耕耘蓝色国土！以大国之“材”撑起海洋“深蓝梦”

出品：科普中国

作者：张美琪（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）

监制：中国科普博览

2020年11月，由我国科学家自主研发的“奋斗者”号载人潜水器于马里亚纳海沟顺利地完成了万米深潜，正在一步一步地揭开海洋的神秘面纱。

“奋斗者”号正在注水下潜

（图片来源：中国科学院深海科学与工程研究所）

众所周知，海水的成分非常复杂，含有大量的阳离子如Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Sr2+；阴离子如Cl-、SO42-、Br-、HCO3-（CO32-）和F-，外加深海巨大的静水压力，潜水器中暴露于海水中的核心运动部件面临着严重的磨损和腐蚀损伤问题，时刻威胁潜水器的安全。部件的损伤和失效主要源于表面和次表面，通过先进的表面工程技术，为关键运动部件穿上一层神奇的“外衣”，是解决表面损伤和失效难题的有效途径，刻不容缓。

目前常用的表面工程技术主要有三种，一种是热喷涂和电镀等涂层技术，但因与基体结合性差，表面粗糙，涂层结构和厚度不易控制，不适宜于深潜器精密运动部件；第二种是采用电化学的方法进行阴极保护，即外加电流或者牺牲阳极来保护阴极；第三种是物理气相沉积（PVD）涂层技术，该技术通过是在密闭真空环境下产生等离子体辉光放电，在目标产品上形成高致密、表面光滑薄膜的一种改性技术，具有绿色无污染、沉积温度低适用范围广等优势，可显著提升关键部件的硬度、耐腐蚀性、抗氧化和耐磨损等性能，在国家重大装备中应用广泛。

深海中的潜艇

（图片来源：Veer图库）

大国重器，材料先行！选择了PVD表面涂层技术后，那选择什么样的材料来编织这件强韧一体化的外衣呢？

1971年，科学家们成功合成了非晶态的碳膜材料。说到非晶碳大家可能不了解，但是说到金刚石和石墨，大家可能就非常熟悉了。

金刚石和石墨同属于碳材料，但是金刚石的微观结构中原子轨道为sp^3杂化，而石墨的原子轨道为sp^2杂化，导致二者性能完全不同。

非晶碳材料和石墨、金刚石一样，同属于碳族材料，却兼具了金刚石的高硬度sp^3杂化结构和石墨的高韧性sp^2杂化结构，具有硬度高、耐摩擦、耐腐蚀等优点。根据轨道杂化含量的不同，科学家将它分为类金刚石（DLC，sp^3杂化含量大于50%）和类石墨（GLC，sp^2杂化含量大于50%）等材料。相较于制备金刚石所需的高温高压等苛刻条件，非晶碳材料制备温度低且易于生产。

石墨层结构示意图

（图片来源：Veer图库）

金刚石结构示意图

（图片来源：Veer图库）

非晶碳材料的发现距今已过去了半个世纪，但是因其所有的特殊性能，使得科学家们对它有着不可磨灭的热情。基于我们的前期深海挂片实验，在深海五千米环境下的腐蚀测试中，不锈钢材料锈迹斑斑，利用PVD技术制得的非晶碳膜依旧保持着良好的性能，表面光亮如初。

深海液压系统中非晶碳保护的柱塞

（图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）

此外，因其优异的性能，使得非晶碳材料在其他领域也有着广泛的应用。例如，在氢能质子交换膜燃料电池中，作为双极板防护涂层的它具有良好的导电性和耐蚀性；在医学领域中，它凭借良好的摩擦学性能和优异的耐腐蚀性胜任了人工关节的防护涂层。

相信在未来，非晶碳材料将突破膜层和基体界面的控制和延长寿命等瓶颈，继续在各行各业发光发热。

医用3D膝关节假体

（图片来源：Veer图库）

薛群基院士说过：“当前，世界正在经历百年未有之大变局，而海洋是国际竞争最主要的领域。从近海到远海、从深海到极地，处处都充满了挑战。”深海探测作为海洋探索的重要一环，将不断促进我国载人深潜事业的创新与发展，助力我国海洋强国战略的实施，大大提升了我们的民族自信心和自豪感。