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  在海洋復(fù)雜環(huán)境中（濕度、溫度、壓力、海水介質(zhì)等），海工裝備關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件面臨更苛刻的耐磨損、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命的服役性能挑戰(zhàn)。以類金剛石薄膜（DLC）為代表的先進(jìn)表面強(qiáng)化碳基薄膜材料與技術(shù)，可有效突破金屬材料本身和傳統(tǒng)表面處理技術(shù)的性能極限，是解決上述問題的重要途徑，也是國(guó)際表面強(qiáng)化涂層材料研究前沿。目前碳膜主要瓶頸是薄膜內(nèi)應(yīng)力高、摩擦多環(huán)境適應(yīng)差、與海洋特殊工程金屬基材膜基結(jié)合弱、及復(fù)雜形狀均勻制備難。 

  近年來，中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的汪愛英研究員團(tuán)隊(duì)，圍繞DLC薄膜上述問題從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面開展了系列深入的工作。針對(duì)沉積碳源不同，團(tuán)隊(duì)率先研制了高離化率、易于大面積沉積的線性離子束復(fù)合a-C:H碳膜裝備和雙彎曲磁過濾陰極電弧ta-C碳膜裝備【授權(quán)專利：200920120060.1、201010135514.x】；進(jìn)一步采用復(fù)合濺射方法，實(shí)現(xiàn)了從微量到高含量摻雜的系列金屬摻雜碳基復(fù)合薄膜（Me-DLC）設(shè)計(jì)與制備，包括強(qiáng)/弱碳化物形成相（Ti、Zr、V、W、Cr、Mo、Si）【Appl. Surf. Sci. 257(2010)244, 270(2013)519；Vacuum 85(2010)23, 85(2011)792；Diamond Relat. Mater. 19(2010)1307；Surf. Coat. Technol. 205(2011) 2882；Thin Solid Films 520(2012) 6067, 261(2015)398】、及非碳化物形成相（Cu、Al、Mg、Ag）【J. Alloy Compounds 509(2011)4626；Thin Solid Films 584(2015)289；Surf. Coat. Technol. 229(2013) 217, 272(2015)380】等。同時(shí)針對(duì)微量金屬摻雜時(shí)應(yīng)力大幅降低而力學(xué)性能損傷小的普遍實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（圖1），與韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院首席科學(xué)家Kwang-Ryeol Lee博士合作，通過系統(tǒng)理論計(jì)算，建立了常用金屬摻雜元素與碳原子間的“成鍵特征元素周期表”，揭示了金屬摻雜元素不同時(shí)應(yīng)力降低的本質(zhì)原因【Thin Solid Films 520(2012)6064；J. Comput. Theor. Nanos. 10(2013)1688；Surf. Coat. Technol. 228(2013)190】。 

圖1 單一金屬Cr、Ti、Al摻雜對(duì)碳膜應(yīng)力和硬度的影響 

  最近，為深入理解金屬摻雜含量對(duì)微結(jié)構(gòu)和應(yīng)力演變行為的影響，汪愛英研究員、李曉偉副研究員等在前期實(shí)驗(yàn)和理論研究基礎(chǔ)上，采用分子動(dòng)力學(xué)和第一性原理計(jì)算，以不同成鍵特征的Ti、Cr、W、Cu、Al作為摻雜金屬元素，研究了摻雜金屬含量對(duì)碳膜微結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的影響（圖2）。以Ti為例，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ti含量從0增加至1.56at.%時(shí)，C-C-C畸變鍵角和C-C畸變鍵長(zhǎng)的含量協(xié)同減少是應(yīng)力大幅降低主要原因；繼續(xù)增加Ti至7.81at%時(shí)，畸變鍵角含量變化不明顯，但畸變鍵長(zhǎng)含量反而增加，最終協(xié)同導(dǎo)致應(yīng)力增加。相關(guān)成果已發(fā)表在【J. Phys. Chem. C 119(2015)6086；AIP Adv. 5(2015)017111】上。  

圖2 單一金屬Ti、Cr、W摻雜種類和含量對(duì)碳膜體系鍵結(jié)構(gòu)畸變的影響

  另一方面，基于單一金屬摻雜元素與碳原子間的成鍵特征不同，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了采用雙元金屬摻雜來協(xié)同改善碳膜綜合性能的材料設(shè)計(jì)思路。選擇具有成鍵、非鍵、反鍵、離子鍵特征的Ti、Cr、W、Cu、Al等作為雙元協(xié)同的摻雜對(duì)象，篩選獲得了Ti/Al、Cr/Al、W/Al和Cu/Cr的四種雙元復(fù)合材料體系。相對(duì)于單一金屬摻雜，這四種復(fù)合體系不僅可大幅降低應(yīng)力，且能更好保持薄膜優(yōu)異機(jī)械性能；同時(shí)與純DLC薄膜相比，Ti/Al、Cr/Al、W/Al和Cu/Cr協(xié)同摻雜能顯著降低應(yīng)力80%以上，特別是Cu/Cr協(xié)同摻雜時(shí)應(yīng)力降幅達(dá)93.6%。結(jié)構(gòu)分析表明：雙元金屬摻雜不僅可協(xié)同弛豫薄膜中高度畸變鍵長(zhǎng)的含量，且弱成鍵特征形成可極大降低應(yīng)力（圖3）。有關(guān)結(jié)果不僅為理解其他研究者報(bào)道的Ti/Al、Cr/Al復(fù)合碳膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了幫助，同時(shí)為未來設(shè)計(jì)、發(fā)展耐磨蝕防污一體的高性能DLC薄膜材料提供了新思路。該研究成果發(fā)表在【ACS Appl. Mater. Interfaces 7(2015)27878；Mater. Design 89(2016)1123】上�；诶碚搩�(yōu)化設(shè)計(jì)的Cu/Cr共摻雜碳膜新體系實(shí)驗(yàn)研究正在穩(wěn)步推進(jìn)。 

  該系列工作得到了國(guó)家973子課題、國(guó)家自然科學(xué)優(yōu)秀基金、中科院重大裝備計(jì)劃、寧波市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資助。

圖3  Cu/Cr共摻雜導(dǎo)致的DLC薄膜殘余應(yīng)力與微結(jié)構(gòu)的變化