表面改性是在保持材料或制品原性能的前提下，采用化学或物理的方法改变材料表面的化学成分或组织结构，赋予其表面新的性能，如耐磨、减摩/润滑、抗腐蚀、导热/隔热、导电/绝缘、生物活性/惰性、光电、抗静电、亲水/憎水、染色等性能。现代材料表面改性技术包括化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属等）、真空镀膜（物理气相沉积、化学气相沉积等）、离子注入、表面涂层（热喷涂、等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔等）和湿法镀涂（电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、厚膜印刷、涂覆等）等技术。

 （1）化学气相沉积技术的开发与应用

       化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)技术原理是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应，使得气态前驱体中的某些成分分解，形成活性基团，这些基团与基体表面碰撞后发生吸附、扩散迁移、化学反应，最终形成薄膜。它本质上属于原子范畴的气态传质过程，反应室的反应非常复杂，必须考虑诸多因素，如基体材料、室内压强、基体温度、气体流动速率、气体通过基体的路程、气体成份配比、中间产物的作用，以及是否需要外部能量来加速或诱发正反应等。CVD的主要特点如下：
       ① 在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上；② 可以在常压或者真空条件下（负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好）；③ 采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；④ 涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层；⑤ 可以控制涂层的密度和涂层纯度；⑥ 绕镀件好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜，适合涂覆各种复杂形状的工件。⑦ 沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构；⑧ 可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。

（2）物理气相沉积技术的开发与应用

      物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD) 技术原理是在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。 物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
        物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：①镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源；②镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应；③镀料原子、分子或离子在基体上沉积。
        物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。

（3）电磁场耦合物理化学气相沉积技术——运动磁场耦合辅助电场增强CVD法

       一般HFCVD法是在高温（800℃）下沉积金刚石薄膜的，对基体材料的要求和限制较多。此外金刚石的热膨胀系数比金属基体低很多，高温生长使得薄膜容易脱落。而周期性磁场辅助HFCVD法可以降低金刚石的生长温度，提高生长速率，即低温快速生长金刚石。不仅扩大了基体材料的选择范围，还有利于增加膜基结合力，应用前景十分乐观。本课题侧重研究电、磁场在CVD过程中相互作用，以便开发出沉积温度低、生长速率快、成膜质量好的新型CVD技术。

        金刚石具有最高的硬度、弹性模量，极高的击穿场强、热导率、载流子迁移率，极低的线膨胀系数、摩擦系数，很宽的禁带、光学透过率，极好的化学稳定性和生物相容性，纯净的金刚石为良好的绝缘体，掺杂后可成为良好的半导体甚至可成为超导体等优异的物理化学性能，被视为21世纪最具发展潜力的材料之一，其应用产品有望井喷式增长，现已在机械加工、热沉、水处理、电子器件、声学器件、医学诊断、生物传感、放射线探测、磁力测定和新型激光器等领域取得了很大的进展。

（1）超硬耐磨CVD金刚石涂层硬质合金加工工具

（2）超硬耐磨CVD金刚石涂层钢基加工工具

（3）CVD金刚石场致电子发射性能研究

（4）CVD金刚石热沉材料研究

（5）硼掺杂金刚石电极在污水净化处理中的应用研究

        金刚石是一种具有独特物理化学性能的材料，不易与酸碱盐发生反应，并且具有良好的化学稳定性。近年来，研究学者将其应用于电化学降解有机污水等领域，发现金刚石电极电化学性质优异，具有很宽的电势窗口和极低的背景电流。但是，纯净的金刚石是良好的绝缘体，其禁带宽度可达5.45eV。通过硼掺杂或氮掺杂可使金刚石变为半导体或具有金属性质的导体，从而为其在电极领域的应用奠定基础。其中氮掺杂属于深受主能级，不易制备N型金刚石，目前大部分的半导体金刚石为硼掺杂的P型金刚石。我们以H2和CH4为反应气体，B2H6为硼掺杂源，采用CVD技术在不同金属基体上制备了不同硼原子浓度的硼掺杂金刚石薄膜电极，研究金刚石电极电化学性能及污水处理能力。

