类金刚石碳基（Diamond-like carbon,DLC）薄膜一般由sp³-C键（金刚石结构）和sp²-C键（石墨结构）组成,属于亚稳无定形碳材料的一种。具有高硬度、高透过率、耐磨、耐蚀等优异性能,在航空航天、汽车、生物医药方面具有巨大应用前景。但因薄膜制备过程中高能粒子的连续轰击,导致薄膜存在残余应力高、膜/基结合力差、摩擦环境敏感性强等问题,这使其应用受到极大限制。大量文献研究证实,金属掺入类金刚石碳基薄膜中能显著降低内应力。但单一元素的掺杂,很难满足实际应用中复杂、多变、苛刻工况下的强韧、低应力、减摩等综合性能要求,因此,研究和发展高性能的DLC薄膜材料尤为迫切。通过双元金属掺杂,借助不同掺杂金属元素间的特性互补,是解决上述问题的有效途径。本文根据前期课题组理论计算研究,重点开展了Ti、Al共掺杂DLC（Ti/Al-DLC）复合薄膜体系的研究。首先,利用线性离子束成功制备了双元金属Ti/Al掺杂DLC薄膜,并通过改变气源、溅射电流、偏压实现了金属含量(Ti_{0-13.0 at.%},Al_{0-13.6 at.%})的调控。研究表明:随Ti、Al掺杂含量的增加,薄膜内应力和硬度都先下降后增加。当掺入少量金属时（Ti<10.1%、Al<4.8%）,薄膜中掺杂的金属主要固溶在非晶碳基质中,键角可凭借其发生扭转,形成释放应力的“枢纽”,导致薄膜内应力降幅高达约71%,而硬度仅损失18.4%;掺杂含量增多时,金属Ti与C反应形成纳米晶碳化物,此时薄膜为纳米晶/非晶复合结构,晶界增多,晶界的扩散或滑移成为残余应力释放的方式,在内应力降低的同时,硬质颗粒相碳化物的存在维持了薄膜的高硬度。但进一步增大金属含量,硬质碳化物晶粒尺寸长大、数量增加,导致sp³-C含量增加,使薄膜硬度和内应力均增加。为提高Ti/Al-DLC薄膜与不同衬底的适配性,在薄膜和不锈钢衬底间添加Ti、Al过渡层并研究了其对薄膜性能的影响。结果表明:过渡层的添加可有效降低内应力（1.03 GPa降低至0.25 GPa）,提高薄膜结合力（从60.5 N增加到67.2 N）。另外,添加过渡层后,划痕周围产生的裂纹数量和面积减少,薄膜表现出优异的承载能力。进一步研究添加过渡层的Ti/Al-DLC薄膜在大气和PAO环境下的摩擦行为。发现:薄膜在两种环境下均呈现出优异的摩擦性能。其中,在大气环境中,接触界面能够形成低剪切力的转移膜,导致薄膜具有较低摩擦系数0.05;在润滑油环境下,薄膜摩擦系数为0.11,磨损率2.68×10^-17 m³N^-1m^-1,耐磨性能优于大气环境中(1.56×10^-16 m³N^-1m^-1),这主要归因于对磨球上犁沟的存在,能够储存润滑油,在摩擦过程中产生液压油膜,避免了对磨副间直接接触,从而降低磨损率。最后,基于上述过渡层优化工艺,深入研究了大气环境下掺杂金属的DLC薄膜减摩润滑机理。发现溅射电流为2.5 A(Ti_{10.1 at.%}Al_{4.5 at.%})时,沉积的薄膜具有最低的摩擦系数和磨损率,分别为0.05和1.56×10^-16 m³N^-1m^-1。结构分析显示磨痕表面的石墨化程度高,对偶球磨斑上形成连续致密的转移膜。转移膜厚度约为3μm,且与本征薄膜微结构相比,转移膜发生明显偏析,形成以非晶碳为网络结构包覆大块金属团簇（主要是TiC和Al₂O₃）的特殊双相结构。在摩擦过程中易发生剪切滑移,有助于摩擦过程能量的释放,薄膜表面富集的金属碳化物或氧化物层可以防止O对碳基质的侵入和破坏,大大提高DLC薄膜的抗氧化性能,从而使薄膜获得优异的摩擦性能。