碳基薄膜固液复合润滑研究现状

文欣宇,陶彩虹,贾 倩,赖振国,张 斌,高凯雄*

（1.兰州交通大学 化学与生物工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中国科学院兰州化学物理研究所，中国科学院材料磨损与防护重点实验室，甘肃兰州 730000）

摩擦和磨损制约着机械系统的高可靠、长寿命服役，因此降低摩擦磨损是解决上述问题的有效途径．润滑剂被用以减小摩擦副的摩擦阻力，降低磨损．早在公元前，人们就使用动物油脂和其他液体作为润滑剂来降低接触部件的摩擦，诸如埃及金字塔的巨石运输和中国万里长城的建设等都用到了油脂和其他润滑液体［1］．润滑剂种类繁多，按照润滑剂的物理状态可分为液体润滑和固体润滑二大类．液体润滑具有可以进入摩擦副间隙，形成液压动力润滑，避免摩擦副直接摩擦的特性，且易于传热与散热，常用于机械部件润滑，是应用最广泛的润滑方式．固体润滑是指利用固体粉末、薄膜或整体材料，来减少做相对运动两表面的摩擦与磨损，保护表面免于损伤．

液体润滑和固体润滑存在各自的优缺点．液体润滑具有低摩擦磨损、低机械噪声、易于补充、去除磨损碎片的能力，但它对环境适应性较差，在某些条件下易挥发，承载能力有限．固体润滑具有优异的化学惰性、较高的机械强度和硬度，以及良好的减摩和耐磨性、环境适应性较好，但它散热性较差、易产生磨屑、无自我修复能力，摩擦系数一般高于液体润滑．因此，将固体（薄膜或者添加剂）和液体润滑材料相结合，通过协同效应将各自的缺点最小化，是润滑领域未来的发展趋势．

碳基薄膜（DLC）是高硬度与自润滑特性统一的固体润滑薄膜，由金刚石结构的sp3杂化碳原子和石墨结构的sp2杂化碳原子构成的非晶态薄膜，分为非晶碳（a-C）、四面体非晶碳（ta-C）、金属掺杂非晶碳、含氢非晶碳（a-C：H）、四面体含氢非晶碳（ta-C：H）、金属非金属掺杂含氢非晶碳薄膜．碳基薄膜是所有固体润滑薄膜中摩擦系数和磨损率最低的，具有极大的应用潜力，因此受到广泛关注．目前，碳基薄膜大部分工作环境仍与油有密不可分的联系．

对碳基薄膜固液复合润滑体系的研究进行了回顾，从碳基薄膜/油复合润滑、碳基薄膜/离子液体复合润滑、碳基薄膜/水复合润滑、碳基薄膜/润滑剂/纳米添加剂及摩擦过程中生成碳材料的特殊碳基材料复合润滑体系等几个方面对碳基材料固液复合润滑进行了综述，并且对未来的发展方向进行了展望．

1 碳基薄膜固液复合润滑

1.1 碳基薄膜/润滑油复合润滑

润滑油是最常见的液体润滑剂，被广泛的应用于汽车、机械等领域中，其可以有效地减少摩擦，保护机械系统及加工件不被磨损，此外还具有助冷却、防锈和缓冲等作用．碳基薄膜与润滑油复合润滑可以极大提升摩擦副之间的摩擦学性能，其机理如图1所示．从图1可见，DLC膜提供支撑层、高承载能力和减摩能力，而上层的液体润滑膜形成了防止摩擦表面直接接触并显著增强耐磨性的摩擦膜，从而提高了摩擦学性能．

图1 DLC与润滑油复合润滑的机理示意图［6］Fig.1 Schematic diagram of DLC and lubricating oil combined lubrication mechanism

聚α烯烃（PAO）具有高热稳定性，工作温度大于1000℃时仍可以保持较高的粘度且不易分解，被广泛当做润滑油使用．Velkavrh等人［2］考察不同粘度等级的PAO润滑油添加到a-C：H薄膜表面的摩擦行为，结果表明：在a-C：H表面上存在着较强的物理吸附油膜层，其能够极大降低薄膜在低速条件下的磨损，在低速运动时粘度对a-C：H薄膜表面几乎没有磨损；在高速运动条件下（大于0.17 m/s），低粘度PAO润滑油会导致a-C：H表面摩擦系数增大，高粘度PAO润滑油会减小a-C：H表面的摩擦系数，摩擦系数减小了约15%．

