專利名稱：：超潤(rùn)滑復(fù)合碳薄膜材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種在金屬底材上制備超潤(rùn)滑復(fù)合碳薄膜材料的方法。
背景技術(shù)：
：固體超潤(rùn)滑研究是近年來(lái)迅速崛起的一項(xiàng)高技術(shù)研究。它是指在無(wú)液體潤(rùn)滑劑存在的情況下，采用固體潤(rùn)滑或自潤(rùn)滑表面工程技術(shù)，使固體摩擦副之間具有10—3以下摩擦系數(shù)，并具有優(yōu)異磨損性能的新型潤(rùn)滑技術(shù)。這樣的摩擦系數(shù)可以滿足高
技術(shù)領(lǐng)域：
裝備對(duì)于高精度、高可靠性和高傳輸效率方面的要求。特別是利用各種物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的碳薄膜材料(金剛石薄膜、類金剛石薄膜、碳氮薄膜等)引起了摩擦學(xué)研究者的極大興趣。相對(duì)于目前常用的固體潤(rùn)滑薄膜材料如M0S2，WS2薄膜等，碳薄膜材料具有以下優(yōu)點(diǎn)①具有更低的摩擦系數(shù)和磨損率，特殊結(jié)構(gòu)的碳薄膜具備超潤(rùn)滑特性，如美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Ali教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已發(fā)展出了在干燥的惰性氣氛中摩擦系數(shù)為0.0010.005，磨損率低于10—9mm3/Nm的復(fù)合碳薄膜。②硬度高。取決于薄膜結(jié)構(gòu)的不同，碳薄膜材料的硬度在20100GPa之間變化，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前常用的固體潤(rùn)滑材料。③結(jié)構(gòu)可調(diào)。利用不同的制備方法、沉積條件，碳薄膜中的spS和sp2鍵比例、活性懸a鍵、H含量等微觀結(jié)構(gòu)和組成可以在比較寬的范圍內(nèi)變化，因而可以根據(jù)不同的要求，制備出合適的碳薄膜材料。④具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性。上述性能使得碳薄膜材料作為一種新型的固體潤(rùn)滑薄膜材料在高技術(shù)精密機(jī)械和電子信息
技術(shù)領(lǐng)域：
有著非常廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。但同時(shí)碳薄膜材料與基底的結(jié)合強(qiáng)度較差(尤其是對(duì)于金屬基底)，不僅限制薄膜的厚度，而且引起薄膜在摩擦過(guò)程中的剝落和快速失效。另外只有當(dāng)碳薄膜材料中的spS和sp2鍵比例、活性懸a鍵、H含量等微觀結(jié)構(gòu)和組成滿足一定條件時(shí)，碳薄膜才能展現(xiàn)出超潤(rùn)滑性能。因此如何提高膜基結(jié)合性能，并通過(guò)對(duì)沉積方法的選擇及工藝條件的優(yōu)化來(lái)精確控制碳薄膜材料的微觀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑碳薄膜材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種與金屬基底結(jié)合牢固、具有超低摩擦系數(shù)和磨損率的復(fù)合碳薄膜材料的制備方法。本發(fā)明的目的可通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本發(fā)明在金屬底材上制備超潤(rùn)滑復(fù)合碳薄膜材料的方法，其特點(diǎn)是在金屬基底上首先通過(guò)非平衡磁控濺射的方法導(dǎo)入硅過(guò)渡層，然后采用脈沖偏壓輔助射頻電感偶合等離子體化學(xué)氣相沉積的方法制備含氫碳薄膜材料。