微弧氧化是在电化学阳极氧化基础上,通过提高阴阳极间的单脉冲能量,实现阳极表面等离子体增强及阀金属表面陶瓷化的材料加工技术。本文对诱发微弧等离子体的膜层组织结构和电导特性进行了分析,揭示由于膜层中微裂纹和杂质颗粒界面的随机分布引起微区阻值分布存在不均衡的涨落,微弧等离子体诱发是电流在氧化膜微区中非平衡态分布的必然结果。在缺陷微区对电流竞争分配和杂质能级逐级反馈的作用下引起缺陷微区出现丝状电流的固体电击穿行为。固体电击穿后续引发热电子发射和气体碰撞电离最终致微弧等离子体形成。缺陷微区放电后离子晶体的融化引起电流局部均散致单个弧斑具有自生自灭的毫/微秒量级时间分布,微裂纹/杂质颗粒界面致单个弧斑具有微纳米量级空间分布,热电子发射机制致单个弧斑具有局部热力学平衡高温等离子体的能量特性。单次放电后氧化膜中的缺陷微区(微裂纹和杂质颗粒界面)向热稳定或亚稳定结构的晶体转变,使原缺陷微区的阻值随之增加一增量ΔR。由于电流总是优先经过电阻最低的路径(支配原理),每个缺陷微区放电后的ΔR将对下一次所有微区电流分布产生反馈,进而引起下一次所有微区放电时空分布与能量、微孔分布与结构、陶瓷层生长速率发生改变。支配原理导致微弧氧化即使在恒定的外界条件下系统各参量随时间并不处于定常状态。电极系统可测的宏观量难以描述每个弧斑的时空分布与能量间的差异,文章从统计力学角度借鉴元胞自动机思想建立描述微弧等离子体分布与能量的离散动力学模型—微弧算法。提出了决定阳极电流向平衡态或远离平衡态分布及分布速率的核心参量—反馈系数k,并建立k与电流密度、脉宽/脉宽间隔、放电产物电导特性间的单调性规律。揭示出微弧氧化陶瓷层生长是电流分布远离平衡态的过程(k>3.3),微弧等离子体分布与能量、陶瓷层生长方式、表面微孔结构、陶瓷层耐腐蚀和耐摩擦磨损性能本质上是电流远离平衡态分布速率不同的结果。基于电流密度、脉宽/脉宽间隔对k的调控,实现了理论预测下电流远离平衡态分布速率的调控及相应陶瓷层微孔结构。微弧算法还揭示出微弧氧化仍然存在电流分布趋向平衡态这一微弧氧化技术目前尚未发现的情况(k<3.3),利用频率可达50kHz高频电源实现了理论预测下的电流趋向平衡态分布,并建立了微弧氧化平衡态下所对应的陶瓷层自定义生长与超强高硬材料微细加工两个新的技术应用。平衡态微弧氧化技术本质上提供了一种微纳米尺度高温高压等离子体的选区诱发方式,使微弧等离子体不但保留独一无二的时空分布与能量特性,又可比肩传统等离子体的精确可控并在材料加工领域获得更多潜在应用。文章最后分析了电流远离平衡态和趋向平衡态分布的行为临界点(k=3.3),揭示出弧斑群体自组织有序结构的根本原因是电流远离平衡态分布。恒定的外界条件下微弧系统最终难以维持稳态并总会随时间表现出不可逆的方向性。微弧氧化中弧斑群体总会不断衰败,陶瓷层孔隙率,微孔尺寸和尺寸间的差异总会增加,电源电量利用率总会越来越低,即使处理时间是无限的,陶瓷层最终厚度也是有限的。