固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

为了探究制备具有优异真空摩擦磨损特性的类金刚石碳基薄膜的途径，我们首先采用第一性原理和分子动力学方法研究了氟化类金刚石碳基薄膜的真空低摩擦机制的局限与失效机制和不同摩擦副对类金刚石碳基薄膜真空摩擦性能的影响。真空下接触界面间强粘着作用是类金刚石碳基薄膜失效的本质原因。最大限度的降低粘着作用有助于提升类金刚石碳基薄膜的真空摩擦磨损性能。基于此，本论文采用等离子体增强化学气相沉积法制备多界面超厚氟硅类金刚石碳基涂层，考察了涂层的结构、力学及摩擦学性能，并结合第一性原理和分子动力学方法揭示了超厚氟硅类金刚石碳基涂层具有优异真空摩擦磨损和腐蚀摩擦性能的内在机理。主要研究内容和结果如下:

1. 氟化类金刚石膜在真空下具有超低的摩擦系数。其低摩擦机制归因于氟氟间的反键排斥作用，但易于失效。基于第一性原理计算结果，我们首次报道了膜层的低摩擦机制具有局限性和膜层的失效直接归因于塑性变形诱导的膜层石墨化的作用。

2. a) 无定型碳膜与氧化铝配副在磨合期摩擦系数先由高变低，然后达到稳定。然而氟硅类金刚石涂层在磨合期的摩擦系数由低变高。根据实验结果，结合第一性原理计算对磨合行为进行探究。计算结果显示，膜层的高/低摩擦可能归因于界面间的强/弱相互作用。b) 类金刚石碳基薄膜与氧化铝配副在整个摩擦过程中具有低摩擦系数，其低摩擦机制尚未研究清楚。由于实验过程无法直接观测到原子级别的相互作用。因此采用第一性原理方法对体系的低摩擦机制进行详细研究。研究发现，低摩擦归因于铝悬空界面体系的低能量路径的作用。

3. 在真空下延长类金刚石涂层的寿命一直被视为是一种挑战。我们首次报道：氟硅共掺杂的类金刚石涂层在真空下展现低摩擦(约 0.1)，超低磨损率(9.0×10^-13 mm³ N^-1 mm^-1)和超长寿命(大于200 万转)。为了揭示其低摩擦长寿命机制，我们系统研究了转移膜的微结构和成分。结果显示：涂层的低摩擦和长寿命归因于摩擦化学反应诱导生成的 FeF₂纳米晶层的作用。第一性原理计算结果表明，摩擦化学反应诱导生成的FeF₂纳米晶热力学与结构稳定。

4. 采用等离子体增强化学气相沉积系统制备了超厚氟硅共掺杂类金刚石碳基涂层，并对其耐蚀性进行深入研究。制备的涂层具有多层结构，这有利于降低膜层的内应力。制备的涂层具有相互交替的缝合界面，有利于增强层间的键合力和结合力。制备的涂层具有硅过渡层，有利于增强膜基结合强度。动化学极化测试和电化学阻抗谱用于探究膜层的抗腐蚀性能。结果显示，膜层的微结构有助于提升膜层的耐蚀性。

5. 采用等离子体增强化学气相沉积系统制备多层交替氟硅掺杂类金刚石碳基涂层。界面缝合的功能梯度层能够降低涂层内应力和提升膜层承载力。而且硅中间层能提升基底与涂层之间的附着力。采用分子动力学方法研究了涂层的耐蚀和耐磨特性。强的膜基结合强度，低内应力和SiC纳米晶的协同作用提升了膜层的腐蚀和摩擦磨损性能。