三羟甲基丙烷油酸酯（OA-TMP）具有优异的润滑性能，其粘度指数高、抗燃性好、水解稳定性好、闪点高、低挥发、低温特性好，可用于调配要求环保的液压油、链锯油和水上游艇发动机油．Okubo等人［3］研究发现：ta-C和OA-TMP组合应用，其表现出约0.01的超低摩擦系数；使用原子力显微镜研究了ta-C/OA-TMP的界面结构发现，超低摩擦ta-C/OA-TMP界面由一层厚的边界膜组成（图2），边界膜厚度从摩擦前的1.5 nm增加到摩擦后10 nm，这表明摩擦有助于OA-TMP在ta-C表面形成TMP边界膜，边界膜具有较高的分子密度可以支撑表面滑动，有效地减少了摩擦．

图2 涂覆OA-TMP的ta-C的FM-AFM Z-X频移映射图像［3］（a）摩擦前；（b）摩擦后Fig.2 FM-AFM Z-X frequency-shift mapping images of the worn ta-C surfaces immersed in OA-TMP（a）before friction；（b）after friction

多烷基化环戊烷（MACs）作为一种新型的空间液体润滑剂，由于其优异的粘度性能、热稳定性和极低的挥发性，被认为是目前空间技术中使用最多的全氟聚醚（PFPE）润滑剂的最佳替代品［4-5］．Liu等人［6］探讨和设计了碳基薄膜固液协同润滑来提高DLC在高真空下摩擦学性能的可能性，对比研究了碳基固液复合润滑系统、纯TiC/a-C：H膜和MACs润滑后的钢在高真空条件下的摩擦学行为，论证了碳基固液双相润滑薄膜的协同润滑机理．结果表明，碳基固液复合润滑系统可以显著提高基材的承载能力、抗磨能力和减摩能力，其磨损率仅约为1.5×10-8mm3/Nm，在高真空条件下摩擦学性能显著改善是由于TiC/a-C：H薄膜的固体润滑效应和液态MACs膜的边界润滑共同作用而形成的协同润滑机制．这种低摩擦系数、高耐磨性的高性能碳基固液双联润滑薄膜，将是广泛应用于空间的“理想”高级防护薄膜．

元素掺杂是最常用的改善碳基薄膜摩擦学性的手段．Tasdemir等人［7］比较了a-C：H，Gr-DLC和Si-DLC薄膜在边界润滑条件下在合成基础油中的摩擦学行为．如图3所示，元素掺杂后的a-C：H磨损率大大降低，但掺硅a-C：H的摩擦系数明显高于a-C：H，而掺铬a-C：H的摩擦系数略低于a-C：H薄膜，掺杂DLC薄膜的摩擦学性能因掺杂元素而异．拉曼光谱分析表明，只有非掺杂a-C：H薄膜表现出清晰的石墨化．因此，各种碳基薄膜固油复合润滑的整体低摩擦行为不能只用表面石墨化来解释，sp3杂化和氢含量对DLC薄膜在油润滑条件下的低摩擦更为关键．

图3 在PAO油中，四种不同的DLC薄膜的摩擦系数（a）和磨损率（b）［7］Fig.3 （a）Friction coefficients of four different DLC coatings in PAO oil and（b）wear rates of four different DLC coatings in PAO oil

DLC固油润滑无论是在大气还是在真空都表现出优异的摩擦性能，能够实现极低的摩擦系数和磨损率，摩擦系数甚至接近超滑（摩擦系数处于10-3量级或者更低的润滑状态）．但大部分润滑油由于流体阻力，摩擦系数反而不如碳基薄膜的润滑效果．一些润滑油在高强度工况下易产生气泡，破坏固油复合润滑体系的相互作用，甚至加重机械部件的磨损．此外，如何选择合适的掺杂元素来有效提升需求的摩擦学性能及双元素或多元素掺杂碳基薄膜固液复合润滑体系仍缺乏系统研究．

2.2 碳基薄膜/离子液体复合润滑

离子液体（ILs）是熔点低于室温的离子盐，由相对较大的有机阳离子和弱配位的无机阴离子组成．它们的物理和化学性质可以通过改变离子盐溶液的阳离子、阴离子或其组合来调整．与其他液态润滑剂相比，ILs润滑剂具有更高的分解温度和更低的运动粘度，更适用于在多种复杂工况下应用．Feng等人［8］设计了Ti-DLC/1烷基3辛基咪唑六氟磷酸盐（L-P801和L-P804，结构如图4所示）固液复合润滑系统，润滑系统表现出优异的减摩性能，摩擦系数可以稳定维持在0.06～0.07之间．

