阴极等离子体电解沉积技术研究进展

第52卷第6期表面技术
2023年6月SURFACE TECHNOLOGY·13·
阴极等离子体电解沉积技术研究进展
张曙光，张津
（北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083）
摘要：阴极等离子体电解沉积（CPED）技术是一种新型材料表面改性技术，在腐蚀防护、高温抗氧化和催化等诸多领域具有潜在应用前景。

首先简要介绍了CPED技术的发展历程，包括推进该技术发展的一些重要事件。

概述了CPED放电机理的相关研究，包括在其不同发展阶段提出的单一气膜层击穿理论和气-固双电介质层理论模型。

在此基础上对CPED工艺及涂层制备的改性调控方法进行了系统性的总结，包括通用性的气膜层改性和特异性的涂层调控改性，并提出了其中的问题和不足。

重点综述了近年来CPED技术沉积涂层的研究进展，包括CPED技术制备金属涂层、合金涂层、合金基复合涂层、陶瓷涂层、改性陶瓷涂层和碳材料等方面的研究，着重总结了CPED制备金属和合金基涂层及改性陶瓷涂层的结构与性能。

最后，针对CPED技术的研究前景、发展方向和待解决问题进行了展望，包括其潜在的应用领域、工艺与机制研究、可制备涂层体系以及环境友好性的不足和相应的改进研究方向。

CPED技术应用潜力巨大，仍需开展更加系统、深入和全面的研究工作，以进一步拓展其可制备涂层体系和应用领域。

关键词：阴极等离子电解；发展历程；放电机理；调控改性；应用前景；改进拓展
中图分类号：TG174.442 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)06-0013-11
DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.002
Research Progress of Cathode Plasma Electrolytic Deposition Technology
ZHANG Shu-guang, ZHANG Jin
(Institute for Advance Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
ABSTRACT: Cathode plasma electrolytic deposition (CPED) technology is a new type of surface modification technology developed in recent years. It has the advantages of low cost, high efficiency, highly adjustable coating composition and structure, etc. Various types of coatings such as metals, alloys, ceramics, carbon films, etc. can be fabricated through electrolyte configuration and regulation. It has good application prospects in corrosion protection, high-temperature oxidation resistance, thermal barrier, catalyst carrier, structured superhydrophobic surfaces and biocompatible coatings, etc.
The development process of CPED technology was introduced and some important events promoting its development were elaborated, including the proposal of cathodic electrical breakdown mechanism and the modification treatment method to achieve preparation of uniform and controllable large-area coating. Based on the different stages of the development of CPED
收稿日期：2023–03–19；修订日期：2023–05–18
Received：2023-03-19；Revised：2023-05-18
基金项目：国家自然科学基金（51271030）；中央高校基本科研基金（FRF-IC-17-006）
Fund：Chinese National Natural Science Foundation (51271030); Fundamental Research Funds for the Central Universities (FRF-IC- 17-006)
作者简介：张曙光（1987—），男，博士，主要研究方向为表面工程。

Biography：ZHANG Shu-guang (1987-), Male, Doctor, Research focus: surface engineering.
通讯作者：张津（1963—），女，博士，教授，主要研究方向为表面工程。