（6）硼掺杂金刚石电化学生物传感器的应用研究        

        CVD法制备硼掺杂金刚石膜电极具有宽的电化学窗口，高的析氧电位，极低的背景电流，不吸附和不易被污染有很好的稳定性很强的抗腐蚀性能等许多其他电极材料所不可比拟的优势。金刚石微电极作为电极的一种，要求尺寸在~50微米之间，微米级的电极，呈现出传质快，响应迅速，IR降小，非常适于微区，痕量分析、高阻体系，快扫伏安法和电极过程动力学的研究。研究室已开展的主要研究内容：第一，针形金刚石微电极的制备及其在电化学中的应用研究，其中包括：① 制备针形微电极；② 研究表面修饰技术，对金刚石表面功能化；③ 将制得的微电极应用于痕量分析和电生理方面的研究。第二，金刚石微电极阵列的制备及其在在生物传感器中的应用研究，其中包括：① 制备相应的微电极阵列，初步研究阵列的布局；②阵列的制备方法。

        微波真空电子器件是最重要的真空电子器件，已广泛应用于国民经济和科学研究领域，是微波电子系统的核心器件，目前，真空电子器件正朝着微/小型化、大功率和高频率三个方向发展。磁控管若用场致发射的冷阴极，可使启动时间缩短近2000倍，并且频率稳定度高，造价降低。同样，对于行波管来说，其电子枪若采用场致发射冷阴极，则可除去电子枪的加热功率源使其小型化和微波功率模块化，使得整机小型化和高效化。对冷场发射特殊阴极材料来说，要求其具有发射阈值低、发射电流大、稳定且寿命长等特性。

        本研究方向先后承担3项军品配套项目，主要研究方向包括：

（1）捷变冷阴极用金刚石薄膜的制备及其场致电子发射性能的研究

        金刚石由于具有电子亲和力为负值、最大的热导率和极高稳定性，近年来逐渐成为了真空微电子领域研究的一个热点之一。金刚石作为冷场发射阴极，可以匹配真空微电子器件的所有优点和实现冷阴极磁控管；金刚石内部碳晶格的共键结构的完整性，也使它作为阴极比金属有更高的稳定性；金刚石作为自然界导热系数最高的材料也是行波管螺旋线夹持杆的理想材料。但是，天然金刚石在微波器件中的应用存在加工难、成本高的问题。
        化学气相沉积CVD金刚石集优异热、力、电、微波性能于一身，成功应用于大功率微波器件，对提升微波器件的性能及可靠性具有十分重要的意义。随着金刚石膜化学气相沉积技术发展日趋成熟，采用CVD方法得到的多晶金刚石膜与天然金刚石膜的性能相差无几，且制备成本相对较低，从而使其跻身于电子、微系统、微机电系统等高科技领域提供了强有力的保障。由于硼掺杂金刚石薄膜不仅是宽禁带的半导体材料，同时又具有优异的物理和化学特性，因而在电子器件与光电子器件领域的应用具有极大潜力。

（2）石墨烯、碳纳米管、类金刚石等碳素材料的制备与场致电子发射性能的研究

        碳纳米管是由 Iijima 教授 1991 年在电弧放电的碳棒负极上发现的。可以看作是由石墨层卷曲而成的一种一维管状结构。继 1991 年 Iijima 采用的电弧放电法发现的多壁碳纳米管后，1993年在加入催化剂的放电电极产物中发现了单壁碳纳米管，电弧放电法成为合成碳纳米管的一种重要方法。 1995 年，Rice 大学 Smalley 小组采用脉冲激光蒸发的方法合成了单壁碳纳米管，成为合成高品质碳纳米管的另外一个重要方法。1996 年，戴宏杰采用化学气象沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）的方法成功合成了多壁碳纳米管，由于这种方法合成温度低，比较容易控制，是现在最为广泛应用的一种合成方法。

        碳纳米管有很多方面的应用。在电化学分析领域，碳纳米管电极具有较大的电极表面积和较高的电子传递速率，与其它碳电极相比，纳米碳管能增大电流响应，降低 检出限，电化学分析性能更为优异。在碳纳米管内，由于电子的量子限域所致电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，因此碳纳米管表现出独特的电学性能。 实验发现根据其直径和螺旋度的不同，它既可以表现出金属性又可以表现出半导体性。在场发射领域，碳纳米管由于蒸发温度高，可承受电流大，发射电流大等优点 在众多场发射材料中脱颖而出。已经有公司成功研制了碳纳米管作为场发射源的显示屏。

