近年来，随着我国工业技术的飞速发展，航空航天、化工、冶金和核能工业等涉及极端工况装备的精密基础零部件的摩擦磨损特性对系统可靠性与工作寿命具有极大影响。尤其是高温环境和温度大范围变化过程中如何确保工件能够安全有效运转，是各国科研工作者一直面临的问题，也是目前制约我国高端技术领域关键装备发展的瓶颈之一[1-6]。能够随工作温度调整摩擦副界面元素成分和结构，在宽温度范围内具有低摩擦因数的涂层是减小高温运动摩擦副摩擦磨损的重要材料，因此加深对宽温域低摩擦涂层的摩擦学行为和润滑失效机理的认识，能够为高端工业装备的发展提供有力的技术支持。通常，单一相基体材料难以实现宽温域范围内的低摩擦性能，而多相基体材料复配或原位生成润滑相是在宽温域范围内实现较低摩擦因数和磨损率的关键技术。本文简述金属复合基、氧化物基和氮化物基等宽温域低摩擦涂层的组成、结构和摩擦学特性等。
1金属复合宽温域低摩擦涂层
金属复合宽温域低摩擦涂层是以金属或合金为基体，以纤维、颗粒等为增强体或润滑相的复合材料，具有优异的摩擦学性能和力学性能[7-9]，广泛应用于航空航天、冶炼化工等诸多工业部门。金属基复合涂层的摩擦磨损性能主要取决于基体材料、固体润滑相和摩擦化学反应形成的新相，可以在宽温域范围内降低摩擦因数和磨损率，延长工件使用寿命[10-12]。研究者通过掺杂石墨和Ag2MoO4制备了镍基复合涂层[13]，石墨相、钼酸银以及高温原位形成的氧化铁和氧化镍等的协同润滑作用使其获得常温和高温低摩擦性能。因此，固体润滑相的选择对金属复合涂层在宽温域范围的摩擦学行为具有重要的影响。
1.1过渡金属硫化物润滑相复合涂层
单一润滑相过渡金属硫化物仅满足于较低温度下的润滑需求，将其作为固体润滑相是制备宽温域低摩擦复合涂层主要技术路线。李文生等[26]通过电化学沉积制备了Ni-MoS2复合涂层，研究结果发现，Ni-MoS2复合涂层比纯镍涂层具有更好的自润滑效果。当沉积液中MoS2的浓度为30g/L时，得到的复合涂层表面平整，在400℃下摩擦因数为0.035左右，具有良好的润滑效果。但随着温度上升，MoS2逐渐被氧化为MoO3，摩擦因数达到0.15，润滑效果降低。这主要是由于硬质颗粒MoO3形成磨粒[27]，附着于摩擦副表面，在摩擦过程中撕裂涂层，发生明显的氧化磨损、疲劳磨损和磨粒磨损。所以，对于过渡金属硫化物复合涂层，通过掺杂一些氧化物或者纯金属抑制其过早氧化失效，从而尽可能让其应用于较宽的温度范围。
1.2碱土/稀土金属氟化物润滑相金属复合涂层
吕晋军等[31]研究表明，CeF3优异的高温润滑性能与摩擦过程中的物理和化学变化有紧密联系，如（002）面的择优取向、结晶度变化以及氧化等对其性能的影响。高永建[32]、俞友军[33]等探究了碱土金属氟化物高温氧化的问题，运用激光熔覆技术制备了Ni3Al-BaF2/CaF2-Ag基高温自润滑涂层（图1所示）和NiCr/Cr3C2-Ag-BaF2/CaF2金属基高温自润滑涂层，考察了不同温度下的摩擦学性能及高温自润滑机理。结果表明，从室温至高温范围内，涂层保持平稳的摩擦磨损性能。高温环境下，涂层表面形成了由BaF2/CaF2、Ag和摩擦氧化物经塑性变形以及热软化混合而成的复合物，使涂层减摩抗磨性能进一步提高。
PS/PM系列涂层最早由美国NASA的SLINEY和DELLACORTE提出，并成功应用于航空航天发动机和箔片空气轴承等领域。PS/PM系列润滑涂层以软金属银（Ag）和共晶氟化物（BaF2/CaF2）混合而成，充分利用了各组分的优点，即Ag在中低温的润滑作用和共晶氟化物（BaF2/CaF2）的高温润滑作用，保证了润滑涂层在宽温域范围内具有良好的摩擦学性能（如表2所示）[34-44]。
