寧波材料所在非晶碳基抗磨蝕防護塗層材料研究中取得進展

2020-11-22 中國科學院

　　鋼鐵合金是海洋工程重大裝備的關鍵支撐與結構材料，但在海洋複雜環境下，其運動部件面臨嚴峻的磨損與腐蝕挑戰。常規的有機防護塗料難以滿足動態載荷的部件強韌抗磨蝕需求，採用物理氣相沉積表面強化塗層材料，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塗層材料體系，在金屬表面強化防護用PVD類石墨非晶碳（Graphite-like carbon, GLC）塗層材料方面取得系列進展。

　　首先，針對磁控濺射GLC塗層與鋼材基體間結合力差的問題，團隊基於前期研究建立的金屬元素與碳的不同成鍵特徵（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塗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捲曲結構形成，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塗層中獲得的導電耐腐蝕實驗現象（發明專利，201611030648.9，201410727479.9，Surf. Coat. Technol. 307(2016) 374），也提供了一種金屬催化非晶碳轉變特殊結構碳材料的製備新思路。

　　最近，從Cr/GLC塗層材料體系入手，為提高海水環境中塗層的強韌耐磨性和抗腐蝕性能，團隊進一步設計製備了不同調製周期、厚度比的複合結構塗層，並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，給定塗層總厚度時，減小調製周期，塗層的應力下降，硬度和韌性增加，耐磨蝕性能先增後降。其中，當調製周期為250nm時，塗層最大硬度達20.03±0.59GPa，韌性特徵H3/E2為0.214。但是，過於減小調製周期，會導致塗層中頂層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。隨後，團隊提出了通過多層阻斷腐蝕擴散通道、頂層加厚，實現功能層的複合結構設計，並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複合塗層。結合複雜形狀均勻沉積技術，有關塗層材料已初步在船舶液壓馬達的活塞、挺杆等部件上開展塗覆改性應用評價。

　　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1 Cr/GLC薄膜的截面TEM形貌和EELS結果 

 

圖2 Cr、Ti、W三種金屬過渡層對GLC塗層界面結構的催化行為理論研究 

 

圖3 經頂層優化的Cr/GLC複合塗層結構與優異抗磨蝕性能 

　　鋼鐵合金是海洋工程重大裝備的關鍵支撐與結構材料，但在海洋複雜環境下，其運動部件面臨嚴峻的磨損與腐蝕挑戰。常規的有機防護塗料難以滿足動態載荷的部件強韌抗磨蝕需求，採用物理氣相沉積表面強化塗層材料，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塗層材料體系，在金屬表面強化防護用PVD類石墨非晶碳（Graphite-like carbon, GLC）塗層材料方面取得系列進展。
　　首先，針對磁控濺射GLC塗層與鋼材基體間結合力差的問題，團隊基於前期研究建立的金屬元素與碳的不同成鍵特徵（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塗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捲曲結構形成，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塗層中獲得的導電耐腐蝕實驗現象（發明專利，201611030648.9，201410727479.9，Surf. Coat. Technol. 307(2016) 374），也提供了一種金屬催化非晶碳轉變特殊結構碳材料的製備新思路。
　　最近，從Cr/GLC塗層材料體系入手，為提高海水環境中塗層的強韌耐磨性和抗腐蝕性能，團隊進一步設計製備了不同調製周期、厚度比的複合結構塗層，並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，給定塗層總厚度時，減小調製周期，塗層的應力下降，硬度和韌性增加，耐磨蝕性能先增後降。其中，當調製周期為250nm時，塗層最大硬度達20.03±0.59GPa，韌性特徵H3/E2為0.214。但是，過於減小調製周期，會導致塗層中頂層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。隨後，團隊提出了通過多層阻斷腐蝕擴散通道、頂層加厚，實現功能層的複合結構設計，並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複合塗層。結合複雜形狀均勻沉積技術，有關塗層材料已初步在船舶液壓馬達的活塞、挺杆等部件上開展塗覆改性應用評價。
　　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1 Cr/GLC薄膜的截面TEM形貌和EELS結果 
 
