馮尚蕾 ，楊迎國(guó)，2，白 朔，許 力，楊新梅，夏匯浩，周興泰

(1.中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，中國(guó)科學(xué)院核輻射與核科學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201800;2.上海同步輻射光源，上海 201800;3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

1 前言

熔鹽反應(yīng)堆由于具有獨(dú)特的燃料循環(huán)能力和安全性能，使其成為第四代核能系統(tǒng)中最具發(fā)展?jié)摿Φ姆磻?yīng)堆之一［1，2］。在熔鹽反應(yīng)堆中，核石墨由于其具有低的原子序數(shù)，高的慢化比，高熱導(dǎo)率和優(yōu)良的機(jī)械性能等優(yōu)勢(shì)，被選為中子慢化劑，反射體和堆芯支撐結(jié)構(gòu)［3］。最早發(fā)展熔鹽反應(yīng)實(shí)驗(yàn)堆的美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室［4］的研究表明，核石墨能夠與熔鹽相互兼容不發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)［5］，但熔鹽可以通過核石墨本身存在的孔洞進(jìn)入核石墨內(nèi)部，使核石墨產(chǎn)生局部熱點(diǎn)加劇損傷核石墨［6］。因此，密封核石墨孔洞，使得熔鹽無法進(jìn)入核石墨內(nèi)部是核石墨長(zhǎng)期應(yīng)用于熔鹽堆的至關(guān)重要問題之一。

在核石墨表面沉積制備涂層是密封核石墨孔洞的有效手段之一。近期，筆者所在課題組采用化學(xué)氣相沉積的方法在核石墨表面成功制備出熱解炭涂層，進(jìn)行了熱解炭涂層微觀形貌觀察，石墨化度和孔徑分布測(cè)試和分析，同時(shí)進(jìn)行了沉積涂層前后氦氣滲透性和靜態(tài)熔鹽浸泡實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析［7］。研究表明，熱解炭涂層微觀結(jié)構(gòu)致密無裂紋，石墨化度較高，孔徑尺寸僅在納米級(jí)別，沉積熱解炭涂層之后核石墨的氦氣滲透性明顯降低同時(shí)極少熔鹽進(jìn)入核石墨內(nèi)部［7］，然而，沉積在核石墨I(xiàn)G-110 基體上的熱解炭涂層微觀結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)機(jī)理有待進(jìn)一步系統(tǒng)分析。眾所周知，材料本身的微觀結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)特性直接影響材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，最終影響材料的應(yīng)用。因此，深入了解熱解炭涂層的微觀結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)機(jī)理，將有利于在更深層次上理解材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的關(guān)系，從而進(jìn)一步優(yōu)化材料制備工藝以研制高性能材料，最終實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用于熔鹽堆的目的。

以甲烷為碳源，采用化學(xué)氣相沉積工藝在核石墨(IG-110)的表面制備出熱解炭涂層。采用偏光顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)以及同步輻射掠入射 X 射線衍射(GI-XRD)，系統(tǒng)研究熱解炭涂層的微觀結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)特性，并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行分析和討論。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料制備

以甲烷作為碳源，氮?dú)鉃橄♂寶怏w，采用化學(xué)氣相沉積工藝在真空感應(yīng)爐中沉積熱解炭涂層，甲烷和氮?dú)獾牧髁柯史謩e為0.25 m3·h-1和0.60 m3·h-1，沉積溫度為1 800～1 850 ℃。熱解炭涂層的厚度通過控制沉積時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。基底為直徑20 mm、厚度2 mm 日本東洋炭素公司生產(chǎn)的核石墨(IG-110)，沉積之前，基底核石墨先經(jīng)目數(shù)從400#到2200#的SiC 砂紙機(jī)械打磨，再先后用乙醇、丙酮和去離子水進(jìn)行超聲清洗，然后，置于溫度為約100 ℃的真空干燥爐中保持至少24 h 以上。最后，利用型號(hào)為L(zhǎng)INKS 2206B 的表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)試核石墨表面粗糙度，選取三點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)試，取平均結(jié)果為Ra≈0.65 μm。

