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钽掺杂含量对类金刚石薄膜力学性能及生物相容性的影响
1
作者 李东昕 王静静 +4 位作者 宓保森 马迅 陈天驹 刘平 李伟 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第20期208-222,共15页
目的探索钽(Ta)掺杂类金刚石(DLC)薄膜的结构转变规律,并提升其力学性能、摩擦性能及生物相容性能。方法采用非平衡性磁控溅射镀膜技术,在0~0.5 kW功率下,制备了不同Ta掺杂含量的DLC薄膜。对其微观形貌、组织成分、摩擦性能、力学性能... 目的探索钽(Ta)掺杂类金刚石(DLC)薄膜的结构转变规律,并提升其力学性能、摩擦性能及生物相容性能。方法采用非平衡性磁控溅射镀膜技术,在0~0.5 kW功率下,制备了不同Ta掺杂含量的DLC薄膜。对其微观形貌、组织成分、摩擦性能、力学性能以及生物相容性进行了详细表征。结果钽的掺入提升了碳的沉积速率,导致薄膜厚度增加,薄膜中sp3-C含量随Ta掺杂量的增加先升高后降低。在Ta-0.2 kW及以上的DLC薄膜中出现了TaC晶体和Ta—Ta纳米团簇,这导致薄膜表面粗糙度先增后减。与未掺杂的DLC薄膜相比,掺杂Ta的DLC薄膜的膜基结合力从10 N提高到25 N,断裂韧性从0.6 MPa·m^(1/2)提高到1.6 MPa·m^(1/2)以上,干摩擦因数从0.45降低到0.1~0.15,湿摩擦因数0.35降低至约0.1,干摩擦磨损率从4500×10^(-6)mm^(3)/(N·m)降低至7×10^(-6)mm^(3)/(N·m)以下,湿摩擦磨损率更是降低到1×10^(-6)mm^(3)/(N·m)。但掺杂Ta的DLC薄膜的弹性模量有所降低,润湿性也略有下降,硬度并没有太大改变。此外,掺杂Ta的薄膜还表现出了良好的诱导羟基磷灰石形成能力,生成的羟基磷灰石层的钙磷原子比(Ca/P)介于1.4~1.65,接近人体的Ca/P比例,并且无论掺杂还是未掺杂的薄膜均未显示出细胞毒性。结论钽的掺入显著提升了DLC薄膜的膜基结合力、断裂韧性、摩擦磨损性能和促进羟基磷灰石形成能力。因此,这种薄膜具有作为生物保护层应用于植入体表面的潜力。在Ta-0.4 kW时,Ta-DLC薄膜展现出了最佳的综合性能。 展开更多
关键词 类金刚石薄膜 磁控溅射 钽掺杂 摩擦磨损性能 生物相容性
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316L不锈钢双极板磁控溅射镀层的耐蚀性与导电性能 被引量：4
2
作者 宓保森 周科 +2 位作者 秦子威 陈卓 汪宏斌 《材料保护》 CAS CSCD 北大核心 2019年第9期106-110,142,共6页
为了提高不锈钢双极板的耐蚀性与导电性能,使用非平衡磁控溅射工艺,在316L不锈钢表面制备TiN、CrN、TiCrN镀层。使用X射线衍射仪(XRD)表征镀层的结构,使用扫描电镜(SEM)表征镀层的表面形貌,在模拟质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Me... 为了提高不锈钢双极板的耐蚀性与导电性能,使用非平衡磁控溅射工艺,在316L不锈钢表面制备TiN、CrN、TiCrN镀层。使用X射线衍射仪(XRD)表征镀层的结构,使用扫描电镜(SEM)表征镀层的表面形貌,在模拟质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)的环境下,使用电化学测试方法分析3种镀层耐蚀性,使用接触电阻试验测试3种镀层与碳纸的接触电阻。结果表明:TiN镀层为TiN相,CrN镀层为CrN相,TiCrN镀层包含CrN相和TiN相;3种镀层表面致密,没有明显孔洞;3种镀层耐蚀性能相比于316L不锈钢提升了1~2个数量级,其中TiCrN镀层的耐蚀性优于TiN和CrN镀层;TiN、CrN、TiCrN镀层都显著降低了316L不锈钢的接触电阻,TiN镀层接触电阻最小。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 磁控溅射 不锈钢双极板 镀层 耐蚀性 导电性能
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316L不锈钢双极板磁控溅射不同厚度石墨涂层的耐蚀性和导电性 被引量：7
3
作者 周清欢 宓保森 +2 位作者 蔡锦钊 陈卓 汪宏斌 《材料保护》 CAS CSCD 2022年第4期1-6,共6页
为了提高316L不锈钢双极板的耐蚀性和导电性,使用磁控溅射的方法,通过控制石墨靶材的溅射时间,在316L不锈钢表面沉积了不同厚度的石墨涂层,比较不同厚度石墨涂层的性能,以确定最佳厚度的石墨涂层。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了双极板... 为了提高316L不锈钢双极板的耐蚀性和导电性,使用磁控溅射的方法,通过控制石墨靶材的溅射时间,在316L不锈钢表面沉积了不同厚度的石墨涂层,比较不同厚度石墨涂层的性能,以确定最佳厚度的石墨涂层。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了双极板腐蚀后的微观表面形貌;模拟了质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板的工作环境,使用电化学测试方法测试了5种涂层的耐蚀性;通过X射线光电子能谱(XPS)分析了4种石墨涂层的C键结合特性;比较了几种涂层的界面接触电阻(ICR);测量了涂层的表面接触角来评估涂层的亲疏水性。结果表明:所有的涂层均能提高316L不锈钢的耐腐蚀性和导电性;其中以C-3石墨涂层最佳,恒电位极化下的腐蚀电流密度稳定在2.26×10^(-7)A/cm^(2);界面接触电阻(ICR)在5.6 mΩ·cm^(2);C-3和C-4有着较高的sp^(2)杂化原子比例,得到了最佳厚度的石墨涂层,大概在400 nm。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 石墨涂层 厚度 耐腐蚀性 导电性能 磁控溅射
