机械零件失效的主要形式之一，不仅浪费大量能源和金属资源，降低设备运转效率和作用质量，而且加速设备报废、导致部件更换或维修频繁，造成极大的直接或间接经济损失。
在传统摩擦学理念中，改善零部件接触表面的耐磨性能，一般是通过改善零件材料成分和热处理强化来实现的。目前，由于受到材料性质和加工方法的限制，通过上述完善表面质量的方法已很难再进一步降低摩擦。[1]近年来有学者发现，表面分布的微小蜂窝状凹坑能有效地降低摩擦因数(如能把摩擦因数从0.12 减小到0.10)，从而减少磨损。[2]
一、加工表面蜂窝状凹坑方法
目前，表面蜂窝状凹坑的加工方法主要有四类：(1)振动加工。在一个或多个球形工具头上施加振动，使其冲击待加工表面而形成微坑。根据驱动方式的不同，又可分为自激振动、低频振动冲击、超声振动加工。这种加工方法使工件表面发生塑性变形，微坑周围材料隆起，需要二次加工。(2)数控激光珩磨技术。首先用激光打坑，实现表面微坑结构造型，然后进行珩磨。这种加工方法工序多、成本高，还可能造成局部材料性能的变化。(3)微研磨方法。利用表面镀有金刚石或立方氮化硼(CBN) 的微研磨工具研磨工件加工出微坑。这种方法设备复杂，成本高，加工不稳定。[3](4)电解加工方法。是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理将零件加工成形，具有生产效率高、工序简单、加工质量好、工具阴极没有消耗等优点。[4]
本文对电解加工蜂窝状微坑结构的工艺方案进行了研究分析。
二、试验原理
本试验针对蜂窝状微坑这种特殊结构，采用了掩膜微细电解加工方法，试验原理如图1所示。掩膜是用光敏材料在待加工工件表面上制成特定图案的遮蔽层。工具(阴极)为金属平板，加工时与工件之间有一定距离(加工间隙)，电解液在加工间隙中高速流动。连接电源通电后，工具阴极与工件表面(阳极)上未遮蔽部分产生电场而被不断溶解，同时，电解产物不断被高速流动的电解液带走，直至逐渐腐蚀到所需要的深度，在待加工工件表面上加工出蜂窝状微坑结构。
图2所示为单个孔成形过程的2D仿真，在局部电流密度下由法拉第定律计算出每个点的溶解深度。从图2中可以看出反应初始阶段不均匀的电流分布导致图形中心区域的隆起，随着溶解过程的进行，溶解速度变得越来越均匀，图形逐渐接近于半圆;从仿真的结果也可看出在掩膜刻蚀中的侧向腐蚀导致了微坑开口尺寸的扩大。
三、試验过程
首先，在工件表面形成掩膜，保护不需要加工的表面。将SU-8光刻胶滴在已清洗干净的工件表面，以3000rpm甩胶使光刻胶均匀平整，前烘处理使光刻胶固化。利用已经制好的掩模板在BJ401 曝光机上以30mW/cm2曝光30s，显影后即可在光刻胶上形成所需图型。
其次，将表面已形成掩膜的工件与工具阴极放入夹具装夹。由于本试验在电解槽中完成，需要设计专用的夹具。夹具的设计主要遵循三个方面的原则：一是能对电极和工件进行定位;二是不妨碍冲液;三是便于装夹，根据以上原则设计了本试验夹具。
最后，电解加工形成需要的蜂窝状微坑加工完毕后，采用去膜液除去工件表面上的掩膜，试验流程如图3所示。
试验所用电源为精测JC17310，恒压直流;冲液所用泵的流量为1200 L/h。
四、结果分析与加工参数优化
(一)加工电压和加工时间对加工精度的影响
试验只分析U≤10V时电压对加工结果的影响。在每种工艺参数下加工5个工件并测量微坑直径平均尺寸d2，以求得在采用某一种电解液时，在3种不同加工电压U的加工条件下，微坑直径d2随加工时间t的变化曲线。见图4 所示。
从图4可见，随着加工电压U增大，加工时间t延长，微坑直径d2相应增大，精度有所下降。
试验还发现，当加工电压U大于10V，所加工微坑的精度和一致性都较差，如图5所示。故本文只分析U≤10V时电压对加工结果的影响。
(二)掩膜群孔直径对加工精度的影响
在保证冲液充分的条件下，掩膜群孔直径d1越大，在单位时间内更多新鲜电解液进入加工区域使得工件与阴极之间的电阻变小，导致电流密度变大，单位时间材料的去除量变大，杂散腐蚀现象也更加显著，加工精度相应降低。试验表明，掩膜群孔直径越小，所加工微坑的精度就越高。但掩膜群孔直径过小，使冲液不够充分，加工精度反而会降低。
(三)电解液对加工精度的影响
