[发明专利]一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜，是在基底表面构建一个双层薄膜体系，该双层薄膜体系包括附着于基底表面的含氢碳薄膜和附着于碳薄膜表面的WS₂球薄膜。本发明由等离子体气相沉积法制备的碳薄膜与高功率脉冲磁控溅射技术制备的WS₂薄膜球构成一种含氢碳薄膜‑二硫化钨的双层薄膜体系，在摩擦过程中摩擦热的作用下，二硫化钨催化含氢类金刚石碳膜原位生成二维石墨烯，通过二者异质接触形成多相界面非公度接触而实现结构超滑，从而实现了在宏观尺度上的大气和氩气氛围高载荷环境下的超滑。

技术领域

本发明涉及一种复合含氢碳薄膜的制备，尤其涉及一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜及其制备方法，属于固体超滑和摩擦学技术领域。

背景技术

近些年来，随着工程技术的发展，设备运行的工况条件也越来越复杂、越来越多样化，对运动部件的低能耗、高可靠和长寿命提出了更高的要求。尤其是在无油润滑的运动副界面，如何降低高摩擦带来的粘着磨损、高温，甚至是摩擦熔焊带来的装备停机等，严重影响了重大工程机械装备的高可靠长寿命运行。

超滑，特指摩擦系数处于0.001的状态，其工程化应用有望降低运动副界面的摩擦磨损，不仅减少能耗，更能保障工程机械装备关键运动副的高可靠、长寿命稳定运行。在固体润滑材料中，可工程化应用的所有薄膜材料中，类金刚石薄膜具有最低的摩擦系数，类金刚石薄膜包括非氢四面体碳薄膜、含氢四面体碳薄膜、非晶碳薄膜、非晶含氢碳薄膜。其中，含氢碳薄膜具有较低的摩擦系数，约0.05左右。目前，有关超滑的报道都集中在微观二维层状材料表面，很难实现工程应用。虽然已经有报道可以在工作界面引入石墨烯实现大尺度超滑，但是如何在机械零部件复杂表面制备均匀的二维层状材料仍然是一项挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种超滑复合二硫化钨/含氢碳薄膜及其制备方法。

本发明的超滑二硫化钨/含氢碳薄膜，其特征在于：在基底表面构建一个双层薄膜体系，该双层薄膜体系包括沉积在基底表面的含氢碳薄膜和沉积在碳薄膜表面的WS₂薄膜。

含氢碳薄膜的含氢量为10-30%，含氢碳薄膜厚度为约1微米；二硫化钨薄膜的厚度小于200nm。

超滑二硫化钨/含氢碳薄膜制备方法，是将基底材料经过超声清洗后置入镀膜真空室，抽真空至0.001帕以下，先利用空心阴极等离子体或阳极层离子源辅助等离子体制备含氢碳膜；再利用高功率脉冲磁控溅射技术制备WS₂薄膜。

采用空心阴极等离子体制备含氢碳薄膜，具体步骤为：

（1）通入2Pa的氩气，空心阴极电流300-400A，偏压800V，占空比80%，清洗30分钟，进一步除去工件表面的污染物；

（2）将氩气替换为2Pa的5%硅烷混合气，空心阴极电流300A，偏压200-400V，占空比80%，沉积硅粘结层，时间30分钟；

（3）30分钟内逐渐通入甲烷，至甲烷和5%硅烷混合气比例为1:1，保持20分钟；

（4）关闭5%硅烷混合气，通入相同量的氩气，控制甲烷和氢气的比例为2:1-1:2；沉积90分钟；获得含氢量为10-30%的类金刚石碳薄膜。

采用阳极层离子源辅助制备含氢碳薄膜，具体步骤为：

（1）通入3Pa的氩气，阳极层离子源电压1500-2000V，偏压800V，占空比60%，清洗30分钟，进一步除去工件表面的污染物；

（2）将氩气替换为2Pa的5%硅烷混合气，阳极层离子源电压1000-1200V，偏压200-400V，占空比60%，沉积硅粘结层，时间40分钟；

（3）30分钟内逐渐通入甲烷，至甲烷和5%硅烷混合气比例为1:1，保持20分钟；