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1、表面工程与再制造事业部Division of Surface Engineering and Remanufacturing【简介】Overview表面工程与再制造事业部是材料所首期部署的重要研究领域之一。事业部的发展致力于研究和解决材料表面与界面中的共性科学问题、应用技术及产业化技术开发。构筑具有特色和先进的制备与表征平台，围绕区域产业持续稳定地提供优质引领技术。 事业部已建成薄膜与涂层制备和结构性能测试专业平台，可提供科学研究与应用开发各种检测服务。目前，事业部的发展方向主要包括多种固体润滑材料的应用研究；物理及化学气相沉积在材料表面防护中的应用研究；有机功能涂层与涂料；PVD、CVD硬质
2、耐磨薄膜材料与技术。事业部组建了一支高素质的研发队伍，承担国家、省、市纵向课题及与企业横向课题多项。可在表面技术、表面工程等领域承接相关项目，发现科学规律，研究开发新技术、新方法，为工程研究提供解决方案，为企业和社会培养输送人才，做到让企业满意，同行认可。【研究方向】 Research Areas1多种固体润滑材料的应用研究以固体润滑为代表的特种润滑技术是在二次世界大战以后，随着航空航天等现代军工技术的发展，为适应装备在苛刻工况条件下的润滑要求而发展起来的新型润滑材料和技术，它有效地突破了常规润滑材料的使用极限，在解决机械装备在特殊工况条件下的润滑和防护技术难题方面发挥了十分重要的作用。美国、
3、欧洲、俄罗斯、日本等工业发达国家在特种润滑材料方面先后投入了大量的研究和开发力量，无论是在润滑新材料品种开发、材料研究水平、军用或民用领域的应用、产业化水平等方面都代表了目前国际上的最高水平。这一方面国际上著名的研究和开发机构有美国国家航天局NASA的 Lewis研究中心、Argonne国家实验室和西北大学以及道康宁公司和杜邦公司；欧洲航天局材料研究所、英国帝国理工学院、剑桥大学；日本机械技术研究所、航空宇宙研究所、东京大学生产技术研究所、川邑研究所和（株）；俄罗斯的机械研究所和金属聚合物研究所以及世界各大飞机制造公司的相关研究所等。已经开发的品种包括金属基高温抗磨减摩材料、聚合物基自润滑复合
4、材料、固体润滑涂层材料、PCVD多功能润滑薄膜材料、特种润滑油脂、特种自润滑耐磨电触点材料等多种类型，这些材料有效地突破了常规油脂润滑材料的使用极限，在解决机械特殊润滑技术难题、提升产品技术水平方面发挥了十分重要的作用。在相关技术产业化方面，以日本（株）、美国道康宁公司和杜邦公司为代表，已相继实现了多种固体润滑材料的商品化生产，达到了很大的产业规模，相关产品在建筑、机械、交通、高速铁路、汽车、纺织、家电甚至家庭日用品方面均获得了广泛应用，其中在许多地方替代传统润滑材料取得了意想不到的良好效果，目前西方发达国家在民用工业领域采用特种润滑材料的已越来越普遍，与传统润滑相比，市场占有率已接近30%，
5、并显示了良好的发展前景。国内在固体润滑材料的研究和应用方面，以中国科学院兰州化学物理研究所、航天703所、中国科学院金属所、武汉材保所、清华大学、中国航空材料研究院、上海材料所等为代表，他们在相关领域做出了各具特色的工作，在军用和民用技术方面，为国家经济建设做出了重要的贡献。尤其是近10多年来，有关这一方面的技术发展很快，截至目前，国内共重点发展了金属基高温抗磨复合材料、聚合物基自润滑复合材料、固体润滑涂层材料、物理气相沉积（PVD）润滑薄膜、特种润滑油脂及添加剂、陶瓷基耐磨材料六大类固体润滑材料和技术，从公开发表的专利和文献资料对比来看，国内在相关领域所发展的材料类型和研究水平总体与国外同步
