Mo–N–Cu掺杂对用于低温应用的厚ta-C涂层微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Effects of Mo–N–Cu doping on microstructural, mechanical, and tribological properties of thick ta-C coatings for cryogenic applications

Mo–N–Cu四元非晶碳涂层通过混合沉积工艺在空气和液氮环境中实现微结构调控，Mo掺杂使配对材料磨损降低82%，Cu掺杂提升断裂韧性22%，N?促进相分离优化纳米复合结构，实现涂层与基底热膨胀系数匹配，有效抑制低温脆性。该三元掺杂涂层兼具自润滑性和磨损平衡特性，为低温环境耐磨涂层开发提供新策略。

　　在现代工业和科技发展中，随着对低温环境应用的不断拓展，例如在氢气运输、液氮（LN?）储存以及液化天然气（LNG）处理等场景中，机械部件的工作温度逐渐降低至111 K以下。这种低温环境对材料的性能提出了新的挑战，尤其是在摩擦和磨损方面。传统材料在低温下的脆性增加，导致其在低温条件下的磨损加剧，影响设备的使用寿命和运行效率。因此，研究如何改进材料在低温环境下的摩擦学性能，成为当前材料科学和表面工程技术的重要课题之一。

本研究聚焦于一种新型的四元金属氮化碳涂层（Mo–N–Cu–ta-C），该涂层结合了钼（Mo）、氮（N?）和铜（Cu）的协同作用，旨在提高其在低温环境中的摩擦学性能和机械稳定性。通过使用同时进行的过滤阴极真空电弧（FCVA）和非平衡磁控溅射（UBMS）技术，在空气（296 K）和液氮（77 K）环境中制备了1 μm厚的Mo–N–Cu–ta-C涂层。该涂层由纳米复合结构的Mo碳化物（MoC）和纳米层状结构的Cu组成，展现出良好的综合性能。

与未掺杂的ta-C涂层相比，Mo的掺杂显著降低了对偶材料的磨损率，减少了约82%。这是因为Mo的引入有助于形成更稳定的晶格结构，同时提高了涂层的硬度，从而有效防止材料间的直接接触和磨损。而Cu的掺杂则提升了涂层的断裂韧性，增加了约22%，并降低了盘状材料的磨损。Cu的加入不仅提高了涂层的延展性，还通过纳米层状结构的形成，分散了应力，从而增强了涂层的抗裂性能。此外，N?气体的引入进一步促进了相分离现象，使得Mo和Cu的协同作用更加显著，实现了磨损性能的平衡。

在低温环境中，材料的热膨胀系数（CTE）差异可能导致热应力集中，进而引发涂层的剥落或开裂。本研究发现，Mo–N–Cu–ta-C涂层在低温下的CTE与基底材料（如SUS 304不锈钢）的匹配性显著优于传统ta-C涂层。这种匹配性不仅减少了热应力，还提高了涂层的附着力。实验表明，在液氮环境下，Mo–N–Cu–ta-C涂层表现出优异的附着性能，且在摩擦过程中能够保持稳定，没有出现明显的裂纹扩展现象。

在低温（77 K）和常温（296 K）环境下进行的摩擦学测试显示，Mo–N–Cu–ta-C涂层在两种条件下均表现出良好的摩擦学性能。在常温条件下，涂层的摩擦系数保持稳定，且磨损率较低。而在低温条件下，由于摩擦热的减少，涂层的磨损特性进一步优化，摩擦系数的波动较小，磨损量也得到了有效控制。这种性能的提升主要归因于Mo和Cu的协同作用，以及N?的辅助效应，它们共同作用于涂层的微观结构，使其在低温环境下能够维持较高的硬度和韧性。

通过扫描透射电子显微镜（STEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）等手段对涂层的微观结构进行了详细分析。结果表明，Mo–N–Cu–ta-C涂层中形成了MoC纳米相和Cu纳米层状结构，这些结构在涂层中均匀分布，有助于分散应力并提高材料的抗裂能力。同时，N?的引入促进了Mo–N和Cu–N相的形成，这些相不仅增强了涂层的稳定性，还通过降低残余应力和抑制裂纹萌生，进一步提升了涂层的韧性。

在高温环境下，ta-C涂层的高硬度通常会导致脆性增加，从而降低其抗裂性能。然而，在本研究中，通过Mo–N–Cu的协同掺杂，成功地在保持高硬度的同时，提高了涂层的韧性。这一成果表明，Mo–N–Cu–ta-C涂层在高温和低温环境下均具有良好的综合性能，能够满足不同工况下的应用需求。

此外，本研究还探讨了涂层在低温环境下的摩擦行为。在77 K的液氮环境中，由于摩擦过程中产生的热量减少，传统ta-C涂层容易出现磨损不平衡的问题。然而，Mo–N–Cu–ta-C涂层通过其独特的纳米复合结构，实现了磨损行为的稳定。实验结果表明，该涂层在低温下的磨损率显著降低，同时保持了与基底材料之间的良好匹配性，避免了因热膨胀系数差异而导致的裂纹扩展。

从应用角度来看，Mo–N–Cu–ta-C涂层不仅在低温环境下表现出色，还能够有效提升机械部件的使用寿命和运行效率。例如，在低温阀门和轴承等关键设备中，这种涂层可以减少磨损，提高耐磨性，从而延长设备的维护周期。同时，由于其良好的热稳定性，该涂层能够在低温条件下维持较高的强度和韧性，确保设备在极端环境下的可靠运行。

本研究还指出，传统的ta-C涂层在低温环境下的应用存在一定的局限性。由于其高硬度与基底材料的硬度差异较大，容易导致磨损不平衡。此外，低温下材料的脆性增加，使得涂层的断裂韧性下降，从而影响其在低温环境下的性能表现。相比之下，Mo–N–Cu–ta-C涂层通过金属掺杂和氮气辅助沉积技术，实现了硬度与韧性的平衡，克服了传统ta-C涂层在低温下的性能缺陷。

实验结果进一步表明，Mo–N–Cu–ta-C涂层的微观结构优化是其优异性能的关键因素之一。通过控制Mo、Cu和N?的掺杂比例，可以调节涂层的硬度、韧性以及热膨胀系数，使其在低温环境下具有更高的稳定性。此外，涂层的纳米层状结构有助于分散应力，提高其抗裂能力，从而在低温条件下保持良好的摩擦学性能。

综上所述，本研究通过结合Mo、Cu和N?的协同作用，成功制备出一种具有优异低温性能的Mo–N–Cu–ta-C涂层。该涂层在保持高硬度的同时，提高了韧性，降低了磨损率，并有效减少了热膨胀系数的差异。这些特性使其成为低温环境下机械部件的理想保护材料。未来的研究可以进一步探索该涂层在不同低温应用场景中的性能表现，以及如何通过优化掺杂比例和沉积工艺，进一步提升其在极端环境下的适用性。