[发明专利]一种超滑性能复合纳米滑石粉含氢碳薄膜的制备方法有效

专利信息
申请号: 202010424054.6 申请日: 2020-05-19
公开(公告)号: CN111424250B 公开(公告)日: 2022-02-01
发明(设计)人: 张斌;贾倩;张俊彦;高凯雄;强力;于元烈 申请(专利权)人: 中国科学院兰州化学物理研究所
主分类号: C23C14/35 分类号: C23C14/35;C23C14/34;C23C14/06;C23C14/58;C23C14/02
代理公司: 兰州智和专利代理事务所(普通合伙) 62201 代理人: 张英荷
地址: 730000 甘*** 国省代码: 甘肃;62
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摘要:
搜索关键词: 一种 性能 复合 纳米 滑石粉 含氢碳 薄膜 制备 方法
【说明书】:

发明公开了一种超滑性能复合纳米滑石粉含氢碳薄膜的制备方法,是先利用磁控溅射和空心阴极离子源在金属表面制备氢含量10~30%的含氢碳薄膜;然后将具有纳米厚度的二维滑石粉材料纳米滑石粉溶解在乙醇中,并将沉积含氢碳薄膜的基体放置入纳米滑石粉溶液超声辅助自组装,获得纳米滑石粉含氢碳薄膜。由于纳米滑石粉的层间弱作用力和含氢碳薄膜的限域作用,在摩擦过程中,纳米滑石粉不仅转移到摩擦副表面,并在外力挤压下镶嵌在含氢非晶碳薄膜网络中而实现超滑性能。摩擦性能检测表明,本发明制备的纳米滑石粉含氢碳薄膜在干燥、湿润的大气环境及惰性气氛下,摩擦系数可低至0.005,完全实现了在宏观尺度大气环境下的超滑性能。

技术领域

本发明涉及一种超滑性能含氢碳薄膜的制备方法,尤其涉及一种超滑性能复合纳米滑石粉含氢碳薄膜的制备方法,属于复合材料技术领域和摩擦学领域。

背景技术

随着国家节能减排政策严苛规定、日益严格环保政策以及机械系统不断提升的高精度、高可靠性和长寿命要求,如何在钢材质表面获得更低摩擦系数的薄膜、降低磨损和延长运动部件的工作寿命核心问题之一。

目前润滑油的摩擦系数处于0.05,固体润滑大多处于0.1量级。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。虽然通过纳米结构调控以降低碳薄膜摩擦系数,但还是存在很多问题。如ZL 201610371967.X提供了大气环境下超滑纳米晶-非晶碳薄膜的制备方法,摩擦系数低至0.005,但是其制备窗口较小,不易实现工程化。CN 201510582261.3提供了一种磁控溅射含银超低摩擦系数类石墨碳膜的制备方法,但实际测量摩擦系数大于0.01,没有实现真正意义上的超低摩擦。

发明内容

本发明的目的是提供了一种超滑性能复合纳米滑石粉含氢碳薄膜的制备方法。

一、复合纳米滑石粉含氢碳薄膜的制备

本发明超滑性能复合纳米滑石粉含氢碳薄膜的制备方法,是先在金属基底上沉积含氢碳薄膜,再在含氢碳薄膜表面纳复合米滑石粉。由于纳米滑石粉的层间弱作用力和含氢碳薄膜的限域作用,在摩擦过程中,纳米滑石粉不仅转移到摩擦副表面,并在外力挤压下镶嵌在含氢非晶碳薄膜网络中而实现超滑性能。具体制备工艺如下:

(1)金属基底的清洗:将金属基底依次用水基清洗液、碳氢清洗液在超声清洗槽中清洗,去除油污、锈点和污染物后用氮气吹干。金属基底为Cr12MoV等。

(2)含氢碳薄膜的制备:将清洗吹干后的金属基底置入镀膜真空室,真空抽至1.0×10-3 Pa;先利用六硼化镧空心阴极离子源进行高强度的气体离子轰击清洗以进一步去除表面污染物;再采用高功率脉冲磁控溅射技术沉积TiSi结合层(TiSi复合靶,且Ti、Si的原子比为1:1),然后采用阳极层离子源沉积含氢碳薄膜;完成镀膜后,将含氢碳薄膜取出,进行表面纳米滑石粉复合。

空心阴极离子源进行气体离子轰击清洗参数:电流400A,气压5Pa,偏压700V;

高功率脉冲磁控溅射沉积TiSi结合层:溅射靶TiSi复合靶,溅射电压800V,脉冲占空比20%,台阶比1:3(既低压段300V和高压段900V工作比例),脉宽1000微秒,偏压400V,氩气1Pa。

采用阳极层离子源沉积含氢碳薄膜的参数:离子源电压为1200V,偏压150V,气压3Pa,时间120分钟;其中气压由氩气、甲烷、氢气混合气体提供;薄膜中氢含量通过调节氢气比例控制。当氩气0.5Pa,甲烷与氢气的气压比为1:1~1:3时,含氢薄膜中氢含量为27~31%。

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