[发明专利]一种超滑纳米硫复合含氢碳膜制备方法

说明书

本发明公开了一种超滑纳米硫复合含氢碳膜制备方法，是采用高功率磁过滤电弧离子镀方法方式获得含氢量20‑23%的含氢碳膜，再在含氢碳膜上生长纳米硫薄膜或者注入纳米硫，最终纳米硫复合含氢碳膜。由于纳米硫粉的弱作用力，使得的复合膜能有效减小摩擦界面间的剪切力，在摩擦过程中有效的降低摩擦系数，实现宏观尺度上（在干燥/潮湿空气）氛围下的稳定超滑。摩擦性能实验表明，本发明制备的纳米硫粉复合含氢碳薄膜在宏观尺度氛围下的的摩擦系数低至0.0036，可以实现稳定超滑，为工程应用提供基础数据和思路。另外，本发明制备纳米硫粉复合碳膜的方法简单，效率高，而且对实验设备要求不高。

技术领域

本发明涉及一种超滑复合含氢碳薄膜的制备方法，尤其涉及一种在含氢碳薄膜上生长纳米硫粉制备超滑薄膜超滑复合含氢碳薄膜的方法，属于复合材料领域和摩擦学技术领域。

背景技术

摩擦是两摩擦表面间存在的阻碍相对运动的一种现象；磨损是摩擦导致的结果；润滑是控制摩擦面间摩擦、磨损的重要措施。因此，研发摩擦系数更低的、具有更佳润滑性能的材料，是降低摩擦磨损的关键。近年来，许多机械系统对表面和界面性能的要求越来越高，表面设计与制造技术急需进一步改进，现有的润滑材料摩擦系数均＞0.01，对节能减排战略的实施和机械系统的创新设计都造成了很大的制约。

润滑材料越来越追求低摩擦甚至“零摩擦”也就是超滑，既摩擦系数处于0.001或者更低的状态。超滑的实现将为节能减排和机械系统的设计提供新的途径和思路，大幅度延长机械系统的使用寿命。

纳米碳材料由于具有独特的力学性能已成为摩擦学应用研究的热点，因此，超滑一开始被观测到是在微观尺度上，如石墨烯、纳米石墨等。但是，截止今天，微观尺度的超滑难以实现工程应用，宏观材料存在局限性，对环境具有较大的依赖性。

含氢碳膜是目前研究最为广泛的宏观超滑的材料之一，但是含氢碳薄膜的超滑只能在惰性气氛下实现，且要求含氢量大于40%，导致获得的含氢碳薄膜机械性能弱化，限制了其广泛的工业应用。因此，对含氢碳薄膜进行改性，实现跨环境超滑性能时本领域人员追求的目标和研发的方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种超滑纳米硫复合含氢碳膜制备方法。

一、纳米硫粉复合含氢碳薄膜的制备

本发明制备纳米硫粉复合含氢碳薄膜的方法，是在含氢碳膜上生长一层纳米硫粉，纳米硫粉的弱作用力使得摩擦界面的剪切力下降而降低摩擦系数，从而实现复合含氢碳薄膜的超滑性能。具体方法如下：

（1）含氢碳薄膜的制备

高功率磁过滤电弧离子镀制备氢碳薄膜的工艺：高功率磁过滤电弧溅射石墨沉积纯碳薄膜过程中通入氢气获得含氢碳薄膜。具体为：将清洗干净的基底置入真空室，抽真空至1×10^-3Pa，冲入氩气1Pa，打开磁过滤Cr金属电弧，电流偏压200V，沉积10分钟；然后打开磁过滤石墨电弧，脉冲电流500A，脉冲宽度500微秒，冲入氢气，氩气和氢气的气压比为1:1~1:3，在气压1Pa，偏压100V，沉浸80分钟，获得含氢碳薄膜。含氢碳薄膜的含氢量为10~30%。含氢碳薄膜厚度为790~850nm。

所述基底为不锈钢、工具钢、硅片。

为了便于二纳米硫粉更好的在碳膜表面生长，对获得的含氢碳膜进行亲水性处理：将含氢碳薄膜置于浓硫酸/高锰酸钾混合溶液中处理4~5h，使碳膜表面羟基化；处理完成后用纯水完全冲洗干净，烘干；其中浓硫酸/高锰酸钾混合溶液为：15ml浓硫酸与1ml浓度1mol/L 高锰酸钾溶液混合。

（2）纳米硫粉复合含氢碳薄膜的制备

将纳米硫粉超声分散于乙醇中配置成质量浓度0.025~0.1%的纳米硫粉溶液，然后将纳米硫粉溶液均匀地涂抹在含氢碳薄膜上，并在室温下自然风干，即得超滑纳米硫粉复合含氢碳超滑薄膜。