6、，但在产品品种和性能，以及系列化、规范化和应用方面，与国外相比都还有不小的差距固体润滑材料是工业技术发展必须的基础材料，本项目针对宁波及周边地区企业对高性能固体润滑技术的具体需求，以实验室合作方中科院兰州化物所多年来在高技术应用研究所积累的固体润滑成果为基础，开展多种类型固体润滑材料的应用研究，力求解决多项企业发展中的技术难题，为企业技术进步和产品更新换代做出实质性贡献。2物理及化学气相沉积在材料防护中的应用研究 浙江省是磁性材料产业大省，各类磁性材料的产量占全国80%以上，其中以钕铁硼为主的稀土永磁材料主要集中在宁波地区，生产规模已超过20000吨/年，实际产量占全国的50左右。针对稀土永磁
7、材料尤其是钕铁硼材料耐腐蚀性能差的特点，采用电沉积、电泳、化学沉积、物理气相沉积的手段在磁体表面沉积有机、金属或合金镀层对磁体进行防护。研究电沉积及化学沉积过程中磁体吸氢腐蚀对镀层结合力的影响，研究稀土永磁材料表面化学沉积非晶薄膜的机制，为解决稀土永磁材料在永磁电机及混合动力汽车电机中的应用瓶颈问题提供理论依据。3有机功能涂层与涂料现代工业的发展使人们越来越重视材料或产品的表面性能，除了高强度、高硬度、高模量等为特征的无机表面或涂层外，在很多领域或场合需要在润湿、吸附、粘附、摩擦、润滑、防护、分子识别、表面官能化等方面具有特殊性质的有机功能薄膜或涂层。有机功能表面与涂层具有适用面广、备选材料众
8、多、功能丰富、施工简单、易于工业化等优点，本研究将通过分子设计、表面化学反应、表面涂覆等各种化学、物理手段对各类材料表面进行化学成分和形态的控制或改性，以达到满足各领域中所需的特殊性能的目的。主要研究内容包括以下三个方面：功能性粘接涂层、功能涂料与涂装、表面润湿性的可控技术。功能性粘接涂层：针对汽车工业、机械装备业、电子工业、军工等工业领域对润滑、耐磨和表面防护的需求，开发具有低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀、强附着力等功能的粘接型涂层产品和技术，以达到节能、节材、延寿、环保、高生产效率等目的。目前研究中的课题包括粘接型自润滑涂层、UV光固化粘接剂与涂层、中高温玻璃油墨等；粉末涂料与涂装：粉末涂料是
9、以合成树脂为主要的成膜物质，借助气体作为分散介质分散到物体表面，经过加热熔融流平成膜的固体涂料，是无污染、省能耗、高效涂装、便于储运的涂料品种，已经成为国内外大规模生产轿车、电器所迫切需要的涂料品种。粉末涂料与涂装以其节省资源，无公害，省能源，劳动生产率高和便于实施自动化生产而得到迅速地发展。粉末涂料符合国际上的“经济，环保，高效，性能卓越”经济四原则，因而粉末涂料工业增长很快，它将成为21世纪世界工业涂料体系中仅次于水性涂料的第二大工业涂料，已成为涂料行业科技工作者研究和关注的焦点。实验室拟开展课题包括聚酯环氧类和丙烯酸酯类粉末涂料的开发；表面润湿性的可控技术：将针对众多工业领域中普遍存在的
10、材料的润湿与浸润的共性基础问题进行研究。润湿与浸润的重要性在许多生产工艺中有重要体现，如复合材料中树脂对增强相的浸润、织物染整、金属焊接、生物吸附等，因此研究表面润湿行为的可控技术在许多工业过程中具有极其重要的效应，同时一些特殊的润湿现象，如超疏水、超润湿在自清洁、抗污染等前沿领域具有极其诱人的应用前景。固体润滑涂层材料根据引进设备的应用需求，分别发展出一种Falex耐磨寿命（一种国际标准润滑涂层摩擦磨损试验方法）长于250min、Falex承载能力大于12000N，各项性能符合国际最高标准美军标MIL-L-46010E的固体润滑涂层和一种喷雾剂包装的常温固化，中、高温度适用的固体润滑防护涂层