2.2 測(cè)試與表征

熱解炭涂層的表面和斷面形貌特征采用型號(hào)為L(zhǎng)EO 1530VP 的SEM 觀察。偏光顯微照片采用Axio Imager A2m 偏光顯微鏡觀察。同步輻射掠入射X 射線衍射(GI-XRD)實(shí)驗(yàn)在上海同步輻射光源的衍射線站BL14B1 進(jìn)行，X 射線的波長(zhǎng)是0.123 98 nm。TEM 試樣制備采用兩種方式:一種是Helios Nanolab 600i 雙束型聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)的“取出”(Lift-out)技術(shù)［8］，另一種是傳統(tǒng)的Ar 離子減薄技術(shù)。TEM 照片觀察和選取電子衍射(SAED)在Tecnai G2 F20 S-TWIN 中進(jìn)行，加速電壓為200 kV，點(diǎn)分辨率為0.19 nm，線分辨率為0.14 nm。

3 結(jié)果與討論

利用偏光顯微鏡，在正交偏光條件下對(duì)熱解炭涂層顯微形貌進(jìn)行了觀察，如圖1 所示，熱解炭涂層具有明顯的錐狀生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其絕大部分生長(zhǎng)軸與基底核石墨的表面垂直。圖1a 和b 分別是位于涂層不同區(qū)域的生長(zhǎng)錐形貌，每個(gè)生長(zhǎng)錐結(jié)構(gòu)單元的側(cè)面為旋轉(zhuǎn)拋物面，錐體結(jié)構(gòu)單元的尺寸可以用錐體截面直徑和錐體的高度來表示。圖1a 中的區(qū)域顯示生長(zhǎng)錐基本為大錐體(箭頭標(biāo)示)，大錐體的截面直徑約為8～20 μm，高度能夠貫穿整個(gè)沉積截面達(dá)23 μm。圖1b 中的區(qū)域顯示生長(zhǎng)錐基本為小錐體和再生錐體，小錐體的的截面直徑小于8 μm，高度與大錐體相當(dāng)，為23 μm;而相比于大和小錐體的高度，再生錐體高度明顯減低2-4 倍，再生錐體不會(huì)貫穿整個(gè)沉積截面，需要連續(xù)形成大于2 個(gè)或者2 個(gè)以上的小錐體才能貫穿整個(gè)沉積截面(圖1b 中虛線圈出位置)。在不同的區(qū)域(圖1a 和b)，由于熱力學(xué)原因，成核生長(zhǎng)不可能同時(shí)進(jìn)行，使得生長(zhǎng)錐形貌不相同，而動(dòng)力學(xué)的作用使得各個(gè)生長(zhǎng)錐的宏觀生長(zhǎng)速率相近，導(dǎo)致最終形成厚度相對(duì)均勻的熱解炭涂層。圖1c 是圖1a 中大錐體的放大形貌，可以看出在大生長(zhǎng)錐之間有很多較小的參差不齊的小生長(zhǎng)錐，故使得熱解炭涂層致密地沉積在核石墨基底的表面，界面結(jié)合處沒有觀察到任何裂紋。圖1d 為生長(zhǎng)錐形成的Coffin 模型［9］示意圖。如果在沉積過程保持均勻恒定，碳層會(huì)圍繞缺陷位層層長(zhǎng)大。本實(shí)驗(yàn)制備的熱解炭涂層中單個(gè)生長(zhǎng)錐體同樣是碳層圍繞缺陷位層層長(zhǎng)大，符合Coffin 的模型。Coffin細(xì)致分析了基體缺陷對(duì)生長(zhǎng)錐形成的影響，并得出生長(zhǎng)錐的截面直徑(D)與缺陷的大小(r)關(guān)系為［9］。因此，無論是大錐體，小錐體，還是初期生長(zhǎng)的再生錐體，都會(huì)優(yōu)先在核石墨基體表面的活性位形核點(diǎn)處成核，即表面缺陷處成核，這些表面缺陷主要指核石墨表面的雜質(zhì)、微裂紋及亂序堆疊的石墨層等［10-12］。核石墨基體表面的小缺陷位產(chǎn)生的小錐體，大的缺陷位產(chǎn)生大錐體，對(duì)于再生錐體的形成，根據(jù)Coffin［9］和Bourrat 等［13］的解釋，在再生錐生長(zhǎng)的過程中，當(dāng)沉積氣氛中產(chǎn)生與熱解炭結(jié)構(gòu)相容性極差的中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)單元，會(huì)導(dǎo)致錐頂部的界面能變大，使得無法繼續(xù)熱解炭片層的平鋪拓展，繼而在碳層面的缺陷活性點(diǎn)處重新成核生長(zhǎng)。