图4 L-P801及L-P804离子液体的分子结构［8］Fig.4 Molecular structure of ionic liquid of L-P801，LP804

Arshad等人［9］研究了边界润滑条件下钨掺杂类金刚石（W-DLC）薄膜与ILs润滑剂的相互作用，三种磷酸盐基ILs中分别含有两种有磷酸二甲酯阴离子和水解磷酸三氟酯阴离子．在摩擦学试验中，在10 N和100℃条件下三种ILs均可达到低摩擦（摩擦系数为0.024），相比之下含有三氟磷酸盐离子的ILs在所有ILs中性能最差．表面分析表明：含磷酸二甲酯的ILs热分解为磷酸自由基，与W-DLC表面相互作用形成磷酸基摩擦膜，该摩擦膜易于剪切，从而减少摩擦；然而，三氟磷酸盐阴离子热稳定性较高，在W-DLC表面没有形成摩擦膜，因此表现的摩擦性能较差．

Yan等人［10］研究了Cr-DLC涂层在两种不同ILs（LAB103和LB104，其结构如图5所示）润滑条件下的力学性能和摩擦学性能．结果表明：LB104的抗磨性能优于LAB103，这是由于C=C组织导致LAB103的抗剪切性能较差；相比之下，LB104的吸附膜较为稳定，且由于其高极性，LB104中的阴离子更容易与钢球反应生成氟化物，可进一步减少磨损；而LAB103则展现出更低的摩擦系数，这是由于LAB103粘度较高，形成的转移膜更厚、更有序．

图5（a）ILs的结构组成，（b）LAB103的阳离子，（c）LB104的阳离子和（d）ILs的阴离子［10］Fig.5 （a）Structural composition of ILs（b）cation of LAB103，（c）cation of LB104 and（d）anion of ILs

Liu等人［11］设计了DLC/ILs（3-己基-1-甲基六氟磷酸）固液润滑体系，在模拟真空环境研究了原子氧（AO）、紫外（UV）、质子和电子辐照对DLC/ILs固液润滑薄膜的组成、结构、形貌和摩擦学性能的影响．拉曼和红外的结果表明，AO、质子和电子辐照改变了DLC薄膜的结构（图6），导致了DLC薄膜的表面氧化和薄膜中sp2/sp3增加（表1）．辐照会引起ILs润滑剂的键断裂和交联反应，导致ILs润滑剂的颜色、状态、溶解度以及润湿性均发生改变．除AO辐照外，DLC/ILs固液润滑薄膜的摩擦系数在辐照后虽有所下降，但由于辐照的损伤，辐照后的磨损率大于辐照前的磨损率．

表1 辐照前后DLC薄膜的C==C峰位置及sp 2/sp 3［11］Table 1 Comparison of the C==C peak position and sp 2/sp 3 of the DLC films before and after the irradiations

图6 辐照前后样品的拉曼光谱（a）和FTIR-ATR光谱（b）［11］Fig.6 Typical Raman spectra（a）and the FTIR-ATR spectra（b）of specimens before and after irradiation

离子液体的引入可以有效的提高摩擦学性能，DLC/ILs复合润滑体系对于提高在苛刻条件下服役的机械运动部件的摩擦学性能具有指导意义和广泛的应用前景．

2.3 碳基薄膜/水复合润滑

机械设备中油润滑系统的常规使用存在泄漏、火灾风险和环境负荷等环境损害的缺点．虽然水润滑系统可以消除这些缺点，但润滑性能较差，为了提高其润滑性能研究人员针对碳基薄膜/水复合润滑展开了一系列研究．

Ronkainen等人［13］研究了不同DLC薄膜在水复合润滑条件下的摩擦磨损性能，真空电弧放电沉积的a-C薄膜在水润滑条件下具有良好的耐磨性，a-C：H薄膜在水中磨损严重，掺杂和多层结构的使用可以提高a-C：H薄膜的耐磨性，其中硅掺杂a-C：H薄膜的摩擦磨损性能最好．Zhang等人［14］深入研究了DLC薄膜在水润滑下的摩擦学行为，水润滑下的a-C：H，a-C：H：W，a-C：H：Si和ta-C薄膜均表现出较低的摩擦系数和优异的耐磨性．采用物理气相沉积（PVD）和阴极电弧离子电镀沉积的DLC薄膜比化学气相沉积（CVD）法沉积的DLC薄膜摩擦系数高且不稳定，而采用PVD和阴极电弧离子镀沉积的DLC薄膜比采用CVD沉积的薄膜具有更好的耐磨性．

