寧波材料所在非晶碳基抗磨蝕防護(hù)涂層材料方面取得進(jìn)展
鋼鐵合金是海洋工程重大裝備的關(guān)鍵支撐與結(jié)構(gòu)材料，但在海洋復(fù)雜環(huán)境下，其運(yùn)動(dòng)部件面臨嚴(yán)峻的磨損與腐蝕挑戰(zhàn)。常規(guī)的有機(jī)防護(hù)涂料難以滿足動(dòng)態(tài)載荷的部件強(qiáng)韌抗磨蝕需求，采用物理氣相沉積表面強(qiáng)化涂層材料，是解決上述問(wèn)題的有效途徑之一。近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)碳基薄膜技術(shù)團(tuán)隊(duì)，聚焦具有優(yōu)異力學(xué)、低摩擦潤(rùn)滑、良好化學(xué)惰性的非晶碳基涂層材料體系，在金屬表面強(qiáng)化防護(hù)用PVD類石墨非晶碳（Graphite-like carbon, GLC）涂層材料方面取得系列進(jìn)展。
首先，針對(duì)磁控濺射GLC涂層與鋼材基體間結(jié)合力差的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)基于前期研究建立的金屬元素與碳的不同成鍵特征（J. Phys. Chem. C, 119 (2015) 6086，Thin Solid Films,607 (2016) 67），選擇Cr、Ti、W作為三種強(qiáng)膜基結(jié)合的金屬過(guò)渡層，對(duì)比研究了其對(duì)GLC涂層界面結(jié)構(gòu)的催化行為和影響規(guī)律（ACS Appl. Mater. Interface 9 (2017) 41115）。發(fā)現(xiàn)，Cr、Ti、W過(guò)渡層均可導(dǎo)致界面處碳卷曲結(jié)構(gòu)形成，誘導(dǎo)石墨化；但增加溫度，sp2結(jié)構(gòu)反向溶解和Ti-C鍵強(qiáng)穩(wěn)定性導(dǎo)致石墨化含量降低，而Cr、W過(guò)渡層則呈現(xiàn)高溫增加石墨化的催化功能。這不僅解釋了Cr/GLC涂層中獲得的導(dǎo)電耐腐蝕實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（發(fā)明專利，201611030648.9，201410727479.9，Surf. Coat. Technol. 307(2016) 374），也提供了一種金屬催化非晶碳轉(zhuǎn)變特殊結(jié)構(gòu)碳材料的制備新思路。
最近，從Cr/GLC涂層材料體系入手，為提高海水環(huán)境中涂層的強(qiáng)韌耐磨性和抗腐蝕性能，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)制備了不同調(diào)制周期、厚度比的復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，并研究了其抗磨蝕性能的變化（ACS Appl. Mater. Interfaces 10 (2018) 13187, J. Mater. Sci. Technol. 34 (2018) 1273）。研究發(fā)現(xiàn)，給定涂層總厚度時(shí)，減小調(diào)制周期，涂層的應(yīng)力下降，硬度和韌性增加，耐磨蝕性能先增后降。其中，當(dāng)調(diào)制周期為250nm時(shí)，涂層最大硬度達(dá)20.03±0.59GPa，韌性特征H3/E2為0.214。但是，過(guò)于減小調(diào)制周期，會(huì)導(dǎo)致涂層中頂層GLC厚度減小，進(jìn)而由Mott-Schottky分析表明薄膜缺陷會(huì)增加，從而導(dǎo)致極化電阻減小，磨蝕性能變差。隨后，團(tuán)隊(duì)提出了通過(guò)多層阻斷腐蝕擴(kuò)散通道、頂層加厚，實(shí)現(xiàn)功能層的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并成功獲得了極化電阻大幅提高（1.1×107 cm2）、海水下磨損率低至2.3×10-8 mm3/Nm的優(yōu)異抗磨蝕非晶碳復(fù)合涂層。結(jié)合復(fù)雜形狀均勻沉積技術(shù)，有關(guān)涂層材料已初步在船舶液壓馬達(dá)的活塞、挺桿等部件上開(kāi)展涂覆改性應(yīng)用評(píng)價(jià)。
以上研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目（51522106）、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0702303）和浙江省重大招標(biāo)項(xiàng)目（2017C01001）的支持。
圖1 Cr/GLC薄膜的截面TEM形貌和EELS結(jié)果
圖2 Cr、Ti、W三種金屬過(guò)渡層對(duì)GLC涂層界面結(jié)構(gòu)的催化行為理論研究
圖3 經(jīng)頂層優(yōu)化的Cr/GLC復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)與優(yōu)異抗磨蝕性能
?。ū砻媸聵I(yè)部/海洋實(shí)驗(yàn)室 劉林林）