圖2 Cr、Ti、W三種金屬過渡層對GLC塗層界面結構的催化行為理論研究 
 
圖3 經頂層優化的Cr/GLC複合塗層結構與優異抗磨蝕性能 

相關焦點

  • 寧波材料所在高性能鋰離子電池負極材料領域取得系列進展
    鋰離子電池與鉛酸、鎳鎘、鎳氫等電池相比，由於其較高的能量密度、較長的使用壽命、較小的體積、無記憶效應等特點，成為現今能源領域研究的熱點之一。　　負極材料是鋰離子電池的關鍵組件之一，其作為鋰離子的受體，在充放電過程中實現鋰離子的嵌入和脫出。因此，負極材料的好壞直接影響鋰離子電池的整體性能。
  • 寧波材料所在二維納米防護薄膜材料方面取得進展
    石墨烯具有大的比表面積、高的化學惰性以及優異的阻隔性，被認為是已知最薄的防護材料，採用化學氣相沉積（CVD）法製備的石墨烯薄膜可直接用於金屬的腐蝕防護，逐漸成為製備石墨烯防護薄膜最主要的方法。
  • 寧波材料所：非晶合金記憶效應產生機制研究取得進展
    「時效」（ageing）是非晶/玻璃等非平衡態材料在能量驅動下的自然演化規律。高溫退火可以加速非晶老化的速度，直至降低到平衡態。記憶效應廣泛存在於金屬玻璃、高分子玻璃、氧化物玻璃、自旋玻璃、電子玻璃等各種玻璃態材料中；形狀記憶合金、褶皺紙團、摩擦表面、複雜機械系統也都存在記憶效應。記憶效應與熱力學非平衡狀態密切相關，一旦材料或體系達到熱平衡態，初態和歷史的記憶將被徹底遺忘。
  • 寧波材料所在電磁屏蔽材料設計與製備方面取得進展
    電磁屏蔽材料是一類能夠通過吸收和反射等方式來衰減電磁波能量傳播以有效抑制電磁幹擾和汙染的功能材料。中國科學院寧波材料技術與工程研究所高分子事業部研究員鄭文革和副研究員沈斌一直致力於高效電磁屏蔽材料的開發，前期已經在電磁屏蔽材料的製備以及性能研究方面取得一系列進展。近期，該團隊又從「變廢為寶」和可持續發展的角度出發，利用生物質廢棄物或生活廢棄物來設計和製備了輕質高效電磁屏蔽材料。
  • 碳基半導體，更好的半導體材料
    採用矽以外的材料做集成電路，包括鍺、砷化鉀、石墨烯和碳，一直是國外半導體前沿的技術。優勢相對於矽基，碳基半導體具有成本更低、功耗更小、效率更高的優勢，更適合在不同領域的應用而成為更好的半導體材料選項。世界最初的碳基集成電路乃IBM開發的在單一碳納米管分子上構建的完整電子集成電路。而據說我國的碳基半導體起步方面和國外幾乎同步。
  • 寧波材料所關於鋁基非晶合金在環境能源領域的應用研究取得系列進展
    過去幾年，中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團隊圍繞鋁基非晶合金在環境和能源方面的功能特性開展了一系列研究，團隊主要通過兩個方面著手：一是開發能夠用來清潔水汙染的鋁基非晶合金，二是探究鋁基非晶合金在儲能和析氫等能源方面的應用。
  • 化學所在纖維素基固態螢光材料及應用方面取得系列進展
    在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中科院化學研究所工程塑料重點實驗室研究員張軍課題組近年來在纖維素的均相化學反應以及纖維素功能化新材料的設計合成方面開展了深入研究。　　近年來，張軍團隊和有機固體重點實驗室王樹研究團隊合作，開展了纖維素基光功能材料在生物醫學領域中的應用研究，並取得系列進展。如利用纖維素上多個可反應的羥基，在纖維素分子鏈上同時化學鍵合卟啉與季銨鹽基團，得到了白光碟機動、高效殺滅耐藥性細菌且無毒的纖維素基抗菌塗層材料（Adv.
  • 寧波材料所在柔性氧化物神經形態電晶體研究方面取得進展
    寧波材料所在柔性氧化物神經形態電晶體研究方面取得進展 2018-11-26 寧波材料技術與工程研究所 【字體：在突觸仿生電子學方面，目前的研究主要包括兩端阻變器件和三端電晶體，這類器件已經模仿了一些從簡單到複雜的各種突觸功能和神經元功能，有著潛在的應用前景。　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所功能材料界面物理與器件應用團隊在柔性神經形態器件研究方面取得新進展。
  • 2016第三屆海洋材料與腐蝕防護大會在寧波舉行
    2016第三屆海洋材料與腐蝕防護大會在寧波舉行 2016-09-22 寧波材料技術與工程研究所 【字體：大 中 小】
  • 寧波材料所非晶合金本徵韌脆性機理研究獲進展
    塊體非晶合金因其獨特的原子排列特徵而具有許多優異的力學性能，如高的強度、硬度、以及彈性極限等，成為近年來材料領域的研究熱點之一。但由於非晶合金在變形過程存在的室溫脆性與應變軟化等問題，極大地制約了其作為結構材料的廣泛應用。因此，深入理解非晶合金本徵韌脆性的根源，並以此為基礎開發兼具有高強高韌性能的塊體非晶合金就具有重要的意義。
