功能化多尺度仿生类金刚石薄膜材料的可控制备及其摩擦学行为研究

类金刚石碳膜（DLC）由于具有高硬度、耐腐蚀、低摩擦系数、高耐磨寿命以及高化学稳定性等优异性能，在微纳机电系统的表面防护中显示了巨大的应用前景。在DLC薄膜表面精确可控构筑多尺度仿生微纳织构以实现其表面的特殊浸润性，同时又保留其原有的优异性能，这无论是在理论还是在实际应用方面都是非常必要和有价值的。目前这方面的研究较为缺乏。本项目拟将多尺度仿生微纳织构和DLC薄膜相结合，利用获取的生物系统设计并构筑一系列具有可控多尺度仿生微纳织构的DLC薄膜，系统研究不同形态的多尺度微纳织构对DLC薄膜物化性能、机械性能和摩擦学性能的影响，并重点探讨多尺度仿生微纳织构对DLC薄膜物化性能、机械性能的作用机制以及该薄膜在特定环境下的摩擦磨损机制。本项目的实施将为拓展DLC薄膜的应用提供有力指导，并为多功能仿生材料和器件的制造和应用提供指导和理论依据。

制备兼具高硬度和高韧性的超疏水碳膜是扩展类金刚石薄膜应用的一个具有挑战性的问题。本项目利用获取的生物系统（荷叶、水稻叶子、蜣螂前胸背板和蛇蜕）设计并构筑了一系列新型的疏水、抗粘、高硬、高韧、低摩擦的具有正的或者负的多尺度仿生微纳织构的DLC 薄膜材料，系统研究不同形态的仿生微纳织构对薄膜物化性能、机械性能和摩擦学性能的影响，并探讨其作用机制。所制备的DLC薄膜为非晶-纳米晶复合结构，因而能够兼具较高的硬度和较好的韧性。结合化学改性，所制备的具有仿荷叶和水稻叶子表面织构的DLC薄膜具有超疏水性，与生物原型的高度一致。由于PFPE优异的润滑性能、DLC薄膜的减摩抗磨性能和表面织构存储润滑剂和磨屑的共同作用，在化学修饰前后其都具有优异的摩擦学性能。其中所制备的具有仿水稻叶子和蛇蜕表面织构的DLC薄膜由于其表面织构的各向异性而使其润湿性能和摩擦学性能呈现各向异性。此外，所制备的具有负的仿生表面织构的 DLC薄膜的摩擦学性能优于具有正的仿生表面织构的 DLC薄膜；这是因为负的表面织构能使PFPE润滑剂更好的与DLC薄膜接触，而且能更有效的存储磨屑。在此基础上，在金属镍膜、氧化石墨烯和石墨烯表面上构筑了仿生微纳结构，这些仿生微纳织构有利于改善其润湿性能和摩擦学性能。本项目的实施将为拓展DLC 薄膜的应用提供有力指导，并为多功能仿生材料和器件的制造和应用提供指导和理论依据。