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现代装备的高可靠、高精度、高传输效率及长寿命等要求，使研究与开发高硬度、强韧性和低摩擦等特性的功能防护碳基薄膜材料具有重要意义。本论文通过设计纳米晶/非晶的微结构和碳相分离的热力学驱动力，成功制备出具有优异综合力学性能和摩擦自适应行为的多元碳基复合薄膜材料;并结合计算机模拟技术对多元碳基复合薄膜的摩擦自适应行为机理进行揭示。研究结果表明:
1.采用磁控溅射技术将强碳Ti和弱碳Al金属共引入非晶碳基质中，强碳金属形成碳化物TiC纳米晶颗粒构筑了多元nc-TiC/a-C(Al)碳基复合薄膜的纳米晶/非晶微结构并起增强硬度作用;弱碳金属以原子或団簇的形式均匀分散于非晶碳基质中使得碳膜获得强韧性和低内应力等综合力学性能;尤其摩擦接触面更容易形成具有低剪切特性的石墨化层使得多元nc-TiC/a-C(Al)碳膜能够获得优异的低摩擦和高耐磨性能。
2.强碳金属W和弱碳金属Al构筑了具有典型纳米晶颗粒镶嵌非晶基质的多元nc-WC/a-C(Al)碳基纳米复合薄膜，这种碳膜不仅具有优异的综合力学性能和干摩擦条件下的低摩擦、高耐磨性特点;尤其是在边界润滑条件下由于产生摩擦化学反应生成具有低剪切特性的摩擦膜而使多元nc-WC/a-C(Al)碳膜获得更加优异的摩擦学性能。
3.元素Si和Al共引入构筑了具有非晶微结构特征的多元a-C∶Si∶Al碳基复合薄膜并赋予了其优异的综合力学性能;低湿度条件下接触表面石墨化碳层以及高湿度条件下硅胶摩擦膜使多元a-C∶Si∶Al碳膜能够获得优异的低摩擦湿度敏感性。
4.第一性原理计算模拟揭示了强碳金属形成碳化物纳米晶颗粒以发挥增韧行为，而弱碳金属增大了sp3向sp2碳相转变的热力学驱动力;有限元计算模拟显示了接触表面所形成的薄摩擦膜不会导致碳膜承载力的损失。最终，证明了低剪切特性的摩擦膜和碳膜内部的高硬度也即具有高承载力是多元碳基复合薄膜能够获得优异低摩擦和高耐磨特性的关键因素。此外，采用梯度多层Cr/CrN/CrCN构筑可使得多元碳基复合薄膜在高载荷作用下仍表现出优异的摩擦学性能。