      生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。

      生物医用材料的表面功能化是通过现代材料表面改性技术提高医用材料的血液相容性、耐腐蚀性和润湿性，降低细胞毒性、抗磨损性，调节摩擦系数、降解速率和愈合周期等。

本研究室生物医用材料领域与湘雅医用脊柱科和湘雅口腔医院合作，共建“高性能仿骨生物工程材料湖南省工程实验室”，承担国家自然科学基金1项，主要合作研究方向有：

 （1）生物纯钛口腔种植体表面功能化及其在医学中的应用研究；

 （2）自润滑抗磨损类金刚石涂层钛合金人工关节及其在医学中的应用研究； 

 （3）TNTs/PEG-PCL多嵌段聚合物/PLGA-HA联合控释体系的构建及其抗结核、骨整合效应研究。

        随着电子和光子产品朝着速度更快、体积更小、功率更高的方向发展，基片材料的选择和提高基片材料的导热性能成为重要的研究课题。金刚石的热导率为铜的4-5倍，铝的近10倍，密度比传统的金属封装材料小，具优良的高温性能、抗辐射性能和化学稳定性。铜和铝具良好的导电性，有良好的延展性和可塑性，易焊接。金刚石/铜基（/铝基）复合材料由于其高导热性在大功率电真空器件中有广泛的应用。对于金刚石/铜基（/铝基）复合材料来说，充分发挥金刚石导热性能的前提是使金刚石在铜基中沿导热方向形成并联式结构。多晶氧化铍陶瓷因其具有高的低温热导率和低的介电常数，是高热导陶瓷材料中用于电子器件的优选材料。本研究室该方向主要从事： 
（1）金刚石/铝复合材料的制备及其导热性能的研究； 
（2）金刚石/铜复合材料的制备及其导热性能的研究；
（3）金刚石/氧化铍复合材料的制备及其导热性能的研究。

         电化学生物传感器生物分子的分析检测对获取生命过程中的化学与生物信息、了解生物分子及其结构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗都具有十分重要的意义。如何高效、快速、灵敏地检测这些生物分子，是当前生命科学领域中面临的一个十分重要的问题。解决这些问题的关键就在于发展各种新型的分析检测技术。生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法。电化学生物传感器采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号传导器将电极表面发生的识别反应信号导出，变成可以测量的电信号，从面实现对分析目标物进行定量或定性分析的目的。 

 （1）硬质与超硬耐磨涂层的制备及其摩擦磨损性能的研究

      硬质与超硬涂层包括金属氮化物、碳化物、硼化物及氧化物等硬质涂层和金刚石、类金刚石、立方氮化硼、氮化碳、硼碳氮、纳米多层结构和纳米晶复合涂层等超硬涂层。该研究方向有： 
       (a) 超硬耐磨金刚石涂层钢件的制备及其摩擦磨损性能的研究；
       (b) 超硬耐磨金刚石涂层硬质合金刀具和模具的制备及其加工性能的研究；
       (c) 超硬耐磨DLC涂层钢件和硬质合金的制备及其加工性能的研究；
       (d) TiN、TiC、TiCN、TiAlN等硬质涂层的制备及其摩擦磨损性能的研究；
       (e) 纳米多层结构硬质薄膜的制备及其摩擦磨损性能的研究。 

 （2）固体润滑薄膜材料的制备及其摩擦磨损性能的研究

       固体润滑材料是指利用固体粉末、薄膜或某些整体材料来减少两承载表面间的摩擦磨损作用。在固体润滑过程中，固体润滑材料和周围介质要与摩擦表面发生物理、化学反应生成固体润滑膜，降低摩擦磨损。该研究方向有：
       (a) MoS2固体润滑薄膜的制备及其摩擦磨损性能的研究；
       (b) WS2固体润滑薄膜的制备及其摩擦磨损性能的研究；
       (c) DLC固体润滑薄膜的制备及其摩擦磨损性能的研究。

       随着信息和通讯技术的高速发展，高频率、高功率和高性能必将是未来声表面波（SAW）器件的发展方向。金刚石具有最高的声波传播速度和热导率，将压电薄膜与金刚石有效结合起来，可实现大功率发射端高频SAW器件的应用。目前，“压电薄膜/金刚石薄膜”多层膜SAW 器件是当今世界上重要的研究焦点之一。本课题可结合LiNbO3、AlN、ZnO、金刚石的各自优势，尝试采用气相沉积法和射频磁控溅射法制备高取向的c-LiNbO3 /Dimand、c-AlN/Dimand、c-ZnO/Dimand新型多层膜结构，并进行相应SAW器件的模拟、制备及性能测试与优化，以达到更好的高频传输效果。

（1）相变储能材料

        相变储能材料是近些年开发的一种新材料，是利用某些物质在特定温度下，通过相变来吸收或释放能量。这种材料可制成纤维状、胶囊状或其它包覆形态。纤维状的可直接进行纺织加工，但容纳相变材料较少，储能效果不理想。胶囊状体积大的容纳材料较多，但在实际应用中加工困难，体积小时，同样存在包容物不多的问题。其它方式也都存在不同的优缺点。当前研究的重点是寻找储能效果好、易加工、低成本的物质和制造方法。