一種超潤(rùn)滑復(fù)合碳薄膜材料的制備方法，其特征在于制備過(guò)程在多功能鍍膜設(shè)備的真空腔體內(nèi)完成，該方法包括以下步驟A、樣品預(yù)處理將在丙酮和乙醇中超聲處理后的金屬基底置于樣品室后抽真空至6xl0—spa以下，通入高純氬氣、氮?dú)庾鳛殡x化氣體，打開(kāi)脈沖偏壓電源，輝光放電產(chǎn)生等離子體，對(duì)基底表面進(jìn)行活化清洗；B、沉積硅過(guò)渡層清洗完畢后，利用非平衡磁控濺射的方法首先制備硅過(guò)渡層，選用高純度的硅材料作為濺射靶材，以高純氬氣作為濺射氣體，基體附加脈沖負(fù)偏壓，沉積后關(guān)閉；C、沉積碳層利用脈沖偏壓輔助射頻電感偶合等離子體化學(xué)方法制備碳薄膜材料；通入氬氣與甲烷、氫氣與甲烷等混合氣體作為反應(yīng)氣源，打開(kāi)射頻電源和脈沖偏壓電源，沉積碳薄膜，一定時(shí)間后關(guān)閉，冷卻至溫度小于4(TC,釋放真空取出樣品。本發(fā)明選用硅作為過(guò)渡層材料，硅的熱膨脹系數(shù)介于碳薄膜和鐵基材料之間，并且硅與碳和鐵都具有好的結(jié)合性能，作為過(guò)渡層可以緩減由膜基熱膨脹系數(shù)差異所造成的熱應(yīng)力，提高膜基結(jié)合力。本發(fā)明B步驟硅過(guò)渡層制備工藝參數(shù)為腔體氣壓0.251.0Pa，濺射電流320A，脈沖偏壓-100-1000V,脈沖占空比2080%，過(guò)渡層厚度30500腦。本發(fā)明C步驟等離子體活化工藝參數(shù)為氣壓0.53.0Pa，脈沖偏壓-200-1200V,占空比2080%，清洗時(shí)間540min。本發(fā)明采用射頻電感耦合的方式產(chǎn)生等離子體制備碳薄膜材料，該方法具有等離子體能量密度高的優(yōu)點(diǎn)(109"2(:111-1),有利于增加反應(yīng)活性，制備特殊結(jié)構(gòu)、具有超潤(rùn)滑性能的碳薄膜材料。4本發(fā)明C步驟碳薄膜制備工藝參數(shù)為Ar/CH4及H2/CH4的體積流量比3:11:3，腔體氣壓0.52.0Pa，射頻入射功率4001500w，脈沖偏壓-200-1200V,脈沖占空比2080%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是薄膜制備過(guò)程簡(jiǎn)單，各制備參數(shù)易操控。制備的復(fù)合碳薄膜材料不僅具有高的硬度，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，而且與鐵基金屬底材具有良好的附著力，在無(wú)液體潤(rùn)滑劑存在的情況下，顯示了極其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。在大氣環(huán)境中具有0.03-0.05的摩擦系數(shù)和1.732.6xl(T7mm3/Nm的磨損率，在&等惰性氣體氣氛中具有0.004-0.007的摩擦系數(shù)和3.88.9xl(T9mm3/Nm的磨損率。上述優(yōu)異性能使得該復(fù)合碳薄膜材料可以作為新型的固體超潤(rùn)滑薄膜材料應(yīng)用在高技術(shù)精密機(jī)械和電子信息技術(shù)等眾多領(lǐng)域中。本發(fā)明的產(chǎn)品主要性能指標(biāo)如下表1所示表l<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>具體實(shí)施方式實(shí)施例1:A、樣品預(yù)處理將拋光至鏡面的不銹鋼基底用無(wú)水酒精、蒸餾水、丙酮分別進(jìn)行超聲清洗10min，隨即用氮?dú)獯蹈?，置于沉積室。將真空腔內(nèi)氣壓抽至6xl0-spa以下，通入高純氬氣至氣壓為3.0Pa。打開(kāi)脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)電壓值為-200V，占空比為80%，進(jìn)行氬等離子體轟擊清洗10min。B、沉積硅過(guò)渡層調(diào)節(jié)氬氣流量，使腔體氣壓維持在2.5x10—1Pa，打開(kāi)中頻濺射電源和脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)濺射電流為20A，脈沖偏壓為-1000V，脈沖占空比20%,待過(guò)渡層厚度達(dá)到500nm后關(guān)閉。