相较于碳基薄膜固体润滑，水的加入在一定程度上可以有效提高摩擦体系间的摩擦学性能，但含氢碳基薄膜中氢的存在使薄膜对湿度敏感，反而会使摩擦系数增大，磨损增加，元素掺杂通过改变薄膜的键合结构，可以有效改善这一负面影响．此外，薄膜的沉积方法对DLC薄膜的摩擦学性能也有很大影响．

2.4 碳基薄膜/润滑剂/纳米添加剂复合润滑

由于现有添加剂和油的反应性低，研究人员通过在液体中添加具有良好固体润滑特性的二维材料，形成固液复合润滑性系统来改善性能．

氮化硼（BN）具有较高的润滑性，适合作为固体润滑添加剂．在摩擦产生的摩擦电子的冲击下，硼酸盐分子被分解和重组，在接触表面形成摩擦膜．作为一种非常有前途的润滑剂，层状结构中的六方氮化硼粒子与相对运动方向平行排列，从而在滑动界面提供低摩擦．Zeng等人［15］将纳米BN颗粒加入到DLC/PAO6润滑系统中发现，纳米BN显著改善了边界润滑条件下的润滑行为，浓度为1.0%纳米BN颗粒添加到DLC/PAO6润滑系统中后，摩擦系数更是降低到0.001，实现超低摩擦系数的原因是BN颗粒作为纳米尺度球轴承减少了摩擦接触面积，以及摩擦表面的弱范德华相互作用力的内部滑动．

MoS2具有高表面惰性，因此它们在化学上是非反应性的，不会产生有害的排放物，为新型绿色润滑技术提供了可能性．Kalin等人［16］在PAO油中加入MoS2纳米管显著改善了DLC薄膜和钢表面边界润滑和混合润滑状态下的摩擦性能．用含MoS2纳米管的PAO润滑油对DLC薄膜接触界面进行润滑，与只使用PAO油相比摩擦系数减少了50%，摩擦系数的降低是基于接触中存在MoS2纳米管基摩擦膜．如图7所示，摩擦膜可以通过将薄的MoS2纳米颗粒粘附到表面或由致密的纳米管聚集体组成的厚的、不连续的边界膜的形式形成．鉴于其优异的摩擦学性能，可以认为MoS2纳米管与DLC薄膜的结合提供了一种新颖的绿色润滑方案．

图7 二硫化钼摩擦膜的形成［16］（a）MoS2纳米颗粒粘附到表面；（b）由纳米管密集聚集而成的一种厚的、不连续的边界膜Fig.7 Formation of friction film of molybdenum disulfide（a）adhesion of MoS2 nanoparticles to the surface；（b）a thick，discontinuous boundary film composed of dense aggregates of nanotubes

石墨烯（Gr）由于其优异的力学强度和层状结构使其在摩擦学应用方面具有十分重要的潜力．Kogovšek等人［17］研究了Gr作为添加剂的润滑行为．研究表明，Gr作为基础油的添加剂，可以使DLC/DLC摩擦副的摩擦系数减少50%，摩擦减少是基于表面形成的片状摩擦膜的物理效应．Zhang等人［18］在高真空环境下，研究了添加Gr的ILs对DLC薄膜摩擦磨损行为的影响．结果表明，由于石墨烯在低施加载荷下被分解成小块，而在高载荷下Gr堆叠形成摩擦膜，从而分离两个接触面，因此Gr纳米颗粒在高载荷下具有优异的摩擦学性能．

Xu等人［19］研究了PAO油润滑条件下氧化石墨烯（GO）浓度对DLC摩擦学行为的影响．与纯PAO油相比，加入0.003%的氧化石墨烯时，体系的减摩性能和耐磨性能分别降低了38.4%和23.5%．然而，当GO浓度进一步增加时，COF和磨损速率均增加．如图8所示，当使用纯PAO油润滑时，GCr15钢球与Ti/Al-DLC薄膜直接接触产生高赫兹接触应力，导致油膜迅速坍塌．在PAO油中加入GO加剂，由于界面石墨化作用和接触表面GO转移膜的形成，薄膜的摩擦率和磨损率都得到降低．在高GO浓度下，GO分散的PAO油的均匀分布被破坏，过量的GO促进了严重的团聚，这导致了粗糙度的增加以及接触表面表面的交联作用，加剧了摩擦表面和PAO油的滑动阻力．