（2）超级电容器

        超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC)、黄金电容、法拉电容；包括双电层电容器(Electrostatic double-layer capacitor)和赝电容器（Electrochemical pseudocapacitor）,通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个电容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

（3）全固态薄膜电池

        薄膜型电池全部结构为固态薄膜，最大优势是无过热、渗漏、胀气、烧坏现象、寿命长、柔性可弯曲，且工作电压高，循环寿命长，比容量和能量密度高，有望彻底解决电池安全性问题，符合未来大容量化学储能技术发展方向，目前已应用于射频识别卡、穿戴式医疗设备、微机电系统等领域 。薄膜型电池一般包括“全固态薄膜锂电池”、“全固态薄膜锂离子电池”、“全固态薄膜无锂电池”。全固态薄膜锂电池利用固态电解质替代传统电解液， 采用多层薄膜堆垛的平面结构， 属于新一代的锂离子电池，在军民两用的可穿戴设备、便携式移动电源、汽车和航空动力电池等领域应用前景广阔。薄膜锂电池经过20多年的发展，原理型电池的材料、制备工艺、分析测试技术已经日趋成熟，电池的高安全性、长循环寿命、高能量密度等优势性能已经得到业界广泛认可，衍生出的各种实用新型电池(3D 电池、柔性电池、串并联电池组) 也处于研发和小批量试制阶段。研究涉及固态离子学、电化学、半导体物理学、微电子学、无机非金属材料学、高分子化学、能源、模拟仿真、真空镀膜等交叉学科，需要掌握相关知识和技术的人才联合开展研究和技术攻关。目前，国内在电池材料选择、靶材制备、柔性电池力学、电池结构设计、电池组设计制造、失效机理、安全性能评估等方面尚未开展系统性工作，而这些正是薄膜锂电池大规模生产之前亟待解决的科学问题。从产业化角度看， 现有小型实验室制作的电池，工艺要求高，生产效率低，成本昂贵，不适合大规模生产。国外公司用现有工艺生产的电池已部分应用于微型存储器、无线传感器、植入式医疗设备。考虑到薄膜锂电池结构与印刷、涂布、卷绕等新型技术兼容强，国外新的生产技术及试制生产线也不断涌现，原则上可进行大面积高效率生产和低成本制造。国内电子产品小型化、微型化、集成化迫切需要发展与之匹配的微型电池，军用和民用移动电源和动力电池也对电池安全性提出了更苛刻的要求，薄膜锂电池如果借此实现市场化的量产， 推动技术进步，降低制造成本，很可能加速市场扩大。鉴于此，国外厂商也加紧在中国布局薄膜锂电池专利，抢占市场。而目前国内尚无薄膜锂电池产业化报道，有待突破国外技术封锁，实现薄膜锂电池技术的自主化和电池产品的产业化 。

1. 高性能航空航天铝合金

1）高性能铝锂合金

2）高强高韧7000系铝合金

3）中强高韧耐损伤容限2000系铝合金

2. 其它高性能铝合金

1）超薄汽车铝合金翅片

2）超薄铝箔

3）高强高导超细铝镁合金线材

4）大规格复杂截面挤压型材

5）高强铸造铝合金

铝合金方向负责人：

尹登峰

博士 副教授 博士生导师

主要学习经历：2002年10月，中南大学材料学专业研究生毕业并获工学硕士学位，2010年6月，中南大学材料学专业博士研究生毕业并获工学博士学位；2008年3月至2009年3月在澳大利亚纽卡斯尔大学做访问学者。

主要研究方向：合金强韧化及新型铝合金、材料表面技术。长期从事实验室和生产第一线铝合金熔炼铸造—加工—热处理—性能测试—微观结构分析工作。作为项目负责人主持中国人民解放军总装备部重点基金项目1项，主持军工产学研项目1项，主持广东省、广西壮族自治区、山东省重大或重点科研项目各1项；还主持和参入多项校企合作科研项目、973子项目、国家自然科学基金项目、国家重点科技攻关项目（八五、九五、十五）、国防科工委军工配套项目等。发表学术论文30余篇，获国家授权发明专利7项，获省部级科技进步奖3项，获省级教学成果奖1项。

通讯地址：湖南省长沙市岳麓区麓山南路中南大学材料科学与工程学院(邮编：410083)

电子邮箱：dengfeng@csu.edu.cn

联系电话：13873136610