随着现代工业的发展,机械设备的服役环境愈发严苛,对防护材料的综合性能要求也越来越高,单一某一性能的提高往往不能满足实际应用中的需求。特别是对于高端装备中轴承等关键运动零部件表面,兼具硬度、韧性及润滑特性,将有效减小摩擦磨损,降低能源消耗。基于薄膜技术改善基底性能是提高运动部件表面特性的有效手段,因此高硬、高韧、低摩擦、耐磨损薄膜材料的开发已成为表面工程领域的迫切追求。过渡族金属硼化物薄膜由于具有高的硬度、良好的热稳定性和高熔点等优异的性能,在机械防护领域受到了广泛关注。然而追求硬度提高时往往伴随韧性下降,如何使薄膜维持高硬度的同时兼具较高的韧性进而提高薄膜材料的可靠性是目前遇到的关键挑战。硼化钨随着硼的含量变化时,具有多种相结构且性能差异显著。因此,本论文以硼化钨薄膜为研究对象,通过对硼含量的控制进而优化微观结构。期望通过一步法构建由不同硼化钨相结构组成的纳米复合薄膜,通过调控两相比例实现力学性能的优化,并进一步研究该复合结构薄膜在大气环境下和基础油环境中的摩擦学行为。主要研究内容和结论如下:1.薄膜沉积工艺对硼化钨薄膜结构、力学和大气环境中摩擦学性能的影响。当固定衬底偏压为-60 V时,调控衬底温度从室温（RT）逐渐升高到400℃、600℃并达到800℃时,薄膜由非晶结构先后演变为单相W2B,W2B和WB2混相结构,并最终获得单相WB2。这一显著的结构变化诱发了材料力学性能的演变:伴随着沉积温度的升高,硬质相WB2逐渐成为薄膜主体相,因此薄膜硬度线性升高。当薄膜全部为WB2相（沉积温度为800℃）时,硬度达到最大值（34.31±1.56 GPa）。尽管如此,WB2薄膜在摩擦过程中快速剥落而失效。值得注意的是,当薄膜由W2B和WB2双相结构组成（沉积温度为600℃）时,展现出了较低的摩擦系数（0.47）和最低的磨损率(5.8×10-17m3/Nm)。接下来我们通过改变衬底偏压进一步优化双相硼化钨薄膜的结构和性能。随着偏压从0升高到-240 V,硼化钨薄膜中B/W的比值由1.2下降到0.8,与此同时,薄膜逐渐由W2B和WB2双相共存变为了W2B单相结构。但是,由于偏压增大导致薄膜压应力的增加以及B原子的固溶强化作用,薄膜硬度展现出了先上升后下降的趋势,从28.5±1.6 Gpa增加到32.7±1.9 Gpa,最后在-240 V时下降到25.7±1.1 Gpa。薄膜硬度在-120 V时到达最大值,此时由于薄膜中金属性更强的W2B相的比例升高,薄膜韧性也显著提高。最终,该薄膜也展现出了最低的摩擦系数（0.43）和超低的磨损率(5.2×10-18m3/Nm)。这一部分工作通过优化沉积工艺调控硼化钨薄膜中硬质相和韧性相之间的比例,实现薄膜强韧化的同时,在大气环境中获得了超低磨损特性。2.硼化钨薄膜在基础油中的摩擦行为及润滑机制。在第一部分研究的基础上,我们将经过结构优化的力学和摩擦学性能最好的硼化钨薄膜在新戊二醇二油酸酯（NPGD）油环境下进行摩擦实验,发现在宽载荷（1～9 N）的范围内,该薄膜经历10万圈的长时摩擦,均展现出了超低摩擦行为（摩擦系数远小于0.1）。尤其是在载荷为5 N、转速为3 cm/s的条件下,实现了公里级超滑（摩擦系数低至0.001）,并获得了6.31×10-20m~3/Nm的超低磨损率。薄膜实现超滑和超低磨损的主要原因是NPGD油分子链在摩擦过程中发生断裂,释放碳氢、羟基、烯基等基团并吸附在摩擦界面,形成钝化层,有效减少了摩擦副之间的直接接触。这一工作通过将具有优异力学和摩擦学特性的固体薄膜与具有润滑功能的基础油相结合,以固液复合润滑的方式实现了超低摩擦和超低磨损。更重要的是该方法有效取代了油润滑添加剂的使用,避免了环境污染等问题,为进一步探索和开发能够在免维护和环境友好条件下运行的固体润滑薄膜材料提供了数据基础和设计思路。