我國學者成功研制海洋裝備用非晶碳基抗磨蝕防護涂層

　　鋼鐵合金是海洋工程重大裝備的關鍵支撐與結構材料，但在海洋復雜環境下，其運動部件面臨嚴峻的磨損與腐蝕挑戰。常規的有機防護涂料難以滿足動態載荷的部件強韌抗磨蝕需求，采用物理氣相沉積表面強化涂層材料，是解決上述問題的有效途徑之一。近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所、中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室的先進碳基薄膜技術團隊，聚焦具有優異力學、低摩擦潤滑、良好化學惰性的非晶碳基涂層材料體系，在金屬表面強化防護用PVD類石墨非晶碳（Graphite-like carbon, GLC）涂層材料方面取得系列進展。

圖1 Cr/GLC薄膜的截面TEM形貌和EELS結果

　　首先，針對磁控濺射GLC涂層與鋼材基體間結合力差的問題，團隊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作為三種強膜基結合的金屬過渡層，對比研究了其對GLC涂層界面結構的催化行為和影響規律（ACS Appl. Mater. Interface 9 (2017) 41115）。研究發現，Cr、Ti、W過渡層均可導致界面處碳卷曲結構形成，誘導石墨化；但增加溫度，sp2結構反向溶解和Ti-C鍵強穩定性導致石墨化含量降低，而Cr、W過渡層則呈現高溫增加石墨化的催化功能。這不僅解釋了Cr/GLC涂層中獲得的導電耐腐蝕實驗現象（發明ZL，201611030648.9，201410727479.9，Surf. Coat. Technol. 307(2016) 374），也提供了一種金屬催化非晶碳轉變特殊結構碳材料的制備新思路。

　　最近，從Cr/GLC涂層材料體系入手，為提高海水環境中涂層的強韌耐磨性和抗腐蝕性能，團隊進一步設計制備了不同調制周期、厚度比的復合結構涂層，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）。研究發現，給定涂層總厚度時，減小調制周期，涂層的應力下降，硬度和韌性增加，耐磨蝕性能先增后降。其中，當調制周期為250nm時，涂層最大硬度達20.03±0.59GPa，韌性特征H3/E2為0.214。但是，過于減小調制周期，會導致涂層中頂層GLC厚度減小，進而由Mott-Schottky分析表明薄膜缺陷會增加，從而導致極化電阻減小，磨蝕性能變差。隨后，團隊提出了通過多層阻斷腐蝕擴散通道、頂層加厚，實現功能層的復合結構設計，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的優異抗磨蝕非晶碳復合涂層。結合復雜形狀均勻沉積技術，有關涂層材料已初步在船舶液壓馬達的活塞、挺桿等部件上開展涂覆改性應用評價。

　　以上研究工作得到國家自然科學優秀青年基金項目（51522106）、科技部重點研發計劃項目（2017YFB0702303）和浙江省重大招標項目（2017C01001）的支持。

圖2 Cr、Ti、W三種金屬過渡層對GLC涂層界面結構的催化行為理論研究

圖3 經頂層優化的Cr/GLC復合涂層結構與優異抗磨蝕性能