第十五届全国表面工程大会

四面体非晶碳（ta-C）薄膜作为类金刚石碳（DLC）材料的重要分支，因其高sp³键含量（>50%）展现出类金刚石的超硬特性（>50 GPa）、超低摩擦系数（<0.1）及优异的化学惰性，在精密机械、海洋装备、生物医学等领域的极端工况下具有重要应用潜力。然而，高残余应力与界面结合力不足等问题限制了其工程化应用。本研究基于过滤阴极真空电弧（FCVA）技术，通过基底偏压调控与软/硬多层结构设计，系统优化ta-C薄膜的力学、摩擦学及耐腐蚀性能。实验表明，单层ta-C薄膜在-100 V偏压下sp³键含量达65.15%，兼具高硬度（61 GPa）、低摩擦系数（0.095）、优异耐磨性（磨损率1.95×10⁻⁸ mm³/N·m）与耐腐蚀性（3.5 wt% NaCl溶液中腐蚀电流密度3.08×10⁻⁸ A/cm²）。进一步提出软（-400 V）/硬（-100 V）交替多层结构，通过界面强化效应显著降低残余应力（从-4.17 GPa降至-0.54 GPa），并提升综合力学性能（硬度55.72 GPa，弹性模量483.52 GPa）。该结构在摩擦过程中诱导石墨化转移膜形成，使摩擦系数稳定于0.093，磨损率低至4.82×10⁻⁸ mm³/N·m，同时展现超高耐腐蚀性（腐蚀电流密度9.55×10⁻¹⁰ A/cm²，防护效率98.7%）。本研究为ta-C薄膜在精密刀具与模具涂层、光学器件与传感器防护、海洋工程与耐腐蚀部件、生物医学植入器械、人工关节涂层及航空航天耐磨部件等领域的应用提供了理论支持与技术方案，尤其适用于需同时满足超低摩擦、耐磨损与长效防腐的复杂工况。

四面体非晶碳（ta-C）薄膜,过滤阴极真空电弧（FCVA）,摩擦学性能,耐腐蚀,类金刚石涂层