Corresponding author：ZHANG Jin (1963-), Female, Doctor, Professor, Research focus: surface engineering.
引文格式：张曙光, 张津. 阴极等离子体电解沉积技术研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(6): 13-23.
ZHANG Shu-guang, ZHANG Jin. Research Progress of Cathode Plasma Electrolytic Deposition Technology[J]. Surface Technology, 2023, 52(6): 13-23.
·14·表面技术 2023年6月
technology, the research progress in the electrical breakdown and the deposition mechanisms of CPED technology were summarized, including the gas film layer breakdown theory and the gas-solid dual dielectric layer theory model proposed at different stages. Through comparison between the two theories, the development process of CPED technology was further elucidated. On this basis, a systematic summary was conducted on the modification and regulation methods of CPED process, including universal gas film layer modification and specific coating regulation modification. The characteristics of the two modification methods and their role in promoting the development of CPED technology were analyzed, and the problems and suggestions for improvement were pointed out.
Based on different coating types, the research progress of coating deposition by CPED technology in recent years was reviewed, including the preparation of metal coatings, alloy coatings, alloy based composite coatings, ceramic coatings, modified ceramic coatings, and carbon materials with CPED technology. The structure and performance of metal and alloy base coatings as well as modified ceramic coatings were emphasized. The microstructure characteristics and specific application performance data of different types of coatings prepared by CPED were clearly displayed in the form of figures and charts, and the application potential of coatings prepared by different modification processes was further clarified. Analysis showed that specific regulation for specific applications played an important role in the future research of CPED technology.
Finally, the research prospects, development directions, and unresolved issues of CPED technology were discussed, including its potential application fields, process and mechanism research, preparable coating systems, and the shortcomings of environmental friendliness, as well as corresponding improvement directions. It is believed that better electrolyte modification and gas film layer regulation technologies need to be developed to make the gas film layer thinner and more uniform, to achieve coatings with larger area and lower energy consumption. More systematic and comprehensive discharge mechanisms and models need to be proposed. Preparable coating systems should be expanded, and electrolytes should be optimized to achieve environmentally friendly preparation.
At present, CPED technology is still in the stage of rapid development and has great potential for application. China is at a relatively advanced level in the development of this technology. More systematic, in-depth, and comprehensive research is needed to further expand its industrial application fields.
KEY WORDS: cathode plasma electrolytic deposition; development process; discharge mechanism; regulation and modifi-cation; application prospect; improvement and expansion
阴极等离子体电解沉积（Cathode Plasma Elec-trolytic Deposition，CPED）技术是近年来发展起来的新型材料表面改性技术，其工作电极为阴极，利用阴极区的电化学过程和电击穿产生的等离子体作为能量源，实现材料表面改性和涂层沉积。

该技术具有成本低、效率高等优点[1]，且不同于微弧氧化等技术，沉积的涂层成分不依赖于基体材料，可以通过电解液配制制备金属、合金、陶瓷、碳膜等多种类型涂层，在腐蚀防护、高温抗氧化、催化等方面具有较好的应用前景。

本文简要介绍了CPED技术的发展历程，总结了CPED放电机理和调控改性方法的相关研究，综述了近年来CPED技术沉积涂层的研究进展，并针对CPED技术的发展方向和待解决问题进行了展望与分析。

1 CPED的发展历程
图1简述了电弧放电和CPED的发展历史。

早在1808年，德国科学家Davy和Ritter在2个碳电极之间首次点燃了电弧并进行了相应的观察[2]。

1903年，Stark发现并定义了阴极弧斑[3]。

前苏联和我国的研究人员分别于20世纪80年代和90年代开始对液相等离子体电解现象进行相关研究[4]。

在1999年，Yerokhin等系统提出了包括阴极电击穿在内的液相等离子体的发生机理[5]，这也标志着液相等离子体技术正在走向成熟。

利用阴极电击穿作为能量的工艺技术，特别是阴极放电涂层沉积技术的发展相对于阳极技术较为滞后，其中最主要的问题在于阴极区电击穿产生等离子体的稳定性和可控性不足[6-7]。

因此，系统深入地研究阴极电击穿的发生机制，实现稳定可控的阴极放电是该技术走向实用的关键。

2000年左右，有研究者采用阴极电击穿工艺在合金基体表面制备了陶瓷涂层，使得阴极等离子体技术的发展进入了新的阶段[8-11]。

但该工艺在发展初期仍需要在阴极基体表面预制具有高电阻的起弧薄膜层，增加了制备过程的复杂性，亟需发展一种能一步沉积的改进工艺以提高其效率。

后来，研究者意识到，在阴极表面获得较为致密的气膜层可以达到高电阻起弧层类似的作用，因此，研究者通过一系列的尝试对电解液进行改性处
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张曙光，等：阴极等离子体电解沉积技术研究进展 ·15·
图1 CPED 工艺的发展历程简介
Fig.1 Overview of the development process of CPED
理[7]，以对阴极区气膜层进行可控调控，并最终实现了基体表面陶瓷涂层的直接沉积，这些研究工作极大地推动了CPED 技术的发展和进步，此后关于CPED 技术制备各类型涂层的研究报道日益增多，关于涂层的改性研究也日益活跃。

