《微弧氧化原理与功能涂层设计及应用》*先系统全面阐述了微弧氧化技术概论、涂层形成过程与机理、涂层基本特征、工艺参数与涂层优化策略；其次，基于金属表面耐磨减摩、抗腐蚀、热防护、热控、介电绝缘、催化、生物医用涂层等特殊功能需求，探讨了功能涂层的设计原则，以及如何通过微弧氧化工艺-组成-结构-性能调控获取高性能功能涂层，并介绍典型的功能涂层应用案例；再次，基于改善涂层关键性能的*特设计理念，特别介绍了新涂层与新工艺的发展前沿；*后，介绍了微弧氧化生产线及其辅助装置，并总结提炼出微弧氧化工艺技术80问，为工程实践中遇到的问题答疑解惑。

第1章微弧氧化技术概论
　　1.1微弧氧化技术简介
　　1.1.1微弧氧化技术定义
　　金属（如铝、镁、钛、锆、钽、铌合金）及其复合材料表面微弧氧化技术，也称作等离子体电解氧化，是将金属浸入碱性（或酸性）电解液中，通过施加高电压使金属表面发生击穿微弧放电，进而微弧放电微区的局部高温高压作用使金属基体发生氧化，在金属基体表面形成以基体元素氧化物为主、电解液所含元素参与掺杂/混合改性的功能化陶瓷涂层[1-3]。金属表面涂层的组成、结构与性能可通过电解液成分选择与电参数的匹配进行优化设计，进而可获得一系列高技术需求的特殊功能化涂层（如耐磨减摩、抗腐蚀、热防护、热控、介电绝缘、催化、生物活性等），在汽车、航空航天（航空发动机、舰载飞机、卫星、火箭、导弹等）、船舶、纺织、电子（3C产品）、医疗器械与环保净化等轻量化装备领域有广阔应用前景[4]。
　　1.1.2微弧氧化技术特点
　　（1）基体适用性广：微弧氧化技术可用于铝、镁、钛、锆、钽、铌合金及其复合材料等表面陶瓷涂层的制备。
　　（2）环保：与一般表面处理技术（阳极氧化、电镀等）相比，微弧氧化技术清洁环保。常使用低浓度碱性溶液作为电解液，涂层制备过程中完全不使用硫酸、盐酸、硝酸、铅、铬、汞、六价铬等有毒有害物质，确保人员/环境的安全与健康。
　　（3）工艺简单：整套设备操作简便，处理工序少，基体无须经过酸洗、碱洗等预处理工序，除油后可直接进行微弧氧化处理，易于实现自动化生产。
　　（4）厚度均匀可控：微弧放电始终发生在相对薄弱部位，保证均匀放电，涂层厚度均匀，厚度范围由几微米至几百微米精确可控。
　　（5）处理效率高：与阳极氧化相比，一般阳极氧化获得30μm厚的涂层需要1～2h，而微弧氧化只需10～30min。
　　（6）涂层膜基结合强度高：通过液相等离子火花放电辅助的金属原位氧化形成冶金方式结合的陶瓷涂层，一般结合强度在30MPa以上。
　　2微弧氧化原理与功能涂层设计及应用
　　（7）涂层功能多样化：微弧氧化涂层因使用环境不同而需赋予不同的表面性能，陶瓷层的高硬度、高阻抗和高稳定性满足金属耐磨、耐海水腐蚀、耐连接（电偶）腐蚀、耐擦伤腐蚀及抗高温热蚀等性能要求。同时，通过特殊的组成结构设计，涂层还具有热防护、热控、介电绝缘、生物活性、催化等使役性能。
　　1.1.3微弧氧化与阳极氧化对比
　　与阳极氧化工艺相比，微弧氧化具有下列特点。
　　（1）微弧氧化工艺常采用（弱）碱性溶液，对周围环境和人体无害，不造成污染，属于清洁加工工艺和环保型表面处理技术。
　　（2）工艺简单，特别对于工件的预处理不像阳极氧化要求的那样严格和繁杂，只要求样品表面去污去油，不需要去除表面的自然氧化层，也不需要表面打磨。
　　（3）微弧氧化可以一次完成，也可以分几次完成，特别对于涂层要求很厚的工件可以分几次氧化，而阳极氧化一旦中断就必须重新开始。
　　（4）在阳极氧化不易成膜的某些铝合金如Al-Cu、Al-Si等合金表面，同样可获得性能很好的厚膜，尤其在Al-Cu合金表面（如2024Al合金），也可以形成高硬度的厚膜，其硬度可达1600HV。
