航空、航天、核能等高尖端技術迫切要求使用耐高溫、耐磨、低摩擦的固體潤滑涂層以保護金屬零部件的表面，增加發動機、推進器等航空、航天等領域關鍵零部件的工作效率、輸出功率和使用壽命。上世紀80 年代國際摩擦學界根據工業和國防的需要將高溫潤滑涂層和耐磨材料定為摩擦學學科發展的重要研究方向之一。本文綜述了近年來國內外高溫工況條件下類金剛石碳膜的摩擦學性能研究成果，總結了類金剛石碳膜在高溫環境下的摩擦學性能及其影響因素規律，闡述了類金剛石碳膜高溫摩擦學行為的分析方法，提出了類金剛石碳膜高溫摩擦學性能研究中存在的問題和未來發展的研究方向。

　　類金剛石(Diamond-like Carbon，DLC) 膜具有優異的機械性能如高硬度、高耐磨性、低摩擦系數等，因而被廣泛用做機械零部件的保護涂層。目前限制DLC 膜廣泛應用的主要因素是薄膜內應力大和熱穩定性差。退火等熱處理可減小DLC 膜的內應力，但在較高溫度下DLC 膜的結構發生轉變，而無法保持其優異的摩擦學性能，如低摩擦系數、高耐磨性等。隨著現代科學技術的發展，特別是世界各國對航空航天技術的高度重視，航空發動機軸承等摩擦副在高溫條件下的摩擦、磨損與潤滑問題受到廣泛的關注。在高溫工況下液體潤滑劑隨溫度升高其粘性下降，造成微凸體直接接觸等問題。而固體潤滑材料突破了傳統液體潤滑的有效極限，可在極端工況條件如高溫、高壓、高真空等環境下有效地實現潤滑。DLC 膜在常溫下具有優異的摩擦學性能，而在高溫工況下DLC 膜容易蒸發、氧化加劇，同時摩擦表面解吸加快，摩擦表面間易產生粘著，加速粘著磨損，尤其是含氫DLC 膜在高溫下穩定性更差。在高溫條件下，摩擦表面性能的改變對DLC 膜的摩擦學性能影響較大。目前DLC 膜的高溫摩擦磨損性能的認識還不夠全面，因此，有必要總結DLC 膜高溫摩擦學性能的影響因素，改善DLC膜的高溫摩擦學性能，拓展DLC 膜在高溫工況下的工程應用。

1、DLC膜摩擦學性能的影響因素

　　上世紀70 年代初，Aisenberg 和Chabot首次制備了一種非晶碳膜( 即無定形碳) ，至此無定形碳膜由此而生，因其與金剛石的性能相似而得名DLC膜。DLC 膜具有較高硬度和良好的摩擦學性能，已在軸承、齒輪、磁盤保護膜等領域顯示出了良好的應用前景。但DLC 膜的摩擦學性能與其結構( 制備、摻雜等) 及所處環境工況( 周圍環境氣體、基體及對偶材料、工藝參數) 密切相關，不同狀態下DLC 膜的摩擦學性能有著很大的差異。DLC 膜摩擦系數一般在0. 2 以下，同時具有自潤滑特性，可直接應用于各種成型磨具上，但在適當工藝條件如真空環境下的摩擦系數很低( 0. 006 ～ 0. 010) 。因此，了解DLC 膜在不同狀態下的摩擦學性能對超低摩擦潤滑膜的研究有重要的意義。

　　1.1、制備方法

　　DLC 膜的制備方法大體可分為兩大類: 物理氣相沉積( Physical Vapor Deposition，簡稱PVD) 法和化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD) 法。PVD 是在真空條件下，通過特定物理過程，將物質原子從源物質轉移到薄膜的過程。CVD 是在高溫條件下將碳的氫化物、鹵化物、氧化物等通過一系列化學反應在基體上形成DLC 膜的過程，包括直流等離子體輔助沉積、射頻等離子體輔助沉積、微波等離子體輔助沉積等。此外還有其它制備DLC 膜的方法，如激光誘導法、電化學沉積法( 液相沉積法) 等。

