作為自然界中分布最廣泛的元素之一，碳材料從國防經濟到日常生活皆發揮著重要作用。20世紀50年代以來，碳材料科學研究已取得一系列重大發現和進展。例如，1955 年高溫高壓金剛石及同期發現的離子束沉積類金剛石薄膜、1985年富勒烯C60/C70、1991年碳納米管、2004年石墨烯等。其中，類金剛石（diamond-like carbon, DLC）薄膜因具有類似于金剛石的高硬度、耐磨耐蝕、高透過率等諸多優點，在航空航天、機械、電子、光學、生物醫藥等領域展現出廣泛的應用前景及巨大的經濟價值。但由于沉積過程中金剛石sp3雜化鍵扭曲變形導致薄膜產生高的殘余應力，致使薄膜韌性低、脆性高，不僅嚴重削弱膜基結合強度，并制約著厚DLC薄膜的發展。尤其在海工裝備、航空、汽車等領域關鍵運動部件使用環境復雜多變、工況苛刻，迫切需要研究和發展具有高硬度、低應力、強耐磨等綜合性能優異的DLC薄膜材料。金屬摻雜有望解決以上瓶頸問題。

    近期，中科院寧波材料所海洋重點實驗室先進碳基薄膜材料技術團隊，基于單一金屬摻雜元素與碳原子間的成鍵特征不同，進一步提出了采用雙元金屬摻雜來協同改善碳膜綜合性能的材料設計思路，優先選擇具有成鍵、非鍵、反鍵、離子鍵特征的Ti、Cr、W、Cu、Al等作為雙元協同的摻雜對象，通過“材料基因組”計算，篩選得到了Ti/Al、Cr/Al、W/Al和Cu/Cr的四種雙元復合材料體系，如圖1。相對于單一金屬摻雜，該四種復合體系不僅可大幅降低應力，且能更好保持薄膜優異機械性能【專利：201410528262.5; ACS Appl. Mater. Interfaces, 7 （2015） 27878; Mater. Design, 89 （2016） 1123】。在此基礎上，開展了Ti/Al、Cu/Cr共摻雜DLC薄膜的可控制備，取得了重要研究進展：

    圖1 多元摻雜DLC薄膜的“材料基因組”計算

    ① Ti/Al共摻雜DLC薄膜：篩選Ti/Al作為成鍵/離子鍵共摻雜DLC薄膜的典型元素，團隊開展了Ti/Al共摻雜薄膜的研究，通過對Ti/Al摻雜含量調控，發現Ti/Al含量為3.9at.%和4.4at.%時，應力降低50%，硬度未發生顯著下降，且可顯著改善薄膜在高載荷下的摩擦學性能（高載荷、室溫條件下的摩擦系數僅為0.03）和在油環境下的摩擦穩定性；理論計算研究發現，雙元金屬摻雜不僅可協同弛豫薄膜中高度畸變鍵長的含量，且形成的弱Ti-C、Al-C成鍵特征能夠實現殘余應力釋放，如圖2。相關成果已發表在Carbon 111 （2017） 467、Appl. Surf. Sci., 410 （2017） 57上。

    圖2 Ti/Al共摻雜DLC薄膜的實驗和理論研究

    ② Cu/Cr共摻雜DLC薄膜：篩選Cu/Cr作為反鍵/非鍵共摻雜DLC薄膜的典型元素，團隊開展了Cu/Cr共摻雜薄膜的潤濕性能研究。與單一金屬摻雜相比，Cu/Cr共摻雜不僅能夠實現DLC薄膜的疏水性，同時可極大的降低薄膜中的殘余應力，并保持薄膜優異的力學性能，顯示出較好的綜合性能；如圖3【Diamond Relat. Mater., 73 （2017） 278；Diamond Relat. Mater., 68 （2016） 1】。為固液復合潤滑調控和后續生物防污研究提供了理論基礎。

    圖3 Cu/Cr共摻雜DLC薄膜的機械性能、潤濕性能的變化

    上述研究工作得到國家973子課題、國家自然科學基金、寧波市國際合作等項目資助。

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責任編輯：劉洋

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