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在海洋国防建设中,航空飞行器和军事装备长期在恶劣的海洋环境下服役,这使零部件材料面临严重的腐蚀和结冰等问题,其使用寿命和性能大大降低。近年来,受自然界荷叶效应的启发,利用超疏水薄膜进行表面改性已成为材料表面防护的重要途径之一。如果将超疏水薄膜用于金属材料表面,可以有效地抑制表面腐蚀和氧化,提高自清洁和抗结冰能力。此外,在自清洁、交通运输、微流体器件和生物医用等领域中,超疏水薄膜也展示了其特有的优势。然而在实际应用过程中,苛刻的服役环境对超疏水薄膜提出了更高的要求,除了应具备较强的疏水性外,还应具有良好的力学性能,从而起到增强防冰和防腐的作用,同时提高零部件表面耐磨减摩特性,如航空发动机进气口冷端部件和人工关节等。传统的有机疏水涂层虽然具有良好的疏水性能,但机械强度较差、不耐冲刷并且价格昂贵。因此,开发出既耐磨又疏水的复合型薄膜材料具有非常重要的意义。纳米复合薄膜因具有独特的纳米结构和优异的力学性能而备受关注,可以解决有机疏水涂层机械强度差等问题,而在追求超疏水特性时,应注意到低表面能材料和表面微观形貌的协同作用。近年来发展起来的脉冲偏压电弧离子镀具有沉积温度低、残余应力小、晶粒细化和颗粒净化等特点为制备纳米结构薄膜提供了强有力的技术支撑。本论文旨在开发出高疏水性纳米复合硬质薄膜材料,采用脉冲偏压电弧离子镀工艺,在高速钢W6Mo5Cr4V2基体上合成了TiN/a-C、TiC/a-C(Cu)和TiN/Cu纳米复合薄膜,系统地研究了不同结构纳米复合薄膜的力学性能和疏水特性,并利用超快激光加工手段进行疏水改性,大幅度提高纳米复合薄膜表面的水接触角,使其在具备高硬度、低摩擦系数的同时,又具有很高的疏水性能。主要研究内容及成果如下：(1)首先采用脉冲偏压电弧离子镀技术在高速钢基体上制备出TiN/a-C复合薄膜,系统地研究了沉积参数中偏压和弧流对TiN/a-C薄膜结构和性能的影响。随着偏压幅值的增加,薄膜的硬度和弹性模量先增加后降低,在-300V时具有最高值,分别为32.5GPa和367.4GPa,并且此时薄膜呈现明显的晶体相特征。同时改变靶材弧流和氮气流量,薄膜各元素在较大范围内变化,成分变化明显改变薄膜相结构和力学性能。通过结构分析,表明薄膜是由纳米晶Ti(C,N)和非晶碳组分组成,即使非晶碳含量较低时,薄膜仍呈现非晶包裹纳米晶复合结构特征。随着非晶碳组分含量的增加,薄膜的硬度和摩擦系数逐渐降低,在C含量为15.6at.%,Ti含量为45.6at.%时薄膜获得最高硬度值,为37.5GPa,摩擦系数为0.25。所制备的TiN/a-C薄膜属于亲水材料,水接触角在80-89。之间变化,这主要是由于TiN/a-C薄膜表面能较高所致。(2)采用石墨靶和金属钛靶制备了一系列不同成分的TiC/a-C复合薄膜,GIXRD结果显示薄膜含有明显的TiC晶体相,而XPS和Raman光谱显示薄膜中还存在非晶碳组分。随着Ti含量从38.1at.%增加到49.7at.%,薄膜硬度从25.4GPa逐渐增加到36.0GPa,这主要是因TiC晶体相含量增加造成的。相比于TiN/a-C薄膜,薄膜疏水性能明显提高,水接触角最高为102.2。。在TiC/a-C薄膜基础上添加少量的Cu,制备出不同成分的TiC/a-C(Cu)复合薄膜。薄膜表面平整致密,薄膜的结晶度较差,薄膜硬度为17.6～25.2GPa。随着碳含量的增加,摩擦系数从0.35逐渐降低至0.18。由于Cu的掺入,降低了薄膜的表面能,疏水性能进一步得到提高,该薄膜水接触角为102.7-106.6°(3)采用脉冲偏压电弧离子镀技术制备出超硬TiN/Cu纳米复合薄膜,XRD、XPS以及HRTEM结果证实所制备的薄膜为nc-TiN/nc-Cu结构复合薄膜,少量的Cu是以细小的纳米晶形式存在于薄膜中。Cu含量的变化对TiN/Cu薄膜结构有明显的影响,少量的Cu促进TiN柱状晶的生长,薄膜呈现粗大的柱状晶结构,当Cu含量较多时,能够有效地抑制TiN晶粒生长,薄膜形成随机取向的等轴晶结构。添加微量的Cu有助于提高薄膜的力学性能,在Cu含量为0.6at.%时,nc-TiN/nc-Cu薄膜获得超高硬度值40.2GPa,同时具有较高的热稳定性,而掺入过量的Cu导致薄膜的硬度和弹性模量急剧降低。Cu的加入明显改变薄膜的表面能进而影响疏水性能,随着Cu含量的增加,TiN/Cu薄膜的水接触角明显提高,在Cu含量为5.8at.%时获得水接触角最高值为114.0°。(4)采用皮秒激光加工手段对不同类型纳米复合薄膜表面进行微纳结构的构造,研究了不同方阵列形貌对薄膜样品疏水性能的影响。测试结果表明,周期性方柱结构显著提高薄膜样品疏水性能,在方柱宽度为70μm时获得最高值,TiN/Cu和TiN/a-C薄膜样品表面水接触角分别为136.8°和130.1°,比光滑表面薄膜分别提高了32.2°和43.1°,此时水滴在样品表面的接触状态表现为Cassie复合接触态,有利于提高材料表面的抗结冰和防腐蚀能力。另外,TiN/Cu薄膜样品的耐磨性也明显得到提高。