管文，王永欣，黨蕊，蘇云飛

聚合物材料表面耐磨性能提升用非晶碳基薄膜的研究進(jìn)展

管文1,2，王永欣1，黨蕊1，蘇云飛1

（1.中國(guó)科學(xué)院寧波材料與工程研究所 中國(guó)科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315201；2.寧波大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

硬度低、耐磨性能差等固有缺點(diǎn)已成為限制聚合物材料在一些苛刻環(huán)境中工業(yè)應(yīng)用的重要因素。為了改善表面硬度和耐磨性能，多種表面改性技術(shù)被用于聚合物材料的耐磨防護(hù)，其中在聚合物材料表面制備一層非晶碳薄膜被認(rèn)為可有效提高材料表面硬度和耐磨性能。綜述了聚合物材料表面耐磨性能提升用非晶碳基薄膜的研究進(jìn)展，分析了非晶碳基薄膜在聚合物材料表面膜基結(jié)合強(qiáng)度不足的本質(zhì)原因，聚合物材料與非晶碳薄膜兩種材料在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的不匹配使兩者之間的突變界面在載荷作用下極易發(fā)生失穩(wěn)，造成了膜基結(jié)合強(qiáng)度的不足。探討和對(duì)比了目前常用于改善非晶碳基薄膜在聚合物材料表面膜基結(jié)合強(qiáng)度的改性技術(shù)。其中，利用等離子體對(duì)聚合物材料表面進(jìn)行處理，可以誘導(dǎo)材料表面有機(jī)碳質(zhì)結(jié)構(gòu)向無(wú)機(jī)碳質(zhì)結(jié)構(gòu)的逐漸轉(zhuǎn)變，使非晶碳薄膜在聚合物材料表面獲得可靠結(jié)合強(qiáng)度。利用等離子體處理法可以在聚合物基體表面構(gòu)建原位轉(zhuǎn)變層，原位轉(zhuǎn)變層通過(guò)化學(xué)鍵的形式，為非晶碳薄膜在基體表面獲得了可靠的膜基結(jié)合強(qiáng)度，有效提高了聚合物材料表面的硬度和減摩耐磨性能。

聚合物材料；表面改性；非晶碳薄膜；耐磨性能；結(jié)合強(qiáng)度；原位生長(zhǎng)

聚合物材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、韌性高、生物相容性好、自潤(rùn)滑性好和耐腐蝕性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑、電器、醫(yī)療、汽車(chē)和航空航天等領(lǐng)域，已成為工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代生活中不可或缺的材料[1]。然而，相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬和陶瓷材料，由于受高分子鏈結(jié)構(gòu)本質(zhì)特征的影響，聚合物材料的硬度相對(duì)較低，耐磨性能也較差。盡管聚合物材料通常能呈現(xiàn)出良好的自潤(rùn)滑性能，但是易磨損始終是其難以回避的缺點(diǎn)。這些本質(zhì)缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了聚合物材料在一些苛刻環(huán)境，特別是在受載或耐磨工況中的實(shí)際應(yīng)用[2]。因此，提升聚合物材料的表面硬度和耐磨性能，對(duì)拓展其工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

1 聚合物材料的表面改性

為改善聚合物材料的硬度和摩擦學(xué)性能等，研究者們嘗試了不同的表面改性方法，主要包括兩種方式：一種是對(duì)聚合物材料表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化處理，即通過(guò)激光、高能輻射（如α射線和β射線等）、電暈放電、射頻、高能電磁振蕩、高能離子束、高能電子束、等離子體等，引起聚合物材料表面分子鏈的活化、支化和交聯(lián)，使材料表面的交聯(lián)度增大，進(jìn)而提升聚合物材料表面機(jī)械性能。結(jié)構(gòu)強(qiáng)化處理的主要方法有離子注入法[3-6]、輻射交聯(lián)法[7-8]和低溫等離子體處理法[9-10]等。另一種則是表面耐磨涂層防護(hù)，即通過(guò)化學(xué)或物理方法，在聚合物基體材料表面制備一層防護(hù)性涂層，以提高聚合物材料表面的硬度和摩擦學(xué)性能。耐磨涂層的使用在提升聚合物基體材料耐磨性能的同時(shí)，還能保持基體自身其他優(yōu)異結(jié)構(gòu)性能，因此受到研究者們的青睞。按材料種類(lèi)分類(lèi)，常用于聚合物材料表面的耐磨防護(hù)涂層包括有機(jī)耐磨涂層[11-15]、有機(jī)-無(wú)機(jī)耐磨涂層[16-18]和無(wú)機(jī)耐磨薄膜。