　　不同的制備方法因選用的碳源以及基體表面離子能量的不同，導致DLC 膜中sp2 和sp3 比例不同，雜化形成的空間網絡結構也就不同。不同結構的DLC 膜摩擦學性能存在很大的差異。Ilberg 等分別用過濾陰極真空電弧法和等離子CVD 法制備了不含氫和含氫的DLC 膜，研究表明: 含氫和不含氫DLC 膜的摩擦學性能正好相反，如在50%的相對濕度下含氫DLC 膜表現較高的摩擦系數和較差的耐磨性，而不含氫DLC 膜的摩擦系數較低，耐磨性較好。Jeng 等用等離子氣相沉積法在不同H2: CH4比例下制備了含氫量不同的DLC膜，研究發現氫的加入使薄膜中sp3 鍵更加穩固，隨著氫含量的增加，薄膜的硬度并沒有增加，而摩擦系數及磨損率都減小。楊莉等用等離子體增強CVD( PECVD) 法制備所得DLC 膜的結構、性能與制備工藝有很大的關系: 隨著沉積時間的增加，薄膜厚度增加，摩擦系數呈現降低的趨勢; 隨著氬氣含量的增加，DLC 薄膜中H 含量逐漸降低， sp3 逐漸向sp2 轉變，導致摩擦系數減小。

　　1.2、元素摻雜

　　DLC 膜的摻雜主要有非金屬元素摻雜( 如N，Si，F，P，Cl 等) 和金屬元素摻雜( 如Ag，Cr，Cu，Fe，Ti等) 。通過摻雜改善DLC 膜的摩擦學性能是國內外比較熱門的研究方向。蘭惠清等的研究表明: 摻硅DLC 薄膜的摩擦學性質與其中硅的含量有著緊密的聯系，當Si 含量超過3%時DLC 膜的摩擦系數隨著Si含量的增加而降低。主要因為摻Si 后DLC 膜結合強度減弱，硬度下降，促使轉移膜的形成及轉移膜向石墨化的轉變，導致了Si-DLC 膜的低摩擦特性。Cui等研究了DLC 膜中不同含量的Ti 對摩擦學性能的影響，當Ti 含量為0. 41%時，薄膜的摩擦系數最低( 約0. 05) ，是沒摻Ti 時的1 /3。但隨著Ti 含量的繼續增加，DLC 膜中Ti-C 鍵增加，硬度減小，應力增加，DLC 膜破裂損壞而導致摩擦系數逐漸增大。魏利等采用直流等離子沉積方法制備了不同氟含量的DLC 膜，通過實驗發現，DLC 膜的摩擦系數隨著氟含量的增加而減小，同時摻氟后DLC 膜的耐磨性增加。

　　王成兵等認為隨著DLC 膜中氮原子的含量對其摩擦學性能影響顯著。當氮原子含量很低時摩擦系數波動較大，當氮原子分數升至3. 5%和5. 2%時摩擦曲線趨于平穩，且摩擦系數有所降低。但當氮原子含量繼續增加到6. 3%時，較多的氮原子抑制轉移膜的形成，摩擦系數又升高至0. 105。

　　1.3、周圍環境

　　DLC 膜的摩擦學行為對潤滑條件、濕度及所處環境氛圍等非常敏感，受摩擦環境的影響非常明顯。白越等通過鋼/DLC 膜摩擦副在干摩擦、4122 油和L252 脂潤滑條件下的球-盤摩擦學試驗發現: 潤滑油和潤滑脂能夠明顯改善DLC 膜的最大靜摩擦系數、有效降低DLC 膜的磨損率，且在0 ～ 500 r /min轉速范圍，脂潤滑比干摩擦摩擦系數小，超過500 r /min 后干摩擦的摩擦系數小于脂潤滑。Rubio-Roy等[28]研究了環境濕度對摻氟DLC 膜的摩擦學性能的影響，當相對濕度在20% ～ 60%之間時，DLC 膜的摩擦系數隨著相對濕度的增大逐漸減小，而當相對濕度超過60% 后，由于DLC 膜表面形成一層水膜，阻礙了化學作用對DLC 膜的影響，摩擦系數不再隨著濕度的增加而減小。Li 等[29]對比了DLC 膜在干燥N2、CO2、Cr 環境下的超滑性能，認為DLC 膜在N2、CO2環境下的摩擦學性能優于在Cr 下，主要因為N2和CO2具有某種特有的性質，能夠阻止摩擦副表面π-π 鍵的交互作用，引起電子排斥而減小摩擦系數。Zhang 等[30]在真空、大氣等不同環境下考察了DLC 多層膜的摩擦磨損性能，實驗表明DLC 多層膜在真空下的摩擦系數比大氣下的摩擦系數大，而磨損量卻基本相同。

