随着“走向深蓝”国家海洋战略的实施，高端海工装备将面临高压、重载、腐蚀介质等严苛工况，其关键部件长期可靠服役面临严峻挑战，开发严苛工况下腐蚀、磨损防护材料技术已成为亟需。碳基涂层兼具高硬度、低摩擦润滑、良好化学惰性等特点，且易于低温、大面积均匀制备，基材适用广，被认为是解决严苛工况下关键部件防护需求的理想途径之一。

近期，团队基于涂层技术攻关及系统服役性能评价等研究，在深海抗磨蚀防护碳基涂层方面取得了一系列新进展。

首先，围绕涉海强腐蚀及高静水压环境下金属基材的腐蚀防护需求，团队利用模拟深海高压环境测试装置结合微区原位电化学测试，发现高静水压条件下涂层贯穿性缺陷是引发涂层失效的关键因素，且静水压力使溶液在缺陷中快速扩散，同时氧随溶液进入涂层与基体界面处，使得金属基体腐蚀损伤加剧[Corr. Sci. 188 (2021) 109528，J. Mater. Res. Technol. 30 (2024) 6470-6481]。在此基础上，团队在沉积过程中引入人工干预流程（图1），显著降低了涂层贯穿性缺陷密度，孔隙率从5.2%降低至2.54%，涂层在常压和30 MPa静水压（3000米）条件下，局部点蚀减少，耐蚀性明显改善[Corr. Sci. 199 (2022) 110175]。进一步，团队采用高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术制备了高致密类石墨非晶碳（GLC）多层涂层。该方法制备的GLC涂层密度更高（2.62 g/cm³），相比直流磁控溅射腐蚀电流密度可降低五倍。在深海长期腐蚀性评价方面，优化涂层在15 MPa（1500 m）静水压下浸泡425小时后，涂层/基体界面完好，腐蚀电流密度约2.04×10⁻⁹ A·cm⁻²[Corros. Sci. 225 (2023) 111618，J. Mater. Res. Technol 28 (2024) 3052–3067.]。进一步提出在优化碳基涂层表面引入原子层沉积非晶Al₂O₃层进行封孔处理进一步降低碳基涂层中的缺陷，可将15 MPa（1500 m）静水压下的腐蚀电流密度进一步降低至1.39×10⁻⁹ A·cm⁻² [npj Mater. Degrad. 8 (2024) 48]。

考虑海工装备运动部件的摩擦耦合损伤，团队聚焦部件间歇性摩擦-腐蚀交替耦合工况，揭示了在间歇性磨蚀条件下，由于反复机械滑动，316L不锈钢基体磨痕亚表层会形成包含纳米晶和马氏体相变层的塑性变形层，显著促进表面在摩擦间歇阶段形成厚且致密钝化膜，在后续摩擦过程中会导致更严重磨粒磨损[J. Mater. Sci. Technol. 121 (2022) 67]。基于多层结构延长腐蚀路径及多元掺杂构筑强韧一体化涂层研究思路，团队在316L不锈钢表面制备了含Ti/TiC_x过渡层的“三明治”结构碳基涂层，优化涂层在人工海水环境、10 N载荷条件下具有长寿命抗磨蚀性能，其磨蚀防护时间及滑动距离均为目前报道的最高值，分别达12 h及1728 m，并揭示了界面处石墨化非晶碳和氧化物纳米晶形成导致涂层的耐磨蚀损伤容限特性，并被选为纪念Friction创刊十周年特刊封面[Friction 10(10) (2022)1707–1721 cover image，Materials 17 (2024) 2029] （图2）。进一步地，围绕高硬度介质、高冲刷介质、高频率活动、长寿命高可靠性部件服役要求，结合热喷涂及PVD技术优势，对比研究含氢和无氢类金刚石（DLC）碳基涂层复合热喷涂WC基金属陶瓷的摩擦腐蚀性能（图3）。由于高硬度和优异耐腐蚀性，含氢DLC在低载荷（5 N）下表现出更好抗摩擦腐蚀性，但在高载荷（10 N）下由于高脆性和大残余应力，涂层出现分层破坏失效。无氢DLC则由于逐层磨损特性，在高载荷下表现出长寿命（12 h）减摩特性（摩擦系数约0.06）[Corros. Sci. 227 (2024) 11738]。开展了优化碳基涂层/Si₃N₄陶瓷环配副在3.5 wt.%的NaCl溶液中，其摩擦磨损特性在高静水压（最高60 MPa，6000 m深度）以及高载荷（500-1500 N）下的变化规律研究，证实了碳基涂层的低摩擦（摩擦系数小于0.02）以及高耐磨损特性[Friction, 2024，acceptance]。

为解决深海关键部件用内壁表面防护涂层及关键制备技术问题，团队提出了同轴外磁场诱导和辅助阳极调控的管内高离化磁控溅射复合PECVD的设计新思路，实现了小口径（5 mm ~50 mm）、大长径比（3-20）、多种金属（钢材类、钛/铝合金类）管状内壁的系列氮基/碳基防护涂层高质量制备。不锈钢表面碳基涂层性能达到：厚度~14 μm，硬度27 GPa，室温干摩擦系数＜0.15，腐蚀电流密度比基体高4个数量级，耐中性盐雾1000小时。

目前，系列优化涂层在西太平洋6000米深海环境浸泡342天，仍可对金属基材有效防护（图4）。多层碳基涂层防护柱塞部件，经海水泵装机100 h效率评价测试后，海水泵容积效率超过90%，同时在6个设定压力下，其平均噪声值≤80dB(A)，具有较好的服役寿命，为解决海水液压泵等传动部件的表面强化与改性防护提供了保障，将助力涉海重大领域装备的可靠运行和长寿命安全服役。

    上述工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金杰出青年基金，中国科学院先导专项、中国科学院-韩国国家科技理事会协议项目、王宽诚率先人才计划卢嘉锡国际团队、中国科学院创新交叉团队和中国科学院仪器装备研制等项目的支持。其中，中国科学院创新交叉团队以及仪器装备研制项目验收结果均为优秀。

图1 引入人工干预后Cr/GLC在模拟3000米海深条件下耐蚀变化及机制

图2 长寿命抗磨蚀碳基涂层损伤容限特性及Friction 10(10): 1707–1721 (2022) （正封面）期刊封面

图3 含氢/无氢非晶碳涂层复合WC基金属陶瓷在海水中的磨蚀行为