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随着现代工业的飞速发展,润滑材料将面临在更为复杂且严苛的环境（如水环境、海洋环境、高温环境和高真空环境等）中服役,而传统的润滑材料将不能满足实际应用需求。因此,开发兼具热力学稳定性、强抗氧化性、强化学惰性及高熔点等特性的新型润滑材料迫在眉睫,已成为本领域的研究重点。面对各种严苛环境,通过薄膜技术在基体表面沉积固体润滑涂层,以改善基体的表面状态降低摩擦系数,增强耐磨损性能,从而实现基材的长时稳定运行。过渡族金属氮（硼）化物涂层由于具有良好的力学性能、耐磨损、耐蚀性能和高温稳定性能,而受到越来越多的关注。但是过渡族金属氮（硼）化物涂层的高的摩擦系数限制了它们在润滑领域的实际应用。因此在本论文中,我们以过渡族金属氮（硼）化物涂层为研究对象,以掺杂为主要调控手段,研究了涂层的微观结构、界面结构和组织结构与物理化学性质的关系,并在纯水环境、海水环境和高温环境中开展了应用研究,最终实现涂层力学及摩擦学性能的提高。主要研究内容及结论如下:1.银（Ag）掺杂对氮化钼（Mo2N）涂层在水中的摩擦学性能影响研究。本研究中,通过向立方相γ-Mo2N中进行Ag掺杂（Ag含量为2.0-33.8 at.%）,调控出沉淀Ag嵌入Mo2N基体的Mo2N/Ag纳米复合涂层,同时沉淀Ag的含量将随着Ag含量的增加而增加。Ag含量的增加导致Mo2N/Ag涂层表面极性Ag含量及自发自氧化产物增加,导致涂层的亲水性增强。随着Ag含量从0 at.%增加到33.8 at.%,Mo2N/Ag涂层由固有的疏水性转变为亲水性,而Mo2N/Ag涂层的水接触角从91o逐渐降低到43o。值得注意的是,纯水环境Mo2N涂层的摩擦系数为0.45,随着银含量增加到33.8 at.%,摩擦系数线性下降到0.28。亲水性的增强导致摩擦系数的降低主要是由于Mo2N/Ag涂层的亲水表面会导致在纯水环境中摩擦时更容易形成“水膜”,而“水膜”中摩擦激活的润滑相胶体与正电荷重排形成的双电层共同作用最终实现涂层摩擦系数的降低。2.碳（C）掺杂对二硼化钽（TaB2）涂层在海水中摩擦学性能影响研究。在本部分工作中,我们向TaB2中逐渐掺入轻原子C（C含量为8.0-28.9 at.%）,最终构建了非晶C弥散分布在Ta-B-C基体中的纳米复合结构。纯TaB2涂层的硬度值为32.7±2.3 GPa。少量C（8.0 at.%）的掺入使得TaB2-C涂层硬度微量下降到31.6±2.3 GPa。当C含量增加到28.9 at.%时,非晶C增厚,纳米晶与非晶相界面间的强粘结力消失,TaB2-C涂层的硬度逐渐降低至19.5±0.6 GPa。我们对不同碳含量的涂层在人造海水中进行了耐腐蚀性能表征,含8.0 at.%C的TaB2-C涂层的Icorr(3.43×10-7 A/cm2)比纯TaB2涂层的Icorr(Icorr=3.83×10-6 A/cm2)下降一个数量级,说明含8.0 at.%C的TaB2-C涂层能更有效地抑制腐蚀。这是由于少量非晶C嵌入涂层中时,占据了孔隙和缺陷,使腐蚀性物质更难以渗透到涂层中。当C含量继续增加到18.9 at.%及以上时,涂层中非晶含量增加,这会导致涂层孔隙度指数恶化腐蚀性能(18.9 at.%C TaB2-C涂层的Icorr=8.24×10-6A/cm2)。在人造海水中的摩擦试验中,纯TaB2涂层的摩擦系数为0.5,含少量C（8.0 at.%）的TaB2-C涂层摩擦系数最低并且为0.3,随着C含量增加到28.9at.%,TaB2-C涂层摩擦系数上升到0.44。这证明了引入少量的非晶C可以防止腐蚀通道的形成和限制缺陷的扩张,降低了腐蚀与磨损的协同作用。此外,我们进行了藻类粘附行为表征,发现少量C的掺入会导致涂层粗糙度的降低,不利于藻类吸附,减少藻类淤积从而提升涂层的防污性能。3.Ag掺杂对钼铌氮（MoNbN）涂层在升温中摩擦学性能影响研究。我们制备了不同Ag含量的MoNbN-Ag涂层,引入少量Ag时（≤1.1 at.%）,Ag原子进入MoNbN晶格,形成了MoNbAgN固溶体;进一步增加Ag含量（6.5 at.%10.3at.%）,逐渐开始析出Ag形成MoNbN/Ag纳米复合涂层。这部分工作中我们重点研究了涂层在宽温域（室温RT-800℃）中的摩擦学性能并分析在不同温度区间里的摩擦机制。当温度从RT升温到600℃时,纯MoNbN涂层的摩擦系数从0.68±0.05缓慢减少到0.60±0.04,所有含Ag涂层的摩擦系数从0.6±0.05下降到0.10±0.03。随着温度继续上升至800℃,纯MoNbN涂层的摩擦系数急剧下降到0.29±0.04,所有含Ag涂层的摩擦系数维持在0.10±0.03。虽然在RT-800℃升温中,MoNbAgN固溶体涂层与MoNbN/Ag纳米复合涂层均有着比纯MoNbN涂层更低的摩擦系数,然而在不同温度区间,MoNbAgN固溶体与MoNbN/Ag纳米复合涂层则呈现了不同的摩擦学行为。在RT-450℃时,由于MoNbN/Ag复合涂层摩擦激活的润滑相更多,因此MoNbN/Ag复合涂层的摩擦系数最低。在450-700℃时,所有含Ag涂层产生的润滑相相近,这时涂层表面形貌主导了涂层摩擦系数的变化:与MoNbAgN涂层相比,MoNbN/Ag涂层的表面粗糙度更高,有效的润滑区域减少导致摩擦系数升高,因此MoNbAgN固溶体涂层的摩擦系数最低。在高温区域（700-800℃）,流体润滑效应成为了主要润滑机制,此时MoNbAgN和MoNbN/Ag涂层在高温下均呈现“熔融态”,因此摩擦学行为变得相似。