　　1.2微弧氧化技术的产生与发展
　　微弧氧化发展历程的示意图如图1-1所示。早在1880年，Sluginov等[5]已经发现浸入电解液中的金属通电后会产生发光现象。直到1923年Dunstan等[6]开始在铬酸盐溶液里对铝及其合金进行阳极氧化处理。1932年，德国科学家Günterschulze和Betz[7]的研究揭示了浸入电解液中的金属在高电场下会出现火花放电现象，但也指出火花对氧化膜具有破坏作用，从而认为“制备涂层的电压不应高于火花电压”，这在一定程度上限制了对该现象的深入研究。20世纪60年代，美国科学家McNiell等[8]用火花放电在含Nb的电解液中将铌酸镉沉积到镉阳极上，这种技术的实际应用价值才被*次开发出来。20世纪70年代，Machkova与其合作者发展并研究了在电弧放电条件下于铝阳极上沉积氧化物[9]。随后，美国Illinois大学Brown课题组[10，11]、苏联科学家Markov课题组[12]和德国Karl-Marx-Stadt工业大学Kurze课题组[13]先后开始了对Al、Mg、Ti、Zr等阀金属表面火花放电沉积涂层的研究，并将这一方法分别命名为阳极火花沉积（ASD）、微弧氧化（MAO）和火花放电阳极氧化（ANOF）等。进入20世纪80年代，微弧氧化技术成为美国、德国、苏联、日本等国家研究的热点，并从实验室研究转向工
　　4微弧氧化原理与功能涂层设计及应用
　　业应用。20世纪90年代后，我国学者才逐步开展微弧氧化相关技术研究，丰富了微弧氧化技术及其在金属表面处理领域的潜在应用，推动了该技术的发展。由于处理过程中对瞬间放电现象获取的信息相对较少，且缺乏理解，因此对同一技术应用了许多不同的术语：“微等离子体氧化”“阳极火花电解”“等离子体电解阳极处理”“火花放电下的阳极氧化”。目前国内学术与工业界常称为“微弧氧化”，国际上常称为“等离子体电解氧化”。
　　图1-1微弧氧化发展历程的示意图
　　通过Web of Science数据库检索可知，从20世纪90年代初至今，国内外有关微弧氧化技术研究始终是个热点。相关研究单位及发表论文和专利数量如图1-2所示，表明国内在微弧氧化技术方面研究发展迅猛，尤其是哈尔滨工业大学与中国科学院发表成果显著，而国外以俄罗斯科学院发表成果居多。
　　图1-2国内外发表微弧氧化相关论文的单位与数量统计（1990～2022年）
　　1.3微弧氧化技术的应用
　　微弧氧化技术作为一种新兴、环保、高效的表面处理技术，通过电解液与电参数的调控可制备耐磨减摩涂层、抗腐蚀涂层、热防护涂层、热控涂层、介电绝缘涂层、光催化涂层、生物医用涂层以及彩色涂层等多种功能化涂层（表1-2），被广泛应用于航空航天、船舶、汽车、兵器、轻工机械、石油化工、化学化工、电子工程、仪器仪表、医疗卫生等工业与民生领域。
　　1.4微弧氧化技术面临的挑战与未来发展方向
　　1.4.1面临的挑战
　　目前，微弧氧化技术在金属表面改性方面越来越受到重视。采用微弧氧化技术，通过涂层的成分与结构设计已制备出各种功能化陶瓷涂层（耐磨减摩、抗腐蚀、热防护、热控、介电绝缘、催化、生物等），涂层具有*特的优异性能与较长的使用寿命；此外，通过低能耗电源与高效长寿命电解液体系的开发使涂层制造成本进一步降低，使其呈现出极大的竞争力与应用潜力。当前，微弧氧化工艺正处在基础研究向产业化应用的过渡阶段，但应用主要集中在轻合金的抗腐蚀、耐磨减摩防护。值得注意的是，对于设计制备特殊、高附加值的功能化涂层，微弧氧化是*特且不可替代的，已展现出广阔的发展与应用潜力。
