优化钨沉积功率提升W/B4 C周期性纳米多层涂层的机械与摩擦学性能

为解决机械部件因摩擦磨损导致的能耗与经济损失问题，研究人员通过脉冲直流磁控溅射技术制备W/B4 C周期性纳米多层涂层（PNCs），系统探究了W溅射功率（15-50 W）对涂层结构及摩擦学性能的影响。研究发现35 W沉积功率下涂层呈现高均匀性、致密性和低层间混合特性，显著提升机械性能并诱导磨损表面石墨化，为工业应用提供了优化策略。

　　

机械部件的摩擦磨损问题长期困扰工业领域，每年造成巨额能源消耗和经济损失。传统单一材料涂层难以兼顾硬度与韧性，而周期性纳米多层涂层（Periodic Nano-multilayer Coatings, PNCs）通过交替堆叠纳米级异质材料层，可调控模量、应力分布和裂纹扩展行为，成为解决这一难题的新思路。其中，硼碳化物（B₄
C）作为第三硬质材料（硬度29-41×10⁹
Pa）虽具备优异耐磨性，但存在摩擦系数波动大（0.03-0.9）和脆性高的缺陷。与之匹配的钨（W）具有最高金属熔点（3422°C）和24.5×10⁹
Pa硬度，两者组合的W/B₄
C PNCs在热稳定性研究中表现突出，但其摩擦学机制尚属空白。

浙江大学/伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究院团队通过脉冲直流磁控溅射技术，在316不锈钢基底上制备了100周期的W/B₄
C PNCs，系统研究W沉积功率（15-50 W）的影响。采用掠入射X射线衍射（GIXRD）分析晶体结构，纳米压痕仪测试硬度（H）与弹性模量（E），球-盘摩擦试验评估摩擦系数（COF），结合扫描电镜（SEM）和拉曼光谱表征磨损机制。

沉积功率对结构的影响
随着W功率从15 W提升至50 W，涂层密度增加而混合层厚度降低。35 W时获得最优层间界面清晰度，此时W层呈现(110)晶面择优取向，B₄
C层保持非晶态。这种结构使H3/E2比值（衡量抗塑性变形能力的关键指标）达到峰值0.79 GPa，较15 W样品提升47%。

摩擦学性能突破
35 W样品展现出0.18的超低稳态摩擦系数，磨损率较50 W样品降低83%。拉曼光谱在磨痕表面检测到明显的D峰（1350 cm^-1
）和G峰（1580 cm^-1
），证实摩擦诱导石墨化转变，这种自润滑效应是性能提升的关键。

机理阐释
研究提出三重协同机制：1）PNCs界面阻碍位错运动，通过Hall-Petch效应强化材料；2）优化功率下W层晶格畸变储存弹性应变能，提升韧性；3）摩擦过程中剪切应力促使sp³
-sp²
碳键转变，形成类石墨转移膜。

该研究发表于《Thin Solid Films》，首次揭示W/B₄
C PNCs的功率-性能关系，为航空航天、核反应堆等极端环境下的涂层设计提供理论依据。通过精确调控沉积参数实现结构-性能协同优化，推动纳米多层涂层从实验室走向工业化应用。