[发明专利]一种贵金属@洋葱碳杂化的TMC/a-C纳米复合涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种贵金属@洋葱碳杂化的TMC/a‑C纳米复合涂层及其制备方法和应用，涉及功能膜材料技术领域。本发明提供的纳米复合涂层包括非晶碳和由非晶碳包覆的TaC纳米晶、贵金属纳米团簇和贵金属单原子；所述TaC纳米晶的尺寸为4～6nm，所述贵金属纳米团簇的尺寸小于2nm；所述贵金属纳米团簇和贵金属单原子中的贵金属元素为Au或Ag，所述TaC纳米晶、贵金属纳米团簇和贵金属单原子上有结晶洋葱碳。本发明提供的贵金属@洋葱碳杂化的TMC/a‑C纳米复合涂层不仅具有极低的摩擦系数与磨损率，能实现宏观超润滑，还具有较高的硬度及韧性，兼具良好的摩擦学性能和机械性能，可作为超润滑材料应用；且制备方法简单。

技术领域

本发明涉及功能膜材料技术领域，特别涉及一种贵金属@洋葱碳杂化的TMC/a-C纳米复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术

现今在工业中由摩擦磨损所带来的能量损耗与装备失效日益严重，如涡轮机、压缩机等机械装置及齿轮、铰链、轴承等精密部件。因此，可在装备部件表面涂覆低摩耐磨涂层，使其在保持高硬度的基础上，持续降低摩擦系数与磨损率，进一步提高摩擦性能，从而有效延长装备部件使用寿命并减少能量损耗。而在低摩耐磨涂层中，TMC(N)/a-C(过渡金属碳(氮)化物/非晶碳)复合涂层是其中最不可或缺的组成部分。

纳米复合涂层由微晶(通常由碳化物或氮化物作为硬质相)包裹在无定形基体(软质相)中组成，在硬度，韧性，耐磨性和减少摩擦等方面性质优异，根据Musil和Vleck的观点，其机械性能依赖于复合涂层中的nc-TMC(N)的组成元素以及结晶与非晶基体的双相比例，而其摩擦性能受到软相的显著影响。总的来说，组分的性质，晶体大小和每相的量决定了材料的最终性质。对于TMC/a-C纳米复合涂层而言，在通过TMC维持碳化物高硬度的同时，通过非晶碳控制其摩擦系数维持在较低水平，其低摩耐磨归因于摩擦界面处剪切诱导的摩擦膜形成，而软石墨摩擦膜具有低剪切阻力，容易发生滑移，导致摩擦减小到较低值。即摩擦过程中非晶碳中sp³杂化转化为sp²杂化，形成润滑的转移膜(transfer film)或摩擦膜，有效降低摩擦。但仅仅通过该机制，无法进一步降低摩擦系数，更难以达到超润滑(～0.001)。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种贵金属@洋葱碳杂化的TMC/a-C纳米复合涂层及其制备方法和应用。本发明提供的贵金属@洋葱碳杂化的TMC/a-C纳米复合涂层不仅具有极低的摩擦系数与磨损率，可以实现宏观超润滑，还具有较高的硬度以及韧性，兼具良好的摩擦学性能和机械性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种贵金属@洋葱碳杂化的TMC/a-C纳米复合涂层，包括非晶碳和由所述非晶碳包覆的TaC纳米晶、贵金属纳米团簇和贵金属单原子；

所述TaC纳米晶的尺寸为4～6nm，所述贵金属纳米团簇的尺寸小于2nm；

所述贵金属纳米团簇和贵金属单原子中的贵金属元素为Au或Ag；

所述TaC纳米晶、贵金属纳米团簇和贵金属单原子上有结晶洋葱碳。

本发明提供了以上方案所述贵金属@洋葱碳杂化的TMC/a-C纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

将衬底加热至500～900℃，以CH₄为碳源，以Ar为溅射气体，以贵金属靶和TaC靶为溅射靶进行共溅射，在所述衬底上沉积得到贵金属@洋葱碳杂化的TMC/a-C纳米复合涂层；所述贵金属靶为Au靶或Ag靶；

所述贵金属靶的溅射功率独立为10～50W，所述TaC靶的溅射电流为0.5～1A；

所述CH₄的流量为10～30sccm，所述Ar的流量为60～90sccm。