C、沉積碳層通入高純氬氣與甲烷混合氣體，使腔體氣壓維持在2.0Pa，氬氣與甲垸氣體的體積流量比為1:3。打開(kāi)射頻電源和脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)射頻電源反射功率為零，入射功率為400w。調(diào)節(jié)基底脈沖偏壓為-800V，脈沖占空比60%，沉積300分鐘后冷卻，當(dāng)溫度降至4(TC以下，釋放真空取出樣品。實(shí)施例2:A、樣品預(yù)處理將拋光后的硬質(zhì)合金基底用無(wú)水酒精、蒸餾水、丙酮分別進(jìn)行超聲清15min，隨即用氮?dú)獯蹈?，置于沉積室。將真空腔內(nèi)氣壓抽至6x10—3Pa以下，通入高純氮?dú)庵翚鈮簽?.5Pa。打開(kāi)脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)電壓值為-1200V,占空比為20%，進(jìn)行氬等離子體轟擊清洗20min。B、沉積硅過(guò)渡層調(diào)節(jié)氬氣流量，使腔體氣壓維持在1.0Pa，打開(kāi)中頻濺射電源和脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)濺射電流為3A，脈沖偏壓為-100V，脈沖占空比50%,待過(guò)渡層厚度達(dá)到50nm后關(guān)閉。C、沉積碳層通入高純氬氣與甲烷混合氣體，使腔體氣壓維持在0.5Pa，氬氣與甲垸氣體的質(zhì)量流量比為3:1。打開(kāi)射頻電源和脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)射頻電源反射功率為零，入射功率為1500w。調(diào)節(jié)基底脈沖偏壓為-1000V，脈沖占空比30%，沉積300分鐘后冷卻，當(dāng)溫度降至40。C以下，釋放真空取出樣品。實(shí)施例3:A、樣品預(yù)處理將拋光至鏡面的鋼球基底用無(wú)水酒精、蒸餾水、丙酮分別進(jìn)行超聲清洗30rnin，隨即用氮?dú)獯蹈桑糜诔练e室。將真空腔內(nèi)氣壓抽至6xl(T3Pa以下，通入高純氬氣至氣壓為1.0Pa。打開(kāi)脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)電壓值為-1000V,占空比為60%，進(jìn)行氬等離子體轟擊清洗30min。B、沉積硅過(guò)渡層調(diào)節(jié)氬氣流量，使腔體氣壓維持在5.5x10—1Pa，打開(kāi)中頻濺射電源和脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)濺射電流為8A，脈沖偏壓為-400V,脈沖占空比80%,待過(guò)渡層厚度達(dá)到300nm后關(guān)閉。C、沉積碳層通入高純氬氣與甲垸混合氣體，使腔體氣壓維持在0.5Pa，氫氣與甲垸氣體的質(zhì)量流量比為3:1。打開(kāi)射頻電源和脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)射頻電源反射功率為零，入射功率為1000w。調(diào)節(jié)基底脈沖偏壓為-200V，脈沖占空比80%，沉積300分鐘后冷卻，當(dāng)溫度降至40。C以下，釋放真空取出樣品。實(shí)施例4:A、樣品預(yù)處理將拋光至鏡面的不銹鋼基底用無(wú)水酒精、蒸餾水、丙酮分別進(jìn)行超聲清洗30min，隨即用氮?dú)獯蹈?，置于沉積室。將真空腔內(nèi)氣壓抽至6xlO^Pa以下，通入高純氮?dú)庵翚鈮簽閘.OPa。打開(kāi)脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)電壓值為-1000V，占空比為60%，進(jìn)行氬等離子體轟擊清洗30min。B、沉積硅過(guò)渡層調(diào)節(jié)氬氣流量，使腔體氣壓維持在5.5x10"Pa，打開(kāi)中頻濺射電源和脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)濺射電流為8A，脈沖偏壓為-400V,脈沖占空比40%,待過(guò)渡層厚度達(dá)到200nm后關(guān)閉。