　　尽管如此，微弧氧化涂层形成机理研究、高性能功能涂层设计制备仍面临诸多挑战。
　　（1）微弧氧化机理仍需深入完善。深入了解微弧氧化过程机理，是设计制备功能化涂层和进一步提升使役性能的前提。但由于微弧氧化火花放电过程时间非常短，仅为微秒级别，很难捕捉瞬间的微区火花放电状态与物理化学过程；同时膜基界面微区的放电状态对涂层的组织结构（尤其是膜基界面结构）影响较大，进而影响涂层的功能化应用。采用高速摄影、光学发射光谱（optical emission spectrum，OES）、原子发射光谱（atomic emission spectrum，AES）、原子示踪及其他新技术原位捕捉火花放电状态及元素和温度分布，采用聚焦离子束扫描电子显微镜（focused ion beam-scanning electron microscope，FIB-SEM）、透射电子显微境（transmission electron microscope，TEM）（包括原位）、扫描电子显微境（scanning electron microscope，SEM）（包括原位）等手段分析对应涂层组织结构的演变过程，仍然是阐释微弧氧化机理的有效途径。

目录
序
前言
第1章 微弧氧化技术概论 1
1.1 微弧氧化技术简介 1
1.1.1 微弧氧化技术定义 1
1.1.2 微弧氧化技术特点 1
1.1.3 微弧氧化与阳极氧化对比 2
1.2 微弧氧化技术的产生与发展 3
1.3 微弧氧化技术的应用 5
1.4 微弧氧化技术面临的挑战与未来发展方向 6
1.4.1 面临的挑战 6
1.4.2 未来发展方向 8
参考文献 8
第2章 微弧氧化涂层形成过程与机理 10
2.1 概述 10
2.2 微弧氧化涂层生长过程与机理模型 10
2.2.1 微弧氧化生长过程 12
2.2.2 涂层生长规律和等离子体放电模型 13
2.2.3 涂层的组织结构形成与特点 15
2.2.4 击穿-反应-熔凝效应与涂层形成机制模型 19
2.3 微弧氧化涂层生长过程中的阴极放电 22
2.4 微弧氧化涂层生长过程中的气体演化 23
2.4.1 电解液与电参数对气体演化的影响 24
2.4.2 氢气释放对涂层生长的影响 25
2.5 微弧氧化涂层生长过程中的能量损耗与控制 25
2.6 本章小结与未来发展方向 26
参考文献 26
第3章 微弧氧化涂层基本特征 28
3.1 概述 28
3.2 涂层多微孔性与微孔可控性 28
3.2.1 涂层多微孔性 28
3.2.2 微孔结构特征 30
3.2.3 涂层微孔可控性 30
3.3 涂层的高硬度/高弹性模量 31
3.3.1 维氏硬度 31
3.3.2 纳米硬度与弹性模量 33
3.4 涂层膜基界面高的结合强度 35
3.5 涂层内的压应力特性 36
3.6 涂层界面“过生长”特性及对力学衰减的影响 37
3.7 涂层界面拉应力特性诱导疲劳寿命衰减及改进措施 39
3.8 本章小结与未来发展方向 41
第4章 工艺参数与涂层优化策略 42
4.1 概述 42
4.2 电源输出模式与涂层优化 42
4.3 微弧氧化放电过程控制与涂层优化 46
4.4 电参数调整制度与涂层优化 46
4.5 “软火花”放电制度与涂层优化 49
4.5.1 脉冲频率对阴极放电的影响与涂层优化 49
4.5.2 “软火花”放电条件形成与涂层优化 51
4.6 电解液影响与涂层优化 52
4.6.1 电解液的作用及分类 52
4.6.2 基础电解液体系与涂层优化 54
4.6.3 特殊离子/粒子添加的电解液体系与涂层优化 56
4.6.4 自封孔涂层的电解液体系与涂层优化 59
