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从提高钻探机具摩擦副的耐磨损性能出发,利用摩擦学薄膜设计和气相沉积技术对低能粒子沉积硬质润滑薄膜进行了基础研究。采用低能粒子沉积制备出多种重要的硬质润滑薄膜,探讨了低能粒子沉积、薄膜结构和综合摩擦学性能及其内在关系,考察了低能粒子对薄膜结构和性能的影响。
利用复合表面改性技术在1045钢基材上制备出Si-B-N+MoS2复合薄膜。合理控制工艺参数,在基材上加一适当的直流负偏压,得到了含有六方氮化硼(h-BN)、立方氮化硼(c-BN)混合相的Si-B-N薄膜:厚达数微米的渐变界面过渡层强化了钢基材、改善了薄膜力学性能；适宜的高能轰击离子可在膜层中形成晶粒适中的c-BN相；硅掺杂有利于形成厚膜和改善膜基间结合力；MoS2膜的双向转移起到重要润滑作用。
利用多弧离子镀系统在高速钢基材上制备出附着性好的纳米晶超硬TiN薄膜,薄膜硬度增强的因为是在密排(111)晶面择优取向和择优生长、纳米晶粒以及低能离子轰击引起的薄膜内应力增加。为了改善TiN薄膜的摩擦学性能,利用磁过滤阴极真空弧系统在不同基材上制备了无氢四面体非晶碳膜(Ta-C膜)；Ta-C膜具有良好的综合摩擦学性能:非常平整的表面、sp3含量超过70％、膜基间结合力好、摩擦系数低达0.1；建立了薄膜附着失效和摩擦磨损失效机理模型。
利用中频磁控溅射制备了Ti/TiN和含铬DLC多层膜。Ti间隔层的有无及其不同厚度对多层膜结合力有影响；靶电流和沉积压力等影响薄膜表面缺陷密度,得到了缺陷密度少于100defect/mm2且结合力好的多层膜。制备出硬质、超硬以及膜厚超过6μm的含铬DLC膜；不同厚度CrN薄膜的摩擦学性能存在差异；DLC薄膜具有优良的综合摩擦学性能:硬度20～46GPa、临界载荷Lc为40～65N、摩擦系数约为0.1:沉积薄膜期间的离子轰击能量和流量对薄膜性能影响很大:在脉冲DC模式中,DLC膜具有最好的综合摩擦学性能:梯度多层设计有利于优化薄膜结构。
低能粒子对薄膜结构和综合摩擦学性能有重要影响。利用多层梯度结构和元素掺杂改善了薄膜结构；利用离子刻蚀和膜层设计提高了膜基间结合力；改变多晶薄膜的晶粒取向和非晶薄膜的内应力增强了薄膜硬度；硬度和表面粗糙度是影响薄膜摩擦磨损性能的两个重要因素；与MoS2薄膜类似,在DLC膜和基体界面形成的转移膜可显著降低其摩擦系数；DLC成膜是在粒子流量和能量共同作用下的体岛状金刚石微晶在非晶基质中形成和生长的过程。