C、沉積碳層通入高純氬氣與甲垸混合氣體，使腔體氣壓維持在0.6Pa，氫氣與甲烷氣體的質(zhì)量流量比為1:3。打開(kāi)射頻電源和脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)射頻電源反射功率為零，入射功率為600w。調(diào)節(jié)基底脈沖偏壓為-200V，脈沖占空比60%，沉積300分鐘后冷卻，當(dāng)溫度降至40。C以下，釋放真空取出樣品。權(quán)利要求1、一種超潤(rùn)滑復(fù)合碳薄膜材料的制備方法，其特征在于制備過(guò)程在多功能鍍膜設(shè)備的真空腔體內(nèi)完成，該方法包括以下步驟A、樣品預(yù)處理將在丙酮和乙醇中超聲處理后的金屬基底置于樣品室后抽真空至6×10-3Pa以下，通入高純氬氣、氮?dú)庾鳛殡x化氣體，打開(kāi)脈沖偏壓電源，輝光放電產(chǎn)生等離子體，對(duì)基底表面進(jìn)行活化清洗；B、沉積硅過(guò)渡層清洗完畢后，利用非平衡磁控濺射的方法首先制備硅過(guò)渡層，選用高純度的硅材料作為濺射靶材，以高純氬氣作為濺射氣體，基體附加脈沖負(fù)偏壓，沉積后關(guān)閉；C、沉積碳層利用脈沖偏壓輔助射頻電感偶合等離子體化學(xué)方法制備碳薄膜材料；通入氬氣與甲烷、氫氣與甲烷等混合氣體作為反應(yīng)氣源，打開(kāi)射頻電源和脈沖偏壓電源，沉積碳薄膜，一定時(shí)間后關(guān)閉，冷卻至溫度小于40℃，釋放真空取出樣品。2、如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于B步驟硅過(guò)渡層制備工藝參數(shù)為腔體氣壓0.251.0Pa，濺射電流320A，脈沖偏壓-100-1000V，脈沖占空比2080%，過(guò)渡層厚度30500nm。3、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于C步驟等離子體活化工藝參數(shù)為氣壓0.53.0Pa，脈沖偏壓-200-1200V，占空比2080%，清洗時(shí)間5404、如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于C步驟碳薄膜制備工藝參數(shù)為Ar/CH4及H2/CH4的體積流量比3:11:3，腔體氣壓0.52.0Pa，射頻入射功率4001500w，脈沖偏壓-200-1200V，脈沖占空比2080%。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種在金屬底材上制備超潤(rùn)滑復(fù)合碳薄膜材料的方法。本發(fā)明在金屬底材上制備超潤(rùn)滑復(fù)合碳薄膜材料的方法，其特點(diǎn)是在金屬基底上首先通過(guò)非平衡磁控濺射的方法導(dǎo)入硅過(guò)渡層，然后采用脈沖偏壓輔助射頻電感偶合等離子體化學(xué)氣相沉積的方法制備含氫碳薄膜材料。該薄膜材料不僅與金屬基底具有牢固的結(jié)合力，而且展示了極其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，在大氣環(huán)境中具有0.03-0.05的摩擦系數(shù)和1.73～2.6×10^-7mm³/Nm的磨損率，在N₂等惰性氣體氣氛下具有0.004-0.007的摩擦系數(shù)和3.8～8.9×10^-9mm³/Nm的磨損率，解決了碳薄膜材料與金屬基體結(jié)合力差的難題，在高技術(shù)精密機(jī)械和電子信息技術(shù)等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。文檔編號(hào)C23C28/04GK101665942SQ20081015086公開(kāi)日2010年3月10日申請(qǐng)日期2008年9月4日優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日發(fā)明者利吉,周惠娣,權(quán)偉龍,李紅軒,飛趙,陳建敏申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所