無(wú)機(jī)耐磨薄膜防護(hù)主要是通過(guò)物理或化學(xué)氣相沉積（P/CVD）技術(shù)、濺射技術(shù)等，在聚合物材料表面制備一層耐磨防護(hù)薄膜，以提高材料表面的硬度和耐磨性。由于聚合物材料自身的軟化點(diǎn)低，因此聚合物材料表面的無(wú)機(jī)耐磨防護(hù)薄膜主要以無(wú)定形材料為主[19]。

2 非晶碳基薄膜在聚合物材料表面的應(yīng)用

非晶碳（amorphous carbon, a-C）基薄膜兼具潤(rùn)滑、抗磨和耐蝕等多種功能特性，其作為聚合物材料表面的防護(hù)薄膜，不僅能夠保持聚合物材料自身良好的耐腐蝕性，而且可有效改善材料的表面硬度，并提高其減摩耐磨性能，被認(rèn)為是一種改善聚合物材料表面綜合性能的有效表面處理方法[20-21]。

一方面，非晶碳材料是一種無(wú)毒的惰性材料，與聚合物材料一樣，非晶碳材料具有不導(dǎo)電、生物相容性好和耐腐蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[22-23]，可應(yīng)用于潮濕、生物體液等惰性和惡劣環(huán)境；另一方面，非晶碳薄膜擁有較低的摩擦系數(shù)，可作為聚合物材料表面的潤(rùn)滑耐磨保護(hù)性材料使用[24]。在納米尺度下，通過(guò)非晶碳的石墨化作用，在摩擦接觸面引入潤(rùn)滑層（tribo- skin），非晶碳薄膜甚至可以在某些特定環(huán)境下表現(xiàn)出超低摩擦系數(shù)[25]，更為重要的是，非晶碳薄膜具有非常優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，如高硬度、低摩擦系數(shù)和低磨損率[26]。因此，優(yōu)異的化學(xué)惰性、低摩擦磨損等特性，使非晶碳薄膜成為聚合物材料最有效的耐磨保護(hù)性涂層材料之一。

2.1 非晶碳薄膜材料

非晶碳薄膜是一種主要由金剛石結(jié)構(gòu)的sp3雜化碳原子和石墨結(jié)構(gòu)的sp2雜化碳原子相互鍵合的無(wú)定形材料，具有硬度較高、摩擦學(xué)性能優(yōu)異、介電常數(shù)低、化學(xué)惰性?xún)?yōu)秀、光學(xué)透過(guò)性良好以及生物相容性?xún)?yōu)異等特點(diǎn)，廣泛適用于機(jī)械、電子、航空航天、生物醫(yī)學(xué)和光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[27-29]。非晶碳薄膜可以沉積在多種材料基體表面，如金屬、陶瓷和聚合物材料等。研究表明，在聚合物材料表面生長(zhǎng)一層非晶碳基薄膜作為防護(hù)薄膜，對(duì)提高基體材料的硬度、耐磨性能，并延長(zhǎng)其服役壽命等，具有極高的應(yīng)用潛力[30]。

自1971年Isenberg首次報(bào)道人工合成類(lèi)金剛石碳（Diamond-like carbon, DLC）薄膜以來(lái)，在過(guò)去的四十多年里，人們對(duì)非晶碳薄膜進(jìn)行了大量的研究。非晶碳薄膜所具備的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征使其成為潛在的高性能防護(hù)薄膜。其中，在聚合物表面沉積非晶碳薄膜可以有效改善聚合物表面的減摩耐磨性能。Shi等[31]利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)，在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）基體表面沉積了一層非晶碳薄膜，結(jié)果表明，非晶碳薄膜使基體表面硬度提高了約42%，并顯著降低了基體表面的磨損率。Puértolas等[32]通過(guò)射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（RF-PECVD）方法，在UHMWPE表面沉積一層含氫非晶碳（a-C:H）薄膜，顯著提高了聚合物表面的硬度和耐磨性能。Pal等[24]利用PECVD技術(shù)在氫化丁腈橡膠（HNBR）表面沉積一層非晶碳薄膜，結(jié)果表明，非晶碳薄膜有效降低了HNBR表面的摩擦系數(shù)，并且薄膜表面形成的微裂紋可以改善表面的延展性。Huang等[33]采用非平衡磁控濺射技術(shù)在聚醚醚酮（PEEK）表面沉積鉬摻雜類(lèi)石墨碳（Mo-GLC）基薄膜，在大氣、生理鹽水、模擬體液和胎牛血清中分別研究其摩擦磨損行為，結(jié)果表明，Mo-GLC薄膜可以有效提高PEEK的潤(rùn)滑耐磨損性能和其在生物環(huán)境中的穩(wěn)定性。