4.6.5 非水电解液体系与涂层优化 61
4.7 金属成分影响与涂层优化 63
4.7.1 金属发生微弧氧化反应难易程度与热力学解释 63
4.7.2 金属合金成分对涂层生长的影响 64
4.7.3 不同冶金状态的基体对涂层生长的影响 68
4.7.4 金属基复合材料对涂层生长的影响 69
4.7.5 高熵合金对涂层生长的影响 71
4.8 本章小结与未来发展方向 71
参考文献 72
第5章 微弧氧化耐磨减摩涂层设计与应用 73
5.1 概述 73
5.2 微弧氧化耐磨减摩涂层设计 73
5.2.1 摩擦磨损与润滑原理 73
5.2.2 微弧氧化耐磨减摩涂层设计原则 73
5.3 钛合金微弧氧化涂层的摩擦学行为 74
5.3.1 微弧氧化涂层的摩擦学行为 74
5.3.2 微弧氧化同步沉积烧结PTFE涂层的摩擦学行为 76
5.3.3 微弧氧化喷涂石墨复合涂层的摩擦学行为 78
5.4 铝合金微弧氧化涂层的摩擦学行为 79
5.4.1 铝合金纳米晶层的摩擦学行为 79
5.4.2 铝合金表面微弧氧化涂层的摩擦学行为 80
5.4.3 纳米化-微弧氧化复合改性层的摩擦学行为 81
5.4.4 耐磨性能比较 82
5.5 微弧氧化耐磨减摩涂层应用实例 83
5.5.1 滑动摩擦工况下应用 84
5.5.2 微动摩擦工况下应用 85
5.6 本章小结与未来发展方向 86
第6章 微弧氧化抗腐蚀涂层设计与应用 87
6.1 概述 87
6.2 微弧氧化抗腐蚀涂层设计原则 87
6.3 铝合金微弧氧化抗腐蚀涂层设计与制备 88
6.3.1 微弧氧化涂层的组织结构与抗腐蚀性能 88
6.3.2 纳米化-微弧氧化复合改性层的组织结构与抗腐蚀性能 91
6.4 微弧氧化涂层的电偶腐蚀 95
6.4.1 钛合金微弧氧化涂层的组织结构 95
6.4.2 钛合金微弧氧化涂层的电偶腐蚀行为 96
6.5 微弧氧化对焊缝抗腐蚀性能的影响 98
6.5.1 焊缝与微弧氧化涂层的动电位极化*线 99
6.5.2 焊缝与微弧氧化涂层在层状腐蚀溶液中的腐蚀行为 100
6.5.3 焊缝与微弧氧化涂层在中性盐雾中的腐蚀行为 103
6.6 微弧氧化抗腐蚀涂层应用实例 104
6.7 本章小结与未来发展方向 107
第7章 微弧氧化热防护涂层设计与应用 108
7.1 概述 108
7.2 微弧氧化高温热防护涂层设计原则 108
7.2.1 微弧氧化高发射率涂层设计原则 108
7.2.2 微弧氧化隔热涂层设计原则 109
7.2.3 微弧氧化高温抗氧化耐烧蚀涂层设计原则 109
7.3 钛合金表面高发射率热防护涂层 110
7.3.1 不同添加剂对涂层组织结构的影响 110
7.3.2 不同添加剂对涂层热辐射性能的影响 115
7.3.3 组织结构对微弧氧化陶瓷涂层高温发射率的影响 116
7.3.4 微弧氧化陶瓷涂层的热辐射机理 117
7.4 微弧氧化热防护涂层应用实例 118
7.5 本章小结与未来发展方向 119
第8章 微弧氧化热控涂层设计与应用 120
8.1 概述 120
8.2 热控涂层设计原理及设计原则 120
8.2.1 热控涂层设计原理 120
8.2.2 微弧氧化热控涂层设计原则 121
8.3 微弧氧化热控涂层设计与制备 122
8.3.1 铝合金表面微弧氧化热控涂层 122
8.3.2 镁合金表面微弧氧化热控涂层 127
8.3.3 钛合金表面微弧氧化热控涂层 130
8.4 微弧氧化热控涂层的影响因素分析 134
8.5 微弧氧化热控涂层应用实例 135
8.6 本章小结与未来发展方向 137
参考文献 137
第9章 微弧氧化介电绝缘涂层设计与应用 139