圖1 熱解炭涂層的偏光顯微照片:(a)和(b)分別是在不同位置處生長(zhǎng)錐形貌;(c)在最高放大倍數(shù)下，大生長(zhǎng)錐的形貌(箭頭指示較大生長(zhǎng)錐位置);(d)生長(zhǎng)錐形成示意圖(引自Coffin 模型［9］)Fig.1 Polarized light micrographs of PyC coating:(a，b)the different morphologies of cone at different region;(c)big cones at higher magnification (arrow points to the bigger cones);(f)schematic of cone formation (refer to Coffin model［9］).

熱解炭涂層表面和截面形貌特征見圖2。圖2a顯示熱解炭涂層的表面存在大小不等的球冠結(jié)構(gòu)，球冠的尺寸范圍大約為2～20 μm，其為熱解炭生長(zhǎng)錐的外表面特征［12］，球冠結(jié)構(gòu)之間緊密相接，無明顯孔隙或裂紋存在。圖2b 中的斷面照片顯示，熱解炭涂層的厚度約為23 μm，結(jié)構(gòu)致密并且呈波浪式層狀生長(zhǎng)，同時(shí)可看到緊密結(jié)合的錐間界面。結(jié)合偏光顯微鏡的分析(圖1)可知，一個(gè)波浪就對(duì)應(yīng)一個(gè)生長(zhǎng)錐，單個(gè)生長(zhǎng)錐呈曲面式層層長(zhǎng)大，由于在核石墨基底上存在較多的成核位置，從而產(chǎn)生很多不同的生長(zhǎng)錐，這些生長(zhǎng)錐層狀生長(zhǎng)到一定程度時(shí)，相互間的差異而形成錐間界面。圖2c 為熱解炭涂層在核石墨基體上的生長(zhǎng)形貌特征，可以很清楚的看到熱解炭的初期成核的缺陷位，之后熱解炭片層的沉積圍繞這些活性位形核點(diǎn)一層一層的進(jìn)行，最終形成如圖2c 所示的形貌。圖2d 是熱解炭涂層生長(zhǎng)的過程示意圖，實(shí)心圓點(diǎn)代表了在基體上的活性位形核點(diǎn)，熱解炭涂層在各個(gè)成核位置處層層沉積并熔并為一體。結(jié)合SEM 的觀察(圖2)和偏光顯微觀察(圖1)分析，每個(gè)錐體內(nèi)熱解炭片層間結(jié)合緊密，生長(zhǎng)錐間結(jié)合密實(shí)，熱解炭涂層的整體片層取向差別不大，熱解炭涂層具有的如此致密的微觀結(jié)構(gòu)才使得熱解炭涂層具有極低的氦氣滲透系數(shù)和僅存在納米級(jí)別的細(xì)孔［7］。

