[发明专利]一种类石墨纳米多层薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及类石墨薄膜(GLC)技术领域，本发明提供了一种类石墨纳米多层薄膜及其制备方法和应用，所述类石墨纳米多层薄膜由纯GLC薄膜与掺金属GLC薄膜交替组成，所述掺金属GLC薄膜中金属为第六副族元素，每个相邻纯GLC薄膜与掺金属GLC薄膜两膜层的总厚度为30nm～80nm。本发明将掺杂改性和结构设计这两种优化手段引入到GLC薄膜研究中，获得一种具有局部掺杂、整体多层的结构特征的新型GLC薄膜，其具有高硬度、低应力、强韧性等特点，并且摩擦学性能优异，能很好地实现力学性能与摩擦学性能的协调匹配，利于其在各种工程部件上的广泛应用。

技术领域

本发明涉及类石墨薄膜技术领域，具体涉及一种类石墨纳米多层薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

类金刚石薄膜(DLC)是一类性质上与金刚石类似，主要由sp²和sp³键组成的非晶碳膜。它不仅摩擦系数小，而且抗粘附性好、硬度高、耐磨性优良，导热性及化学稳定性好，可广泛的应用于机械、工模具、刀具、汽车、电子、光学以及航空航天等领域。然而，DLC薄膜也存在不足。DLC薄膜的摩擦学性能与力学性能匹配性较差，当薄膜的硬度较高时，往往弹性和韧性较差，在摩擦过程中容易发生脆裂；而当薄膜的硬度较低时，其耐磨性又大大降低。这些都大大的限制了DLC薄膜的实际应用范围的扩展，目前来说，DLC薄膜主要只在低载和低速的服役工况下使用。

越来越多的研究表明，与DLC薄膜结构相近、主要由sp²杂化结构构成的类石墨薄膜(GLC)，这种非晶碳膜在具有与DLC薄膜同样优异的摩擦学性能的同时，还表现出良好的力学性能以及承载能力。类石墨薄膜的出现为解决类金刚石薄膜内应力高，热稳定性较差等一系列难题提供了一个新的思路，也为实现非晶碳膜在更加苛刻工况环境下的应用开辟了可能。

GLC薄膜的摩擦学特性与摩擦接触点的表面化学和物理状态有关，在适当的工艺条件下，GLC薄膜在大气、水润滑以及油润滑环境下可表现出非常低的摩擦系数，是一种有望在更加苛刻环境下服役的极具潜力的非晶碳膜。但是，目前有关类石墨薄膜的研究还停留在对纯GLC薄膜的制备工艺及相关性能的探索，有关元素掺杂和结构设计方面的研究还鲜有报道，这大大限制了GLC薄膜的进一步开发和应用。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种类石墨纳米多层薄膜及其制备方法和应用，本发明提供的类石墨纳米多层薄膜具有高硬度、低应力、强韧性等力学性能和优异的摩擦学性能，利于推广应用。

本发明提供一种类石墨纳米多层薄膜，其由纯GLC子层与掺金属GLC子层交替组成，所述掺金属GLC子层薄膜中金属为第六副族元素，每个相邻纯GLC子层与掺金属GLC子层构成的一个调制周期的总厚度为30nm～80nm。其中，所述纯GLC子层和掺金属GLC子层均为薄膜状，即每个相邻纯GLC薄膜与掺金属GLC薄膜两个子层作为一个调制周期。

优选地，所述掺金属GLC薄膜中金属为钨。

优选地，每个相邻纯GLC子层与掺金属GLC子层两膜层的总厚度为40nm。

优选地，所述掺金属GLC薄膜中金属的含量为8～10at％。

优选地，所述类石墨纳米多层薄膜的总层数为30层～60层，进一步优选为30层或60层，更优选为60层。其中，所述类石墨纳米多层薄膜的总层数为总调制周期数的2倍。

本发明提供一种类石墨纳米多层薄膜的制备方法，包括以下步骤：

采用等离子体增强磁控溅射系统，所述等离子体增强磁控溅射系统包括位于方形炉壁上的四个靶位，所述四个靶位中，对称设置有两个石墨靶，其余两个靶位分别设置有一个金属靶和一个溅射增强离子源，在基体上交替沉积纯GLC薄膜与掺金属GLC薄膜，得到类石墨纳米多层薄膜；

所述金属靶和掺金属GLC薄膜中金属为第六副族元素，每个相邻纯GLC薄膜与掺金属GLC薄膜两膜层的总厚度为30nm～80nm。