11、，要求该涂层的基本性能达到MIL-L-23398的水平。4 PVD、CVD硬质耐磨薄膜材料与技术目前先进制造业和高新技术产业的迅猛发展，使工具、模具、机械部件等服役条件更苛刻，传统单一性能的硬质材料和防护技术已难以满足其更高要求。但随能源和环境问题的日益突出，传统湿式电镀、化学镀表面防护技术因对环境造成的大量污染和人体健康的巨大威胁面临着严峻挑战，开发基于传统材料耐磨、润滑和防护的表面多功能化薄膜材料，及无毒、环保、干式的高值化构筑真空镀膜表面技术尤为迫切和重要。本研究拟主要采用多种物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）的绿色真空镀膜技术，通过对薄膜材料的组分设计、参数调控、结构表征、
12、物性分析、工艺优化，建立不同性能剪裁的薄膜生长机制和大面积可控制备技术，实现高性能硬质薄膜材料制备新技术、新工艺的突破，推广其在若干重大领域中的工程化应用，结合关键装备自主研制，提供满足不同用户需求的一整套完整、创新的硬质薄膜技术解决方案。主要研究内容包括：高性能类金刚石薄膜材料及其产业化；磁过滤阴极真空电弧超硬、耐磨薄膜与技术；新型纳米结构高硬度、超润滑薄膜材料；PVD功能装饰耐磨防护薄膜与技术。高性能类金刚石薄膜材料制备及其产业化：主要针对传统DLC薄膜技术制备薄膜面积小、生长速率低、等离子体不稳定的关键技术瓶颈，利用线性离子束复合矩形磁控溅射技术具有离化率高、等离子体稳定、大面积生长容易
13、、沉积速率高、掺杂复合方便等突出优点，研究复合PVD技术下不同结构和生长参数对薄膜结合力、力学、摩擦学行为的影响，以获得硬度高、应力低、结合力好的高性能DLC硬质薄膜制备新工艺、新技术，掌握大面积可控制备核心技术，全面促进其重大工程化应用。磁过滤阴极真空电弧超硬、耐磨薄膜与技术：针对精密工模具、微电子、磁存储行业对超硬、超光滑、超薄防护材料的特性要求和传统多弧离子镀存在大颗粒融滴污染、成本高的问题，拟通过对磁过滤器中磁场和等离子体特性的模拟计算，研制具有有效大颗粒过滤和高等离子体输运的先进磁过滤阴极真空电弧沉积装置(FCVA)。并开展新型FCVA技术中，不同工艺参数和结构对ta-C碳膜、金属膜
14、、纳米异质超硬膜的动力学生长和物性行为研究，建立FCVA生长薄膜的模型机制，掌握应力降低可控技术，为超高性能耐磨、防护薄膜新材料的研究开发提供实验和理论数据，探索其进一步的工程化应用。新型纳米结构高硬度、超润滑薄膜材料：DLC薄膜材料具有高硬度、低摩擦系数、良好耐磨耐蚀性等优点，是一类理想的硬质多功能材料，但存在抗氧化性较差的致命缺点。氮基硬质薄膜具有高硬度、耐磨、高抗氧化性的特点，但摩擦系数较高、易磨损。针对现代切削加工业和国家高技术产业的特殊功能需求，本研究拟结合碳基和氮基薄膜的特点，通过合理选择具有提高润滑和抗磨性能的单质（Ti、Cu、Si、N等）和化合物（MoS2、WS2等）、及抗高温
15、性好的元素（Al、W、Mo），在不同基材上制备具有纳米复合、纳米异质多元、纳米梯度、纳米多层等特殊结构的新型纳米结构碳氮硬质功能薄膜，研究工艺、结构、组分、成键方式等对薄膜物性的影响，探索具有高抗氧化性、高硬度、超润滑的新型纳米结构多功能薄膜的合成机制、可控制备技术及应用。PVD硬质装饰耐磨薄膜与技术：自20世纪70年代以来，以TiN、CrN、ZrN等为代表的装饰性硬质薄膜得到了极大的发展，目前作为我国薄膜技术的支柱产业之一，已广泛用于建筑、表业、浴具五金等多个行业，颜色也从初始的金黄色发展到了彩色、枪黑、干涉色等多种。然而，电脑、通讯、消费电子产品等新兴3C行业的迅猛发展和市场的多功能化高档