电解反应时生成大量絮状沉淀物，如不及时排出，会堵塞加工间隙，阻碍电解反应的进行，甚至引起短路等现象。酸性电解液除了具有普通电解液冲刷加工区域的作用外，还可以溶解电解产物，并将其带走，改善了流场和电场，可大大提高加工精度和加工效率。试验发现，当掩膜群孔直径较小，d1=0.3mm时使用酸性电解液0.2mol/L硫酸比采用15%硝酸钠的加工精度、加工效率高，一致性也得到明显改善(比较图4a与图4c)。
(四)加工参数的优化
加工参数的选取对加工结果具有重要影响。如需要提高加工精度，在确保所需要的电流密度的条件下，尽可能选取低的加工电压(U≦5V);如需要提高加工效率，则相应提高加工电压(U≧10V)或采用酸性电解液。在加工小尺寸的微坑时，在选取满足压力和流量要求的冲液泵的基础上，可选用酸性电解液(0.2mol/L硫酸)来改善加工区域的冲液条件。图6为掩膜群孔直径d1=0.3 mm， 加工电压U=5V，加工时间t=7.5 min，电解液为0.2 mol/L硫酸时所加工工件。
五、结语
本文研究了电解加工蜂窝状微坑结构的方法。当试验选取较低加工电压，改善冲液条件，所加工微坑可以达到较高精度和一致性。试验表明，这种方法具有投资少，效率高，工艺简单，操作方便等优点，是一种有效的加工方法。
【参考文献】
[1]任露泉，陈德兴，胡建国.土壤动物减粘脱土规律初步分析[J].农业工程学报，1990，6(1).
[2] Manabu Wakuda，YukihikoYamauchi.Sh-uzo Kanzaki.et al. Effect of surface texturing on friction red-uction between ceramic and steel materials under lubricated sliding contact[J].Wear，2003，253.
[3]张云电.蜂窝状微坑设计和制造技术[M].北京：科学出版社，2004.
[4]李嘉珩，马保吉，范植坚.光刻胶掩膜微细电化学加工参数的试验研究[J].电加工与模具，2004，(6).
【作者简介】汪建春(1973—)，男，江苏金坛人，江苏农林职业技术学院助教，在读硕士，研究方向：机械制造。
作者：汪建春
第二篇：表面活性剂在GeO2湿化学制备体系中的应用
摘 要：表面活性剂是富集于相与相交界之间的区域，并对界面性质及相关工艺产生影响的一类物质。近年来在各种纳米材料制备中扮演了一个重要的角色，在定向设计多样性的纳米材料以及控制纳米材料的分散等方面起着重要的作用。本文根据近年来湿化学体系下制备GeO2纳米材料的进展，结合表面活性剂的特性。分类地总结了它们在制备GeO2纳米材料中的作用机理和特点。
关键词：表面活性剂 GeO2 化学制备 应用
表面活性剂（surfactants）通常也称为双亲分子。具有固定的亲水和亲油基团，能够在水/气或者水/油界面的定向排列，并使两种液体或者液固相之间表面张力显著下降。具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等特性。近十几年来广泛应用在日化、食品、制药、造纸、塑料、皮革等方面等领域[1～2]。
表面活性剂分子的疏水作用导致它们在溶液中存在时疏水链向内聚在一起形成内核而远离水环境，同时亲水基朝外与水接触，这一现象即为表面活性剂的“自聚”。表面活性剂在溶液中进行自聚可以形成多种不同结构、以及不同大小、形态的聚集体，即分子有序组合体。利用分子有序组合体形成的微米级甚至到达几个纳米胶团或反胶团。通过用其微型体积特性制备小尺度的纳米颗粒，能够为研究纳米尺度效应提供制备基础。一些具有特殊形貌以及结构的纳米材料，如片层状，椭球状、六角状也可以利用分子有序组合体作为模板来进行制备。在这其中，分子有序组合体通常起到晶体结构与晶体取向的定向控制，以及形貌和粒径的调控作用[3]。
GeO2是半导体材料中的重要一员。具有良好的半导体特性，可作为光纤材料，荧光剂、镜头以及电子元器件的基本组成部件。另外其还可作为工业上提纯锗的原料、石油工业产品的调节剂等。GeO2纳米材料的制备方法基本可归结为两类：气相沉积方法和湿化学方法。其中气相沉积方法主要应用于GeO2纳米线的制备，而对于纳米晶以及纳米量子点的制备则多用于湿化学法。因湿化学法应用的Ge盐多数性质较为活泼，不易保存。极易与水发生反应形成GeO2的块状聚合物，是纳米材料制备过程中亟需避免的问题。因此，在实验上多采用表面活性剂构造微乳液的方法，目的为了减小锗盐与水的反应时间以及接触面积进行制备。目前应用这一体系已经成功制备了多种性质各异的GeO2纳米材料[4～8]。具体来讲，表面活性剂在GeO2领域中有如下作用。
