[发明专利]一种纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法，是在金属基底上通过磁控溅射沉积技术和空心阴极等离子化学气相沉积技术沉积制备含氢量为20‑24%的含氢碳薄膜，然后通过自组装的方式在含氢碳薄膜上生长纳米羰基金属颗粒获得。由于羰基金属其羰基的高活性，在摩擦过程中，含氢非晶碳环状网络在纳米羰基金属的催化下转变为石墨烯，而石墨烯的多层结构有利于碳膜的超滑性能。摩擦性能测试结果表明，在干燥的大气环境及惰性气氛下，本发明制备的复合纳米羰基金属含氢碳膜的摩擦系数均在0.003~0.006范围内，远低于传统的0.01数量级，完全实现了在宏观尺度大气等环境下的超滑性能，对超滑技术的工程应用意义重大。

技术领域

本发明涉及一种超滑含氢碳薄膜的制备方法，尤其涉及纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法，属于复合材料领域和摩擦学领域。

背景技术

摩擦伴随着生命的起源和人类社会的发展，进入21世纪，摩擦与润滑已经成为人类文明发展和科技进步不可分割的重要部分。世界上使用的一次能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦，机械产品的易损零件80%是由于磨损超过限度而报废和更换的。

超滑特指摩擦系数低于0.01，处于0.001甚至更低的状态，被认为是解决摩擦磨损问题的必由之路，又称之为超低摩擦。

专利CN 201710403632.6提供了一种摩擦表面生长石墨烯的宏观超滑方法，但是其在600℃以上制备，根本不能满足大多数工程金属表面制备的要求，会导致金属基底机械性能丧失。专利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。专利CN201910336890.6提供了一种超滑二维复合材料及其制备方法，但是其实际测量摩擦系数仅为0.02。专利CN 201910675966.8提供了一种表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法，使用电泳的方法在金属表面制备石墨烯，这种方法只能在平面样品中获得均匀厚度的薄膜，且结合力差，不利于在复杂表面制备，难以工业化应用。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的目的是提供了纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法，以解决复杂表面可控制备和实现工程超滑的难题。

本发明制备超滑含氢碳薄膜的方法，是在金属基底上通过磁控溅射沉积技术和反空心阴极等离子化学气相沉积技术沉积制备含氢量为20-24%的含氢碳薄膜，然后通过自组装的方式在含氢碳薄膜上复合纳米羰基金属颗粒而得。具体步骤如下：

（1）金属基底的清洗：将金属基底依次用水基清洗液、碳氢清洗液进行超声清洗，去除油污、锈点和污染物后用氮气吹干。金属基底为404不锈钢、轴承钢等。

（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及以下；先利用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；再采用磁控溅射技术沉积钛钨结合层，然后阳极辅助空心阴极离子源沉积含氢碳薄膜，烘干，得含氢碳薄膜；

空心阴极离子源进行高强度的气体离子轰击清洗：电流400A，气压2Pa，偏压700V；

磁控溅射技术沉积结合层的参数：钛钨（TiW）复合靶（Ti、W质量比7:3），电流7A，偏压400V，氩气1Pa；

阳极辅助空心阴极离子源沉积含氢碳薄膜参数：空心阴极电流300A，阳极150V，偏压200V，气压2Pa，时间100分钟。其中气压由甲烷、氢气同时提供。薄膜中氢含量通过调节氢气比例控制。甲烷与氢气气压比在1:1~1:1.7时，可获得氢含量20~24%的含氢碳薄膜；

（3）将羰基金属粉末超声分散在乙醇溶液中，配置成质量浓度0.1~0.3%的羰基金属分散液，然后将含氢碳薄膜浸泡在羰基金属分散液中20~24小时，羰基金属将在含氢碳薄膜表面自组装形成羰基金属纳米薄膜，即得纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜。