[发明专利]一种提高类富勒烯薄膜结合力和摩擦学性能的方法

说明书

本发明公开了一种提高类富勒烯薄膜结合力和摩擦学性能的方法。该方法利用等离子体增强化学气相沉积技术，利用氮气、磷化氢和甲烷作为气源，在射频电源和脉冲负偏压的共同作用下在基底上沉积类富勒烯薄膜。其特点是：工艺简单，经济高效，沉积温度低，重复性好，摩擦系数极低，钢基底与类富勒烯薄膜结合力提升效果明显。采用这种方法能够大幅度提升类富勒烯薄膜的结合力和摩擦学性能，使类富勒烯薄膜起到更好的润滑效果。此方法不仅适用于不锈钢表面，在陶瓷、高分子材料、复合材料等材料领域也同样适用，具有广阔的应用前景。因此该发明所提供的提高结合力和摩擦学性能的方法应用潜力巨大。

技术领域

本发明属于等离子增强化学气相沉积领域，涉及一种提高类富勒烯薄膜结合力和摩擦学性能的方法。

背景技术

随着机械系统的高精密化、高集成化、高能效化、高可靠性发展，机械系统运动部件的表面效应和界面效应越来越突出，对于摩擦磨损性能的控制要求也越来越苛刻。发达国家每年因摩擦磨损造成的损失约占国民生产总值（GDP）的 5%-7%。我国是制造大国，其损失比例更高。据不完全统计，我国每年由于摩擦磨损造成的经济损失达上万亿元。与工业发达国家相比，我国机械装备使用寿命短、资源能源浪费巨大。参照 2012 年的统计数据，我国单位 GDP 能耗是日本的 7 倍，美国的 3.3 倍，世界平均水平的 2.5 倍。减少机械运动部件摩擦磨损已被视为有效延长其工作寿命并提高其运行的可靠性、稳定性途径之一。而固体超滑薄膜与技术是摩擦学发展的一个大跨越，是固体润滑材料研究与应用的新高点，是解决高新尖技术高能耗、突破设备长寿命和稳定性的关键技术，同时降低设备能耗和资源消耗。而类富勒烯薄膜具有高硬度、高弹性模量、好化学惰性、低摩擦系数、抗磨性强、电学特性优异等综合性能, 很适合作为保护涂层。而且，类富勒烯薄膜可以在比较低的温度下沉积在各种基底的表面，因此在电化学、机械、摩擦学、核能、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

然而类富勒烯薄膜发展和应用中一直存在一个重大的难题，类富勒烯薄膜与金属基底之间结合力较差，很容易从金属基体上脱落，且摩擦系数不是特别低，这在很大程度上限制了类富勒烯薄膜的推广应用。导致弱结合力而别的原因是由于薄膜在制备过程中产生了极高的应力，加之薄膜本身就具有化学惰性，很难与金属基底形成化学键合；并且，随着薄膜厚度的增加，更使得薄膜与金属基底结合强度降低。制备类富勒烯薄膜的方法很多，而如何增强金属基底与类富勒烯薄膜结合力并减小摩擦力是关键问题。目前，各国科学家和产业界人士已尝试通过添加梯度过渡层来增加碳薄膜与钢基底间结合力（专利ZL200910098622.1），但此方法工艺复杂，且对于结合力的提升效果并不明显。此外，所沉积的类富勒烯薄膜摩擦系数较高（专利ZL 200710308591.9）。

目前大家都关注于制备类富勒烯薄膜，并未通过掺杂元素进而改善类富勒烯薄膜。

综上所述，研究类富勒烯薄膜的制备以及普适化具有重要的科学意义和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高类富勒烯薄膜结合力和摩擦学性能的方法。

本发明利用等离子体增强化学气相沉积方法将N元素和P元素掺杂于类富勒烯薄膜，将类富勒烯薄膜具有高硬度、高弹性模量、好化学惰性、低摩擦系数、抗磨性强、电学特性优异等综合性能得到更进一步提升，能够有效改善薄膜和基底的结合力，进一步提升摩擦学性能。并且此方法设备简单，沉积温度低，重复性好，摩擦系数极低，基底与类富勒烯薄膜结合力提升效果明显。

一种提高类富勒烯薄膜结合力和摩擦学性能的方法，其特征在于具体步骤为：

1) 清洗基底

将预先清洁后的基底放入丙酮、乙醇中超声清洗各20~40分钟，然后用洗耳球吹干；

2) 装入样品

将清洗后的样品转移至真空腔，放置在下部的基底盘上，基底盘和脉冲负偏压电源相连；