1 控制纳米颗粒的尺寸及形貌
表面活性剂在液相制备纳米材料的最大特点就是在溶液中形成粒径可调节的胶束，常见的胶束的直径为10～100 nm。胶束的尺寸直接决定了生成产物的大小以及形貌，而胶束的尺寸调节可通过改变表面活性剂类型，控制表面活性剂剂量，以及添加其他辅助表面活性剂（如醇类）来进行控制。从而达到了控制纳米颗粒的粒径以及形貌的目的。如吴海平博士等人通过反胶束方法制备的粒径在100 nm左右的不同暴露面的纳米方[6]以及台湾新竹清华大学的邱薏雯等人制备的具有奇异杨桃形貌的GeO2纳米颗粒[7]。
2 纳米材料的表面改性作用
表面活性剂具有独特的一头亲水基，一头亲油基的双亲结构，并具有良好的吸附性。可以与具有较高表面活性能的纳米颗粒进行结合。赋予纳米颗粒新的表面结构，从而对其表面性能进行改性。吉林大学的吴伟等人利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包覆于水热法制备的GeO2纳米颗粒上研究其发光性能发现，经过表面活性剂包覆后的纳米粒子其光致发光性能明显提升。并且不同的表面活性剂包覆效果也不一致。如CTAB的包覆后的GeO2纳米粒子光致发光性能就很差[5]。
3 结构导向剂作用
表面活性剂的双亲结构能够决定表面活性剂分子在胶束表面聚集，使在胶束内部进行反应的纳米粒子定向排列，诱导纳米颗粒形成特定的晶相或晶格结构。从而起到结构导向剂的作用利用表面活性剂这一定向诱导性质，可以选择性制备所需的纳米结构材料并定向合成指定基团或其他结构。如海南师范大学的Zou等人，利用苯—PVP（正丁醇）—水体系成功在室温条件下制备了较为罕见的β石英相的纳米GeO2颗粒（P3221空间群）与平时常见的α相的GeO2在空间对称性上呈左右对称的状态。这说明表面活性剂在不同的醇类的辅助作用下，能够对制备的纳米材料结构起到结构导向作用，从而有助于我们选择性地控制GeO2纳米材料各种晶相的制备[8]。
4 微反应单元
分子有序组合体可作为微反应器在化学、化工、生化反应中提供多种微环境并实施控制，有着常规反应器无法比拟的优越性。作为制备新型纳米材料的微反应器，在材料科学中，设计制备新型纳米材料能使得复合材料获得新的物理化学性能，这其中对颗粒的形态、颗粒粒径、粒径分布、胶体的稳定性有严格的要求，而分子有序组合体特殊的微环境为控制反应提供了适宜的条件。如吉林大学的邹旭博士等在苯—PVP—水体系下构筑气泡，并以此为核在表面活性剂构成的微反应器内实现了空心GeO2结构的合成。为携带其他类型的纳米材料或药物，实现药品的定向输运奠定了工作基础。[4，9]
表面活性剂在GeO2纳米材料的湿化学制备中起到举足轻重的作用。而由于对表面活性剂认识的问题以及合成工艺的限制，近年来有关这一体系下GeO2纳米材料制备的工作并不是很多，同时值得指出的是，不同种类的表面活性剂对GeO2体系的影响也不尽相同。因此，有必要对这一领域进行更加深入地研究，这同时也有助于我们更好地理解表面活性剂的应用特性。
参考文献
[1] 肖进新，赵振国.表面活性剂应用原理[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2] 高鸿锦.化工百科全书[M].1998，18：655.
[3] 王培义，徐宝财.表面活性剂—合成性能应用[M].北京：化学工业出版社，2007.
[4] X.Zou and B.B. Liu et al，Cryst Eng Comm[Z].2011，13：979.
[5] W.Wu and X. Zou et a，l Journal of Nanomaterials[Z].2011，Article ID 841701.
[6] H.P.Wu and J.Z.Jiang et al，Chem[Z].Mater.2006，18（7）：1817.
[7] Y.W.Chiu and M.H.Huang，J.Phys[Z].Chem.C 2009，113：6056.
[8] X.Zou and B.B.Liu et al，Adv.Mater.Res.2013，669：360.
[9] 邹旭.氧化锗纳米结构制备及高压相变行为研究[D].吉林大学，2011.