2.2 非晶碳基薄膜在聚合物材料表面應(yīng)用的關(guān)鍵性問(wèn)題

非晶碳基薄膜在聚合物材料表面的防護(hù)應(yīng)用，一直以來(lái)都面臨著結(jié)合強(qiáng)度不足的巨大挑戰(zhàn)。采用傳統(tǒng)方法在聚合物材料表面制備非晶碳基薄膜極易發(fā)生剝落現(xiàn)象，這嚴(yán)重限制了非晶碳基薄膜的優(yōu)異耐磨防護(hù)作用在聚合物材料表面的充分發(fā)揮[1,34]。為了使非晶碳基薄膜與基體材料之間獲得可靠的結(jié)合力，研究者們做了許多的工作，比如調(diào)節(jié)sp3和sp2的比值（sp3/ sp2）[35]、C─H鍵的含量[36]，摻雜不同的元素（如Cr、Ti、Si等）[37-38]，控制轟擊能量[39]等。盡管這些方法可以在一定程度上提高非晶碳基薄膜的結(jié)合強(qiáng)度，但是目前所有非晶碳基薄膜在金屬、陶瓷及其復(fù)合材料表面的應(yīng)用，都需要設(shè)計(jì)一層特殊的過(guò)渡層。早期的研究發(fā)現(xiàn)，在聚合物材料表面采用無(wú)過(guò)渡層設(shè)計(jì)直接構(gòu)筑制備的非晶碳基薄膜，在載荷作用下，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的分層或剝落現(xiàn)象。而即便是采用過(guò)渡層設(shè)計(jì)，也僅能實(shí)現(xiàn)非晶碳基薄膜在少數(shù)硬度較高的工程塑料表面于低載荷或無(wú)載荷條件下工作，如通過(guò)引入一層Si過(guò)渡層，在聚醚醚酮表面生長(zhǎng)非晶碳薄膜[40]。造成這種現(xiàn)象的最根本原因可能是，這些中間過(guò)渡層大部分仍是屬于無(wú)機(jī)材料（如Cr、Si、Mo以及基于這些元素的化合物），不能為無(wú)機(jī)的非晶碳基薄膜在有機(jī)聚合物基體材料表面提供足夠的結(jié)合強(qiáng)度。

2.2.1 非晶碳基薄膜結(jié)合強(qiáng)度不足的原因分析

聚合物材料質(zhì)軟有韌性，而非晶碳基薄膜屬于陶瓷材料，硬度大且較脆，兩者在力學(xué)性能上存在巨大的差異。因此，不管是無(wú)過(guò)渡層直接構(gòu)筑非晶碳基薄膜，還是采用金屬及其化合物過(guò)渡層，抑或是采用有機(jī)高分子多鍍層，在聚合物材料表面構(gòu)筑生長(zhǎng)非晶碳基薄膜時(shí)，始終存在聚合物碳質(zhì)結(jié)構(gòu)向無(wú)定形碳質(zhì)結(jié)構(gòu)的突然轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)錯(cuò)配嚴(yán)重且性質(zhì)差異明顯的兩種材料的突變界面在力學(xué)作用下，極易發(fā)生失穩(wěn)，從而在根本上決定了聚合物基體材料與非晶碳基薄膜之間結(jié)合強(qiáng)度不足。