PS/PM系列涂层的分类依据为各种相的占比不同，其中PS100缺乏硬质相，涂层耐磨性较差，但在宽温域范围内能够保持稳定的摩擦因数；PS/PM200涂层中随着硬质相加入，耐磨性大幅度提高，但其摩擦因数稍微提高，一定程度上限制了该涂层的低摩擦应用；PS/PM300涂层以Cr2O3为固体润滑相，克服了Cr2C3的高温氧化和加工困难等问题，其摩擦因数比前一系列普遍降低。林韶宁等[45]通过热处理PS304发现涂层中出现铬含量升高、析出并发生固态扩散和微观结构变化，涂层强度明显增加，改善了PS300涂层因氧化和磨损导致的剥落失效[46]；PS400涂层通过改变相组成的含量改善高温氧化，但室温环境下依然摩擦因数较高[42]。研究结果表明尽管PS/PM系列涂层仍存在缺点，但是通过改变相的组成、比例、结构参数等可以大幅度改善其摩擦学性能。
综上，碱土金属/稀土金属氟化物在高温下表现出优异的摩擦学行为，但也存在一些不足，如室温下摩擦学性能较差以及氟化物添加导致基体材料力学性能下降等，限制了碱土金属/稀土金属氟化物在宽温域范围内的使用。因此，深入研究基于碱土金属/稀土金属氟化物固体润滑相的金属复合宽温域低摩擦涂层在不同温度摩擦过程中的组分和结构变化，如摩擦化学反应诱导润滑剂的氧化和晶面取向改变等，对于这类涂层在宽温域范围内应用具有重要指导作用。
2氧化物基宽温域低摩擦涂层
在高温大气环境下，金属摩擦副运动表面会发生摩擦化学反应生成各类氧化物，随后氧化物将参与摩擦磨损过程进而影响摩擦因数和磨损形式。某些金属或非金属氧化物（Re、Ti、Mo、Zn、V、W、B氧化物等）在摩擦过程中易发生变形或剪切而具有较低摩擦因数和磨损率[47-49]。图2所示为几种氧化物摩擦因数随温度变化的趋势图。ERDEMIR等[50]指出金属氧化物的摩擦学性能与离子势（阳离子电荷/阳离子半径）的高低有关。如图3所示，V2O5、B2O3、Re2O7等离子势越高的氧化物其摩擦因数越小，摩擦因数保持在0.13～0.25，而Al2O3、ZrO2、FeO等离子势较低的氧化物，摩擦因数大于0.5。
大多数氧化物具有良好的高温润滑性能，但通常在常温下摩擦因数较大[51]，使用的温度范围很窄[47-48]。HU等[52]通过Ag和Mo与YSZ氧化物陶瓷涂层复合制备了宽温域低摩擦涂层，并设计了TiN扩散屏障层和YSZ-Ag-Mo硬层的交替多层结构，有效控制了Ag在氧化物涂层中的扩散，避免因Ag的过度消耗而造成材料早期失效，将YSZ-Ag-Mo涂层在500℃下的寿命分别提高了4倍和9倍多。PbO等少数氧化物涂层在较宽温度范围内具有较低摩擦因数（0.1～0.2）。20世纪50年代PETERSON在低碳钢表面涂覆PbO，发现制备的复合涂层从室温至677℃高温下具有良好的润滑性能[21,53]。PbO涂层的硬度较低，随着温度变化，PbO首先被氧化为Pb3O4，随后又被还原为PbO，在高温环境中经历从脆性到韧性的转变，从而获得了良好的摩擦学性能[54-57]。HU等[58]通过直流反应磁控溅射制备了Pb-O涂层，结果表明反应温度，氧气和氩气的分压比对直流反应磁控溅射制备氧化铅涂层的结构和成分具有强烈影响，正交结构的PbO润滑相容易氧化为四方晶系的Pb3O4。整体来说，PbO涂层具有良好的高温润滑性能，但高温和富氧环境下的氧化还原系列反应对涂层的稳定性至关重要。