　　1.4、基體及對偶材料

　　DLC 膜可以在剛玉、陶瓷、玻璃、金屬、無機物等多種基體材料上沉積，基體材料的多樣性加大了DLC 膜的應用領域。Suzuki 等[31]采用DLC /不同鋼材( AISI440C、AISI304、AISI52100) 為摩擦副進行摩擦磨損試驗，實驗表明，DLC 膜的摩擦學性能因摩擦副的不同而不同。AISI440C、AISI304 在退火前后摩擦系數與磨損率的變化都不大，而AISI52100 在退火后摩擦系數增幅較大，磨損率減小。鄭錦華等[32]通過研究發現DLC 膜的摩擦學性能與摩擦副材料有重要的關系，金屬材料摩擦副的摩擦系數略高，但薄膜的磨損率較低，疲勞破壞壽命較長，而陶瓷材料摩擦副的摩擦系數略低，薄膜磨損率大，疲勞破壞壽命較短。Vladimirov 等發現基體材料的表面粗糙度Ra以及Ra /h( h 為DLC 膜厚度) 對DLC 薄膜的摩擦學性能有很大影響。實驗表明隨著基體表面粗糙度的增加，DLC 膜的耐磨性先增大后減小，最佳的Ra /h在0. 2 ～ 0. 3 之間。Cui 等在真空環境下對比分析了DLC 膜與不同對偶副之間的摩擦磨損性能，結果表明DLC /Al2O3和DLC /ZrO2摩擦副具有較低的摩擦學性能，因為它們的滑動面之間存在著相互作用力，使其粘附作用減少。

　　1.5、工藝參數

　　工藝參數包括載荷、速度、溫度等一系列宏觀可控物理量。不同參數下DLC 膜的摩擦學性能各不相同。DLC 膜在摩擦初始階段摩擦系數會出現峰值，而后趨于穩定。研究表明隨著載荷和速度的增大，摩擦系數到達峰值的時間縮短; 在摩擦穩定階段，薄膜的平均摩擦系數隨著載荷和速度的增加先減小后增大; 速度對DLC 膜摩擦系數的影響比載荷更加明顯。Zou 等通過對比不同速度與載荷下

　　DLC 膜的摩擦系數的大小，得出在高速低載荷下DLC 膜具有低的摩擦系數。Jarratt在滑動速度200 mm/s 載荷20 ～ 100 N 時研究了DLC 膜的摩擦學性能。最初階段DLC 膜的摩擦系數約為0. 1; 載荷范圍0 ～ 100 N 內，載荷越大摩擦系數降低達到穩定狀態的時間也越短，DLC 膜的磨損率也越低。溫度對DLC 膜的摩擦學性能影響很大。卓會丹等研究了溫度對氮化硅陶瓷表面DLC 膜影響，結果表明: 不同溫度情況下，DLC 膜摩擦系數在起始摩擦階段沒有明顯變化，但隨著溫度的升高，DLC 膜保持較低摩擦系數的時間變短。Liu 等在載荷為2.6 N 和滑動速度為20 mm/s 條件下研究了溫度對DLC 膜的摩擦磨損性能的影響，結果發現在隨著溫度的升高DLC 膜的摩擦系數逐漸降低，但當溫度升高到300℃后，DLC 膜雖然仍有較低的摩擦系數，但由于DLC 膜的斷裂以及剝落，其耐磨壽命大大降低。所以DLC 膜在300℃以下具有良好的摩擦學性能，但是當溫度高于300℃時，其摩擦系數逐漸增大，這嚴重阻礙了DLC 膜在高溫條件下的應用。因此研究高溫下DLC 膜的熱穩定性及其摩擦學性能，對探究新型耐高溫的DLC 膜有重要意義。

2、DLC 膜高溫摩擦學性能的影響因素

　　DLC 膜是一種包含奇特碳矩陣的非晶結構薄膜，依照熱力學原理，非晶結構是不穩定的，它會隨著溫度的升高向穩定相石墨轉變，因此熱穩定性成為制約DLC 膜廣泛應用的一個重要因素。不同的制備、工況及實驗環境下，DLC 膜結構與性能不同，其高溫摩擦學性能也有較大差別。近年來為了確定DLC 膜可以穩定工作的溫度區域，國內外學者進行了一些研究，并取得了一定的成果。