2.2.2 非晶碳基薄膜結(jié)合強(qiáng)度的改善方法

針對(duì)聚合物材料基體與非晶碳基薄膜之間膜基結(jié)合強(qiáng)度差的問(wèn)題，研究者們提出了不同的表面處理方法，如機(jī)械處理法、濕化學(xué)處理法、熱（火焰）處理法和電暈放電法等[41]。盡管這些處理方法能不同程度地改善膜基結(jié)合強(qiáng)度，但是不同的處理方法有其不同的缺點(diǎn)。其中，機(jī)械處理法通過(guò)構(gòu)造粗糙表面來(lái)增加接觸面積，并產(chǎn)生機(jī)械鎖合作用，這種處理方式最簡(jiǎn)單，但是效果較差。濕化學(xué)處理法效果較好，但這種方法一般需要使用溶劑、強(qiáng)酸或液氨等，存在環(huán)保性差、操作不安全、均一性和再現(xiàn)性較差等問(wèn)題，限制了其發(fā)展。熱（火焰）處理法會(huì)釋放出有害氣體，造成環(huán)境污染。電暈放電法可以在大氣環(huán)境下進(jìn)行，使用氣體一般為空氣，方便又經(jīng)濟(jì)，但是因?yàn)榭諝庵谐煞州^為復(fù)雜，應(yīng)用過(guò)程中除了氧化作用外，可能會(huì)產(chǎn)生其他的化學(xué)作用，增加實(shí)驗(yàn)的外來(lái)影響因素。

之后，研究者們又提出了等離子體處理法，可以有效避免以上處理方法的缺點(diǎn)，而且其一般使用單一等離子體源，被認(rèn)為是一種理想的表面處理方法。Ozeki等[42]在UHMWPE和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）表面沉積非晶碳薄膜前，先對(duì)樣品表面進(jìn)行氧等離子體預(yù)處理，結(jié)果表明，相較于未進(jìn)行氧等離子體預(yù)處理的樣品，經(jīng)氧等離子體預(yù)處理后沉積的非晶碳薄膜，在磨損試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的結(jié)合強(qiáng)度。Baba等[43]在沉積非晶碳薄膜前，分別用H2O、O2、CH4等離子體對(duì)尼龍、UHMWPE、聚四氟乙烯（PTFE）三種聚合物表面進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)等離子體預(yù)處理可有效提高非晶碳薄膜與聚合物基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。Guo等[34]對(duì)聚碳酸酯（PC）和PMMA表面進(jìn)行氧等離子體預(yù)處理，后沉積非晶碳薄膜，結(jié)果顯示，氧等離子體預(yù)處理不僅可以清除基體表面的有機(jī)雜質(zhì)，形成極性功能基團(tuán)，也較大程度上提高了非晶碳薄膜與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。

2.3 等離子體誘導(dǎo)聚合物材料表面生長(zhǎng)非晶碳薄膜

等離子體是一種由離子、電子、自由基和原子等高能粒子組成的電離氣體，可以通過(guò)高頻電磁振蕩、輝光放電、激光、輻射（如α和β射線等）、微波和火焰等方法獲得[44]。高能等離子體處理轟擊聚合物材料表面，可以引起聚合物材料表面的分子鏈化學(xué)鍵斷裂，繼而發(fā)生清洗（表面灰塵等附著物）、刻蝕（表面弱邊界層）、表面活化（產(chǎn)生鏈自由基）和支化交聯(lián)等一系列作用[41]。

近年來(lái)，有研究者發(fā)現(xiàn)通過(guò)氬等離子體和氫等離子體先后對(duì)表面進(jìn)行預(yù)處理，可在橡膠材料表面實(shí)現(xiàn)非晶碳薄膜生長(zhǎng)，并獲得優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度。Pei等[45-46]以氫化丁腈橡膠為聚合物基體材料，先用氬等離子體處理基體表面，然后通入氫氣作為活性等離子體源對(duì)基體表面進(jìn)行處理，再采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（PACVD）技術(shù)在基體表面沉積了一層類(lèi)金剛石碳薄膜，改性后基體表面的摩擦系數(shù)和磨損率明顯降低。采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)沉積有類(lèi)金剛石碳薄膜的HNBR基體拉伸50%再卸載，通過(guò)對(duì)拉伸和卸載后的樣品表面形貌（圖1）分析表明，類(lèi)金剛石碳薄膜在基體表面表現(xiàn)出良好的結(jié)合強(qiáng)度。

圖1 HNBR基體表面磨痕形貌和沉積DLC薄膜的樣品拉伸50%、卸載后的表面形貌圖[45-46]

