PVD与HC-PECVD协同沉积技术制备长寿命耐磨损耐腐蚀a-C:H海洋防护涂层的创新研究

为解决海洋工程材料在腐蚀与摩擦协同作用下的失效问题，中国科学院研究人员通过物理气相沉积(PVD)与空心阴极等离子体化学气相沉积(HC-PECVD)协同技术，成功制备出具有缺陷修复功能的Si/a-C:H:Si:N/a-C:H:Si多层涂层。该涂层在20小时干摩擦测试中磨损率低至2.93×10?7 mm3/Nm，腐蚀电流密度达2.40×10?10 A/cm2，较单一技术涂层性能提升40%以上，为海洋装备长效防护提供了创新解决方案。

　　

海洋环境中的高盐、高湿与机械磨损协同作用，使得工程装备表面防护成为世界性难题。传统氢化非晶碳(a-C:H)涂层虽具有优异性能，但单一制备技术存在"厚度-缺陷"矛盾：物理气相沉积(PVD)涂层过薄易被腐蚀穿透，而空心阴极等离子体化学气相沉积(HC-PECVD)快速沉积又会产生微裂纹。这种技术瓶颈导致现有涂层难以满足现代海洋装备对"十年免维护"的苛刻需求。

中国科学院的研究团队独辟蹊径，将PVD的精密控制与HC-PECVD的高速沉积优势相结合，创新性地设计出"三明治"结构的Si/a-C:H:Si:N/a-C:H:Si复合涂层。相关成果发表在《Surface and Coatings Technology》上，首次实现了涂层缺陷原位修复与性能协同增强。

研究采用PVD溅射与HC-PECVD等离子体增强沉积的联用技术，在9Cr18钢基体上构建梯度化涂层。通过Ar⁺刻蚀界面处理，结合硅元素梯度掺杂策略，成功制备出总厚度11.7μm的复合涂层。

Morphology and structure
扫描电镜显示，共沉积涂层表面孔洞密度比单一HC-PECVD涂层降低83%，其秘密在于PVD顶层以"液态铺展"方式填充了微米级缺陷。拉曼光谱发现ID/IG比值从1.32(PVD)优化至1.08，表明sp³杂化碳含量提升，这解释了涂层硬度达22.3GPa的原因。

Tribological properties
在模拟海洋环境的摩擦腐蚀测试中，共沉积涂层展现出"自适应性"磨损机制：初期PVD顶层通过石墨化转移膜降低摩擦系数至0.12，随后HC-PECVD底层的高韧性阻止裂纹扩展。其磨损率9.29×10^?8 mm³/Nm创下同类涂层新纪录，相当于在南海环境下可使用15年无需维护。

Corrosion resistance
电化学测试揭示，a-C:H:Si:N中间层形成"迷宫式"腐蚀屏障，使氯离子扩散路径延长17倍。阻抗谱显示相位角接近-90°，证实涂层具有近理想电容特性。2.40×10^?10 A/cm²的腐蚀电流密度，比船舶工业标准低两个数量级。

这项研究突破了传统涂层"厚则不密，密则不厚"的技术困境，通过多尺度界面设计实现了三大创新：① PVD顶层"微创手术式"缺陷修复；② 硅梯度掺杂诱导应力释放；③ 纳米晶/非晶复合结构协同强化。该技术已应用于深海机器人关节轴承，预计可使我国海洋装备维护周期延长3倍以上，为"海洋强国"战略提供了关键材料支撑。