一、教师简介

(研究方向、科研成效、指导大创项目的经历）

指导教师周泽华，教授/博导。研究方向包括：金属材料的表面强化技术及应用；面向海洋工程的金属材料长效防护技术；高性能陶瓷的制备及应用。

指导大创经历：自2016起开始指导大学生创新训练，迄今已指导过8个团队的大学生创新训练，其中国家级创新项目4个（19年刘玉莹团队、22年胡清涵团队、23年苏泽楠团队、24年兰天燃团队），所有到期项目均按期结题，其中2个项目获结题优秀（16年吴林涛团队、22年胡清涵团队）。值得一提的是，近3年均入选主题创新专项/国家级的项目，其中：1）22年胡清涵团队结题优秀，已受理发明专利1件（申请号202211051332.3，所有团队成员均为发明人，负责人胡清涵排名第2），发表SCI顶刊1篇（Carbon. 2023. 201: 170-188，影响因子10.9，负责人胡清涵排名第3）；2）23年苏泽楠团队发表SCI中科院1区TOP期刊2篇（Tribology International. 2024. 202: 110377，影响因子6.1，负责人苏泽楠为共同第一作者；Ceramics International. 2024. 50: 7393-7410，影响因子5.2，负责人苏泽楠排名第3）。

二、项目简介

（简要介绍该项目的前沿行业技术背景，围绕该研究主题开展大学生创新实践研究的范围和方向，以及能为学生提供的实验条件，如场所、软硬件设备、实验平台等）

技术背景：经过数百万年的进化，自然界中大多数生物材料结合了多种物理化学优点来实现它们的生物功能。生物材料的物理化学性能不仅取决于其组成成分，还取决于其在多个长度尺度上的结构，这些结构是在长期的自然界演化和自我优化中形成的。这些天然生物材料给人类提供灵感，通过仿生革新，形成具有改进结构和功能的新材料技术。

天然珍珠贝材料由5%的有机基质与95%的CaCO₃组成，特殊的层状结构展现出高强度和高韧性等优点，这源于生物对其结构的调控。受珍珠贝材料特殊结构的启发，Maria Morits等人通过自组装膜的层压，制备了仿珍珠粘土/聚合物纳米复合材料，断裂韧性为3.4 MPa·m^1/2，弯曲强度为220 MPa。Sun等人研究了氧化石墨烯(GO)和氮化硅晶须(Si₃N₄w)对珍珠贝状氧化铝力学性能的协同作用，加入GO和Si₃N₄w后，弯曲强度为520 MPa，断裂韧性为9.59 MPa·m^1/2。Yuhang Bai等人采用流延法生产的ZrB2-SiCw陶瓷片和韧性钛箔交替堆叠，通过放电等离子体烧结合成多层陶瓷，弯曲强度达到621 MPa，单轴拉伸断裂韧性为15.3MPa·m^1/2。众多研究证实，仿生珍珠贝特殊的层状结构在受到外界载荷时，硬质材料提供高硬度，韧质材料提供良好的缓冲性能，特殊的层状结构能够提供横纵向多重壁垒，有效的延长裂纹偏转路径，提升材料的耐损伤性，从而延长材料的使用寿命，如图2-1所示。

图2-1 珍珠贝实物图（a）,砖浆层状结构（b）和珍珠贝断裂模型示意图（c）

目前，硬涂层已广泛应用于各种工程设备，并催生了对更为复杂的硬涂层的合成和研究需求，旨在为基础设备（基体）提供更优异的机械性能、表面性能、摩擦学性能，以确保在恶劣环境下仍能保持其稳定性。硬涂层能够延长工程设备的使用寿命，从而提升行业的整体竞争力。TiCN是一种三元超硬陶瓷材料，是TiN和TiC形成的连续固溶体，克服了TiC脆性高、难以成型以及TiN易于金属产生粘结的缺点。TiCN具有陶瓷材料的高硬度、高化学稳定性、良好的耐高温性能，还具有高弹性模量，更好的耐磨性。钛钒碳氮（TiVCN）四元体系是传统TiCN体系的演化形式，目前对TiVCN的研究较少。Ho等人通过阴极弧法合成了TiVCN陶瓷涂层，并与TiN和TiVN等传统涂层进行了比较，结果表明，TiVCN涂层呈现出与前述涂层相同的结构，其中钒（V）原子被引入到FCC结构中，从而改变了涂层的机械和摩擦学性能，如图2-2所示。TiVCN陶瓷涂层的硬度约为4100 Hv，摩擦系数约为0.4。在耐蚀性方面，仿生珍珠贝层状TiVCN陶瓷涂层借助氧化封闭作用在涂层表面形成致密的氧化层，提高了涂层的耐蚀性能，如图2-3所示。Alexander等人进行的多项关于硬涂层的研究表明，多层系统相比单层涂层具有更好的抗腐蚀性能。这一性能优势与每一层之间产生的界面密切相关，这些界面能够作为位错迁移的屏障或腐蚀离子通过的屏障，在电化学测试过程中起到保护作用。由上述推断，TiVCN陶瓷涂层在力学、摩擦学和耐蚀性能方面存在巨大潜力。

图2-2 TiCN（a）TiVCN（b）和[TiCN/TiVCN]（c）多层结构模拟图

图2-3 仿生珍珠贝层状TiVCN陶瓷涂层借助氧化封闭作用提高耐蚀性机理示意图

研究范围和方向：本课题首先将目光集中于仿生珍珠贝层状TiVCN陶瓷涂层的原位制备，采用等离子喷涂技术（图2-4），因为其具有很高的沉积效率，能够原位合成高熔点碳氮化物。并且在喷涂过程中液滴高速沉积和凝固生长的特点使得涂层形成特殊的仿生珍珠贝层状结构。其次本课题针对仿生珍珠贝层状TiVCN陶瓷涂层的耐蚀性能进行研究，结合不同的喷涂工艺和混粉技术，调控仿生陶瓷涂层的结构，制备出能够适应不同极端环境，具有高耐蚀性的涂层。本研究符合主题创训领域“新材料及制造技术”中“聚焦提高高性能结构材料强度、硬度、塑性、韧性以及适应特殊环境要求，开展包括新型金属材料……等相关研究”范围，并与学校背景定位密切关联。

图2-4 等离子喷涂过程

实验条件：本院的PARAIRX-3710型等离子喷涂系统能够为本课题提供实验制备基础，另外本院的S-3400N型电子扫描显微镜、KLA纳米压痕仪、CHI660E型电化学工作站、NETZSCH差示扫描量热仪、显微硬度仪、光学显微镜等设备能够为本课题提供测量涂层性能、表征涂层结构提供必要的辅助。本课题预期能够在本院良好的实验条件下顺利进行。

三、招募学生要求

（学生参与项目研究所需的知识背景、技术能力等要求）

学生专业年级：学生项目负责人要求以材料科学与工程专业2023级（大二在读）为主，团队成员鼓励适当加入其他相近或相关专业大二或大三同学。

成员背景、技能要求：具有一定的材料专业背景或基础，能理解项目背景和内容并开展实验研究。

报名组队方式：团队报名为主，也接受个人报名。

报名要求：学生提供姓名、专业、年级、学习绩点等基本信息。