　　2.1、DLC 膜的結構

　　不同結構DLC 膜的高溫摩擦學性能各不相同。Gharam通過對DLC 膜與319 號鑄造鋁合金構成摩擦副進行摩擦磨損實驗，研究發現隨著溫度的升高，DLC 膜的摩擦系數先減小后增大，而磨損率一直增加。當溫度為200℃時，DLC 膜表面形成氧化膜并有較多的H 鍵和H-O 鍵，能夠抑制滑動界面Al-C 鍵的相互作用，減少鋁轉移到DLC 膜，摩擦系數降低。當溫度達到400℃時，薄膜中H 鍵和H-O 鍵減少，薄膜C-C 鍵增多，另外C-O 鍵破裂導致氧化膜失效，導致摩擦系數升高。溝尹寧等[41]采用80 V DC 偏壓與1000 V 脈沖偏壓交替沉積的方法制備了C /C 多層DLC 膜，多層膜主要由高應力( 高sp3 含量) 和低應力( 低sp3 含量) 碳層交替沉積形成。研究表明:在400℃以下隨著退火溫度的升高， sp3 鍵含量逐漸降低， sp2 鍵含量逐漸上升，摩擦系數逐漸增大，但幅度都很小，證明多層DLC 膜在400℃以下具有良好的熱穩定性及高溫摩擦學性能。王永霞等在研究退火溫度對含氫碳膜結構及摩擦學性能的影響時發現: 在較低退火溫度( 300℃) 時，碳膜結構無明顯變化，摩擦系數略有增加，耐磨性增加; 當退火溫度為400 和500℃時，碳膜結構惡化，摩擦曲線波動程度增加，碳膜壽命縮短; 當500℃退火時碳膜結構嚴重變質，摩擦學性能極差。Miyake 等分別采用過濾陰極真空弧沉積( FCVA) 法和電子回旋共振化學沉積( ECR-CVD) 法制備了不同結構的DLC 膜，實驗發現: FCVA 法制備的DLC 膜在200 和300℃的真空環境下摩擦力是室溫下的3 倍; 而ECR-CVD 法制備的DLC 膜的摩擦學性能恰好相反，在100 和200℃時的摩擦力比在室溫下的摩擦力小很多。

　　2.2、摻雜

　　DLC 膜處于亞穩態，其結構在溫度大于400℃時就向類石墨結構轉變。這種轉變的主要原因是氫的損失導致結構的瓦解，成為主要由sp2 雜化鍵構成的鍵網。為了進一步改善和挖掘DLC 膜的耐高溫性能，在DLC 膜中摻入其它元素。研究表明在DLC 膜中摻入N、Si、金屬等雜質可以顯著降低內應力，提高薄膜的高溫摩擦學性能。Zou 等研究摻Cr DLC 膜的高溫摩擦學性能時發現: 未摻Cr 的DLC 膜在300℃時摩擦系數波動較大，當運行90 min 后薄膜失效; 摻Cr 的DLC 膜在300℃時摩擦系數仍較小( 約為0. 35) ，運行180 min 后薄膜仍具有良好的性能; 在400℃時未摻Cr的DLC 膜的摩擦系數極高，而摻Cr 的DLC 膜摩擦系數仍舊較低，且薄膜沒有失效; 說明DLC 膜中摻入少量Cr 能夠有效提高薄膜高溫摩擦學性能。崔錦峰等研究了基體溫度對摻氟DLC 膜的摩擦學性能，結果表明，隨著溫度逐漸升高到500℃，DLC 良好的摩擦學性能基本沒有改變，基體溫度為400℃時，薄膜的高石墨化使摩擦系數出現最低值0. 016; 當基體溫度為500℃時，摩擦系數仍比較穩定，摩擦系數保持在0.02 左右; 而到600℃時由于薄膜中sp2 鍵結構破壞，薄膜機械性能下降，導致摩擦系數驟增。Wu 等研究摻硅DLC 膜耐熱性時發現: 隨著DLC 膜中硅含量的升高，膜中sp3 雜化鍵增多，與未摻硅DLC 膜相比，硅使DLC 膜的結構變得穩定并抑制了膜向石墨結構的轉變，在300℃時無明顯氧化，直到600℃才開始轉變為石墨相。Camargo[47]在研究中也發現，當Si 含量增多時，DLC 膜石墨化進程緩慢，而且Si 含量大于15%的DLC 膜沒有石墨化跡象。同時，由于Si 原子核外有4 個未成鍵電子，使Si 原子代替了DLC 膜中的部分C 原子，DLC 膜中C-C 鍵結合變為Si-C 鍵結合，應力大幅下降。所以摻雜Si 不僅對DLC 膜的耐熱性具有改善作用，對降低膜內應力也有一定作用。吳鵬系統地研究了摻雜對DLC 膜的高溫摩擦學性能的影響。DLC 膜中Mo 的摻入，促使sp3 向sp2 轉化，硬度降低。在磨損過程中薄膜表面產生轉移膜，具有較低的摩擦系數。但當溫度達到262℃時DLC 膜發生碳化，DLC 膜耐磨性降低。DLC 薄膜中Si 的摻入，使薄膜中sp3 鍵含量增加，硬度增大，阻礙了轉移膜的形成，使DLC 膜的摩擦系數有所增大，但是Si 在高溫下能夠形成SiO2覆蓋在DLC 膜表面，阻止DLC 膜的進一步氧化，因此摻硅DLC 膜具有良好的耐磨性能。Si 和Mo 同時摻入DLC 膜中后，在實驗過程中轉移膜仍舊可以形成，但因少量Si 的摻入，轉移膜的形成時間推遲，當溫度到519℃時薄膜才發生微量的石墨化，此時DLC 膜的高溫摩擦學性能極佳。

