金属材料凭借着优异的力学和加工性能,被广泛应用于人工关节假体中。但在人体复杂的服役环境下,关节界面常常发生磨损。金属材料磨损后产生大量的金属离子和磨损颗粒,诱发不良生物反应,进而导致假体周围骨溶解并造成无菌松动。表面薄膜涂层改性能够改善金属关节表面的耐磨、耐腐蚀性能,并有效阻止金属离子的释放,然而表面薄膜涂层的结合强度和中长期耐磨性能较差仍然是限制其临床应用的瓶颈。本论文针对人工关节金属材料表面非晶碳基纳米多层薄膜改性的耐磨性问题,采用有限元分析方法研究了薄膜/基体系统在不同参数条件下的应力分布规律,预测了系统屈服的起始位置;同时采用光学3D轮廓仪、Raman光谱仪、纳米压痕仪、涂层结合强度划痕仪和多向运动植入物材料磨损机等仪器和手段,研究非晶碳基纳米多层薄膜沉积基体的物理化学性能对薄膜表面性能、原子键合结构、力学和耐磨性能等的影响规律。本论文研究成果不仅可为薄膜参数化的优化设计提供理论指导,而且可为人工关节金属材料薄膜表面改性的优化和摩擦学改善提供技术支撑。论文的研究工作主要包括:（1）基于有限元的薄膜/基体系统应力分布及屈服失效位置预测研究:在软膜系统中且摩擦系数较小时,基体和薄膜的内部、界面所受范氏应力相对较大,且摩擦系数的增加是促使最大范氏应力位置上移的主要因素,系统屈服起始位置也基本位于界面和薄膜表面。相比于软膜系统,硬膜系统在较高摩擦系数条件下,薄膜表面和界面存在较高的范氏应力,且屈服起始位置也更易发生在薄膜表面。（2）钛合金基体表面粗糙度对非晶碳基纳米多层薄膜耐磨性能影响研究:在四种不同表面粗糙度的钛合金表面（三维表面平均粗糙度Sa分别约为4 nm、60 nm、110 nm和150 nm）同炉沉积非晶碳基纳米多层薄膜,研究粗糙度对薄膜耐磨性能的影响规律。结果表明,薄膜的表面粗糙度高于对应的基体表面粗糙度,薄膜及基体表面粗糙度具有相同的变化规律。基体表面粗糙度对薄膜的硬度和弹性模量（分别约为7.1 GPa和121.1 GPa）并没有明显影响。划痕试验表明,光滑基体的表面粗糙度在较小范围的增加能够改善薄膜的结合强度,但随基体粗糙度的进一步增大,其结合强度迅速降低。压痕结果表明,薄膜的结合强度随基体粗糙度的增加而降低。随着基体粗糙度的增加,薄膜的耐磨性能变差,对磨副的磨损加剧。在极光滑基体表面（Sa约为4 nm）上沉积的薄膜具有最佳的耐磨性能,磨损因子仅约为2.55×10^-1717 m³ N^-11 m^-1,而较大粗糙度基体表面（Sa约为150 nm）上薄膜的耐磨损性急剧下降,其高达1.11×10^-15 m³ N^-11 m^-1,且摩擦副的磨损也更加明显。（3）不同基体材料对非晶碳基纳米多层薄膜耐磨性能影响研究:基体的力学性能对薄膜的原子键合结构具有明显影响。沉积在钛合金基体表面的薄膜可能形成了较强的化学键和相对优异的力学性能,改善了界面状态和薄膜的结合强度,并展现了相对优异的耐磨性能,磨损因子约为2.79×10^-1717 m³ N^-11 m^-1。在316L不锈钢和Co-Cr-Mo合金上的薄膜的原子键合结构和力学性能更偏向于金刚石,薄膜呈现出了较低的结合强度和耐磨性能,其磨损因子分别约为7.13×10^-1717 m³ N^-11 m^-1和1.25×10^-16 m³ N^-11 m^-1。尤其是沉积在Co-Cr-Mo合金上的薄膜,结合强度较低且呈现了较差的耐磨性能和磨损寿命。