磁控溅射沉积TiO2和ZnO薄膜对软木摩擦学性能的优化研究

本研究针对软木材料在摩擦磨损场景下的性能缺陷，通过磁控溅射技术沉积TiO2和ZnO透明保护薄膜，系统评估其摩擦系数(CoF)和耐磨性。结果表明，ZnO薄膜可降低38%的摩擦系数并显著提升耐磨性，同时保持软木原始外观，为拓展软木在航空航天、建筑等高端领域的应用提供了创新解决方案。

　　

论文解读

软木作为一种天然可持续材料，凭借其轻质、弹性、隔音隔热等特性，已从传统的葡萄酒瓶塞扩展到建筑装饰、航空航天等高端领域。然而，其蜂窝状多孔结构在摩擦场景下易产生划痕和凹坑，严重制约使用寿命。葡萄牙Amorim Cork Solutions公司提供的工业用软木板虽通过聚氨酯粘合剂强化，但机械磨损问题仍未解决。如何在保留材料环保特性的同时提升其耐磨性，成为亟待突破的技术瓶颈。

为解决这一问题，葡萄牙的研究团队在《Applied Surface Science Advances》发表研究，创新性地采用磁控溅射技术在软木表面沉积TiO₂和ZnO透明氧化物薄膜。研究通过X射线衍射(XRD)分析薄膜晶体结构，扫描电镜(SEM)观察微观形貌，能量色散谱(EDS)进行成分表征，并设计自制拉伸装置结合原位SEM评估薄膜附着力。特别开发了基于EDS数据的磨损定量新方法，以克服传统体积测量法对软质基材的局限性。

研究结果

1. 薄膜特性分析
   TiO₂薄膜呈现非晶态结构，沉积速率仅1.7 nm/min；而ZnO薄膜具有沿(002)晶向择优生长的六方纤锌矿结构，沉积速率高达24.8 nm/min。SEM显示ZnO薄膜由宽度19±2 nm的纳米柱构成，TiO₂则呈现致密但含微孔的形态。

2. 摩擦学性能
   ZnO涂层使软木摩擦系数降低38%（vs未涂层样品），而TiO₂涂层反而增加摩擦。EDS磨损分析显示，162 nm厚ZnO薄膜的金属损失量(ΔM=1.4%)显著低于同等厚度TiO₂薄膜(ΔM=2.9%)，证实ZnO更优异的耐磨性。

3. 界面结合机制
   拉伸测试中，33 nm厚TiO₂和1117 nm厚ZnO薄膜在12%应变下仅产生可逆微裂纹（宽度分别0.48 μm和1.85 μm），松弛后裂纹自愈合且无剥落。EDS证实裂纹处基底暴露，但薄膜整体保持完整附着。

研究意义
该研究首次实现氧化物薄膜与软木的稳定结合，突破传统涂层技术对柔性有机基材的适应性限制。提出的EDS磨损评估法为软质材料摩擦学研究建立新范式。ZnO薄膜在保持基材外观的同时显著提升耐磨性，为软木在航天器隔热层、高人流密度建筑地板等苛刻场景的应用铺平道路。研究团队建议下一步在工业级溅射设备上进行放大试验，推动技术产业化。