  • 我校教師在氮摻雜石墨烯基複合泡沫吸波材料研究中取得重要進展
    近日，我校化學工程學院疏瑞文博士等人在氮摻雜石墨烯基複合泡沫吸波材料研究中取得重要進展，在美國化學會旗下著名學術期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（2019年影響因子IF = 8.456，中科院SCI期刊分區：工程技術一區TOP期刊）上發表了題為《Facile
  • 寧波材料所在高阻隔生物可降解聚酯材料領域取得進展
    然而迄今為止，世界上生產的90億噸塑料中，只有9%被回收利用，剩餘的都被扔進了填埋場、垃圾場或自然環境中。發展生物基生物可降解材料，不僅可以從根本上解決「白色汙染」問題，還可以減少材料產業對石油的消耗，緩解石化資源壓力。石油基PBAT聚酯在可降解農用地膜、包裝、塑膠袋等領域有較好的應用，但其阻隔性能差、抗撕裂強度低、強度模量不足的缺陷限制其進一步發展。
  • 寧波材料所碳基納米發光材料室溫長壽命發射調控與應用研究獲進展
    室溫長壽命發光材料由於特有的發光過程而被廣泛應用於新一代光電器件、光學防偽、化學/生物傳感、時間分辨成像等領域。然而在過去幾十年中發展起來的室溫長壽命發光材料（主要包括有機小分子、過渡金屬配合物和稀土基長餘輝材料）普遍具有製備純化過程繁雜、需要昂貴的原料、潛在的生物毒性或苛刻的長壽命產生條件等缺點。
  • 鋰電池新型材料有哪些?
    2、鋰電池新型材料之層狀氧化物據行業媒體報導資料國內研究人員在層狀金屬氧化物領域的研究取得進展，研究人員發現在層狀氧化物中氧的擴散遠比人們想像中的容易，氧離子在電池循環過程中的擴散流失導致材料內部形成了大量的納米尺寸氣泡，同時引發材料晶體結構的相變，成果已發布於《自然·納米技術》。
  • 中國科學院院士汪衛華來金召開非晶材料學術會議
    、東南大學、南京理工大學、中科院寧波材料研究所等高校院所的10餘位專家教授參加。>學術交流會上，汪衛華院士作了「用材料基因工程方法研發非晶合金材料」主旨報告，與會專家圍繞非晶材料的力學性能及應用基礎研究分別做了「基於超聲軟化的非晶合金室溫製造與成型」「釐米級鐵磁性非晶合金的探索與製備
  • 中科院院士朱經武調研寧波材料所
    6月19日，著名超導體物理學家、中國科學院院士、寧波鋒成先進能源材料研究院（籌）首席科學家朱經武一行調研中國科學院寧波材料技術與工程研究所。　　調研期間，寧波材料所所長黃政仁介紹了寧波材料所建所背景和歷程、發展思路、組織架構、人才隊伍以及寧波材料所14年的建設發展中科研布局及項目進展等方面的情況；朱經武一行還認真聽取了石墨烯以及光電材料研發的工作匯報，詳細了解了科研項目的進展情況以及階段性成果、突破的關鍵問題、項目技術優勢以及產業化情況。
  • 寧波材料所在聚乳酸血液透析膜功能化改性方面取得新進展
    然而聚碸等原材料來源於石油、疏水性較強、生物相容性存在一定的不足，因此在聚碸膜的製備過程中通常需要加入親水性添加劑，但是親水性添加劑的加入由於相容性的差異往往會造成分散不均、表面析出等現象，反而更容易造成凝血問題。聚乳酸作為一種生物基高分子材料既具有石油基高分子材料良好的成膜特性及較寬的微結構調節窗口，又具有生物基材料的良好的生物相容性、可控降解性能等。
  • 國家973計劃「海洋工程裝備材料腐蝕與防護
    經過五年的研究積累，項目在「多重海洋環境因素下材料腐蝕及損傷的力學-電化學交互作用機理與規律」、「高溫高溼海洋環境下材料腐蝕的化學-電化學相互作用機理與規律」、「海洋環境中生物在材料表面的粘附與微生物腐蝕機理」和「深海和高溼熱環境下新型耐蝕耐磨金屬和防護材料的結構與性能調控」等基礎研究方面均取得了重要研究成果，發表了多篇高水平研究論文，發現了許多新奇的現象和規律，從更深層次揭示了海工裝備材料的腐蝕與防護機理
  • 碳基納米材料研究項目通過評議
    中國石化新聞網訊 近日，「碳基納米材料的研究」項目通過中國石化科技部技術評議。與會專家一致認為，該研究成果搭建了中國石化「碳基納米新材料」的知識平臺與技術平臺，應在現有研究基礎上進一步加強產學研合作，繼續深入開展相關材料的產業化及應用研究，為中國石化在新興碳複合材料領域提供技術支撐。
  • 非晶及納米晶--崛起中的高端製造核心材料
    非晶合金種類繁多，從組成材料來看，可分為 Pd 基（鈀基）、Mg 基（鎂基）、稀土基、Ti 基（鈦基）、Fe 基（鐵基）、Cu 基（銅基）、Ni 基（鎳基）、Zr 基（鋯基）、Al 基（鋁基）等多種非晶合金體系。從形態來看，非晶合金可以分為塊狀非晶（厚度>1mm）、非晶板帶材、非晶絲、非晶粉末、非晶鍍層等。再詳細劃分來看，僅從力學性能看，塊狀非晶又包含至少三種不同類型：1.