[00760031]涂层多特征共优化的界面能效应

该项目属于材料表面与界面以及材料失效与保护领域。 同时提高材料表面涂层的不同服役效能，是该领域追求的永恒主题和面临的共性关键问题。随着技术进步和产业升级，核心高端装备研制与应用，更加显著依赖材料表层属性，尤其是表层同时具有最优的各项性能或效能。该项目针对涂层各项效能不同步、短板效应突出的重大雎题，通过系统深入的研究，在三种典型微观结构涂层中，从探索界面能效应及其对涂层/基体的外在/内在尺度依赖关系和尺度协同效应入手，发现了同时改善涂层各项效能、实现共优化的新规律和新机制，为涂层共优化提供了理论依据与新思路。系统性主要创新成果如下： (1)发现了单相涂层溶液法结晶形核热力学中界面能垒的基体微观外形尺度效应，建立了粗糙基体表面异相形核模型，发现利用羿面能效应调控形核热力学和结晶动力学实现涂层品质、面积和产速共优化。第四代太阳电池的钙钛矿单相涂屉，常以溶液法制备，大面积涂层针孔缺陷多、制約电池研制。难点在于，涂层厚度仅～0.2μm、但长宽超过500mm，相差6-7个数量级。对此，该项目建立了粗鍵基体表面异相形核模型，发现了形核界面能垒(或称形核功)对表面凹坑角度这一基体微观外形尺度的显著依赖效应；进一步提出新颍的抽气法和多流气刀法，利用压差超快流动新原理，将涂展制备速度提高8倍多；基于界面能外在尺度效应，快速获得高品质、大面积共优化涂层，获得2017年亚太电池国际会议TCI Poster Award。 (2)建立了双相涂居硬韧化的内在第二相颗粒尺度协同效应模型，发现在涂居有效硬化的同时、微纳双尺度大面积相界吸收断裂界面能进而显著钥化涂层、从而实现双相涂层硬朝共优化。材料的“硬”和“切”素来“势不两立”、此消彼长、关系倒里。该项目以WC-Co金属陶瓷为例，建立了双相涂层硬韧化的内在第二相颗粒尺度协同效应模型，发现利用两相之间的双尺度大面积相界吸收断裂界面能，使涂层显著韧化，典型涂展硬度提高30％的同时、韧性提高约300％，实现了硬度和韧性的显著共同优化。 (3)构建了多相多层涂层在化学/物理作用下的离温服役界面能模型，发现合金层预氧化大晶粒改善化学适应性、陶瓷层级化结构提离物理耐久性的界面能效应机制，从而实现耐高温、高隔热和长寿命共优化。以MCrAIY-YSZ热障涂层为代表的多相多层涂层，短板效应更加突出，严重制约F级重型燃机研制。对此，构建了多相多层复杂结构涂层服役失效界面能模型，提供了用来指导法展共优化设计的界面能统一理论框架；发现了氧化膜晶粒粗化阻扩散的相内界面能效应机制，建立了合金涂层氧化动力学新模型，实现了高温长时氧化行为的准确描述和预测；发现合金层预氧化大晶粒可显著提高抗氧化寿命4倍，发展了预氧化真空处理方法、转化成合作单位企业技术标准；通过降低界面能来改善化学适应性和提高物理耐久性，最终实现涂层共优化。 该项目成果被包括16位院士/会士在内的国际权威学者和知名专家广泛引用、正面评价和跟踪研究，8篇代表论文被Nature Reviews Materials等权威期刊SCI他引173次，受邀担任J.Thermal Spray Technol.和J.Mater.Sci.Technol.(IF 5.04，一区)Editor或Associate Editor。项目年度内，完成人中1人入选美国金属学会会士(ASM Fellow，2005年后12年内中国大陆入选两人之一)，1人获得国家杰出青年基金资助，2人入选教育部新世纪优秀人才。以该项目作为重要支撑方向之一的金属材料强度国家重点实验室在最新一轮评估中被评为“优秀”，作为依托单位联合省内优势单位牵头建立陕西省热喷涂复合材料工程技术研究中心。2次受邀担任国际热喷涂会议组委会主席、3次受邀担任亚洲热喷涂会议主席或共同主席，受邀做重要国际会议特邀报告21次。获得美国ASM热喷涂学会Thermal Spray Hall of Fame大奖在内的国际奖3项、中国硅酸盐学会优博论文奖和陕西省高等学校科学技术一等奖各1项。 三个发现点指导涂展共优化，贡献了巨大综合效益。发现点1指导共优化超薄涂层并建成10MW光伏电池中试线，制造出世界首例450mm×600mm第四代大面积工程电池且效率高达15.3％，面积、效率和稳定性综合领先，使中国领跑第四代光伏技术成为可能。发现点2指导硬韧共优化抗磨涂层，用于三峡集团等大型水电站，“效果已经超过瑞士和美国顶级涂展公司”，按行业通则估算为国家“创造经济效益超过11.26亿元”。发现点3指导中国三大动力之一东汽集团的热障涂层，使“抗氧化性能达到国际最优水平”、“全部技术指标满足F级重型燃机设计要求”，并转化形成9项企业标准，支撑中国重型燃机一举跨越到F级，为国家电网战略安全提供了自主保障。