[发明专利]一种高压干气密封装置用分形织构化碳膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种高压干气密封装置用分形织构化碳膜的制备方法。本发明通过分形织构与碳基薄膜相结合的一体化技术，即利用激光加工技术实现织构图形的构筑；利用等离子增强化学气相沉积技术来实现碳基薄膜的沉积，通过两者的协同耦合作用，来实现高压干气密封装置用分形织构化碳膜的制备。本发明所制备的高压干气密封装置用的分形织构化碳膜具有超低摩擦系数、超低磨损、高承载能力、长寿命等优异的综合性能，可大幅度提高高压干气密封的使用寿命。

技术领域

本发明属于织构化薄膜技术领域，涉及一种高压干气密封装置用分形织构化碳膜的制备方法，可用于动静环摩擦副的摩擦学性能的改善。

背景技术

织构化薄膜技术综合了表面图形化技术和固体薄膜技术的优势，能够在很大程度上改善摩擦副的摩擦、磨损及润滑性能。其适用范围包括不同的温度环境和湿度环境、真空及各种气体环境、不同载荷、速度条件及各种润滑条件如干摩擦、油润滑、水润滑、其它润滑介质等，在摩擦学技术领域具有很好的应用前景。

虽然表面织构化的科学研究已取得了重要进展，但目前的表面织构化研究主要以单一的规则织构化图案如凹坑和凹槽为主，缺少对复杂织构的系统研究。

分形织构(织构图案为分形图形)相对于一般规则织构而言，其单元间的相互作用比规则织构的更强烈，可以产生更大的流体动压效应，从而提高负载能力与润滑条件；分形织构在捕获磨屑上比规则织构更强，从而防止摩擦副进一步磨损。

激光加工表面具有速度快，与表面物质接触时间短，对表面其他部位的损伤小加工精度高等特点并且可以通过改变能量等控制织构尺寸，通过改变激光扫描路径控制织构的形状，对环境的污染小。

与非晶碳薄膜相比，特殊纳米结构的固体润滑薄膜（如类富勒烯薄结构）通常具有独特的属性，如超低摩擦系数和磨损率，相对高的硬度和弹性模量以及好的环境活应性和荷刻条件下的适用性能。

发明内容

本发明针对高压干气密封端面摩擦磨损严重的问题提供了一种高压干气密封装置用分形织构化碳膜的制备方法。

本发明所述的分形织构碳膜可用于活塞环、润滑机械部件（如缸套表面）、切削刀具、成形工具（如用于金属板材成形的辊、冷冲模）和机械端面密封表面。

一种高压干气密封装置用分形织构化碳膜的制备方法，其特征在于将抛光好的基底依次用丙酮、无水乙醇、蒸馏水经超声波清洗5-15min，并用N₂干燥，利用激光加工技术在基底表面加工出预先设计好的织构图形；然后把基底在丙酮和无水乙醇中依次超声波清洗5~15min，用氮气干燥，快速转移到真空腔内，将真空腔抽至9.8×10^-4Pa；在沉积前利用脉冲负偏压进行高强度的Ar气体离子轰击清洗，去除基底表面的氧化层和毛刺等；然后沉积类富勒烯结构碳膜，制得高性能的高压干气密封用分形织构化类富勒烯结构碳膜。

所述基底为碳化硅、碳化钨或轴承钢。

所述激光加工技术的激光波长为1000 nm，脉冲宽度为100 ns，激光功率为49 W，激光脉冲重复频率为50 kHz，激光器对单个微凹坑织构的持续时间为0.4 ms。

所述织构图形为二阶Sierpinski方毯分形结构，其形成过程为将二阶Sierpinski方毯分形结构的原正方形区域平均9等分为9个大小相等的正方形，然后去除中间的正方形区域；将周围的8个正方形按上述步骤再分别进行9等分，分别去除中间的正方形，按这种构造规则连续构造3次可得所述图形，其正方形边长分别为333μm； 111μm；37μm，12μm。正方形的深度为3~12μm。