近十几年来，随着CPED 放电机理和涂层改性研究的不断深入，该技术得到了长足的发展，已经成为一种具有相当竞争力的新型涂层制备技术。

2 CPED 机理和改性方法的研究进展
2.1 放电机理
阴极电击穿的放电机理可根据该技术的发展分为2个阶段：气膜层击穿理论和气-固双电介质层模型理论[5,12]。

较早期的阴极放电主要用于基体的表面清洁、渗层和氧化等处理[13-18]，单一的气膜层击穿理论（图2a ）就可以很好地进行相关机理的阐释。

该理论的主要观点认为：在电解过程中，阴极区附近会发生电化学反应，并辅之以热效应，从而产生大量气体（氢气和水蒸气等），阴极表面初期会被生成的气泡逐步覆盖，而后气泡逐渐融合并形成致密、连续的气膜，随着电压的升高，气膜中的电场强度逐步增加，当增加到其击穿场强时，电击穿发生并形成等离子体和能量，涂层在该能量作用下实现沉积[5]。

随着阴极电解沉积涂层的发展，单一的气膜层击穿理论已无法满足对CPED 制备涂层结构和相关现象的解释，气-
固双电介质层模型理论（图2b ）被提出以更好地阐释相应现象。

该理论认为[12]，涂层/气膜在阴极放电过程中可视为气-固双电介质层，其中的电场强度分布与两者的电导率和厚度相关，放电击穿在气膜层和涂层中竞争发生，并影响涂层的结构与性能。

较小的气膜层厚度和较高的涂层导电性有利于实现涂层中弱的电击穿，获得的涂层具有更少的缺陷和孔隙结构。

新的放电机理的提出对CPED 涂层的工艺改进具有更好的指导意义，促进了CPED 涂层的结构调控与性能优化，但CPED 过程涉及到复杂的光、热、电和化学效应，对其放电机理的深刻揭示仍需更多的工作和研究。

2.2 基于放电机理的调控与优化
根据气-固双电介质层模型理论，阴极放电过程中涂层/气膜中的电场强度与其电导率和厚度密切相
关[12]，
因此，对CPED 沉积涂层尤其是陶瓷涂层的调控与优化策略主要可分为两类：气膜层改性和涂层电学性能调控。

前者是针对多种涂层体系的通用改性手段，而后者多是针对特定涂层体系的特异性调控方式。

2.2.1 气膜层改性
气膜层改性的目的一般是在阴极区获得较小厚度的均匀气膜层，从而有利于实现涂层的均匀、致密和大面积化沉积。

该工作的突破性成果主要由He 的团队完成，其通过在阴极区施加陶瓷微珠和在电解液中添加无极性水溶性高分子（PEG ）等方法[6-7]，约
图2 在阴极等离子体电解技术不同发展阶段的放电机理模型： a ）气膜层电击穿理论模型[5]；b ）气/固双电介质层模型[12]
Fig.2 Discharge mechanism models at different development stages of cathode plasma electrolytic technology: a) theoretical model of electrical breakdown of gas film layer [5]; b) gas/solid double dielectric layer model [12]
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表 面 技 术 2023年6月
束阴极区气体的传输，形成连续、均匀、厚度薄的气膜，较大程度地降低了沉积过程中的电流密度（图3a ）。

该方法突破了限制CPED 技术发展的技术瓶颈，解决了涂层均匀化、致密化的难题，并实现了更大面积的涂层沉积。

其中，在电解液中添加PEG 进行气膜层改性已成为CPED 制备陶瓷涂层的通用方法。

这些改进极大地推动了CPED 技术的发展，但实现大面积涂层沉积以满足其更广泛的工业应用仍需更多的工作研究。

值得一提的是，有研究者在水溶性高分子改
性的基础上对电解液进行了进一步的热处理改性[19]，
进一步降低了沉积过程中的电流密度，提高了CPED 制备陶瓷涂层的临界面积，但其具体作用机制仍待探究。

相关研究表明[6-7,19]，气膜层改性方法使得涂层的制备更加简便高效，并使得涂层结构和性能得到极大的提升，这为CPED 的工艺改进和应用拓展提供了一种较好的研究思路和方向，但针对气膜层更加细致的调控优化仍需更多探索，以进一步实现更大面积基
体上的更低能耗涂层制备。

2.2.2 涂层的电学性能改性与调控
涂层的电学性能改性通常是在电解液中添加特
定的导电组分，如Pt [20-21]、
Pd [22]、SiC [23]和碳源等[24]，以与沉积的涂层掺杂或复合来实现。