9.1 概述 139
9.2 介电绝缘原理 139
9.3 微弧氧化绝缘涂层设计原则 139
9.4 钛合金微弧氧化绝缘涂层设计与制备 140
9.5 铝合金微弧氧化绝缘涂层设计与制备 144
9.6 SiCp/Al复合材料表面微弧氧化绝缘涂层设计与制备 146
9.7 微弧氧化绝缘涂层应用实例 149
9.8 本章小结与未来发展方向 150
第10章 微弧氧化催化涂层设计与应用 151
10.1 概述 151
10.2 催化原理及过程 151
10.2.1 光/光电催化原理及过程 151
10.2.2 气相/液相反应催化原理及过程 151
10.3 微弧氧化催化涂层设计原则 152
10.3.1 微弧氧化光催化设计改性原则 152
10.3.2 微弧氧化其他催化设计原则 153
10.4 微弧氧化催化涂层及其载体设计与制备 154
10.4.1 光催化涂层及其载体设计与制备 154
10.4.2 光电催化涂层及其载体设计与制备 160
10.4.3 气相/液相反应催化剂及其载体的设计与制备 161
10.4.4 微弧放电-催化水处理技术 164
10.5 微弧氧化催化涂层应用实例 164
10.6 本章小结与未来发展方向 166
参考文献 166
第11章 微弧氧化生物医用涂层设计与应用 167
11.1 概述 167
11.2 微弧氧化生物医用涂层设计原则 167
11.2.1 生物医用涂层设计原则 167
11.2.2 抗菌涂层设计原则 168
11.3 钛合金微弧氧化生物医用涂层设计与制备 168
11.3.1 钛合金一步微弧氧化生物医用涂层 168
11.3.2 钛合金亚毫米/微米多级生物医用涂层 170
11.4 镁合金微弧氧化可控降解涂层设计与制备 177
11.4.1 微弧氧化可控降解涂层 177
11.4.2 镁合金微弧氧化涂层的骨内降解 179
11.5 微弧氧化抗菌涂层设计与制备 181
11.5.1 钛合金微弧氧化抗菌涂层 181
11.5.2 镁合金微弧氧化抗菌涂层 182
11.6 微弧氧化生物医用涂层实例 185
11.7 本章小结与未来发展方向 186
参考文献 186
第12章 微弧氧化新功能涂层与新工艺 188
12.1 概述 188
12.2 新功能涂层设计 188
12.2.1 彩色涂层设计与制备 188
12.2.2 磁性涂层材料设计与制备 190
12.2.3 电池活性电极材料设计与制备 191
12.2.4 染料敏化太阳能电池设计与制备 193
12.2.5 光致发光涂层材料设计与制备 193
12.2.6 其他新功能涂层材料设计与制备 194
12.3 新工艺探索 195
12.3.1 微弧氧化后处理复合工艺 195
12.3.2 微弧氧化前预处理复合工艺 196
12.3.3 微弧氧化-纳米粒子同步沉积烧结工艺 197
12.3.4 液相等离子辅助原位合成工艺 199
12.3.5 适于局部修复或大面积涂层制备的喷射微弧氧化工艺 199
12.3.6 微弧等离子体抛光去除工艺 200
12.4 本章小结与未来发展方向 202
参考文献 202
第13章 微弧氧化生产线及其辅助装置 203
13.1 概述 203
13.2 微弧氧化生产线构成 203
13.2.1 微弧氧化电源 205
13.2.2 微弧氧化生产线控制系统 210
13.2.3 生产槽线系统 210
13.3 微弧氧化生产线辅助装置 211
13.4 本章小结与未来发展方向 212
第14章 微弧氧化工艺技术80问 213
14.1 一般问题 213
14.2 工艺问题 215
14.3 性能问题 223