多元碳基薄膜中纳米多层结构的原位自形成机制、可控制备及性能研究

In recent years, in-situ self-organized nano-multilayer structure has been observed in metal-carbon multicomponent carbon films deposited by PVD technology. Driven by this interesting phenomenon, this project aims to carry out a deep study on in-situ self-organized mechanism, controllable preparation and properties of nano-multilayer structure during the multicomponent carbon films. A series of multiple composite films have been prepared by choosing different types of composite elements, adopting various preparation techniques and adjusting the deposition parameters. Moreover, the influence of composite elements, preparation techniques and deposition parameters on the structure of nano-multilayer was systematically researched. Based on these researches, the origin and driving force of spontaneously formed nano-multilayer structure were explored elaborately, which helps to establish the self-organization mechanism model on the atomic scale and achieve the controllable preparation of nano-multilayer structure. In addition, in order to get a comprehensive understanding of the relationship between the structure and performance of the film, the effects of self-organized nano-multilayer structure on the mechanical(hardness, toughness, stress) and tribological properties (environmental self-adaption) of films were investigated in detail. The research achievements of the project not only enhance the understanding of the interactions of growth atoms, but also provide a thorough cognition of self-organized nano-multilayer structure, which has significantly theoretical and practical values for designing the new generation of films with high strength and toughness.

近年来，在PVD制备金属-碳多元薄膜过程中，发现了原位自发形成纳米多层结构的奇特现象。基于此，本项目提出开展多元碳基薄膜制备过程中纳米多层结构的原位自形成机制、可控制备及性能研究。选择不同的复合元素，利用不同制备技术，通过调节工艺参数，设计和制备一系列多元薄膜，系统研究纳米多层结构与复合元素、制备技术、沉积参数之间耦合作用机制，探讨纳米多层结构自发形成的起因和驱动力，在原子尺度上建立自形成机理模型，实现纳米多层结构原位可控制备。研究自形成纳米多层结构对薄膜力学性能（硬度、韧性、应力）和摩擦学性能（环境自适应性）的影响，明确薄膜结构-性能之间的关系规律。通过研究，加深对薄膜生长中原子之间相互作用的认识，掌握纳米多层结构自形成机制及可控制备规律，进一步丰富和完善薄膜生长机理；同时，可以充分利用纳米多层结构自形成特征，为新型高强高韧纳米多层薄膜的设计与制备提供支持，具有重要的理论意义和应用价值。

碳基薄膜具有高硬度、低摩擦等优点，作为新型固体润滑薄膜具有广阔的应用前景。近年来，在PVD制备金属-碳多元薄膜过程中，发现了原位自发形成纳米多层结构的奇特现象，赋予薄膜强韧一体化、低摩擦、低磨损、环境自适应等特性。因此，本项目开展多元碳基薄膜制备过程中纳米多层结构的原位自形成机制、可控制备及性能研究。. 系统研究了不同元素、沉积参数和制备方法对自形成特殊纳米结构（纳米多层、纳米复合、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等）的影响，明确了特殊纳米结构的形成与上述因素之间的作用关系，掌握了不同纳米结构的最佳材料体系、组分和沉积工艺，实现了不同纳米结构薄膜的可控制备。考察了薄膜生长过程中等离子体之间、及其与靶材之间的相互作用过程，探讨了不同纳米结构自形成的起因和驱动力，建立相应的自形成机理模型。考察了热处理对薄膜微观结构的影响，明确了纳米结构的稳定性。研究了石墨烯二维结构材料在摩擦过程中摩擦界面特殊纳米结构的形成以及演变过程，探究了界面结构变化对其摩擦学性能的影响规律和作用机制，为开发新型润滑材料、发现新摩擦机理提供理论支持。研究了自形成特殊纳米结构对薄膜机械性能（如硬度、应力和结合强度）、电学性能（如导电性、场发射特性）以及摩擦学性能的影响。通过元素选择和制备工艺调控，利用原位自发形成的新原理和新方法，设计制备出不同纳米结构的薄膜，发展了具有低摩擦、长寿命、高可靠性的超润滑碳基复合薄膜，形成相关材料工艺规范和技术标准，应用于气浮轴承和高温气冷堆传动机构（轴承、滚轴、丝杠等）。. 在国内外重要刊物发表有创新性的学术论文12篇（其中SCI收录论文10篇），申报发明专利4项；承办和组织学术会议3次，受邀在各种学术会议上作报告6人次，参加国内国外学术交流13人次；培养博士和硕士研究生4名。完成了项目研究内容和目标。