2020年11月，由我國科學家自主研發的“奮斗者”號載人潛水器于馬里亞納海溝順利地完成了萬米深潛，正在一步一步地揭開海洋的神秘面紗。

“奮斗者”號正在注水下潛

（圖片來源：中國科學院深海科學與工程研究所）

眾所周知，海水的成分非常復雜，含有大量的陽離子如Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Sr2+；陰離子如Cl-、SO42-、Br-、HCO3-（CO32-）和F-，外加深海巨大的靜水壓力，潛水器中暴露于海水中的核心運動部件面臨著嚴重的磨損和腐蝕損傷問題，時刻威脅潛水器的安全。部件的損傷和失效主要源于表面和次表面，通過先進的表面工程技術，為關鍵運動部件穿上一層神奇的“外衣”，是解決表面損傷和失效難題的有效途徑，刻不容緩。

目前常用的表面工程技術主要有三種，一種是熱噴涂和電鍍等涂層技術，但因與基體結合性差，表面粗糙，涂層結構和厚度不易控制，不適宜于深潛器精密運動部件；第二種是采用電化學的方法進行陰極保護，即外加電流或者犧牲陽極來保護陰極；第三種是物理氣相沉積（PVD）涂層技術，該技術通過是在密閉真空環境下產生等離子體輝光放電，在目標產品上形成高致密、表面光滑薄膜的一種改性技術，具有綠色無污染、沉積溫度低適用范圍廣等優勢，可顯著提升關鍵部件的硬度、耐腐蝕性、抗氧化和耐磨損等性能，在國家重大裝備中應用廣泛。

深海中的潛艇（圖片來源：Veer圖庫）

大國重器，材料先行！選擇了PVD表面涂層技術后，那選擇什么樣的材料來編織這件強韌一體化的外衣呢？

1971年，科學家們成功合成了非晶態的碳膜材料。說到非晶碳大家可能不了解，但是說到金剛石和石墨，大家可能就非常熟悉了。

金剛石和石墨同屬于碳材料，但是金剛石的微觀結構中原子軌道為sp^3雜化，而石墨的原子軌道為sp^2雜化，導致二者性能完全不同。

非晶碳材料和石墨、金剛石一樣，同屬于碳族材料，卻兼具了金剛石的高硬度sp^3雜化結構和石墨的高韌性sp^2雜化結構，具有硬度高、耐摩擦、耐腐蝕等優點。根據軌道雜化含量的不同，科學家將它分為類金剛石（DLC，sp^3雜化含量大于50%）和類石墨（GLC，sp^2雜化含量大于50%）等材料。相較于制備金剛石所需的高溫高壓等苛刻條件，非晶碳材料制備溫度低且易于生產。

石墨層結構示意圖（圖片來源：Veer圖庫）

金剛石結構示意圖

（圖片來源：Veer圖庫）

非晶碳材料的發現距今已過去了半個世紀，但是因其所有的特殊性能，使得科學家們對它有著不可磨滅的熱情。基于我們的前期深海掛片實驗，在深海五千米環境下的腐蝕測試中，不銹鋼材料銹跡斑斑，利用PVD技術制得的非晶碳膜依舊保持著良好的性能，表面光亮如初。

深海液壓系統中非晶碳保護的柱塞

（圖片來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所）

此外，因其優異的性能，使得非晶碳材料在其他領域也有著廣泛的應用。例如，在氫能質子交換膜燃料電池中，作為雙極板防護涂層的它具有良好的導電性和耐蝕性；在醫學領域中，它憑借良好的摩擦學性能和優異的耐腐蝕性勝任了人工關節的防護涂層。

相信在未來，非晶碳材料將突破膜層和基體界面的控制和延長壽命等瓶頸，繼續在各行各業發光發熱。

醫用3D膝關節假體

（圖片來源：Veer圖庫）

薛群基院士說過：“當前，世界正在經歷百年未有之大變局，而海洋是國際競爭最主要的領域。從近海到遠海、從深海到極地，處處都充滿了挑戰。”深海探測作為海洋探索的重要一環，將不斷促進我國載人深潛事業的創新與發展，助力我國海洋強國戰略的實施，大大提升了我們的民族自信心和自豪感。

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12月16日20：00-12月17日20：00

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