非晶碳基薄膜（Amorphous carbon films,a-C）具有高硬度、低摩擦系数、优异的耐磨性以及良好的化学稳定性等优点,已作为保护膜在航空航天、工程机械、电子信息和医疗器械等诸多领域得到广泛应用。由于服役工况条件复杂,a-C薄膜常常会承受微纳米尺度下的动态接触,如纳米摩擦、微动损伤和粒子冲蚀等,易导致薄膜的局部损伤与失效,丧失对零件的保护作用,严重时甚至发生零件的失效,因此,开展微纳米尺度下a-C膜的动态损伤行为及机理研究具有重要的现实意义和科学价值。然而,当前常用实验方法难以兼顾微纳米尺度和动态接触的两方面要求,例如,对薄膜摩擦学行为研究常常以长行程的滑动摩擦为主,对力学性能的表征常以准静态纳米压入为主,导致难以准确评价微纳米尺度下薄膜的摩擦失效机制和动态力学性能。近年来,微动磨损与纳米冲击表征手段在研究薄膜微纳米尺度动态接触方面表现出突出的优势。其中,微动磨损可评价极小振幅相对运动（一般<300μm）下材料的损失,已得到越来越多的应用;纳米冲击具有纳米级位移分辨率和高应变速率的优势,被用于快速定性评估薄膜在冲击条件下的性能高低,尤其在评价薄膜冲击疲劳方面得到广泛应用,但是对于纳米冲击物理过程与机制的认识仍较为薄弱。因此,本论文针对非晶碳基薄膜在服役环境中面临的微纳尺度动态接触损伤与失效问题,采用物理气相沉积技术制备了多种厚度、结构与组分的非晶碳膜,系统研究了载荷、气氛等实验条件对其纳米摩擦和微动磨损性能的影响规律,探讨了摩擦磨损失效机制;另一方面,采用纳米冲击方法研究了薄膜的冲击疲劳损伤现象与机理,进一步系统分析了单次纳米冲击实时接触深度变化,建立了相应物理模型,此外,并提出了基于能量分析的动态力学性能（动态硬度、动态韧性）评估方法。具体研究内容如下:（1）纳米摩擦行为。采用闭合场非平衡磁控溅射技术制备了类石墨薄膜（GLC）,研究了膜厚对其微观结构、力学性能以及纳米摩擦学性能的影响。结果表明GLC薄膜中sp²碳原子含量、表面粗糙度和内应力随膜厚增加而提高,薄膜硬度则呈现降低趋势。摩擦系数曲线表明GLC薄膜在低接触载荷（200-1000mN）和较短的滑动位移（500?m）下的摩擦过程分为三个阶段:初始阶段、波动阶段以及稳定磨损阶段,其磨损机理主要为磨粒磨损。受自身硬度的影响,薄膜在稳定阶段的摩擦系数随膜厚的增加而提高;当法向载荷提高时,薄膜摩擦系数和比磨损率呈下降趋势。（2）微动磨损行为。基于偏压梯度设计方法,制备了成分结构梯度变化的GLC薄膜,与固定沉积偏压制备的GLC薄膜（常偏压模式）进行了对比研究,分析了其成分、结构、力学性能与微动磨损行为的变化规律。结果表明,虽然两类偏压设计的薄膜拥有相近的表面硬度,但是偏压梯度GLC薄膜具有更加优异的界面结合性能,微动磨损结果显示了由于梯度设计薄膜的独特微观结构和优异力学性能,大幅度降低了其摩擦系数,提高了疲劳寿命。机理分析表明,GLC薄膜的微动磨损过程可分为表面工作区域、中间层过渡区域以及薄膜完全失效区域三个阶段,分别对应于石墨状转移层形成、薄膜断裂与剥离、以及基体的暴露。（3）冲击疲劳行为。采用多次冲击技术对超薄纳米尺度四面体非晶碳基薄膜（ta-C,≤80nm）和微米级a-C和a-C:H薄膜（².8?m）进行冲击疲劳以及断裂机理研究。ta-C薄膜的纳米冲击结果表明,在低冲击载荷下,80nm厚ta-C薄膜仅在膜内出现剥落,Si基体保持完好,然而5nm厚ta-C薄膜的冲击深度高于Si基体样品,且基体发生断裂,其原因可能是由超薄薄膜较低的均匀性,以及聚集粒子导致的应力集中产生;在高冲击载荷下,两种ta-C薄膜的Si基体都出现了断裂,但冲击抗力远高于Si基体,表明ta-C薄膜的高硬度和承载能力延缓了Si基体的相变和裂纹萌生,提供了良好的冲击保护,且薄膜越厚,效果越显著。对厚a-C和a-C:H薄膜采用高冲击能量的多次微冲击实验,结果表明在冲击作用下a-C:H薄膜结构中的sp³碳原子会向sp²转变,而a-C薄膜的结构基本保持不变;相较于a-C:H,a-C薄膜具有更高的抗冲击开裂的性能,可能归因于其更高的结构稳定性和界面结合强度。（4）动态力学性能。采用单次纳米冲击定量分析了GLC和CrN硬质薄膜的动态接触过程。研究发现,完整的冲击过程包括加速、压入、反弹和减速四个过程。基于能量分析方法计算了GLC薄膜的动态硬度,结果高于准静态条件下的纳米压入硬度值,其原因可归结于薄膜的应变速率敏感性以及塑性变形吸收功的误差干扰。对CrN薄膜的冲击过程中发现,冲击曲线上出现短小的“平台”,对应薄膜中裂纹的产生,采用压痕断裂韧性计算模型评估了薄膜动态断裂韧性(2.75-7.74 MPa·m^1/2),与文献报道的结果具有可比性。