一般地，该策略应用于制备低电导率陶瓷涂层如氧化铝等，以改善涂层中的放电击穿，从而获得更为致密的涂层结构。

对于微粒引入的作用机制，有研究者认为：电击穿的发生源于电介质中的电子在电场加速作用下的碰撞电离效应，导电微粒的添加能够吸收碰撞电离过程中生成的电子，从而避免其发展到电击穿的规模，使得涂层中的电击穿难以发生[20-21]，如图3b 所示。

此外，高电导率组分的引入可以提高涂层的电导率，而元素掺杂则会形成中间能级，降低禁带宽度（图3c ），涂层电学性能的改善使得涂层中发生的电击穿减弱[24]。

同时，添加的组分会使涂层具有更好的性能，如韧性、耐磨、抗裂纹扩展等（图3d ）[21,23]。

图3 CPED 制备涂层的调控优化方法：a ）通过微球和PEG 大分子链改善气膜层特性[6-7]；b ）添加导电微粒
改变碰撞电离电击穿特性[20-21]；c ）通过元素掺杂改善涂层电学特性[24]；d ）成分添加效应[21,23] Fig.3 Optimization method for the preparation of CPED deposited coating: a) regulating the characteristic of the gas film layer by microspheres and PEG macromolecular chains [6-7]; b) adding conductive particles to change the impact ionization electrical breakdown characteristics [20-21]; c) improving the electrical properties
of the coating through element doping [24]; d) other effects of added components [21,23]
虽然大量的研究证实了涂层电学性能的改善可实现涂层结构与性能的优化，但对其微观机理的认知仍不够完善，引入成分的作用机制有待进一步揭示。

此外，如何增强引入成分的电学改性和其对涂层结构性能调控的协同作用也是提高涂层性能的关键问题。

3 CPED 制备涂层的研究进展
3.1 金属、合金和合金基复合涂层
由于金属和合金具有良好的电导性能，CPED 制
备该类涂层过程中的放电主要发生在气膜层中，涂层
的沉积主要依靠阴极区的电化学过程，而放电产生的等离子体能量可以实现更好的与基体结合性能和涂层结构[25-26]。

研究者对CPED 制备金属、合金和合金基复合涂层的大量研究表明[25-30]，CPED 制备的Co 、Cr 和Ni-P-SiC 涂层与基体具有较好的结合界面，且涂层具有典型的纳米晶组织，这主要归因于CPED 工艺的等离子体引起的瞬时高温和电解液导致的急速冷却效应，这也是液相等离子体技术的典型特色（图4a —c ）。

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表1列出了几种由CPED 技术制备的金属、合金和合金基涂层的组织结构和性能数据，由于较高的沉积电压和电流，涂层具有较之传统电镀沉积更高的沉积速率，涂层的纳米晶结构也使得其具有较高的硬度，在耐磨等领域具有较好的应用潜力[25-26]。

此外，涂层在高温抗氧化领域也具有可拓展的应用价值[28,30]。

CPED 技术还能实现简单高效的多元合金涂层制备，其能有效改善传统电镀沉积多元合金镀层中不同元素析出电位差别带来的成分偏差问题，可获得合金化良好、均匀致密的多元合金涂层，在制备高质量多元合金涂层方面具有巨大的潜质。

通过在电解液中添加陶瓷等复合相，可以制备陶瓷增强合金基涂层，如
Ni-P-SiC 和Ni-Cr-Y 2O 3复合涂层等[29-30]，
涂层的纳米晶结构和复合微粒的协同效应使得其具有更好的应用性能。

