多尺度织构化碳基多元复合薄膜的构筑及其水润滑效应研究

水环境及其变工况环境（频繁起停、低速/高速、边界润滑/近－干摩擦等）是现代水下摩擦副运行的主要特点，也是制约其寿命和可靠性的关键瓶颈之一。本项目拟协同利用织构化表面形貌的水润滑效应以及新型碳基固体润滑薄膜在水环境和变工况环境下的独特优势，从薄膜非晶-纳米复合结构、薄膜多元特性协同和多尺度微形貌优化三方面入手，重点突破碳基复合薄膜纳米晶－非晶多元微结构的可控制备和表面织构的多尺度构筑，设计制备出具有高硬度、高韧性、超低摩擦系数和优异抗磨性能的多尺度织构化碳基复合薄膜体系。揭示织构化复合薄膜在典型水环境下的成分和微结构演化过程，尤其注重腐蚀、磨损、变工况等交互－耦合作用下织构化表面功能退化过程，最终阐明特殊服役环境下多尺度织构化碳基薄膜的损伤模型和延寿理论。为水润滑摩擦副表面高性能"结构-功能防护一体化表层"的设计和制备提供新途径。

水环境及其变工况环境（频繁起停、低速/高速、边界润滑/近-干摩擦等）是制约水下摩擦副运行寿命和可靠性的关键瓶颈之一。本项目结合表面织构化的水润滑效应和新型碳基复合薄膜在水环境下的独特优势，从织构化薄膜的结构优化、可控生长、多层界面设计等方面提高薄膜的综合性能；并研究了高硬度类石墨薄膜与工程陶瓷、金属、软质材料和涂层材料的配副依赖性和延寿机理；最后通过有限元分析计算了织构化薄膜的微结构演化机理和摩擦表面接触应力及微裂纹抑制效应。研究发现：（1）织构化在薄膜表面形成了一种横向上软-硬交替结构及硬度梯度，从而起到缓冲带作用吸收断裂能量，同时有利于摩擦所引起的剪切应力的释放，阻止了裂纹的延伸和剥落的扩大；另一方面表面织构降低了摩擦过程中的石墨化程度，延长了薄膜寿命；（2）局部脆性薄膜是碳基薄膜在水环境下磨损损伤的主要破坏因素，提出通过优化过渡层、多层设计和提高薄膜致密度来提高薄膜的性能，控制其在水环境中微裂纹的萌生和扩展，从而有效控制薄膜的局部脆性剥落，提高其在水润滑及其变工况环境下的服役性能；（3）碳基薄膜与不同材料对偶配副的摩擦学性能与配副材料各自的不同性质和摩擦过程中的石墨化程度相关，这赋予了碳基薄膜与不同材料的摩擦配副可在水环境有效润滑或润滑不足的状态下均能高效稳定运转；（4）有限元计算阐明了织构化薄膜的磨损机理：在与滑动方向垂直的方向上，织构化薄膜表面的最大拉应力较未织构薄膜表面降低约45%，缓解了裂纹附近的最大拉应力集中，从而使织构化薄膜表面裂纹的扩展速度在相同条件下更慢，抑制了纵向裂纹的形成；在与滑动方向平行的方向上，织构化薄膜的应力振幅下降了约40%，有效缓解了滑动过程中的最大拉应力，抑制了织构化薄膜的片层状剥落。提出通过激光织构对碳基薄膜进行功能化设计的思路，即通过激光辐照，在碳膜表面制备出具有连续变化的相变结构，从而达到高承载、低磨损、长寿命的织构功能化薄膜。本项目发展了一种高性能、高可靠的新型水润滑摩擦副表面改性材料，为水润滑摩擦副表面高性能“结构—功能一体化表层”的设计和制备提供了一种新途径。本项目研究过程中发表SCI论文29篇，申报中国发明专利4项，授权1项，培养了一支创新的碳基薄膜研发团队。