通過(guò)物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）技術制備的塗層（例如氮化鉻、氮化钛、氮化锆、類金剛石塗層以及基于這(zhè)些塗層的複合塗層）具有硬度高、耐磨性好(hǎo)、耐腐蝕性好(hǎo)和抗高溫氧化性好(hǎo)等優點, 已廣泛應用于航空航天、海洋工程、機械制造、汽車零部件、工具、刀具、模具、裝飾等多個領域。但是由于塗層内部較大殘餘應力的存在，塗層的可鍍厚度受到極大限制，嚴重制約了其在苛刻工況關鍵重要零部件表面(miàn)的進(jìn)一步應用。盡管目前已經(jīng)可以通過(guò)元素摻雜、多層結構設計等方法緩解塗層内應力，但是塗層連續沉積的可鍍厚度仍然有限，并且缺乏PVD塗層大厚度可控制備的理論基礎。

　　近期，中科院甯波材料所海洋新材料與應用技術重點實驗室海洋環境材料團隊以典型CrN基塗層爲例，結合塗層精細結構、von Mises屈服準則和赫茲接觸理論，揭示了塗層連續沉積過(guò)程中的結構演變規律，闡釋了大厚度塗層高承載條件下的摩擦學(xué)機理，爲PVD塗層的大厚度連續制備及其高承載摩擦學(xué)防護提供了理論依據。随著(zhe)CrN塗層連續生長(cháng)時間的增加，由于離子轟擊效應、柱狀晶之間的界面(miàn)作用以及塗層與基體的熱膨脹系數差異，在塗層連續生長(cháng)和冷卻過(guò)程中産生的内部缺陷聚集將(jiāng)産生逐漸增長(cháng)的殘餘應力。然而，當通過(guò)控制等離子體能(néng)量和真空溫度場使得塗層生長(cháng)過(guò)程中受到的熱效應達到某種(zhǒng)平衡時，塗層内部發(fā)生弛豫現象，其結構缺陷將(jiāng)在足夠的驅動力作用下發(fā)生合并和擴散，并最終被(bèi)吸收和湮沒(méi)，塗層内部的殘餘應力出現持續下降的“反”積聚現象。正是由于塗層内部殘餘應力的持續下降，使得CrN基塗層厚度随著(zhe)制備時間的增加呈線性增加。較小的殘餘應力和較大的厚度也使得CrN基塗層展示了極好(hǎo)的結合強度和内聚力，并且顯示了超高的摩擦學(xué)承載能(néng)力。其高承載摩擦學(xué)機理主要在于，足夠的厚度使得塗層在滑動摩擦測試中下擺脫了基體塑性變形作用，最大程度地展現出了低摩擦與低磨損特性。基于該大厚度生長(cháng)機理，CrCN、CrAlN等多種(zhǒng)CrN基塗層均實現了可鍍厚度突破，更廣泛的普适性驗證工作正在進(jìn)行。

　　上述研究工作受到了國(guó)家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃，2014CB643302）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51475449）、中科院戰略先導科技專項（XDA13040602）以及江蘇省重點研究與發(fā)展計劃（BE2016115）等項目的資助支持。先後(hòu)在ACS Applied Material & Interfaces等表面(miàn)工程主流學(xué)術期刊發(fā)表論文多篇（ACS Applied Material & Interfaces, 2018, 10, 2965?2975；Surface and Coatings Technology, 2017, 321: 350-357； Tribology International, 2017, 106: 78-87；Surface and Interface Analysis, 2017, 49(4): 323-333；Wear, 2016, 362-363: 97–104；Surface & Coatings Technology, 2015, 270: 305–313等），并申請國(guó)家發(fā)明專利多項（201310477578.1，201410676157.6，201510661726.4，201610198819.2，201710089784.3，201710228561.0，201711397143.0等）。

　　該理論的突破以及多種(zhǒng)大厚度金屬氮化物基塗層的成(chéng)功制備，極大擴展了PVD塗層在高速、重載、腐蝕等苛刻工況下的潛在應用，部分塗層已經(jīng)成(chéng)功應用在液壓馬達、流體閥門以及船用緊固件等領域，爲此類重載運動部件的高可靠性耐磨防護提供了有效方法。

塗層微觀結構、内應力以及厚度随生長(cháng)時間持續增加的變化情況

　　（表面(miàn)事(shì)業部 李澤超 胡藝紋 李晨）