16、需求，使单一装饰性薄膜材料已很难满足其高硬度、高耐汗蚀、高品质色度等综合性能苛刻要求，具有功能性的装饰薄膜新材料与技术开发已备受关注。本研究拟开展兼具功能化和色彩多样化的高品质功能装饰薄膜新材料基础研究及其低成本PVD产业化技术开发。【科研进展】Progress1物理气相沉积用于NdFeB防护中国科学院宁波材料技术与工程研究所采用物理气相沉积用于NdFeB防护已经做了大量的工作。自行设计了半工业化的磁控溅射系统，有效地解决了磁控溅射沉积过程中的阴影效应，实现了磁体所有外表面均匀镀膜，也可对一定长径比的磁环进行均匀镀膜处理。通过磁控靶设计，显著提高了沉积薄膜速率。采用磁控溅射沉积金属薄膜及多层梯
17、度薄膜用于钕铁硼磁体防护研究取得较好效果。沉积的防护薄膜具有优异的耐侯性能，一定的耐磨性能，并且沉积的防护薄膜不降低磁体的各项磁性能指标。而且该设备和工艺易于移植到其他材料的防护应用。 磁体采用磁控溅射沉积防护薄膜的形貌2类金刚石硬质薄膜类金刚石涂层是一大类非晶碳涂层材料的统称，具有高硬度、高耐磨耐蚀性、低摩擦系数、良好绝缘性、优异生物兼容性、在可见到紫外光范围内透明、表面光滑等诸多优异特性。另外，类金刚石涂层可在多种低温的PVD、CVD真空镀膜技术下顺利进行，大面积生长容易，基体材料适用性广；性能可在润滑性好的石墨和硬度最高的金刚石大范围内可控剪裁，功能自由度高。因此，作为替代升级湿式电镀涂
18、层技术的有力之选，和产业化用高性能硬质涂层材料首选，已成为全球关注和研究的热点。 然而，目前传统PVD、CVD技术制备的类金刚石涂层还存在：涂层残余应力大、膜基结合力弱、摩擦性能不稳定、沉积面积小、成本高等关键产业化瓶颈问题，这极大的限制了类金刚石涂层的大范围产业化应用。针对这些难题，通过核心装备技术的研制突破与涂层结构的设计优化，宁波材料所的类金刚石涂层技术突出特点为：1） 大面积、低成本复合离子束PVD制备技术：宽束流、等离子体能量高、长时间稳定、掺杂/复合/多层/梯度功能化于一体，易于规模放大，低成本。2） 类金刚石涂层综合性能优异：硬度28GPa, 摩擦系数(大气)0.010.2，膜基
19、结合力: 硬质合金50N，SKD1125N，热稳定性：300-650C，沉积温度200C, 厚度4mm，色彩多样化：紫色、红色、蓝色、黑色等3超疏水表面制备技术超疏水表面是受自然界很多生物表面启发而发展起来的一类仿生表面，其表面具有很大的水接触角，水滴在超疏水表面可以自由滚动从而达到自清洁作用。我们通过各类技术手段在固体表面构筑微观粗糙结构，并通过表面化学修饰或改姓使其达到超疏水状态。目前，所制得的基片在可见光范围(400-750nm)的绝对光学透过率在80%以上，表面表观水接触角在160，接触角滞后(=A-R) 3。该类技术特点是简单易行，易于工业化生产，成本低廉。4 材料表面润湿性的主动设计与调控 材料界面、表面的润湿特性是材料的一种固有特性，也是一种非常基本物理化学现象，在日常生活和工业生产领域中广泛存在并有时能起到极为关键的作用。我们通过研究材料表面润湿特性尤其是动态润湿过程，将表面材料的化学分子设计和微观几何形貌的合理组合，以达到材料表面的润湿特性的主动设计与调控目的。在此基础上，重点针对复合材料中化学惰性纤维表面粘附特性和滴状冷凝传热几个实际工程问题提供切实可行的解决方案。
