[发明专利]一种弹性硬质润滑纳米复合薄膜材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种弹性硬质润滑纳米复合薄膜材料的制备方法。该方法是采用磁控溅射沉积和等离子体处理技术相结合的方式，在低温下制备弹性硬质润滑纳米复合薄膜材料，此类薄膜以氮化物（如氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化锆(ZrN)等）多孔结构为骨架，在纳米孔道中填充软物质石墨，从而构成硬相/软相复合的纳米薄膜，其表面光滑，与基底材料结合牢固，具有高硬度、高韧性和良好的润滑行为。因此，此类多孔薄膜适合应用于柔性电子材料、平板显示器、微电子机械系统、聚合物防护、玻璃薄片、纺织物、减摩耐磨物件等领域。

技术领域

本发明属于薄膜材料制备技术领域，尤其涉及一种在低温下制备高弹性、高硬度和润滑的纳米复合薄膜材料的方法。

背景技术

硬质纳米复合薄膜体现了新一代的薄膜的发展趋势。通常，合成硬质纳米复合薄膜的主要目的是增强其硬度。当此类薄膜的硬度超过40 GPa时，其被称为超硬纳米复合薄膜。但是，在现代的许多应用中，增加硬度已经不是硬质纳米复合薄膜的唯一考量因素。有时，硬质薄膜的韧性远比极其高的硬度（>40 GPa）更重要。因此，在当前，发展同时具有高硬度、高韧性和可弯曲的纳米复合薄膜（即弹性硬质纳米复合薄膜）已经吸引了大量研究人员的注意。弹性硬质纳米复合薄膜在高新技术领域具有巨大的潜在应用，如柔性电子材料、平板显示器、微电子机械系统（MEMS）、在柔性基底（聚合物薄片、玻璃薄片、纺织物等）上功能薄膜的形成等。

近年来，弹性硬质纳米复合薄膜主要有以下几个系统：Al-Cu-O纳米复合薄膜；Zr-Al-O纳米复合薄膜；Al-O-N纳米复合薄膜；Si-Zr-O纳米复合薄膜；Ti-Ni-N纳米复合薄膜；Al-Cu-N纳米复合薄膜；（Ti-Al-V）N_x纳米复合薄膜。所有的这些纳米复合薄膜都具有高硬度和高韧性，且可弯曲而无裂缝的特性。但是，从此类纳米复合薄膜的成分可知，其只具有耐磨损的性质，而无润滑行为。这样会导致弹性硬质纳米复合薄膜在使用过程中将其对偶材料（特别是软物质）造成严重的磨损，同时易于发出较大的噪音。因此，发展一种同时具有高硬度、高韧性、可弯曲且具有润滑性的纳米复合薄膜成为研究人员追求的目标。

发明内容

本发明的主要目的是利用磁控溅射沉积和等离子体处理技术相结合的方式，在低温下制备弹性硬质润滑纳米复合薄膜材料，此类薄膜以氮化物（如氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化锆(ZrN)等）多孔结构为骨架，在纳米孔道中填充软物质石墨，从而构成硬相/软相复合的纳米薄膜，其表面光滑，与基底材料结合牢固，具有高硬度、高韧性和良好的润滑行为。

本发明的原理是磁控溅射掠射角沉积技术的阴影效应在基底上制备纳米多孔氮化物骨架，使用刻蚀气体（如氮气（N₂）、氩气（Ar）、氪气（Kr）等惰性气体）等离子体调控氮化物骨架的孔径尺寸和孔道结构，然后通过含碳（如甲烷（CH₄）、乙烯（C₂H₄）、乙炔（C₂H₂）等其衍生物）等离子体处理在氮化物骨架的孔道中填充软物质石墨，从而构成硬相/软相复合的纳米薄膜。同时，在等离子体处理过程中，含碳等离子体会与氮化物反应在其表层生成碳氮化物，其不仅提高薄膜的硬度，也有利于氮化物与石墨的结合。

本发明的技术方案是，应用磁控溅射设备和等离子体处理在低温（基底无需任何额外加热）下制备弹性硬质润滑纳米复合薄膜材料。具体操作步骤如下：

1）采用磁控溅射设备沉积制备纳米多孔氮化物骨架，其中，靶材为纯金属靶，溅射气体为N₂和Ar，总压强为0.4～4.0 Pa，N₂分压为总压强的5～40%，沉积离子入射角度与基底成0～90°，靶材与基底的距离为5～20 cm，沉积时间为5～60 min，初始腔室温度为15～45℃，施加于所述靶材上的直流电源的功率为400～1600 W，施加于所述基底上的负偏压和占空比分别为0～-400 V和40～90%，沉积结束时腔室温度在100 ℃以下，沉积制得具有纳米多孔结构的氮化物薄膜；