[发明专利]一种含类富勒烯微结构碳氢薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种含类富勒烯微结构碳氢薄膜及其制备方法和应用，属于碳氢薄膜技术领域。所述制备方法包括通过先将洁净的基底材料进行氩离子清洗，然后采用等离子体增强化学气相沉积技术，以甲烷为前驱体，配合高频脉冲离子源在基底材料上进行沉积，制得含类富勒烯微结构碳氢薄膜；其中，通过调节等离子体增强化学气相沉积的工作参数，能够实现含类富勒烯微结构碳氢薄膜的可控制备。本发明所述制备方法工艺简单，可实现在常温度条件下反应，能够实现大面积含类富勒烯微结构碳氢薄膜的生产。制得的含类富勒烯微结构碳氢薄膜具有硬度高、弹性恢复系数高、摩擦系数低的特征，应用于运动机械零部件表面可大幅降低表面摩擦系数。

技术领域

本发明属于碳氢薄膜技术领域，涉及一种含类富勒烯微结构碳氢薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

发展高效、节能、环保的固体润滑技术是摩擦学的一个重要发展方向。固体润滑薄膜材料在解决高精密和极端工况条件下的摩擦磨损问题方面发挥了润滑油脂不可替代的作用，比如碳基固体润滑薄膜的摩擦系数比油脂低十倍，可以满足机械活动部件的更高传输效率、更高可靠性及更长寿命要求。固体润滑粉末、固体润滑薄膜以及自润滑复合材料的出现，使得固体润滑材料在能源、机械、电子、医学等众多领域得到了越来越多的重视。

含氢类金刚石碳薄膜(简称DLC或a-C:H)对成膜条件非常敏感，不同的制备条件将直接影响其中杂化键比例和氢含量，造成膜层微观结构、力学性能、光学性能，尤其是摩擦学性能的差异，因此，可控制备具有高硬度、高弹性恢复、低摩擦系数的碳氢薄膜具有很大的技术难度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种含类富勒烯微结构碳氢薄膜及其制备方法和应用，解决了兼具高硬度、高弹性恢复和低摩擦系数的碳氢薄膜的制备。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种含类富勒烯微结构碳氢薄膜的制备方法，先将洁净的基底材料进行氩离子清洗，然后采用等离子体增强化学气相沉积技术，以甲烷为前驱体，配合高频脉冲离子源在基底材料上进行沉积，制得含类富勒烯微结构碳氢薄膜；其中，通过调节等离子体增强化学气相沉积的工作参数，能够实现含类富勒烯微结构碳氢薄膜的可控制备。

优选地，包括以下步骤：步骤1，将基底材料经超声清洗后烘干，得到洁净的基底材料，将所得洁净的基底材料装入化学气相沉积系统真空腔内；步骤2，将化学气相沉积系统真空腔的真空度依次通过机械泵、罗茨泵、涡轮分子泵抽至低于1.0×10^-4帕斯卡；步骤3，向化学气相沉积系统真空腔内通入氩气，配合高频直流脉冲离子源，对所得洁净的基底材料进行氩离子清洗，去除基底材料表面的氧化层、污染物和毛刺；步骤4，氩离子清洗结束后，向化学气相沉积系统真空腔内通入甲烷气体，同时施加直流负偏压，继续在基底材料上进行沉积，制得含类富勒烯微结构碳氢薄膜；其中，通过调节甲烷气体的流量、直流负偏压和沉积气压，能够实现对sp1、sp2、sp3杂环团簇尺寸及比例和氢含量的控制。

进一步优选地，步骤3中，氩离子清洗的操作包括：轰击过程中保持腔内气压在0.35～0.45Pa，高频直流脉冲离子源电流强度在2.5～3A；氩气流量为300sccm，高频直流脉冲离子源的偏压为800～1000V，占空比50～80％，频率40～80KHz，轰击时间为10～30min。

进一步优选地，步骤4中，沉积的操作参数包括：沉积气压在5～9Pa，直流负偏压为850～1000V，甲烷气体流量为15～20sccm，沉积时间60～120min。

进一步优选地，所述基底材料为轴承钢。

其中优选地，所述基底材料为304不锈钢。

进一步优选地，所述基底材料的厚度为1～2μm。

进一步优选地，所述基底材料的表面光洁度Ra20nm。