通常，利用正交偏光顯微鏡測(cè)試熱解炭涂層發(fā)生十字消光時(shí)最小及最大反射率可以計(jì)算消光角Ae［14，15］，根據(jù)不同織構(gòu)的熱解炭涂層在偏光顯微鏡下消光角不同，Diefendorf 等［16］和Rznik 等［17］將其按照消光角Ae范圍分為:(1)各向同性，(2)暗層，(3)光滑層，(4)粗糙層(圖3)。然而，熱解炭必須沉積在細(xì)小的圓形基底上(如炭纖維、圓孔內(nèi)壁等)［18］才能觀察到十字消光，本研究制備的熱解炭涂層是在平面基體上沉積的，不會(huì)出現(xiàn)十字消光現(xiàn)象，此時(shí)，需要利用熱解炭涂層在可見光下反射強(qiáng)度達(dá)到最暗時(shí)的偏光角度來計(jì)算消光角Ae，然而，在測(cè)量過程中無法準(zhǔn)確地判斷光強(qiáng)最暗時(shí)的偏光角度，這就使得測(cè)量的消光角不可避免地存在較大的偏差?；诖?，熱解炭的織構(gòu)將利用下面介紹的SAED 方法進(jìn)行表征。SAED可以在微納米尺度對(duì)熱解炭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，其所得的定向角OA 與消光角Ae有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖3。在光滑層和粗糙層之間，Bourrat 等［13］提出了一個(gè)新的織構(gòu):再生層，并指出再生層和粗糙層具有相似的各向異性和密度，但兩者不同的生長(zhǎng)機(jī)制導(dǎo)致兩者具有不同的特征，在低倍TEM 照片中可以看到再生層具有“纖維狀”的形貌特征。

圖2 熱解炭涂層的SEM 照片:(a)表面形貌，(b)截面形貌，(c)界面處截面形貌，(d)生長(zhǎng)過程示意圖Fig.2 SEM images of (a)in-plane view;(b)cross-section view;(c)cross-section enlargered view of the PyC-substrate interface;(d)schematic of growth pattern.

圖3 四種不同取向性熱解炭涂層的示意圖以及相應(yīng)消光角Ae和定向角OA［16，17］Fig.3 Schematic of preferred orientation of the pyrolytic carbon coatings and illustrion their correlations with Aeand OA values［16，17］.

圖4 為熱解炭涂層的截面TEM 照片，在熱解炭涂層與基體核石墨界面處，熱解炭涂層的(002)暗場(chǎng)像(圖4a)及其明場(chǎng)像(圖4b)顯示出不同的對(duì)比度。通常，暗場(chǎng)像可以為有取向性的材料提供更好的證據(jù)。在暗場(chǎng)像中(圖4a)，明亮的區(qū)域?yàn)闊峤馓客繉又芯哂?002)擇優(yōu)取向的區(qū)域(空洞和無序碳位置則是黑色的)，暗場(chǎng)像和明場(chǎng)像都體現(xiàn)出熱解炭涂層錐狀的結(jié)構(gòu)，與文獻(xiàn)［13］一致。圖4a 中圓形區(qū)域的SAED 圖(圖4a 中插圖)顯示其定向角OA為60°，根據(jù)圖3 分類，此區(qū)域的熱解炭為平滑層。對(duì)不同的區(qū)域的SAED 分析發(fā)現(xiàn)平滑層的厚度大約為3 μm。圖4c 為距離基體表面3 μm 以外區(qū)域的(002)暗場(chǎng)像，圓形區(qū)域的SAED 圖(圖4c 中插圖)顯示其定向角OA 為42°，根據(jù)Bourrat 等［13］提出的再生層織構(gòu)，可以斷定此區(qū)域的熱解炭織構(gòu)屬于再生層，同時(shí)圖中“纖維狀”的形貌特征也證實(shí)了此區(qū)域?qū)儆谠偕鷮?。圖4c 為熱解炭表面區(qū)域的(002)暗場(chǎng)像，圓形區(qū)域的SAED 圖如插圖所示，定向角OA 為40°，如上分析可知，此區(qū)域織構(gòu)也屬于再生層。在圖4c 和d 的中存在少部分衍射很弱的區(qū)域(虛線標(biāo)出)，其SAED 圖如圖4e 中插圖所示，其定向角OA 為57°，可知此處為平滑層，其HRTEM(圖4e)顯示平滑層具有各種大小形狀不同的晶粒尺寸和晶粒取向(虛線標(biāo)出)。然而，與光滑層相比，再生層具有較好的各向異性，片層排列取向性更高且連續(xù)(圖4f)。