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不锈钢双极板镀层性能研究 被引量：6
4
作者 秦子威 宓保森 +1 位作者 陈卓 汪宏斌 《上海金属》 CAS 北大核心 2017年第5期5-10,共6页
采用多弧离子镀技术分别在316L不锈钢双极板表面镀覆TiC、TiN层,采用电镀工艺在双极板表面镀金。采用SEM、XRD、三电极法、伏安法等手段检测分析了这几种镀层的质量、耐蚀性能和接触电阻。结果表明,用不同工艺制备的TiC、TiN涂层和镀金... 采用多弧离子镀技术分别在316L不锈钢双极板表面镀覆TiC、TiN层,采用电镀工艺在双极板表面镀金。采用SEM、XRD、三电极法、伏安法等手段检测分析了这几种镀层的质量、耐蚀性能和接触电阻。结果表明,用不同工艺制备的TiC、TiN涂层和镀金层均致密、均匀,无明显缺陷;TiC、TiN涂层和镀金层的耐腐蚀性均优于316L不锈钢,满足双极板耐腐蚀性要求。此外,TiN涂层和镀金层的接触电阻远小于316L不锈钢。考虑到镀覆工艺的可行性及生产成本,采用多弧离子镀技术在316L不锈钢双极板表面镀覆的TiN层平整致密、无明显缺陷,耐蚀性好,接触电阻小,值得推广应用。 展开更多
关键词 不锈钢双极板 镀层 耐蚀性 接触电阻
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钛合金双极板磁控溅射制备TiC和TiCrC改性镀层的性能 被引量：4
5
作者 严军 宓保森 +1 位作者 汪宏斌 陈卓 《上海金属》 CAS 北大核心 2019年第6期8-12,18,共6页
使用非平衡磁控溅射技术,在钛合金表面制备TiC、TiCrC镀层。使用XRD、SEM、划痕实验、电化学和接触电阻分析了镀层的表面质量、耐蚀性能和接触电阻。结果表明:TiC镀层为TiC相,TiCrC镀层包含CrC相和TiC相;两种镀层表面致密,质量良好,膜... 使用非平衡磁控溅射技术,在钛合金表面制备TiC、TiCrC镀层。使用XRD、SEM、划痕实验、电化学和接触电阻分析了镀层的表面质量、耐蚀性能和接触电阻。结果表明:TiC镀层为TiC相,TiCrC镀层包含CrC相和TiC相;两种镀层表面致密,质量良好,膜基结合力强;两种碳化物镀层的腐蚀电流密度相较于钛合金基体均降低了1个数量级;在1.4 MPa压力下钛合金基体、TiCrC镀层和TiC镀层的接触电阻分别为60、16.5和20.9 mΩ·cm^2。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 钛合金 磁控溅射 镀层 改性
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TA1双极板磁控溅射不同过渡层的碳涂层改性研究 被引量：2
6
作者 蔡锦钊 宓保森 +2 位作者 陈卓 秦子威 汪宏斌 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期218-224,共7页
目的改善TA1双极板的耐腐蚀性和导电性能,提高转换效率和使用寿命。方法采用多梯度复合涂层思路,利用闭合场非平衡磁控溅射技术,在TA1基体表面制备了Ti/CrN/a-C、Ti/TiN/a-C和Ti/TiCrN/a-C等3种不同过渡层的碳涂层。分别通过扫描电镜、... 目的改善TA1双极板的耐腐蚀性和导电性能,提高转换效率和使用寿命。方法采用多梯度复合涂层思路,利用闭合场非平衡磁控溅射技术,在TA1基体表面制备了Ti/CrN/a-C、Ti/TiN/a-C和Ti/TiCrN/a-C等3种不同过渡层的碳涂层。分别通过扫描电镜、拉曼光谱、光电子能谱、电化学极化测试和表面接触电阻测试分析了碳涂层的表面形貌、成键杂化形式、杂化含量比例、耐蚀性能和导电性能。结果3种不同过渡层的碳涂层与基体结合良好,都呈无定形碳分布,但形貌结构相差较大。其中Ti/TiN/a-C涂层的A_(D)/A_(G)值最大,达到4.26,且碳原子中C-sp^(2)杂化含量比例最高,达到79.32%。而Ti/TiCrN/a-C涂层的FWHM(G)最大,达到137.29,且碳原子中C-sp^(3)杂化含量比例最高,达到26.03%。3种不同过渡层的碳涂层与TA1基体相比,耐腐蚀性明显提高,其中Ti/TiCrN/a-C涂层的耐腐性能最优异,动电位和恒电位腐蚀电流密度分别为7.81×10^(–7)、8.14×10^(–7) A/cm^(2),小于TA1基体的2.76×10^(–6)、3.21×10^(–6) A/cm^(2)。此外,在1.4 MPa的压紧力下,不同过渡层(Ti/CrN/a-C、Ti/TiN/a-C、Ti/TiCrN/a-C)的碳涂层的表面接触电阻分别为12.3、5.4、6.5 mΩ·cm^(2),小于TA1基体的93.5 mΩ·cm^(2),大约降低了1个数量级。结论通过不同元素掺杂和控制工艺参数靶流,获得了成分梯度变化的不同氮化物过渡层,影响最外面工作层纯碳的沉积效果,改变其微观形貌与结构,从而影响导电性和耐腐蚀性能。 展开更多
关键词 TA1 过渡层 碳涂层 耐腐蚀性 表面接触电阻
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