作者：邹旭 孙丽 彭菊媛 付海川 刘红
第三篇：浅析改善钢板表面质量
摘要：本文探析了舞钢钢板存在表面质量问题的原因，通过精细化管理对钢板热处理设备运行状况的改善，使得钢板表面质量得到了保证。
关键词：钢板表面质量热处理常化炉精细化管理
随着经济危机的延续，钢铁市场形势也在经受着十分严峻的考验，与此同时，竞争对手也在不断壮大，市场份额不断的被蚕食，为此，舞钢只有走高端、精品路线才是唯一出路。舞钢公司产品从质量、性能方面均属国内一流，唯一不足之处是钢板表面质量问题，主要包括辊印、划伤、油污等，严重影响了舞钢品牌形象，为此，公司针对以上问题制定了精细化管理方案，从管理中解决问题。
1 产生钢板表面质量问题的分析
舞钢生产的钢板有辊印、划伤问题的主要出现在2#常化线，2#常化炉是轧钢厂的主要热处理炉，平均每天热处理量在1100吨以上，公司许多重点合同都必须在2#常化线进行热处理，辊底式炉存在的辊印问题一直是各大钢厂迫切需要解决的问题因为辊印直接影响钢板的外观质量。2#常化炉担负着全厂热处理里合同约50%的产量，钢板的外观质量特别是板型瓢曲和辊印成为生产瓶颈。设备运行状况直接影响到公司重点合同的性能合格率，从而影响到整个公司的经济效益，然而由于2#常化炉炉况较差，炉墙内部耐火材料脱落严重，部分轴承座出现漏火现象，极易造成轴承烧干卡转，从而导致辊印、划伤的形成。而出现辊印、划伤问题的原因主要有：①炉底辊运行不正常，有卡阻、偷停、不转等现象;②炉底辊表面有鼓包、结馏等;③炉底辊有弯曲的情况;④辊速设置问题。因此，改善热处理炉的运行状况成为解决钢板表面质量问题的重点课题。
2 改善热处理炉设备的措施
2.1 加强设备巡检，严格执行“五定”要求 确保炉底辊正常运转，首先也是必须要保证润滑良好，车间严格要求岗位人员执行润滑“五定”，即：定点、定时、定人、定质、定量。定点是要求岗位人员必须清楚设备的每个润滑点，这也是最基本的要求。定时是指严格按照设备润滑周期来执行润滑。定人是指明确规定相关岗位人员对设备润滑工作应负有的责任。定质是指选择正确的润滑油品，确保润滑质量。定量是指润滑油的供给量，给多了浪费，给少了起不到相应的效果，所以这个量一定要把握好。
2.2 对润滑油品进行改进，选择耐高温合成润滑脂，防止润滑油烧干结焦 对于部分轴承由于高温而出现烧干结焦，选择耐高温合成润滑脂，耐高温润滑脂是由有机稠化剂稠化高温性能优异的酯类合成油，并加有抗氧化、防锈蚀等多种添加剂精制而成耐高温润滑脂。提供出色的防锈、防腐蚀保护。适用温度范围广最高温度可达到150度，经验证，该润滑油能满足2#常化炉设备需求。
2.3 对润滑脂管路进行集中改进，确保供油管线正常工作 润滑管路布局过乱，不仅经常出现故障，而且容易造成润滑油的浪费，因此，为了确保每个供油点的供油正常，对供油管路进行集中改进，对每个供油点逐个打开检查，将不合理的布局重新整改，出现故障的供油点逐项排查处理，重点部位重点对待，对于炉墙漏火部位，每天观察炉辊运行情况，必要时单独充油，防止轴承卡阻。配合自动化车间加装炉底辊电流跟踪装置，通过在电脑画面对电流变化进行跟踪，对电流波动幅度大的炉底辊从电机运转情况，联轴器螺丝的松紧情况，炉底辊轴承等方面进行查找和解决问题。2#常化炉正火时温度较高，最高温度可达930度左右，而炉墙状况不好，炉压偏高，经常从轴承座部位窜出极高温度的高压炉气，将轴承乃至油管里的润滑脂烧干结焦，从而造成轴承润滑不良而损坏，损坏的轴承得不到及时处理，辊子长时间不转，很快就烧弯。为此，对于炉子的容易漏火部位，要求在正常供油的情况下，每两天单独充油一次，确保润滑良好。
2.4 切实做到精品检修，延长炉子使用周期 停炉前对设备进行仔细的全面检查，争取做到发现设备的每一处小的缺陷，检修时要安排专人跟踪，质量把关，做到精品检修，确保炉子在半年的使用周期内不出现大的设备故障。
通过采用温度梯度烧钢，不同速度通炉，优化生产组织等有效措施，常化炉的辊印控制在较好水平。表面质量合格率达96.2%，重点合同性能合格率达到98%以上，同时，检修维护费用消耗同比去年下降84.95%。
3 结束语
产品良好的内部及外部质量是企业生存与发展的关键，本文旨在介绍舞钢公司为改善产品表面质量所采取的措施，希望能给予各钢铁企业以借鉴。
作者：李君 刘朋雷