图8 氧化石墨烯诱导的润滑机理示意图［19］Fig.8 Schematic of the GO-induced lubricating mechanism

Li［20］利用反应分子动力学模拟比较了G、富勒烯（C60）和碳纳米管（CNT）添加剂在a-C界面上的摩擦依赖性．与无添加剂情况相比，在基础油中（C8H16）添加G及C60会导致摩擦系数分别下降了90%和76%，可以作为与a-C固体膜复合的有效油基添加剂应用．如图9所示，在a-C/C8H16/G体系中，G与a-C表面结合形成保护膜不仅改善了表面粗糙度，而且屏蔽了a-C悬挂键对基础油的强烈约束，使得复合润滑系统中的摩擦系数显著降低．C60可以作为一个微型轴承通过滚动润滑表面，但C60与a-C表面的交联限制了a-C的滑动和基础油的水动力效应．a-C表面与CNT之间的强化学键导致纳米管结构的剧烈塌陷，导致摩擦系数的增加．此外，基础油中添加剂的含量也与润滑效率有关，每种添加剂的过量都伴随着摩擦系数的增大，这主要是由于添加剂之间的堆积以及添加剂与a-C两种表面的化学作用加剧所致．

广东农垦是全国农垦创建最早的垦区之一，走过了68年的光辉历程。近年来，广东农垦按照垦区“十三五”规划的既定目标，以推进垦区供给侧结构性改革为目标，坚持聚焦主业、稳中求进、防控风险的工作基调，加快打造国际化的大型现代农业企业集团，垦区各项工作取得了新进展、新成效。为了宣传广东农垦改革发展方面的经验和做法，促进垦区之间学习交流，日前，《中国农垦》编辑部（以下简称“本刊”）书面采访了广东省农垦集团公司（广东省农垦总局）党组书记、董事长（局长）陈少平。

图9 不同添加剂（G，C60和CNT）的自配a-C@C8H 16体系的形态（灰色、蓝色和红色分别代表来自a-C、基础油和添加剂的C原子，白色代表H原子，绿色是a-C材料的表面网格）［20］Fig.9 The morphology of the self-prepared a-C@C8H 16 system of different additives（G，C60 and CNT）（where gray，blue and red represent the C atoms from A-C，base oil and additive respectively，white represents the H atom，and green represents the surface grid of A-material）

二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）是一种成本低、应用广，且具有抗氧化、抗腐蚀和抗磨损的多效添加剂，而二硫代氨基甲酸钼（MoDTC）添加剂对钢和类金刚石（DLC）表面都具有优异的减摩性能．Fu［21］等人研究了润滑条件下ZDDP和MoDTC的引入对DLC薄膜摩擦系数和磨损率的影响，结果表明：在PAO4中加入ZDDP可以轻微降低DLC薄膜的摩擦系数，提高DLC薄膜的耐磨性；在PAO4基础油中加入MoDTC（二硫代氨基甲酸钼）使DLC薄膜的摩擦系数降低到0.07，但增加了DLC薄膜的磨损率．随后，Masuko［22］研究也证实了用MoDTC配方油润滑的含氢DLC表面的磨损加速．为了最大限度地减少空间机械系统的摩擦和磨损，Li等人［23］通过在DLC薄膜上涂覆液体润滑剂和混合润滑脂（ZDDP/MoDTC混合MACs润滑脂）发现，在高真空条件下润滑剂显著降低了DLC膜的摩擦磨损．混合润滑脂不仅表现出优异的润滑性能，而且有效提升了DLC膜的摩擦学性能，表明在低载荷下DLC基复合体系的优异摩擦学性能取决于DLC与流体膜的协同作用，在高载荷下DLC基复合体系具有摩擦化学反应膜的协同作用．