圖4 (a)和(b)分別是位于熱解炭與基底界面處的(002)暗場(chǎng)像和對(duì)應(yīng)的明場(chǎng)像;(c)熱解炭涂層中間區(qū)域的(002)暗場(chǎng)像;(d)熱解炭涂層表面區(qū)域的(002)暗場(chǎng)像;(e)和其中的插圖分別是(d)中方框標(biāo)注區(qū)域的HR-TEM 照片和SAED 圖;(f)是(d)中圓圈標(biāo)注區(qū)域的HR-TEM 照片;(a)，(c)和(d)中的插圖分別是(a)，(c)和(d)的圓圈標(biāo)注區(qū)域的SAED 圖(箭頭指示涂層生長(zhǎng)的方向)Fig.4 (002)dark field image (a)and the bright field image (b)of the same region at the PyC/substrate interface.(c)(002)dark field image taken from the region 3 mm away fom the PyC-substrate interface.(d)(002)dark field image taken from the near surface region of PyC coating.(e)HR-TEM image and SAED pattern (inset)taken from region marked by square in the image (d).(f)HR-TEM image from the region circled in the image (d).Insets in (a，c，d):the corresponding SAED patterns in the region marked by circles (arrow gives the growth direction).

在GI-XRD 實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)不同的掠入射角度下對(duì)應(yīng)的X 射線穿透深度不同，可以提供沿深度分布的晶體結(jié)構(gòu)信息［19-23］。圖5 為掠入射角度從0.05°到6°變化的同步輻射GI-XRD 圖譜，獲得了從距離表面3.4 nm 到完全穿透熱解炭涂層并到達(dá)核石墨基體的結(jié)構(gòu)信息變化。本文所制熱解炭涂層全反射角為0.17°，涂層厚度為23 μm(圖1b)，當(dāng)掠入射角小于全反射角時(shí)，如0.05°和0.1°，可得到熱解炭涂層離近表面5 nm 以內(nèi)的結(jié)構(gòu)信息，當(dāng)掠入射角小于0.5°時(shí)，得到的基本是熱解炭涂層內(nèi)部的衍射信息;當(dāng)掠入射角大于1°時(shí)，X 射線衍射測(cè)得的是熱解炭涂層和基體的整體衍射信息(圖6)。由于考慮到不同的掠入射角度下，X 射線衍射對(duì)材料的有效測(cè)量體積不同，因此，無法定量地比較不同深度下衍射信號(hào)的積分強(qiáng)度，進(jìn)而無法定量地得出不同深度處晶體尺寸的信息，但是我們可以定性分析衍射峰位對(duì)應(yīng)的晶體面間距以及相應(yīng)的石墨化度變化。由圖5a 可以看出，熱解炭涂層存在(002)雙峰衍射線，一個(gè)峰的中心位于21.24°(高角峰)，另一個(gè)峰中心位于20.80°(低角峰)，它們相應(yīng)的層間距分別是0.336 nm(21.24o)，0.343 nm(20.80°)，這種雙峰衍射線經(jīng)常出現(xiàn)在具有亂層結(jié)構(gòu)的碳材料中［24］。當(dāng)掠入射角為0.05°和0.1°時(shí)，層間距小的晶體結(jié)構(gòu)明顯占主導(dǎo)，這與文獻(xiàn)［25-27］報(bào)道的XRD 結(jié)果相似，這種現(xiàn)象已被作為炭材料石墨化行為產(chǎn)生的證據(jù)，其產(chǎn)生原因分析如下:在沉積過程中熱解炭不斷釋放氫氣，其表面缺陷逐步消除，石墨化度逐漸提高，導(dǎo)致后續(xù)沉積的熱解炭結(jié)構(gòu)趨向完善。

圖5 (a)，(b)和(c)分別是在一系列掠入射角度下同步輻射GI-XRD 圖譜中的(002)峰，(100)與(101)峰，及(004)峰Fig.5 Synchrotron GI-XRD patterns of the (a)(002)peak，(b)(100)and (101)peaks，and(c)(004)peak at a series of grazing incidence angles for PyC coating deposited on the substrate of IG-110.

圖6 不同掠入射角度得到不同深度衍射信息示意圖Fig.6 A schematic diagram in which the XRD at different grazing incidence angle obtains the structure information of the PyC coating along its depth.

