第十五届全国表面工程大会

高含氢碳膜（a-C:H）因其优异的固体润滑乃至超润滑性能，受到广泛关注。它的固体润滑性能与摩擦转移膜的性能，如形成速度、内聚强度、附着强度等密切相关。为此，提出了通过引入Cu或Ti覆盖层（即Cu@a-C:H、Ti@a-C:H复合结构薄膜）以提升转移膜形成速度和强度的新方法。研究表明，Cu或Ti覆盖层的引入显著加快了a-C:H膜在滑动干摩擦过程中转移膜的形成速度，达到稳定摩擦阶段所需的滑动距离（如球盘摩擦转数）降低了一个量级以上，所需覆盖层厚度仅为~30 nm。Cu@a-C:H复合薄膜在氮气环境下的摩擦系数低至0.004，进入了超润滑状态。分析得出，磨痕和磨球转移膜呈现Cu/Cu₂O纳米晶分布于非晶碳母相纳米复合结构，促成了纳米晶“物理钉扎”和Cu-O-C化学键合两种强化机制。Ti@a-C:H复合薄膜在氮气环境下的摩擦系数和磨损率，也由a-C:H的~0.06、7.33 × 10^-7 mm³/(N•m)分别降低至~0.01、1.01 × 10^-7 mm³/(N•m)。摩擦转移膜也呈现纳米复合结构，强化相为TiO₂/Ti₂O₃，母相为非晶碳。通过界面模拟计算及高分辨显微表征，确认其界面“化学键合”机制主要来源于O-Ti-C和 Ti-O-C两类桥键。本研究为a-C:H膜的结构设计和摩擦学性能优化，提供了两种强化机制，拓展了设计思路。

Tribolayer,a-C:H薄膜,Cu-O-C bonding,Chemical bonding,Physical pinning