[发明专利]一种具有热循环服役能力的自润滑纳米结构薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明涉及硬质薄膜材料领域，具体涉及一种具有热循环服役能力的自润滑纳米结构薄膜材料，该材料由四种纳米结构调制层交替沉积获得：一种调制层是SiNx‑SMe层（SMe为软金属），位于每一调制周期的最底部，由非晶SiNx和纳米晶SMe两相组成，呈现非晶包裹纳米晶的微结构；另一种调制层是MoxN层；第三种调制层是SiNx‑MoxN层，其位于SiNx‑SMe层和MoxN层之间，由SiNx和MoxN两相构成；第四种调制层是MoxN‑SiNx层，其位于最顶层，由SiNx和MoxN两相构成。本发明的有效果为：通过相互的协同作用使薄膜在保证室温到高温宽温域自润滑性能的前提下，具有优异的热循环服役能力。

技术领域

本发明涉及薄膜材料制备领域，具体涉及一种具有优异热循环服役能力的宽温域自润滑硬质SiN_x-SMe/SiN_x-Mo_xN/Mo_xN/Mo_xN-SiN_x纳米结构薄膜材料及其制备方法。

背景技术

动力机械及装备自诞生以来对人类的生产生活产生了极大的影响，而随着现代工业的发展，对其也提出了更高的服役要求，这使得如活塞环、轴承和高速齿轮等核心部件需要在室温到高温的温度波动环境下长时间服役，传统的润滑油脂已难以满足性能的要求。为此，基于固体润滑理论，利用涂层技术设计并制备具有热循环服役能力的宽温域自润滑硬质薄膜材料是解决上述问题的有效方式，业已成为当今摩擦学领域的前沿方向之一。

诸如Sn、Cu、Ag、Au、Pt等软金属(Soft Metal,SMe)因其具有优异的摩擦学性能而广泛的应用于各类摩擦工件中。例如，早在2500年前我国就掌握了在青铜器表面镀锡的技术，镀层具有优异的耐磨和减摩性能，甚至在某些工况中会发生负磨损现象。然而上述的软金属镀层在高载荷下的耐磨损性能并不理想。多元化是提升薄膜材料综合性能的主要手段之一。国内外学者为提升镀层的力学性能和承载能力，通过在软金属镀层中添加硬质的金属氮化物(Metal Nitride,MeN) 陶瓷，成功设计并制备出了如TiN/Ag、VN/Cu、Mo₂N/Cu等多种MeN/SMe型纳米结构复合薄膜材料。研究表明，MeN为柱状晶结构生长，具有较为优异的力学性能，在摩擦过程中也体现出了优秀的承载能力，弥补了软金属的不足。然而Ag 在中、高温条件下会沿着MeN晶界发生过度的迁移释放，因此上述含MeN/SMe 薄膜材料服役寿命很短，且不具备在室温到高温的温度波动环境下的热循环服役能力。另外，Ag的大量消耗在薄膜中留下孔洞，使力学性能大幅降低。如何利用成熟的薄膜制备技术，通过成分和结构设计制备兼具具有热循环服役能力的宽温域自润滑硬质薄膜材料以避免润滑组元的过度消耗是使宽温域自润滑硬质薄膜材料具备工业应用价值的关键。

发明内容