寧波材料所為TiN涂層環(huán)境演化規(guī)律構(gòu)建統(tǒng)一性微觀理論
氮化鈦（TiN）擁有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學強度與耐磨性、抗環(huán)境腐蝕/氧化、生物兼容性等特點，在海洋/高溫材料、核電、生物醫(yī)療、光電子器件等領(lǐng)域被廣泛用作結(jié)構(gòu)/功能性涂層。這些應用普遍涉及各類氧化/腐蝕性的氣體/溶液環(huán)境，TiN涂層的服役穩(wěn)定性也極大取決于表面結(jié)構(gòu)與環(huán)境介質(zhì)（比如O2和H2O）之間的復雜微觀耦合作用。但是，TiN表面服役行為是一種多場耦合的反應過程，多種內(nèi)/外因素（比如表面形貌/組分、環(huán)境條件和歷史等）的協(xié)同作用使得幾十年來各式各樣的實驗觀測現(xiàn)象缺乏清晰統(tǒng)一的理解。這極大限制了人們精準研發(fā)更多新型涂層的能力，從而無法有效滿足極端苛刻環(huán)境下的材料保護需求。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料重點實驗室王立平研究員、原子尺度與微納制造實驗室曹彥偉研究員、前沿交叉科學研究中心黃良鋒研究員等帶領(lǐng)的多個團隊緊密合作，并聯(lián)合了中國科學技術(shù)大學理化科學實驗中心葛敏高級工程師和甬江實驗室蕭紹鑄副研究員，在原子尺度級別上為TiN表面的環(huán)境演化規(guī)律成功構(gòu)建了可靠的統(tǒng)一性微觀理論。研究人員基于高精度、多性能、多尺度的第一性原理計算方法，結(jié)合熱力學、動力學、電化學理論模型，以及先進的涂層制備（單晶和多晶納米薄膜）和表征技術(shù)（HR-XRD、ARPES、 SEM、STEM-HAADF、EDX等），系統(tǒng)研究了三類表面結(jié)構(gòu)的本征穩(wěn)定性、環(huán)境物質(zhì)反應行為和表面鈍化/腐蝕趨勢。所得到的數(shù)值結(jié)果和機理圖像不僅統(tǒng)一解釋了幾十年來眾多實驗觀測現(xiàn)象，也成功指導了實驗合作者開展深入的表面本征態(tài)測量、強酸/堿腐蝕測試和微結(jié)構(gòu)表征工作。
本工作為許多TiN基涂層及類似氮化物涂層環(huán)境服役性能的有效調(diào)控和精準預測提供了可靠的原理依據(jù)。該項研究成果以“Unifying the atomistic trends for early-stage evolution of TiN surfaces in atmospheric and aqueous environments”為題，發(fā)表在國際冶金頂級期刊《材料學報》上（Acta Materialia 2025, 289, 120909）。寧波材料所2022級碩士生周游麒為第一作者，寧波材料所2022級碩士生郭章媛為共同第一作者，通訊作者為寧波材料所博士后畢佳暢、王立平研究員、黃良鋒研究員。該研究獲國家自然科學基金項目（U21A20127、22272192、12204495）等的資助。
圖1 氮化鈦涂層表面在制備條件和實際服役環(huán)境中演化規(guī)律的理論計算和實驗驗證
（前沿交叉科學研究中心 周游麒）
?