为了克服固液润滑系统中传统添加剂与DLC薄膜的不匹配，Zhang等人［24］用Cu纳米粒子修饰了双异辛基二硫磷（NPCuDDP），并将其作为DLC/PAO固液复合润滑系统的纳米添加剂，研究了NPCuDDP对DLC薄膜硬度和组成的摩擦机理和适应性．研究发现，纳米添加剂NPCuDDP显著降低了DLC/PAO固液复合润滑系统的摩擦系数，使DLC薄膜的磨损率比ZDDP或无任何添加润滑剂降低2～3个数量级．如图10所示，纳米添加剂NPCuDDP的引入克服了ZDDP摩擦膜的形成对DLC薄膜强度的依赖，以及ZDDP摩擦膜的高强度带来的高摩擦的缺点．因此，纳米添加剂NPCuDDP有望取代传统的小分子添加剂，成为DLC薄膜固液润滑系统的高效特种润滑油添加剂．

图10 NPCuDDP在四种DLC/PAO固液润滑系统摩擦机理示意图［24］Fig.10 Friction mechanism diagram of NPCUDDP in four types of DLC/PAO solid-liquid lubrication systems

综上所述，MoS2，Gr和BN等二维材料被认为是良好的润滑添加剂，可以有效的降低摩擦系数，ZDDP和MoDTC等也对DLC薄膜的摩擦磨损形成了不同的影响．为了满足更广泛的应用，需要性能更好的润滑添加剂来进一步降低摩擦，减少磨损．

3 新型复合润滑体系

3.1 新型润滑表面设计

为了提高碳基薄膜固液复合润滑的摩擦学性能，研究人员进行了各种尝试，其中表面织构是表面改性常用的方法之一，能够改善机械运动部件摩擦学性能的机理主要是其作为储层来保持润滑剂和磨屑，磨屑作为微轴承来增强润滑效果，从而改变界面润湿行为及减少滑动副之间的实际接触面积．

He等人［25］原位制备了织构DLC薄膜，研究了密度为39%，52%和58%的织构DLC薄膜在油润滑条件下的摩擦学行为（图11）．从图11可见，表面织构发挥了储存磨屑和润滑油的双重作用，磨损表面石墨化织构层与液体润滑膜结合而形成了固液复合润滑系统，其显著提升了样品的摩擦学性能．Song等人［26］设计了织构a-C/ILs复合润滑系统，并研究了其真空摩擦学性能．结果表明：在真空中a-C膜和织构a-C膜均具有较短的磨损寿命，添加ILs后a-C/ILs膜和具有织构的a-C/ILs膜的摩擦学性能均有显著改善，与a-C/ILs膜相比具有织构的a-C/ILs膜在真空环境中的摩擦系数和磨损率较低；在高真空条件下，由于碳膜与ILs层的固体润滑相结合的协同润滑机制的作用，使a-C/ILs膜的摩擦性能显著提高．

图11 复合润滑条件下未织构（a）和织构试样（b）的摩擦磨损机理示意图［25］Fig.11 Friction and wear mechanism of untextured（a）and textured samples（b）under composite lubrication conditions

Cai［27］将Gr纳米粒子分散在合成油基润滑剂中，研究了石墨烯纳米粒子作为润滑添加剂减少磨损方面的有效性．同时结合表面织构，将纯PAO4和PAO4+0.01%Gr作为润滑剂进行了比较．结果表明：在60和100℃下，Gr基油有效地降低了摩擦和磨损，而在纯PAO4油润滑下未织构表面获得了较低的摩擦系数和磨损率；随着织构面积比的增加，摩擦系数和磨损率在25和150℃时下降，但在60和100℃时增加；在Gr基油润滑下，5%面积比的织构表面在所有测试温度下测试的面积比中达到最低的摩擦系数；在Gr和织构的共同作用下，10%面积比的织构表面在所有织构表面中表现出最佳的抗磨性能．

表面织构技术在提高机械部件承载能力、降低摩擦、减小磨粒磨损及延长工件的使用寿命等方面表现出了很大的潜力，将其与液体润滑剂复合润滑应用于机械摩擦系统具有重要的意义，是未来碳基薄膜固液复合润滑走向工程应用及航空航天的重要方向．