大多数金属氧化物，包括二元氧化物以及多元氧化物盐类，在高温环境中具有较好的摩擦学性能，但在低温环境中的摩擦因数较高。所以，可利用ERDEMIR指出的金属氧化物的摩擦学性能与离子势大小等关系，进一步探讨其在低温环境中的摩擦学性能，增加氧化物基复合涂层在宽温域范围内的应用。
3氮化物基宽温域低摩擦涂层
3.1氮化钒涂层
高温条件下Ag元素具有较高的扩散速率，因此在热驱动的作用下Ag元素会很快耗尽，涂层孔隙率迅速增加，组分丢失导致力学性能急剧下降，涂层寿命因而明显降低。为了控制Ag在涂层中的扩散，减小润滑剂的消耗，从而保证涂层在多个温度循环后仍可实现宽温域连续润滑，设计多层结构是一种有效的方法。HU等[52]设计了TiN扩散屏障层和YSZ-Ag-Mo硬层的交替多层结构，并进一步发展了具有多孔TiN表面层的YSZ-Ag-Mo涂层。这两种屏障层结构有效地控制了Ag的扩散，避免了因Ag的过度消耗而造成的材料早期失效，将YSZ-Ag-Mo涂层在500℃下的寿命分别提高了4倍和9倍多。
两种单层交替沉积形成的纳米多层结构涂层能够综合各单层的优良性能，改变涂层的硬度、晶格常数、韧性、内应力、晶粒尺寸等诸多方面。CAI等[88]对比研究了VAlCN-Ag复合涂层和VAlCN/VN-Ag多层结构涂层在不同温度条件下的摩擦学性能。多层结构的界面抑制了VN-Ag层柱状晶结构的生长，有效阻碍位错滑动，多层涂层的力学性能得到较大改善。在室温、200℃和400℃，复合涂层与多层涂层表现出相近似的摩擦学性能。虽然在600℃复合涂层由于大量扩散的Ag及形成的钒酸银而具有更低的摩擦因数（0.18），但多层涂层由于其大量界面阻隔作用，延缓了Ag的外扩散流失和氧的内扩散，抑制了Ag和非晶碳的氧化，具有更低的磨损率。因此，在高温摩擦因数和耐磨损之间寻求平衡是设计和制备能够满足多领域需求的宽温域低摩擦涂层的关键。
3.2氮化铬涂层
3.3氮化钼涂层
3.4其他氮化物涂层
固体润滑薄膜在当今工业生产中应用范围越来越广，传统单一结构的润滑薄膜材料已经不能满足日益发展的航空航天、化工、冶金等苛刻环境工况下机械设备的需求，需要科研工作者进一步的探索。经过分析和总结得出以下结论：
（1）多元、多相复合润滑涂层逐渐取代单一固体润滑涂层，且往往赋予更多的使命，不仅要满足如室温常规摩擦副表面的润滑，而且还要适用于更加苛刻的高温环境中，其摩擦学过程往往贯穿室温至高温环境，要求在宽温域范围内具备良好的摩擦学性能。
（2）还要考虑摩擦过程中产生的热量以及高温环境均可能改变涂层的组成、结构，以及摩擦副表面一些复杂的物理、化学和力学性能的变化，还要考虑环境变量因素如高腐蚀、高湿度或高真空等对固体润滑涂层摩擦学性能的影响。
随着人类社会科学技术的进步，固体润滑涂层的发展不仅仅满足于摩擦学性能，特别是一些极端工况下的设备的应用，还需考虑如耐腐蚀性能及较好的力学性能等，如何实现这些性能的动态平衡，是科研工作者面临的主要问题，可在以下几个方面加强研究：
（2）结合模拟仿真工具，如有限元分析、分子动力学或者第一性原理等，建立固体润滑涂层的物理性能模型，通过耦合多种物理场，如应力场、温度场等，从固体润滑涂层面临的实际工况出发，从微观角度揭示固体润滑涂层在摩擦过程中的机理问题，实现固体润滑涂层应用于宽温域环境的最优设计。
（3）固体涂层的预处理，如涂层基底表面的织构化减小摩擦副之间的接触面积以及对涂层的预氧化、深冷或退火处理等技术手段能够减少涂层制备过程中形成的缺陷。因此除了完善涂层的设计和制备方法，需研究预处理工艺对固体涂层结构和性能的影响规律，提升涂层的性能。