當(dāng)增加掠入射角度到0.5°，低角峰的相對(duì)強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)，說明在熱解炭涂層內(nèi)部含有很高的低石墨化度相。根據(jù)Coffin 對(duì)熱解炭沉積過程中應(yīng)力應(yīng)變的理論分析［9］，沉積基體表面不可避免地存在一定的粗糙度，粗糙的表面引起熱解炭片層結(jié)構(gòu)扭曲，即形成生長(zhǎng)錐狀的結(jié)構(gòu)單元，不同生長(zhǎng)錐間片層結(jié)構(gòu)扭曲度差異必定引起涂層內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種片層扭曲度差異從基底到沉積表面逐漸降低，這就導(dǎo)致了殘余應(yīng)力隨沉積厚度增加而逐漸減小。當(dāng)再增加掠入射角，X 射線已經(jīng)穿透熱解炭涂層到達(dá)基體核石墨I(xiàn)G-110，核石墨I(xiàn)G-110 的(002)峰位于～21.16°，峰的強(qiáng)度隨著掠入射角度增加而增加，同時(shí)，熱解炭涂層中低角峰相對(duì)強(qiáng)度逐漸變?nèi)?。圖5b為不同掠入射角度下(100)與(101)峰的圖譜，可以看出，不同深度內(nèi)的熱解炭涂層的(100)與(101)峰位幾乎沒有位移，熱解炭涂層和基體核石墨I(xiàn)G-110 的(100)與(101)峰位之間相差大約0.1°。圖5c 的(004)雙峰為圖5a 中(002)雙峰的高次衍射峰，兩者的規(guī)律一致?？傮w分析，在熱解炭涂層不同深度范圍內(nèi)(圖5a-c)，并沒有發(fā)現(xiàn)峰位的變化或者較大偏移，說明熱解炭涂層內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)是固定的，主要存在兩種層面間距不同的相結(jié)構(gòu)。根據(jù)TEM 的結(jié)果分析，熱解炭涂層有主要有兩種織構(gòu):平滑層和再生層。平滑層主要存在于沉積初期3 μm 處，晶體相對(duì)無序，再生層存在于沉積的中后期，晶體結(jié)構(gòu)有序性相對(duì)較好，其中平滑層也在沉積中后期少量地出現(xiàn)。根據(jù)GI-XRD 分析可以推斷出，平滑層和再生層應(yīng)該同時(shí)含有兩種石墨化度相，平滑層主要含有低石墨化度相，而再生層主要含有高石墨化度相。然而，這兩種相結(jié)構(gòu)的石墨層間距大小相差僅為0.007 nm，這么小的差別在前面介紹的TEM 晶格條紋像中(圖4e 和f)并不能清晰的識(shí)別出來。

4 結(jié)論

采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，以甲烷作為碳源，在核石墨I(xiàn)G-110 的基體上制備出熱解炭涂層。熱解炭涂層具有大錐體、小錐體和再生錐體三種生長(zhǎng)錐結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)錐在基底表面的缺陷位處優(yōu)先成核，碳層呈曲面式圍繞缺陷位層層長(zhǎng)大，熱解炭片層間結(jié)合緊密，生長(zhǎng)錐間結(jié)合密實(shí)。熱解炭涂層如此致密的微觀結(jié)構(gòu)為其具有極低的氦氣滲透系數(shù)的主要原因。生長(zhǎng)錐的數(shù)量和尺寸與基底的表面缺陷密切相關(guān)。熱解炭涂層主要有兩種織構(gòu):平滑層和再生層。平滑層主要存在于沉積初期，晶體相對(duì)無序，再生層存在于沉積的中后期，晶體結(jié)構(gòu)有序性較好，其中平滑層也在沉積中后期少量出現(xiàn)。熱解炭涂層沉積過程中不斷釋放氫氣，其表面缺陷逐步消除，石墨化度逐漸提高，導(dǎo)致后續(xù)沉積的熱解炭結(jié)構(gòu)趨向完善。涂層主要存在兩種石墨化度的相，高石墨化度的相在涂層近表面處占主導(dǎo)，低石墨化度的相在整個(gè)涂層內(nèi)部占主導(dǎo)。這兩種石墨化度相都存在于平滑層和再生層，平滑層主要含有低石墨化度相，而再生層主要含有高石墨化度相。

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