3.2 摩擦生成碳材料

过渡金属氮化物因其高硬度、高耐磨性和良好的化学稳定性被广泛应用于表面保护，结合催化性金属在摩擦过程中催化润滑油生成碳基薄膜，可以有效提高润滑系统的摩擦学性能．Erdemir［28］比较了MoN-Cu薄膜与未镀膜的52100钢试验在PAO10和完全配方5W30油（其中包含ZDDP和一系列其他添加剂）中的摩擦系数，该润滑系统极大地提高了摩擦副之间的耐磨性．第一性原理分子动力学（AIMD）模拟结果表明，MoNx膜可提供强抗磨保护，嵌入在薄膜中的纳米Cu离子暴露在滑动表面，通过催化作用分解基油分子，脱氢并打破线性烯烃成短链碳氢化合物，脱氢的短链碳氢化合物重组成核形成碳基薄膜，可以对机械部件起到润滑作用，如图12所示．这项研究为创新润滑材料研发开辟了新的可能性．

图12 由第一性原理分子动力学（AIMD）模拟推断的MoN x-Cu形成摩擦膜的原子机制［36］Fig.12 Atomistic mechanism of tribofilm formation by MoN x-Cu，deduced from ab initio and reactive molecular-dynamics simulations

基于上述研究，Liu［29］构建了TiN-Ag/PAO固液复合润滑系统，其表现出了较低的摩擦和磨损并生成了碳基薄膜．合成的TiN-Ag固溶体膜具有高催化性能和超硬机械特性，是一种独特的优良润滑材料，可广泛应用于各种设备和机械设备中以适应不同环境的运行．生成的碳基摩擦膜可以在不添加任何添加剂的催化活性薄膜表面上，通过从基础油分子解离萃取形成，使基础油既提供润滑流体又提供固体摩擦膜．Argibay等人［30］发现室温下在摩擦试验过程中可以通过Pt-Au合金催化进行原位摩擦化学反应，反应中摩擦副通过催化作用从周围的碳氢化合物、简单的醇和烷烃中提取碳元素并形成DLC薄膜，这些薄膜由DLC和Pt-Au纳米颗粒的混合物组成，在1.1 GPa的应力下滑动了多达100 K循环后薄膜仍存在并表现出了极好的耐磨性．

二维材料黑磷（BP）具有弱层间相互作用、各向异性层状结构、良好的热稳定性、可调谐带隙和高载流子迁移率，可用于气体传感器、可饱和吸收体、电子学、光电子学和生物医学［30-38］．Tang等人［39］在PAO6油中加入微量Ag/BP纳米材料，在滑动过程中由于Ag/BP纳米材料的沉积，摩擦界面上产生了物理保护膜，同时摩擦界面的摩擦化学反应导致碳基膜的形成，提升了材料的摩擦学性能．

这种形成摩擦催化碳基薄膜的路线在工程应用中具有非凡的用途．但纳米添加剂通常为贵金属，成本往往令人望而却步．研究发展其它纳米添加剂摩擦催化生成碳基薄膜，提高机械组件性能势在必得．

4 总结与展望

碳基薄膜自60年前被首次报道以来，由于其高硬度与自润滑性，受到了人们的广泛研究，并在制备工艺、不同环境下的性能等方面得到了长足的进步，但也存在自身相应的限制．通过协同效应将碳基薄膜以及液体润滑剂的优点相结合，构成的固液复合润滑系统可以有效降低摩擦磨损，极大提高润滑材料的应用范围．

对碳基薄膜固液复合润滑体系的的研究进行了回顾，从碳基薄膜/油复合润滑、碳基薄膜/离子液体复合润滑、碳基薄膜/水复合润滑、碳基薄膜/润滑剂/纳米添加剂、新型表面设计和摩擦过程中生成碳材料的特殊碳基材料复合润滑体系几个方面，对碳基薄膜固液复合润滑进行了综述．碳基薄膜固液复合为机械部件实现全工况、长寿命服役提供了巨大潜力，其未来的发展趋势在于以下几点．

（1）降低成本，通过优化碳基薄膜的制备工艺提高薄膜与机械部件的结合力、增强机械部件上薄膜的均匀性，实现薄膜在机械部件有效部位的全覆盖．

（2）研究发展绿色环保的高性能、低环境敏感性的液体润滑剂．

（3）探索新型润滑添加剂，如金属催化性添加剂，实现固液复合润滑体系服役时添加剂催化液体润滑剂对碳基薄膜进行补充．

（4）丰富不同摩擦副之间的固液复合润滑体系．

（5）深入研究固油复合润滑机理，测试固液复合润滑体系在不同工况下的性能，以便更好的设计和选择合适的固液复合润滑体系．

总之，固液复合润滑系统具有广泛的应用前景，为降低摩擦磨损提供了巨大的潜力，可能是未来研究发展的主要方向．