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Green self-lubricating films are considered a promising and environmentally sustainable approach for reducing friction and wear in tribological systems. This dissertation addresses the design of nitride-based coatings in which mechanical strength and tribological performance are improved through controlled microstructural and architectural design. The underlying concept involves the incorporation of a soft lubricious phase into a hard nitride matrix, with controlled release to ensure sustained lubrication without significant degradation of mechanical properties. TiN-based films were first employed as a model system to investigate the effect of incorporating a soft metallic phase (Ag) into a ceramic matrix. The results indicate that the formation of coherent or semi-coherent interfaces between TiN crystallites and Ag clusters can contribute to enhanced mechanical properties. Based on these observations, Mo2N, which exhibits a closer lattice parameter to Ag, was selected for further investigation.In light of this, a series of Mo2N-Ag-SiNx composite films with varying Si contents were deposited by RF magnetron co-sputtering to simultaneously optimize mechanical and tribological properties. The films consisted primarily of face-centered cubic (fcc) Mo2N and Ag phases embedded in an amorphous SiNₓ matrix. With increasing Si content, hardness and elastic modulus initially increased and then stabilized, reaching maximum values of approximately 21 GPa and 245 GPa, respectively, owing to solid solution strengthening, grain refinement, and enhanced compressive residual stress. At room temperature, the friction coefficient remained relatively insensitive to Si addition, while the wear rate exhibited a minimum at intermediate Si levels. At 600 °C, Si incorporation significantly reduced friction and progressively improved wear resistance due to lubricant transfer and tribofilm formation.To further enhance structural stability and extend the operational temperature range, Mo2N/Ag-SiNₓ multilayered self-lubricating films were subsequently designed through controlled modulation of layer thickness and periodicity. The multilayer architecture, composed of alternating fcc-Mo2N layers and Ag-SiNₓ layers containing fcc-Ag nanoparticles within an amorphous matrix, enabling the formation of coherent or semi-coherent interfaces under optimized conditions. Interface strengthening, coherency effects, and residual compressive stress contributed to improved hardness and elastic modulus, while synergistic lubrication and tribo-phase evolution ensured stable low-friction and enhanced wear resistance during room-temperature and elevated-temperature cycling.Building upon these findings, a nacre-like interlocked Mo2N-SiNₓ/Ag-SiNₓ multilayer films was ultimately developed as the optimized structural configuration. This bio-inspired design effectively regulated Ag diffusion, promoted the formation of stable tribo-layers, and maximized coherent strengthening in ultrathin Ag-SiNₓ layers, thereby achieving superior mechanical integrity and long-term self-lubricating performance across a wide temperature range. The optimized films exhibited low friction coefficients (0.41-0.50 at room temperature and ~0.12 at 600 °C) together with excellent wear resistance, establishing clear structure-property-performance relationships.Overall, this work demonstrates that hierarchical structural design, culminating in the nacre-like interlocked multilayer architecture, provides an effective pathway for achieving cooperative enhancement of load-bearing capacity and lubrication behavior, offering significant potential for advanced and sustainable tribological applications.

Revestimentos auto-lubrificantes verdes são considerados uma solução promissora e ambientalmente sustentável para reduzir o atrito e o desgaste em sistemas tribológicos. Esta dissertação aborda o desenvolvimento de revestimentos à base de nitretos, nos quais a resistência mecânica e o desempenho tribológico são melhorados através do controlo da sua microestrutura e/ou arquitetura. O conceito envolve a incorporação de uma fase lubrificante macia numa matriz de nitretos dura, com controlo da sua libertação, de forma a garantir uma lubrificação controlada sem degradação significativa das propriedades mecânicas. Inicialmente foram utilizados revestimentos TiN, como sistema modelo, para investigar o efeito da incorporação de uma fase metálica macia (Ag) numa matriz cerâmica. Os resultados indicam que a formação de interfaces coerentes ou semi-coerentes entre a rede cristalina do TiN e os clusters de Ag pode contribuir para uma melhoria das propriedades mecânicas. Com base nestes resultados, foi selecionado o sistema de revestimentos Mo2N, que apresenta um parâmetro de rede mais próximo ao do Ag, para investigação posterior. Assim, foi depositado um conjunto de filmes compósitos do tipo Mo2N-Ag-SiNx com diferentes teores de Si por pulverização catódica. Os filmes produzidos mostraram duas fases cúbicas de faces centradas (fcc) de Mo2N e Ag incorporadas numa matriz amorfa de SiNₓ. Com o aumento do teor de Si, a dureza e o módulo de elasticidade aumentaram inicialmente e depois estabilizaram, atingindo valores máximos de aproximadamente 21GPa e 245GPa, respetivamente, devido ao endurecimento por solução sólida, refinamento de grão e aumento da tensão residual à compressão. À temperatura ambiente, o coeficiente de atrito permaneceu relativamente constante, independentemente da percentagem de Si, enquanto a taxa especifica de desgaste apresentou um mínimo para níveis intermediários de Si. A 600 °C, a incorporação de Si reduziu significativamente o atrito e melhorou progressivamente a resistência ao desgaste devido à transferência de lubrificante para o contato e à formação de um tribofilme.Para melhorar ainda mais a estabilidade estrutural e alargar a gama de temperaturas de operação, foram posteriormente estudados filmes auto-lubrificantes do sistema Mo2N/Ag-SiNₓ depositados em multicamadas com diferentes períodos. Em condições otimizadas, a arquitetura multicamada, composta por camadas alternadas de Mo2N e camadas de Ag-SiNx contendo nanopartículas de Ag dispersas na matriz amorfa(SiNx), permitiu a formação de interfaces coerentes ou semi-coerentes. O reforço da interface, os efeitos de coerência e a tensão residual contribuíram para um aumento da dureza e do módulo de elasticidade, enquanto que formação da tribocamada garantiu um baixo atrito e uma maior resistência ao desgaste, tanto à temperatura ambiente como a temperaturas elevadas.Com base nos resultados anteriores foi finalmente desenvolvida uma configuração multicamada do tipo Mo2N-SiNx/Ag-SiNx, com uma arquitetura semelhante à que se encontra na casca das ostras. Esta arquitetura bioinspirada permitiu controlar eficazmente a difusão de Ag, promover a formação de tribocamadas estáveis e maximizar as propriedades mecânicas por coerência estrutural, alcançando assim uma integridade mecânica superior e um desempenho autolubrificante de longa duração numa gama ampla de temperaturas. Os filmes otimizados exibiram baixos coeficientes de atrito (0,41-0,50 à temperatura ambiente e ~0,12 a 600 °C) juntamente com excelente resistência ao desgaste, mostrando as relações entre estrutura, propriedades e desempenho.De forma geral, este trabalho demonstra que o design estrutural hierárquico, culminando na arquitetura multicamada semelhante à que se encontra na casca das ostras, constitui uma via eficaz para alcançar uma melhoria cooperativa da capacidade de suporte de carga e do comportamento lubrificante, oferecendo um elevado potencial para aplicações tribológicas avançadas e sustentáveis.