寧波材料所為TiN涂層環(huán)境演化規(guī)律構(gòu)建統(tǒng)一性微觀理論
氮化鈦（TiN）擁有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度與耐磨性、抗環(huán)境腐蝕/氧化、生物兼容性等特點(diǎn)，在海洋/高溫材料、核電、生物醫(yī)療、光電子器件等領(lǐng)域被廣泛用作結(jié)構(gòu)/功能性涂層。這些應(yīng)用普遍涉及各類氧化/腐蝕性的氣體/溶液環(huán)境，TiN涂層的服役穩(wěn)定性也極大取決于表面結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)（比如O2和H2O）之間的復(fù)雜微觀耦合作用。但是，TiN表面服役行為是一種多場耦合的反應(yīng)過程，多種內(nèi)/外因素（比如表面形貌/組分、環(huán)境條件和歷史等）的協(xié)同作用使得幾十年來各式各樣的實(shí)驗(yàn)觀測現(xiàn)象缺乏清晰統(tǒng)一的理解。這極大限制了人們精準(zhǔn)研發(fā)更多新型涂層的能力，從而無法有效滿足極端苛刻環(huán)境下的材料保護(hù)需求。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王立平研究員、原子尺度與微納制造實(shí)驗(yàn)室曹彥偉研究員、前沿交叉科學(xué)研究中心黃良鋒研究員等帶領(lǐng)的多個團(tuán)隊(duì)緊密合作，并聯(lián)合了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心葛敏高級工程師和甬江實(shí)驗(yàn)室蕭紹鑄副研究員，在原子尺度級別上為TiN表面的環(huán)境演化規(guī)律成功構(gòu)建了可靠的統(tǒng)一性微觀理論。研究人員基于高精度、多性能、多尺度的第一性原理計(jì)算方法，結(jié)合熱力學(xué)、動力學(xué)、電化學(xué)理論模型，以及先進(jìn)的涂層制備（單晶和多晶納米薄膜）和表征技術(shù)（HR-XRD、ARPES、 SEM、STEM-HAADF、EDX等），系統(tǒng)研究了三類表面結(jié)構(gòu)的本征穩(wěn)定性、環(huán)境物質(zhì)反應(yīng)行為和表面鈍化/腐蝕趨勢。所得到的數(shù)值結(jié)果和機(jī)理圖像不僅統(tǒng)一解釋了幾十年來眾多實(shí)驗(yàn)觀測現(xiàn)象，也成功指導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)合作者開展深入的表面本征態(tài)測量、強(qiáng)酸/堿腐蝕測試和微結(jié)構(gòu)表征工作。
本工作為許多TiN基涂層及類似氮化物涂層環(huán)境服役性能的有效調(diào)控和精準(zhǔn)預(yù)測提供了可靠的原理依據(jù)。該項(xiàng)研究成果以“Unifying the atomistic trends for early-stage evolution of TiN surfaces in atmospheric and aqueous environments”為題，發(fā)表在國際冶金頂級期刊《材料學(xué)報(bào)》上（Acta Materialia 2025, 289, 120909）。寧波材料所2022級碩士生周游麒為第一作者，寧波材料所2022級碩士生郭章媛為共同第一作者，通訊作者為寧波材料所博士后畢佳暢、王立平研究員、黃良鋒研究員。該研究獲國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U21A20127、22272192、12204495）等的資助。
圖1 氮化鈦涂層表面在制備條件和實(shí)際服役環(huán)境中演化規(guī)律的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
（前沿交叉科學(xué)研究中心 周游麒）
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