[发明专利]一种电子束辅助碳基超润滑固体薄膜制备装置及方法

说明书

本发明公开一种电子束辅助碳基超润滑固体薄膜制备装置及方法，包括镀膜腔室、PVD靶材、样品台、待镀膜工件和电子束辅助沉积组件，所述待镀膜工件设置在所述样品台上，所述PVD靶材、所述样品台均设置于所述镀膜腔室内，所述PVD靶材和所述待镀膜工件对应设置，所述电子束辅助沉积组件提供的可控电子束设置在所述PVD靶材和所述待镀膜工件之间；本发明在镀膜工件表面附近添加一个辅助电子束源，用于控制镀膜样件表面的电子浓度和离子浓度，从而有效的抑制或控制不导电的碳基薄膜表面的电荷积累，获得微观结构与成分可控、性能显著提升的碳基超润滑固体薄膜。

技术领域

本发明涉及超润滑技术领域，具体涉及一种电子束辅助碳基超润滑固体薄膜制备装置及方法。

背景技术

随着我国航天事业的不断发展，新一代航天器对其有效载荷的各项性能指标提出了越来越高的要求，例如天线、相机、指向/定向机构等组件所需求的超高定位准确性、高稳定性、低振动噪音等。虽然目前空间常用的固体润滑薄膜(如MoS₂)基本满足了我国目前不同轨道的航天器的应用需求，但其摩擦系数相对较高(～0.05)，摩擦力矩波动较大，无法满足新一代航天器对于超高精度、高稳定度、低振动噪音等的越来越苛刻的需求。

超润滑固体薄膜与传统固体润滑薄膜相比，其摩擦系数(＜0.005)低1～2个数量级，摩擦力矩波动大幅度降低，可大幅度提高新一代航天器的活动机构的传动精度，增加输出力矩的平稳性，同时极大地降低摩擦带来的噪音和动力衰减。因此，超润滑固体薄膜及其制备技术的突破，是研究制备我国新一代高性能航天器的必然需求。

碳基超润滑薄膜，如a-C：H膜，是目前唯一具有空间应用可行性的超润滑材料，归因于三个方面：(一)a-C：H膜是已报道文献中，唯一在宏观尺度(即“概念与内涵”中解释的“大尺度”)试样上、传统测试条件下表现出超润滑性能的材料；(二)a-C：H膜是非晶膜，不依赖完美的晶体结构，也不依赖超洁净表面，因此可以被有效镀覆于非平面的表面(如滚动球轴承内外圈等)，这些对于石墨单晶、h-BN单晶等材料很难实现；(三)与a-C：H膜成分、结构都类似的类金刚石碳(DLC)膜，已经多次成功应用于空间活动机构，获得了空间飞行验证，因此以a-C：H膜为代表的碳基超润滑薄膜具有很高的空间环境适应潜力，这是其他目前研究火热的其他超润滑材料，如石墨烯、h-BN、微米尺度的高定向热解石墨片(即HOPG)等材料所不具备的。

然而，按目前的研究进展，碳基超润滑薄膜的摩擦系数稳定性仍有待提高，对环境有特殊要求，薄膜寿命较短，距离空间应用需求差距很大。目前，还没有一种制备方法，可以制备出具有长寿命、高稳定、超润滑性能的碳基超润滑薄膜。其中一个重要原因是，由于碳基超润滑薄膜的导电性较差，使得薄膜制备工艺不稳定、制备参数控制困难，导致薄膜的微观结构与成分难以得到精确控制，从而制约了其摩擦学性能的优化和进一步提升。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种电子束辅助碳基超润滑固体薄膜制备装置，包括镀膜腔室、PVD靶材、样品台、待镀膜工件和电子束辅助沉积组件，所述待镀膜工件设置在所述样品台上，所述PVD靶材、所述样品台均设置于所述镀膜腔室内，所述PVD靶材和所述待镀膜工件对应设置，所述电子束辅助沉积组件提供的可控电子束设置在所述PVD靶材和所述待镀膜工件之间。

较佳的，所述电子束辅助沉积组件包括电子束发射源、电子束加速阳极、偏转电极、电子束接收阳极；所述电子束发射源、所述电子束加速阳极、所述偏转电极和所述电子束接收阳极均设置在所述镀膜腔室内，所述电子束发射源和所述电子束接收阳极对应设置，所述电子束加速阳极、所述偏转电极设置在所述电子束发射源和所述电子束接收阳极之间，所述偏转电极设置在所述电子束加速阳极和所述电子束接收阳极之间。

较佳的，电子束发射源电源和所述电子束发射源连接，电子束接收阳极电源和所述电子束接收阳极连接，电子束加速电源和所述电子束加速阳极连接，电子束控制电源和所述偏转电极连接。