铜/非晶碳/石墨烯-碳纳米管协同效应实现超强防护：表面纳米化学的协同创新

这篇研究开创性地设计了铜(Cu)/氢化非晶碳(a-C:H)多层膜与石墨烯-碳纳米管(GCNT)杂化材料的复合涂层体系，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)与溶液涂覆技术结合，实现了腐蚀速率降低250倍、摩擦系数下降85%的突破性性能。该工作揭示了表面纳米化学协同机制，为机械系统在潮湿环境中的超强防护提供了全新解决方案。

　　

Highlight

铜/非晶碳/石墨烯-CNT杂化材料的非凡防护协同效应：表面纳米化学的协同作用

Discussion

首先探讨等离子体生长单层及多层膜在低碳钢(MS)和304不锈钢(SS304)上的腐蚀防护机制。单层铜(Cu)涂层可保护MS表面，但对SS304无效。MS作为含微量碳的铁合金，表面铜层既能物理隔绝腐蚀环境，又因铜的氧化电位低于铁而形成牺牲保护。通过X射线光电子能谱(XPS)证实，铜层促使MS表面形成致密氧化铜(Cu₂O)钝化膜。

对于SS304，单层a-C:H通过其33% sp³C键合结构有效封闭表面缺陷，但多层Cu/a-C:H体系展现出更卓越的防护性能。拉曼光谱显示，铜层插入使a-C:H的ID/IG比值从1.2降至0.8，表明sp²团簇尺寸增大，形成更致密的碳网络。电化学测试证实，2(Cu_a-C:H)多层结构使SS304的腐蚀电流密度从10^-5 A/cm²降至10^-8 A/cm²。

摩擦学测试中，石墨烯-碳纳米管(GCNT)顶层展现出"纳米滚珠轴承"效应。原子力显微镜(AFM)显示，GCNT修饰使表面粗糙度(Ra)从15.2 nm降至4.8 nm。在相对湿度60%环境中，GCNT修饰的2(Cu_a-C:H)体系摩擦系数从0.35骤降至0.05，磨损率降低两个数量级。透射电镜(TEM)揭示该现象源于碳纳米管(CNT)的柱状支撑结构和石墨烯(MGr)的层间滑移协同作用。

Conclusion

等离子体生长的a-C:H/Cu交替多层膜中，33% sp³C键合结构有效钝化表面。腐蚀测试表明铜夹层通过增强涂层附着力，使SS304腐蚀速率降低250倍。引入石墨烯-碳纳米管(GCNT)杂化顶层后，在潮湿环境下实现85%摩擦系数降低，突破性地解决了传统防护材料无法兼顾超低摩擦与高耐蚀性的难题。该研究为发展能源高效型机械系统提供了创新表面工程策略。