虽然CPED 工艺在制备金属涂层中表现出了相关方面的优势，但其具体的沉积机制仍待进一步揭示。

特别是，揭示电化学过程和等离子体作用中都涉及到的电子转移过程的作用机制，其对发展CPED 沉积合金基涂层的理论至关重要。

图4 CPED 制备金属及金属基涂层的组织结构：a ）Co 涂层的表面SEM 形貌（a1）、截面SEM 组织结构（a2） 和TEM 组织结构（a3）[25]；b ）Cr 涂层的表面SEM 形貌（b1）、截面SEM 组织结构（b2）和TEM 组织结构（b3）[26]；
c ）Ni-P-SiC 涂层的表面SEM 形貌（c1）、截面SEM 组织结构（c2）和TEM 组织结构（c3）[29] Fig.4 Microstructure of metal an
d metal based coatings prepared by CPED: a) surfac
e morphology (a1), cross-sectional microstructure (a2), and TEM microstructure (a3) o
f Co coatings [25]; b) surface morphology (b1), cross-sectional microstructure (b2), and TEM microstructure (b3) of Cr coatin
g [26]; c) surface morphology (c1),
cross-sectional microstructure (c2), and TEM microstructure (c3) of Ni-P-SiC coating [29]
表1 CPED 沉积金属、合金和合金基涂层的组织性能[25-26,28-30]
Tab.1 Microstructure and properties of CPED deposited metal, alloy, and alloy based coatings [25-26,28-30]
Coating/Substrate Deposition rate/(μm·s ‒1)
Grain size/nm
Hardness(HV)
High temperature oxidation weight gain/(mg·cm −2)
References Co/304 stainless steel 0.05 40-50 700 — 2015 (Ref. 25)Cr/304 stainless steel 0.04 10-20 900 —
2015 (Ref. 26)Ni-Cr/T91 steel
0.02 30-50 — 0.360 (750 ; 200 h)℃
2016 (Ref. 28)Ni-P-SiC/aluminum alloy 0.10 200 — —
2015 (Ref. 29)Ni-Cr-Y 2O 3/T91 steel
0.03
30-50
—
0.245 (750 ; 200 h)℃
2019 (Ref. 30)
·18·表面技术 2023年6月
3.2 陶瓷涂层
3.2.1 Al2O3涂层
Al2O3涂层是CPED技术发展过程中十分重要的涂层材料体系。

α-Al2O3因为极低的氧扩散系数，在高温抗氧化和防腐蚀领域具有广泛的应用；γ-Al2O3具有高的比表面积，在催化等领域中常被用作催化剂载体[31-38]，但由于其具有较低的电导率，在放电过程中会出现涂层的电击穿，产生大量孔隙和缺陷，这在催化剂载体的应用中是期望的，但在高温抗氧化和防腐应用中则是需要避免的。

CPED沉积制备的Al2O3涂层中通常具有多相结构，其中α-Al2O3和γ-Al2O3为主要的相结构，根据其应用而进行物相比例调控是早期研究的热点，主要通过工艺参数的调节来实现[39-41]。

研究表明，较高的沉积电压和较低的频率有利于α-Al2O3相的生成。

一般地，在CPED过程中，α-Al2O3在沉积过程中直接析出形成，此外γ-Al2O3在高温下向α-Al2O3转变[42-45]，因此，具有更高能量的参数条件有利于α-Al2O3含量的提高。

此外，类似于CPED沉积金属和合金涂层，等离子体的能量也有助于涂层与基体的结合，这主要源自于涂层与基体在等离子体高能作用下的成分互扩散[46]。

相关研究表明，CPED制备的Al2O3涂层在高温下对基体具有良好的抗氧化防护性能[47]。

一般认为，CPED 制备的未改性Al2O3涂层具有极小厚度的致密内层和具有孔隙结构的外层，对于未改性Al2O3涂层，其致密内层在高温抗氧化中起到了重要的屏障作用。

因此，通过调控改善外层孔隙结构是进一步提高其性能、拓展其应用的关键。

3.2.2 改性Al2O3涂层
对Al2O3涂层进行改性调控是CPED技术发展过程中的难点，也是相应的研究热点[6-7]。

例如，α相具有更好的抗氧扩散性能，但其也具有更低的电导率而发生较大程度的电击穿，通过改性提高涂层的致密度，对于改善涂层组织结构和抗高温氧化、腐蚀防护以及耐磨性能至关重要。

图5示出了几种典型的CPED制备改性Al2O3基涂层的组织结构及性能，包括PEG调控电解液改性（图5a）、Pt掺杂改性（图5b）和SiC掺杂改性（图5c）。

从图中可以看出，电解液改性可大幅降低涂层的孔隙率，提高其高温抗氧化性能[7]，通过在Al2O3涂层中引入Pt微粒[20-21]，涂层的电导性能提高，涂层中的放电击穿减弱，涂层的致密度得到极大的提高（图5b），同时，Pt微粒能阻碍涂层中的裂纹扩展，使得涂层在高温下表现出更好的抗剥落和抗氧化性能。