3、DLC 膜高溫摩擦學設計中的關鍵問題

　　在DLC 膜的研究和使用過程中發現，DLC 膜在高溫摩擦學中最關鍵的問題是其熱穩定性較差，這個問題嚴重影響了DLC 膜在高溫摩擦學領域的廣泛應用。

　　目前改善DLC 膜熱穩定性的方法主要有兩種:

　　(1) 選擇合適的制備方法增加DLC 膜中sp3 鍵含量、減少氫含量以提高DLC 膜的熱穩定性。但高sp3 鍵含量的DLC 膜一般具有高的內應力，很難沉積較厚的膜層。

　　(2) 摻入Si、F 等雜質元素，改變DLC 膜內部結構，提高DLC 膜的熱穩定性。在兩種方法中元素摻雜是一個較為理想的方法，摻入Mo、Cr、F、N、Si 等雜質元素后，DLC 膜的內部結構和成鍵方式發生了改變，這有利于提高DLC 膜的熱穩定性，改善薄膜的高溫摩擦學性能，但元素摻入后DLC 膜其他性質( 如透光性、硬度、摩擦特性) 都受到了影響。因此，在面對不同的工作要求下，應綜合考慮各方面的影響因素，根據具體的性能要求選取合適的摻雜元素。目前將DLC 膜應用于高溫環境即提高其耐熱性同時保留其原有的優良性能仍然是一個難題。

4、DLC 膜高溫領域未來發展前景

　　21 世紀以來，我國載人航天工程、空間站等空間高技術領域發展迅速，在高真空、高溫等苛刻工況環境下，相對轉動零部件摩擦副間潤滑劑的選取非常重要，DLC 碳膜因其優良的摩擦學性能備受關注。在高真空環境下，摩擦副在摩擦過程中產生的熱量難以擴散，摩擦副表面熱量聚集，很容易達到400℃以上的高溫。而在此高溫條件下，DLC 膜極易向石墨結構轉變，阻礙了DLC 碳膜在高真空、高溫等苛刻工況環境下的廣泛應用。另外，航空、航天發動機高速軸承由于工作環境苛刻，傳統的流體潤滑和脂潤滑難以實施，優異摩擦學性能的DLC 碳膜便成為首選，在高速工況環境下，熱量擴散遠不及熱量的產生，其工作溫度易達到400℃，而造成DLC 膜失效。因此對高溫、高速、高真空等苛刻條件下DLC 膜高溫摩擦學性能研究刻不容緩，研究結果將有助于DLC膜應用于高溫、高速、高真空等環境下，為我國航空航天事業的發展提供重要的理論基礎。