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寧波材料所設(shè)計并制備新型雙元金屬摻雜類金剛石薄膜

2017-04-17 11:39:20 作者：李曉偉孫麗麗來源：中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分享至：

作為自然界中分布最廣泛的元素之一，碳材料從國防經(jīng)濟(jì)到日常生活皆發(fā)揮著重要作用。20世紀(jì)50年代以來，碳材料科學(xué)研究已取得一系列重大發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展。例如，1955 年高溫高壓金剛石及同期發(fā)現(xiàn)的離子束沉積類金剛石薄膜、1985年富勒烯C60/C70、1991年碳納米管、2004年石墨烯等。其中，類金剛石（diamond-like carbon, DLC）薄膜因具有類似于金剛石的高硬度、耐磨耐蝕、高透過率等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械、電子、光學(xué)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景及巨大的經(jīng)濟(jì)價值。但由于沉積過程中金剛石sp3雜化鍵扭曲變形導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力，致使薄膜韌性低、脆性高，不僅嚴(yán)重削弱膜基結(jié)合強(qiáng)度，并制約著厚DLC薄膜的發(fā)展。尤其在海工裝備、航空、汽車等領(lǐng)域關(guān)鍵運(yùn)動部件使用環(huán)境復(fù)雜多變、工況苛刻，迫切需要研究和發(fā)展具有高硬度、低應(yīng)力、強(qiáng)耐磨等綜合性能優(yōu)異的DLC薄膜材料。金屬摻雜有望解決以上瓶頸問題。

近期，中科院寧波材料所海洋重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)碳基薄膜材料技術(shù)團(tuán)隊(duì)，基于單一金屬摻雜元素與碳原子間的成鍵特征不同，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)計思路，優(yōu)先選擇具有成鍵、非鍵、反鍵、離子鍵特征的Ti、Cr、W、Cu、Al等作為雙元協(xié)同的摻雜對象，通過“材料基因組”計算，篩選得到了Ti/Al、Cr/Al、W/Al和Cu/Cr的四種雙元復(fù)合材料體系，如圖1。相對于單一金屬摻雜，該四種復(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【專利：201410528262.5; ACS Appl. Mater. Interfaces, 7 （2015） 27878; Mater. Design, 89 （2016） 1123】。在此基礎(chǔ)上，開展了Ti/Al、Cu/Cr共摻雜DLC薄膜的可控制備，取得了重要研究進(jìn)展：

圖1 多元摻雜DLC薄膜的“材料基因組”計算

① Ti/Al共摻雜DLC薄膜：篩選Ti/Al作為成鍵/離子鍵共摻雜DLC薄膜的典型元素，團(tuán)隊(duì)開展了Ti/Al共摻雜薄膜的研究，通過對Ti/Al摻雜含量調(diào)控，發(fā)現(xiàn)Ti/Al含量為3.9at.%和4.4at.%時，應(yīng)力降低50%，硬度未發(fā)生顯著下降，且可顯著改善薄膜在高載荷下的摩擦學(xué)性能（高載荷、室溫條件下的摩擦系數(shù)僅為0.03）和在油環(huán)境下的摩擦穩(wěn)定性；理論計算研究發(fā)現(xiàn)，雙元金屬摻雜不僅可協(xié)同弛豫薄膜中高度畸變鍵長的含量，且形成的弱Ti-C、Al-C成鍵特征能夠?qū)崿F(xiàn)殘余應(yīng)力釋放，如圖2。相關(guān)成果已發(fā)表在Carbon 111 （2017） 467、Appl. Surf. Sci., 410 （2017） 57上。

圖2 Ti/Al共摻雜DLC薄膜的實(shí)驗(yàn)和理論研究

② Cu/Cr共摻雜DLC薄膜：篩選Cu/Cr作為反鍵/非鍵共摻雜DLC薄膜的典型元素，團(tuán)隊(duì)開展了Cu/Cr共摻雜薄膜的潤濕性能研究。與單一金屬摻雜相比，Cu/Cr共摻雜不僅能夠?qū)崿F(xiàn)DLC薄膜的疏水性，同時可極大的降低薄膜中的殘余應(yīng)力，并保持薄膜優(yōu)異的力學(xué)性能，顯示出較好的綜合性能；如圖3【Diamond Relat. Mater., 73 （2017） 278；Diamond Relat. Mater., 68 （2016） 1】。為固液復(fù)合潤滑調(diào)控和后續(xù)生物防污研究提供了理論基礎(chǔ)。

圖3 Cu/Cr共摻雜DLC薄膜的機(jī)械性能、潤濕性能的變化