微纳机电系统(MEMS/NEMS)具有体积小、质量轻、能耗低、集成度高和智能化程度高等特点,在生物医学、航空航天、军事和工农业等领域具有广阔的应用前景。MEMS/NEMS中构件尺寸处于微米甚至纳米量级,接触副间易发生摩擦及粘着等现象,严重影响了系统运行的可靠性。MEMS/NEMS表面润滑问题的研究主要集中在与基底结合力强、摩擦性能良好的润滑薄膜。自组装膜(SAM)具有性能稳定,摩擦系数低,厚度薄,与基底具有较强结合力等特点,为解决MEMS/NEMS摩擦磨损问题提供了有效途径,但现常用的有机硅烷SAM存在承载能力低和耐磨性较差等问题,限制了其在MEMS/NEMS的应用。迫切需要发展新型自组装润滑薄膜,以满足MEMS/NEMS工况条件下的使用要求。本论文基于稀土(RE)元素和碳纳米管(CNTs)独特的物理化学性质,运用自组装技术在硅基体表面制备了具有优异减摩耐磨性能的RE改性CNTs复合薄膜(简称CNTs/RE复合薄膜),有效提高了复合薄膜的界面结合强度,改善了硅基体的摩擦学性能,取得了原创性的研究成果。第一,研究了CNTs的表面改性新技术,获得RE处理CNTs最佳工艺方法。利用RE元素与磷酸化氨基硅烷薄膜(APTES-SAM)表面的含氧官能团发生化学键合,在硅基体表面制备了CNTs/RE复合薄膜,研究了组装温度、组装时间、RE改性CNTs分散液浓度、RE改性剂浓度以及pH值等因素对复合薄膜成膜的影响规律,确定了复合薄膜的最佳制备工艺方法。通过X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)等分析手段,表征了CNTs/RE复合薄膜的表面形貌及化学组分,阐明了其成膜机理。第二,从热力学角度研究了RE在CNTs/RE复合薄膜中成膜的理论依据和自组装机理。化学反应热和薄膜表面自由能计算可知,镧与磷酸化APTES-SAM表面含氧官能团结合后,薄膜的自由能变为负值;RE元素降低了磷酸化APTES-SAM的表面自由能,证实了RE自组装过程的自发性。利用Materials Studio软件模拟了RE在复合薄膜中的自组装过程,也证明了RE与含氧官能团的化学键合是自发进行的。第三,在多功能微摩擦磨损试验机上系统地研究了CNTs/RE复合薄膜的宏观摩擦磨损性能。探讨了复合薄膜的摩擦系数及磨损寿命随RE改性剂浓度、组装时间、载荷和速度的变化规律,建立了复合薄膜的摩擦磨损模型。结果表明:CNTs/RE复合薄膜具有优异的摩擦磨损性能,这主要是由于RE元素与基体表面含氧官能团的化学键合增强了薄膜间的界面结合强度,而CNTs的组装提高了薄膜表面的承载能力和减摩耐磨能力,从而显著改善了基体的摩擦磨损性能。第四,运用原子力显微镜(AFM)研究了CNTs/RE复合薄膜的纳米摩擦学性能。探讨了载荷、滑动速度、空气湿度、温度等因素对复合薄膜表面粘附力和摩擦力的影响规律,研究了法向载荷、摩擦循环系数、滑动速度以及移动步距等参数对复合薄膜表面磨损深度的影响并建立了复合薄膜的纳米磨损模型。结果表明,复合薄膜的摩擦力及粘附力值低,耐磨性能强,有效增强了硅基体的纳米摩擦磨损性能。本论文在硅基体表面制备了具有优异减摩耐磨性能的CNTs/RE复合薄膜,确定了CNTs/RE复合薄膜的最佳制备工艺方法,研究了复合薄膜的摩擦学性能并阐明其摩擦磨损机理。本论文的研究成果为解决MEMS/NEMS接触副表面摩擦磨损问题提供了一条有效途径,拓展了RE和CNTs在摩擦学领域的应用范围,为CNTs纳米薄膜技术在MEMS/NEMS领域中的应用提供了试验依据和理论基础。