碳钢是一种在工业生产和日常生活中广泛应用的金属材料,其摩擦学性能的好坏直接影响了材料的使用范围和使用寿命。因此在摩擦学领域中的研究集中在如何有效降低材料的摩擦和减少磨损。大量研究证明在光滑表面构筑特殊微纳表面织构,可以有效降低滑动摩擦副的真实接触面积,从而极大地改良材料的摩擦磨损特性。另外,采用自组装技术在表面沉积的单分子膜,可降低材料表面能,在一定程度内降低材料的摩擦。事实上,将这两种技术有机结合使用,不仅可以极大提高表面的疏水特性,同时有望利用表面织构的减摩效应和自组装薄膜的纳米润滑效应,进一步改善表面的摩擦学性能。然而将表面织构技术和自组装技术有机耦合以获得金属材料表面的最佳摩擦学性能的研究很少有报道。本论文的工作主要涉及这一领域,首先通过化学刻蚀技术或溶胶凝胶技术在45#钢表面获得具有特定的微纳表面织构,然后在其表面利用分子自组装技术化学沉积硬脂酸单分子层,得到高疏水乃至超疏水性能的有机微纳米薄膜,以期最大限度地减小材料的摩擦和磨损。我们系统地研究了45#钢表面高疏水薄膜的形成机制、表面形貌、化学组成与键合形式、表面润湿性,重点考察了薄膜的摩擦学行为。同时本文还研究了制备条件、温度和紫外光照射对45#钢表面薄膜摩擦学性能的影响。实验取得一定进展,研究发现：(1)45#钢经硝酸刻蚀液化学刻蚀后,其表面构筑了亲水性的均匀凹坑状粗糙化表面。然后采用自组装技术法在粗糙化表面沉积硬脂酸分子薄膜,得到的表面对水接触角超过142°,呈高疏水性能。该薄膜对基材起到了明显的保护作用,在干摩擦条件下表面薄膜的可维持低摩擦系数(<0.2)超过7200s,而未处理的45#钢在相同实验条件下滑动5s摩擦系数就达到0.6左右。同时考察了薄膜制备条件,如刻蚀剂成份比例、硬脂酸修饰时间以及脂肪酸种类对超疏水薄膜的摩擦学性能的影响。而经加热和紫外光照射后,有机薄膜被破坏,表面接触角迅速下降,摩擦系数也急速上升,与未处理钢基底的摩擦系数相近。(2)考察了刻蚀剂种类对材料摩擦学性能的影响。结果发现,经HCl、HF和NaOH刻蚀后,45#钢表面呈现不同的粗糙表面织构结构。在粗糙表面沉积硬脂酸薄膜的都具有超疏水性,对水的接触角高达均可达到150°左右,但表现出不同的摩擦学性能。其中通过氢氧化钠刻蚀剂制备的超疏水薄膜在4N负载下干摩擦可维持低摩擦系数性能超过7200s,磨痕宽度最小。(3)采用溶胶凝胶技术在45#钢表面制备致密均匀的锐钛矿TiO2薄膜,薄膜具有明显的亲水性能,摩擦学性能得到明显改善,在1N负载下薄膜耐磨寿命可达到1800s。TiO2纳米薄膜上沉积硬脂酸薄膜,不仅润湿性能由亲水性变为高疏水性,摩擦学性能也进一步提高,在1N负载下耐磨寿命超过3600s。同时考察Ni等金属离子掺杂TiO2复合薄膜的摩擦学性能,复合薄膜均能保持良好的亲水特性和减摩耐磨特性,表面沉积硬脂酸分子后不仅接触角可以达到高疏水状态,摩擦学性能也得到了进一步的提高,对钢基底起到更好的保护作用。论文中,我们有机结合化学刻蚀技术和自组装技术、溶胶凝胶技术和自组装技术,利用粗糙表面的微织构效应和有机薄膜的微纳润滑的协同作用,在45#钢表面构筑的高疏水薄膜表现出了极为优异的减摩和耐磨性能。实验结果无疑对研制和开发45#钢表面具有减摩和耐磨特性的新型保护性涂层具有一定的参考价值和实际意义。