同時(shí)，也有研究者發(fā)現(xiàn)，通過(guò)碳?xì)浠旌系入x子體對(duì)表面的處理作用，可以在聚合物基體和非晶碳薄膜之間形成混合中間層，增加非晶碳薄膜在聚合物基體表面的膜基結(jié)合強(qiáng)度。德國(guó)科布倫茨-蘭道大學(xué)Fischer教授團(tuán)隊(duì)[47-50]利用RF-PECVD技術(shù)，以聚對(duì)苯二甲基乙二醇酯（PET）塑料為基體材料，乙炔為碳等離子體源，在經(jīng)過(guò)氧等離子體預(yù)處理的基體表面沉積了不同厚度的類(lèi)金剛石碳薄膜，如圖2所示。結(jié)果表明，類(lèi)金剛石碳薄膜與PET基體之間引入了復(fù)合界面層，復(fù)合中間層的形成是由于聚合物基體表面在等離子體的作用下，發(fā)生了==CH2的脫氫作用，使基體表面的聚合物結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變成交聯(lián)的類(lèi)金剛石碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

此外，有研究報(bào)道，可以采用離子輻射的方式，誘使聚合物材料表面或近表面高分子鏈結(jié)構(gòu)重組，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷假|(zhì)結(jié)構(gòu)。Buchegger等[51]首先采用溶膠-凝膠法在硅片表面浸涂沉積一層厚度約為126 nm的聚合物（聚乙烯吡咯烷酮，PVP）薄膜，然后采用離子輻射法對(duì)聚合物薄膜表面進(jìn)行高能等離子體處理。結(jié)果表明，聚合物薄膜表面在高能等離子體的持

續(xù)處理下，發(fā)生了高分子鏈結(jié)構(gòu)重組，并逐漸轉(zhuǎn)變成碳基薄膜（厚度約為50 nm），交替進(jìn)行聚合物薄膜沉積和離子輻射步驟，最終在基體表面制備了多層碳基薄膜，其制備方法如圖3所示。

甚至有研究表明，采用等離子體處理法可誘導(dǎo)聚合物表面有機(jī)碳質(zhì)結(jié)構(gòu)向無(wú)機(jī)碳質(zhì)結(jié)構(gòu)的逐漸轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)非晶碳基薄膜在聚合物材料表面的原位生長(zhǎng)，有效提高非晶碳基薄膜在聚合物材料表面的膜基結(jié)合強(qiáng)度。中科院寧波材料所王永欣研究員團(tuán)隊(duì)[52]提出“等離子體誘導(dǎo)原位生長(zhǎng)法”，在聚合物表面制備非晶碳耐磨防護(hù)薄膜。對(duì)聚合物基體表面持續(xù)進(jìn)行碳等離子體處理，實(shí)現(xiàn)了聚合物材料表面有機(jī)碳質(zhì)結(jié)構(gòu)向無(wú)機(jī)碳質(zhì)結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)轉(zhuǎn)變，并通過(guò)控制碳等離子體處理時(shí)間，在聚合物基體表面原位生長(zhǎng)不同厚度的非晶碳薄膜。結(jié)果表明，在高能等離子體對(duì)聚合物基體表面的持續(xù)處理作用下，基體亞表面或表面的高分子鏈發(fā)生隨機(jī)斷裂，并被活化成活性聚合物鏈段。這些活性聚合物鏈段之間、活性聚合物鏈段與碳等離子體所含的活性自由基之間，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)作用，并在聚合物基體表面形成含聚合物碳鏈和非晶碳鏈的復(fù)合交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原位轉(zhuǎn)變層。在原位轉(zhuǎn)變層形成后，隨著碳等離子體處理時(shí)間的繼續(xù)增加，在原位轉(zhuǎn)變層表面繼續(xù)外延生長(zhǎng)了一層非晶碳層。原位轉(zhuǎn)變層通過(guò)化學(xué)鍵的形式，為非晶碳薄膜在聚合物基體表面提供了可靠的結(jié)合強(qiáng)度。可靠的結(jié)合強(qiáng)度使非晶碳薄膜優(yōu)異的耐磨防護(hù)性能在聚合物材料表面得到充分發(fā)揮，有效提高了聚合物材料表面的硬度和耐摩擦性能，如圖4所示。

圖3 利用離子輻射法誘導(dǎo)聚合物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變制備碳基薄膜的示意圖[51]

