获奖项目名称：

苛刻环境服役涂层相图相变与材料设计

第一完成单位：

中国科学院宁波材料技术与工程研究所

项目联系人：

徐凯

联系人电话：

15168108486

联系人邮箱：

xukaikai@nimte.ac.cn

项目简介：

2.1 研究目的
  海洋、航空航天、核电等国家重大工程的实施，离不开关键运动部件在极端环境下的长期安全服役。随着重大工程不断向“更深、更高（临近空间）、更安全”等方向发展，服役环境中的腐蚀、高温、磨损等损伤的耦合效应愈发显著，对材料表层的服役稳定性提出了更高要求。新一代表面涂层体系正向着多元复杂化与多功能一体化方向快速发展。然而，传统的涂层设计仍主要依赖“实验-验证-修正”的试错式路径，从材料设计、制备到服役行为及性能调控均需大量实验支撑，研发周期长、成本高。
  为了掌握苛刻环境表面相结构与性能演变的热/动力学规律，加速苛刻环境服役复杂涂层体系研发进程、降低研发成本，经过近十年的研究工作，在国家自然科学基金等相关项目的支持下，利用第一性原理计算、分子动力学模拟、相图计算等多尺度计算手段，结合高通量涂层实验、多因素服役性能测试等实验方法，研究了多元涂层亚稳相形成规律及苛刻环境多因素损伤机理，构建了多元材料数据库，研发出一系列适用于苛刻服役环境的新型涂层体系，成功应用于国家重大工程和重要型号的关键运动部件表面延寿。
2.2主要科学发现点
  （1）通过耦合涂层高通量实验、第一性原理计算和相图计算方法，发现了亚稳相结构形成数据的阿伦尼乌斯关系，提出了表面扩散激活能计算模型，发展了定量模拟涂层亚稳相形成图的新方法，实现了仅靠一组高通量实验，即可定量预测不同成分、溅射温度、功率密度等条件下的涂层相结构及其相形成规律。
  （2）构建了一种电流电势极化曲线动力学模拟模型，阐明了腐蚀电化学性能演变规律；拓展了慢生长滑动摩擦模拟方法，揭示了环境因子和界面原子的动态耦合演变机制。结合多尺度理论计算方法，实现了服役过程表面相结构动态演变模拟，阐明了元素改性对多元复杂材料在不同环境下表面相结构演变的作用规律，揭示了高温、磨损、腐蚀多因素损伤机理。
  （3）面向苛刻服役环境需求，创建了多元材料相图热力学数据库，提出了基于相图相变计算的多元复杂涂层体系设计与制备工艺优化策略，发明了耐湿热、低摩擦、长寿命MoS2基纳米多层和超晶格薄膜设计与制备技术，实现了高湿大气环境低摩擦系数和磨损腐蚀损伤的有效防护，发展出了面向海洋、航空航天、核电等苛刻环境服役的系列涂层新体系。
2.3成果产生的价值
  上述研究成果目前已在Acta Materialia（4篇），Corrosion Science（3篇），Journal of Materials Science and Technology（4篇），Nature Communications（1篇），Advanced Materials（1篇）等期刊发表相关论文64篇，获得国内外同行专家的广泛引用与积极评价；已授权发明专利8件，登记软件著作权2件；对加速多功能一体化多元复杂涂层新材料的设计与制备具有重要的科学意义和工程应用价值，研发的系列苛刻环境服役新涂层体系，实现了海洋、航空航天、核电等国家重大工程及重要型号关键运动部件的表面延寿。
  其中，研究论文【J. Mater. Inf. 1 (2021) 5】获得2022年度JMI“优秀论文奖（第一名）”，研究论文【J. Am. Ceram. Soc. 103 (2020) 3812】获得2021年度美国陶瓷学会“Spriggs相平衡奖”（每年仅有1项成果获奖）；本项目成果主要完成人在执行期间入选国家优青、主持国家重点研发计划项目，获得中国科学院人才计划择优支持，培养了博士10余人、硕士40余人，或赴浙大、中南、北航等国内双一流高校及德国明斯特大学等国际知名高校深造，或就职于宝钢、比亚迪、中芯国际、长江电力等龙头企业从事材料研发工作。