针对Pt成本较高的问题，低成本的C掺杂则是一种潜在的替代，相关研究表明，低含量的C掺杂可以获得更好的高温抗氧化性能[24]，与微粒引入改变其碰撞电离电击穿机制不同，C的掺杂主要通过降低Al2O3的禁带宽度，提高其电导率，进而减弱涂层中的电击穿来实现。

当然，选用合理的掺杂量也是工艺调控的关键，较高的掺杂量会给涂层的结构性能带来不利影响。

类似于Pt微粒改善电导性能和抗裂纹扩展增韧的双重效应，掺杂相的引入设计一般多采用多重效应策略。

例如，在涂层中引入SiC耐磨相，在提高涂层电导率的同时，还可以提高涂层的耐磨性能（图5c）[23]。

相关研究表明[48]，这些改性策略在改善Al2O3涂层的应用性能中具有很好的效果。

此外，通过封孔处理和多层涂层设计以实现更好的基体防护也是一种较为有效的方法[49-51]。

表2列出了不同改性方法获得的涂层结构及相应性能的数据，可以看出，不同改性方式在制备具有良好抗高温氧化和耐磨性能的Al2O3基涂层中发挥着重要作用，而针对多种改性方式协同作用的研究则有待进一步开展。

对应用于催化剂载体的多孔Al2O3涂层，保留其孔隙结构和稳定其中具有更高比表面积的γ相则是相应的目标，研究人员采用在涂层中掺杂Ce的方法[52]，可有效抑制涂层中γ相在高温下向α相转变，但Ce 的引入也对涂层的孔隙结构和粗糙度产生影响[53]。

因此，合理选用掺杂的Ce含量，实现物相稳定和涂层孔隙结构调控的平衡对获得优化的催化剂载体涂层至关重要。

3.2.3 其他陶瓷基涂层
Al2O3涂层在CPED的发展中举足轻重，但早期发展的CPED涂层多是ZrO2基、Y2O3基涂层体系[54-55]，如具有热障性能的钇稳定氧化锆陶瓷涂层。

由于ZrO2和Y2O3属于离子型导体，其电导性能较之Al2O3涂层更好，制备的涂层也较为致密，相对于Al2O3涂层也更易在较为复杂的基体表面制备（图6a），但其面临韧性不足、易剥落等问题，因此相应的改性方法多是增加其韧性，如掺杂Y、SiO2、Pt和Pd等[21-22,54-55]，改性后的涂层在高温下表现出良好的抗氧化性能和抗热震性能。

随着CPED工艺的不断改进，多种其他类型陶瓷涂层也被制备获得，如CeO2涂层（图6b）和Cr2O3涂层等[56-57]，获得的涂层对基体具有较好的抗腐蚀防护性能，相关研究仍处于初级阶段，CPED 涂层的可制备体系仍待拓展。

