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金属材料在使役过程中发生的变化和失效通常从表面和界面开始，通过表面结构设计、表面改性等手段可以提高其性能和使用寿命，因此，金属材料表面科学与工程发展成为21世纪的关键技术之一。特别是对铝、镁、钛及其合金等轻金属材料，其高化学活性和质软的特点更易导致材料的腐蚀磨损等现象，因此开展轻金属的表面处理和表面改性对提升材料性能至关重要。本文主要讨论了利用阳极氧化、微弧氧化等表面处理方法，对铝、钛及其合金进行表面氧化处理和表面结构化设计，从为什么造孔、如何造孔和怎样利用孔结构对金属进行表面改性、涂层防护和功能调控三方面进行了详细论述。最后，在对材料表面结构和性能认识的基础上，以工程需求为导向开发面向应用的涂层材料，如针对工程机械和高端制造业的需求，设计发展防止润滑油爬行的疏油屏障材料和防指纹材料，针对海洋工程减阻降噪需求开发了超亲特种涂层材料，针对高寒气候开发防除冰材料等；同时，将特殊浸润性表面运用到海洋防腐防污领域，通过负载防污剂或设计长链缓蚀剂实现金属材料表面的防腐防污功能，并设计了基于上述孔结构的具有光响应特性的有机无机复合防腐涂层，实现了基于光电的阴极保护和涂层防护的功能一体化复合涂层设计；并以轻金属表面孔结构为基础通过复合有机、无机的抗磨纳米材料，增强材料表面的耐磨抗蚀性能。