中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室薛群基院士和张广安研究员带领的团队在国家自然科学基金资助项目的支持下，在碳化钨增强碳基薄膜强韧化结构设计及其摩擦学性能研究方面取得新进展。
碳化钨(WC)增强碳基薄膜(a-C)能使碳化钨相高硬度，高耐磨性及高热稳定性等性能优势与非晶碳基体优异的摩擦学性实现有机统一，从而可制备出能够应用于重载，高速，高温等严苛工况下的高性能碳基薄膜。然而，该类薄膜较大的内应力及较差的韧性是制约其应用于实际工况的最大瓶颈。与此同时，如何最大程度弱化碳化钨相对该类薄膜摩擦学性能的恶化作用也是其性能提升的难点之一。课题组前期研究了WC/a-C薄膜的摩擦学性能发现，当摩擦界面处的WC相在摩擦诱导作用下氧化并转移到对偶表面形成稳定致密的富WO3转移膜时，其在大气环境下的摩擦系数可低至0.05左右，抗磨损性能亦获得显著提升。众多研究表明，构筑纳米尺度多层结构能够有效降低薄膜应力并使其韧性获得大幅提升，然而传统的WC/a-C多层膜（调制周期大于10nm）在结构设计过程中仅着眼于薄膜机械性能的改善，忽视了碳化钨相对摩擦学性能的影响。课题组何东青博士综合强韧化结构设计和低摩擦界面优化的理念制备了一系列极小调制周期（调制周期小于10nm）的WC/a-C纳米多层膜。通过调制周期对薄膜性能的调控发现，适当的调制周期不仅能够大幅提升薄膜硬度，还能显著改善薄膜韧性与内应力；而极薄的单层不仅有利于摩擦界面处非晶碳基体的石墨化，还能促进碳化钨相的氧化，从而实现低摩擦滑动界面的构筑，最终实现了WC/a-C薄膜真正意义上的强韧与润滑一体化。该研究工作在新型固体润滑材料研究领域具有重要的理论和应用价值。相关结果发表在近期出版的Journal of Alloys and Compounds (2017，698，420)。
WC/a-C纳米多层膜截面TEM及其硬度与弹性模量，断裂韧性及摩擦系数随调制周期的变化情况
撰写：何东青；编辑：吴贵智