中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近期，香港城市大學(xué)的張文軍教授和洪果教授攜手香港理工大學(xué)的黃渤龍教授共同展開合作，精心設(shè)計(jì)并成功制備出一種多功能納米金剛石保護(hù)涂層。該涂層在水系鋅離子電池中，對(duì)鋅枝晶的生長(zhǎng)以及析氫反應(yīng)起到了顯著的抑制作用，充分展現(xiàn)出極為優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Multifunctional Nanodiamond Interfacial Layer for Ultra-Stable Zinc-Metal Anodes”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials 期刊上。

研究結(jié)果

納米金剛石涂層為鋅離子沉積提供高密度成核位點(diǎn)。在該研究中，所采用的納米金剛石尺寸分布于5至10納米之間。經(jīng)計(jì)算得知，納米金剛石顆粒能夠?yàn)殇\離子沉積提供高達(dá)1012 cm-2的成核密度。如此一來，可有效均勻化電場(chǎng)分布與鋅離子流，最終達(dá)成無枝晶的鋅沉積效果。

金剛石高表面能特性有效抑制鋅枝晶生長(zhǎng)。理論計(jì)算表明，納米金剛石涂層具備超高表面能。這種高表面能的納米金剛石涂層會(huì)優(yōu)先吸附鋅離子，并且切實(shí)降低了鋅離子的擴(kuò)散能壘，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)均勻、平整的鋅沉積狀態(tài)。

金剛石涂層抑制鋅負(fù)極腐蝕。納米金剛石涂層不但通過物理屏蔽作用阻止電解液與鋅負(fù)極相接觸，同時(shí)其對(duì)水的吸附作用也能有效降低鋅的腐蝕程度。

裸鋅負(fù)極枝晶生長(zhǎng)、腐蝕和納米金剛石涂層抑制鋅枝晶和鋅腐蝕示意圖

納米金剛石涂層

納米金剛石涂層具有納米尺度的表面形貌，擁有較低的摩擦系數(shù)和極高的硬度，是眾多微加工工具的理想選擇。涂層以單層微米或單層納米金剛石涂層為主，并且通過調(diào)控厚度來優(yōu)化涂層性能。

微米金剛石涂層(MCD)和基體之間具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，但涂層表面粗糙、殘余壓應(yīng)力高、斷裂韌性差；雖然納米金剛石涂層(NCD)表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力較小，并且斷裂韌性相對(duì)較高，但涂層-基體結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性較差。單層MCD和NCD涂層因各自缺點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用過程中均受到一定限制，不能完全滿足高質(zhì)量產(chǎn)品的加工要求。

因此，為了彌補(bǔ)單層金剛石涂層的缺陷與不足，近年來，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過多層結(jié)構(gòu)優(yōu)化和界面設(shè)計(jì)來降低涂層殘余應(yīng)力、提高涂層-基體結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性和斷裂韌性，使多層金剛石涂層性能顯著提高。

金剛石涂層制備技術(shù)

化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)是制備金剛石涂層的主要方法，該方法通過活性氣團(tuán)在基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過反復(fù)的吸附和解吸附，最終在基體表面形成一層薄膜的技術(shù)。

該技術(shù)需要激活含碳?xì)怏w，激活源通常有熱量、微波、火焰，對(duì)應(yīng)的沉積技術(shù)分別為熱絲CVD、微波等離子體CVD和火焰燃燒CVD。

(a)熱絲CVD  (b)微波等離子體CVD  (c)火焰燃燒CVD

熱絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）金剛石涂層采用在腔體內(nèi)通入氫氣和碳?xì)錃怏w，使鉭絲、鎢絲或錸絲等熔點(diǎn)較高的金屬絲發(fā)熱，產(chǎn)生高溫場(chǎng)來激發(fā)混合氣體，生成H原子和各種碳?xì)浠鶊F(tuán)。HFCVD作為一種最早沉積金剛石涂層的方法，不僅可以在形狀復(fù)雜的工具表面制備金剛石涂層，而且制備成本相對(duì)較低，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）利用微波高頻電場(chǎng)振蕩產(chǎn)生的能量將反應(yīng)氣體激發(fā)為等離子體，并將這些等離子體輸送至基體表面生成金剛石涂層。由于該方法可以產(chǎn)生過飽和濃度的氫原子和穩(wěn)定的等離子體，因此可以生長(zhǎng)出結(jié)晶質(zhì)量相對(duì)較好的金剛石涂層。然而，該沉積裝置造價(jià)較高且樣品尺寸通常較小，生長(zhǎng)速度較慢。

火焰燃燒化學(xué)氣相沉積（CFCVD）利用類似火焰噴嘴的噴槍燃燒氧和乙炔組成的混合氣體，釋放大量熱能，激發(fā)活性氣體形成碳基基團(tuán)并在基體表面生長(zhǎng)成金剛石涂層。該方法可以在大氣環(huán)境下進(jìn)行涂層制備且生長(zhǎng)速度快，但是涂層微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分較為復(fù)雜，涂層整體的均勻性較差，不容易大面積生長(zhǎng)。

對(duì)比各種制備金剛石涂層的化學(xué)氣相沉積方法可以看出，HFCVD目前工藝成熟且穩(wěn)定性好，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，生長(zhǎng)速度快，制備成本低，并適用于在三維復(fù)雜形狀的基體上生長(zhǎng)，是化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的首選方法。 

參考來源：

1.科學(xué)材料站

2.王孟蕊：微米/納米多層金剛石超硬涂層設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）

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