3 結(jié)語(yǔ)與展望

聚合物材料的工業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是硬度低和耐磨性能差等本質(zhì)缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了聚合物材料在一些苛刻工況中的應(yīng)用。表面耐磨防護(hù)成為聚合物材料應(yīng)用發(fā)展必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在聚合物材料表面制備一層非晶碳基薄膜被認(rèn)為可以有效提高材料表面的硬度，并改善其摩擦學(xué)性能。非晶碳基薄膜擁有獨(dú)特的潤(rùn)滑耐磨特性，成為材料表面最優(yōu)秀的耐磨防護(hù)薄膜之一。但是無(wú)機(jī)的非晶碳基薄膜與有機(jī)的聚合物材料之間面臨著結(jié)合強(qiáng)度不足的巨大挑戰(zhàn)，如何提高膜基結(jié)合強(qiáng)度已成為非晶碳基薄膜在聚合物材料表面實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。通過(guò)等離子體誘導(dǎo)聚合物材料表面生長(zhǎng)非晶碳基薄膜，可有效提高非晶碳基薄膜在聚合物材料表面的膜基結(jié)合強(qiáng)度，并改善材料表面的減摩耐磨性能，對(duì)發(fā)展聚合物材料表面高性能耐磨防護(hù)薄膜具有重要意義。隨著聚合物材料在工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展，其表面功能化也越來(lái)越受到關(guān)注，利用等離子體誘導(dǎo)法生長(zhǎng)耐磨防護(hù)涂層不僅為改善聚合物表面耐磨性提供了新思路，同時(shí)也為聚合物表面的功能化提供了新的界面設(shè)計(jì)方法。

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Research Progress of Amorphous Carbon-based Coating for Improving Wear Resistance of Polymer Materials

1,2,1,1,1

(1.Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies, Key Laboratory of Marine Materials and Protective Technologies of Zhejiang Province, Ningbo Institute of Materials and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China; 2.Faculty of Materials Science and Chemical Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Inherent shortcomings including low hardness and poor wear-resistance have become the important factors limiting the industrial application of polymer materials in some harsh environments. In order to improve the surface hardness and wear-resistance, various surface modification techniques have been applied to the wear protection of polymer materials. Among these surface modifications, fabricating a layer of amorphous carbon-based coating is one of the greatest potential approaches to improve the surface hardness and wear-resistance of polymer materials. The research progress of amorphous carbon-based coatings for improving the wear-resistance of polymer materials was reviewed, and the essential reason of poor adhesive strength of amorphous carbon-based coatings on the surface of polymer materials was analyzed. The mismatch between polymer materials and amorphous carbon coatings in structures and properties made the abrupt interface unstable under loading, resulting in the poor adhesive strength. Various methods commonly used to improve the adhesive strength of amorphous carbon coatings on polymer materials were discussed and compared. The reliable adhesive strength of amorphous carbon coatings could be obtained by the plasma treatment on the surface of polymer materials, which could induce a gradual transformation from organic carbonaceous structures into inorganic carbonaceous structures. An in-situ transition layer could be constructed on the polymer substrates by plasma treatment. The in-situ transition layer provided reliable adhesive strength between amorphous carbon coatings and polymer substrates via chemical bond, which endowed an effective improvement of the hardness, anti-friction and wear-resistance of polymer materials.

polymer material; surface modification; amorphous carbon coating; wear-resistance; adhesive strength; in-situ growth

2020-04-26；

2020-06-04

GUAN Wen (1989—), Male, Master, Research focus: special coating materials.

王永欣（1982—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)楸砻婺p行為與控制。郵箱：yxwang@nimte.ac.cn

Corresponding author：WANG Yong-xin (1982—), Male, Doctor, Researcher, Research focus: wear behavior and control. E-mail: yxwang@nimte.ac.cn

TG174.4; TB43

A

1001-3660(2020)06-0045-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.005

2020-04-26；

2020-06-04

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（A類(lèi)）（XDA13040602）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51975563）；浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020C03102）；寧波市科技創(chuàng)新2025重大專(zhuān)項(xiàng)（2018B10028）

Fund：Supported by the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (Category A) (XDA13040602), the National Natural Science Foundation of China (51975563), the Key R & D Programs in Zhejiang Province (2020C03102), the Major Project of Ningbo Science and Technology Innovation 2025 (2018B10028)

管文（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘胤N涂層材料。

管文，王永欣，黨蕊，等. 聚合物材料表面耐磨性能提升用非晶碳基薄膜的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(6): 45-51.

GUAN Wen, WANG Yong-xin, DANG Rui, et al. Research progress of amorphous carbon-based coating for improving wear resistance of polymer materials[J]. Surface technology, 2020, 49(6): 45-51.