CPED涂层的应用多集中于高温抗氧化和腐蚀防护等，一些研究表明，其在生物医学方面也展现出较大的潜力。

研究人员采用CPED工艺在镍钛合金上获得了Ca掺杂ZrO2涂层（图6c）[58]，其展现出了较好的生物相容性，表明CPED是一种在临床医学中具有潜在应用的技术。

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图5 几种典型CPED 制备改性Al 2O 3基涂层的组织结构及性能：
Fig.5 Microstructure and properties of several typical modified Al 2O 3 based coatings prepared by CPED technology: a) microstructure and high-temperature oxidation resistance of Al 2O 3 coatings deposited in PEG modified electrolytes [7];
b) microstructure and high-temperature oxidation resistance of Pt doped Al 2O 3-ZrO 2 coating [21];
c) microstructure and friction and wear properties of SiC doped Al 2O 3 coating [23]
表2 CPED 制备改性Al 2O 3涂层的组织结构和性能数据[7,21,23-24,47-48,50-51]
Tab.2 Microstructure and property data of CPED deposited modified Al 2O 3 coatings [7,21,23-24,47-48,50-51] Coating/Substrate Modification method Coating thickness/μm High temperature oxidation weight gain/(mg·cm −2) Frictional
coefficient
References Al 2O 3/Ni alloy
Electrolyte modification
by PEG
— 1.10 (1 100 ; 200 h)℃ — 2016 (Ref. 7) Al 2O 3-ZrO 2-Pt/TiAl alloy Pt doping 100 0.62 (1 000 ; 200 h)℃ — 2015 (Ref. 21)Ni-Al 2O 3/TiAl alloy Ni doping 20 0.22 (900 ; 100 h)℃ — 2018 (Ref. 48)Al 2O 3/TiAl alloy Phase regulation
20 0.49 (900 ; 100 h)℃ — 2018 (Ref. 47)C-Al 2O 3/Ti alloy C doping 50 1.5 (700 ; 100 h) ℃ — 2021 (Ref. 24)Al 2O 3-La 2Zr 2O 7/Ti alloy Composite layer 400 1.75 (700 ; 100 h)℃
— 2017 (Ref. 50)SiC-Al 2O 3/Ti alloy SiC doping 150 — 0.36 2019 (Ref. 23)PTFE-Al 2O 3/Ti alloy
Composite layer
50
—
0.05
2018 (Ref. 51)
3.3 碳材料
利用CPED 制备碳材料也有一些研究报道，研究
人员在乙醇为主的液相中[59]
，在钛基体上沉积了纳米晶石墨膜，并对石墨膜的组成、结构和形貌进行了研究，认为这种纳米晶石墨膜对于生产低成本的电子和
等离子器件冷阴极非常具有潜力。

此外，还有人利用
液相等离子技术成功制备了碳纳米管和类金刚石碳膜[60]，认为CPED 技术是一种具有吸引力的碳材料制备方法。

但相关研究相对匮乏，如何提高CPED 制备碳薄膜材料的质量，实现更加可控的制备条件仍需更多的工艺优化与探索。

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表 面 技 术 2023年6月
图6 CPED 制备其他陶瓷基涂层的组织结构及性能
Fig.6 Microstructure and properties of ceramic based coatings prepared by CPED technology: a) microstructure of
Y 2O 3 coatings deposited on the surface of carbon fibers [55]; b) microstructure and corrosion protection performance of CeO 2 coating prepared on the surface of magnesium alloy [56]; c) microstructure, corrosion
performance, and biocompatibility of Ca doped ZrO 2 coating prepared on NiTi alloy surface [58]
4 展望
近些年来，随着气膜层改性和涂层调控研究的不断深入，以及放电机制研究的不断完善，CPED 技术取得了较快的发展，可预见CPED 技术在腐蚀防护、高温抗氧化、热障、催化剂载体、结构化超疏水表面和生物相容性涂层等领域具有更广泛的应用。

但该技术仍具有一些不足和待改进之处：
1）需发展出更优的电解液改性和气膜层调控技术，以使气膜层更薄、更均匀，在改善涂层结构性能的同时，大幅降低沉积时的电流密度，以实现更大面积、更低能耗的涂层沉积，这是进一步拓展该技术工业应用的关键。

2）目前的气-固双电介质模型是一种理想条件下的宏观模型，实际的CPED 过程具有复杂的光、热、电和化学效应，因此，有待提出更加系统、全面的放电机制和模型，以促进CPED 技术的改进和发展。

3）CPED 技术的优点之一在于其能通过电解液
配制沉积不依赖于基体组分的涂层体系，但目前仍有多种陶瓷涂层体系未能实现CPED 的高质量涂层制备，相应的制备条件和工艺仍待进一步探索。

4）液相电解技术中一般会面临有害气体析出和排放等问题，优化电解液体系，实现环境友好的CPED 制备技术也是一个重要的研究问题。

例如采用碳酸盐、草酸盐等替代电解液中的硝酸盐、硫酸盐等材料体系，并发展出相应的优化工艺，具有潜在的研究价值。

5）由于CPED 机理和工艺体系的研究仍不够完善，CPED 技术较之传统电镀技术在制备金属和合金基涂层的沉积速率与基体结合等方面更具优势，但涂层在表面粗糙度控制和相关性能（耐磨性、腐蚀防护等）方面仍有待进一步提高。

通过改性获得的Al 2O 3涂层比未改性涂层具有更好的高温抗氧化性能，但其孔隙结构仍无法完全消除，有待进一步的机理揭示和工艺调控，以便实现更高致密度的低电导率涂层沉积，展现CPED 工艺的竞争优势。