[发明专利]一种Si、WC增强复合多层非晶碳基宽温域润滑薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Si、WC增强复合多层非晶碳基宽温域润滑薄膜及其制备方法，属于涂层材料技术领域。本发明采用多靶闭合场非平衡溅射系统实现Si、WC增强复合多层非晶碳基宽温域润滑薄膜的制备，依次包括基体表面处理、在基体表面沉积Cr粘结层和梯度过渡层(Cr→Cr/a‑C→WC/a‑C)、在梯度过渡层表面交替沉积nWCC纳米子层和Si/a‑C纳米子层。该Si、WC增强复合多层结构碳基薄膜在大气环境25‑500℃宽温域条件下具有良好的自润滑性能，显著提高了非晶碳基润滑膜的适用温域，为其应用于大气宽温域或高温等苛刻工况提供了新的契机。

技术领域

本发明属于涂层材料技术领域，具体涉及一种Si、WC增强复合多层非晶碳基宽温域润滑薄膜及其制备方法。

背景技术

非晶碳(amorphous carbon,a-C)润滑薄膜因具有高硬度、高弹性模量、优异的润滑性能和抗磨性能、良好的抗腐蚀性、优良的生物兼容等性能，已成功应用于机械加工、汽车工业、航空航天、电子电器和生物医学等领域。然而，a-C润滑薄膜的热稳定性能较差，在较高温度(300℃)下发生明显的结构退化(如石墨化、失氢等)、氧化(碳损失)等而迅速失效，而且其优异的润滑性能也显著依赖于环境温度，因此目前a-C薄膜润滑通常用于不高于300℃的工况。随着现代科学技术的高速发展，对机械部件的性能、寿命和服役环境要求越发地苛刻，传统a-C狭窄的润滑温域已经严重制约了其在高端工业领域的应用拓展，因此关于a-C基薄膜高温摩擦学行为以及相应润滑机制的探索已经成为世界范围的研究热点。

不同的成分、结构往往决定了a-C薄膜的摩擦学性能。研究表明，硅元素和钨元素的引入对a-C的高温摩擦学行为有着明显的影响。硅(Si)元素的引入能够与a-C中的C原子形成sp³ Si-C键，而有效提高a-C薄膜的热稳定性能。通常Si/a-C薄膜在大气环境中的适用温域低于400℃，这主要因为高温下Si组元与大气中的氧气发生氧化反应，生成没有自润性能的SiO₂相所致。研究表明，含钨组元引入a-C薄膜中，通常形成纳米晶非晶的复合结构，钨元素以碳化钨纳米晶的形式存在，能够有效提高a-C基薄膜的抗磨性能，而且在有氧高温(高于400℃)条件下其能够形成富含氧化钨的高温自润滑转移膜，从而展现出良好的高温润滑性能。

虽然大量研究者对a-C、单一金属元素掺杂a-C、单一非金属元素掺杂a-C以及多元素多组元增强a-C等不同成分和结构的a-C基薄膜开展了大量的研究，但目前关于适用于大气宽温域(室温至500℃)苛刻工况的非晶碳基薄膜仍鲜有报道。因此，克服非晶碳膜较差的热稳定性和狭窄的润滑温域，对于进一步拓展其应用领域具有重要意义。

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Si、WC增强复合多层非晶碳基宽温域润滑薄膜及其制备方法，适用于大气宽温域，有效提高非晶碳基薄膜热稳定性和宽温域润滑性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种Si、WC增强复合多层非晶碳基宽温域润滑薄膜，该非晶碳基薄膜是由Cr粘结层、梯度过渡层、nWCC纳米子层和Si/a-C纳米子层构成的复合多层结构；其中：

所述梯度过渡层由Cr掺杂非晶碳层、Cr和WC共同掺杂非晶碳层和WC掺杂非晶碳层构成；

所述Si/a-C纳米子层是Si元素掺杂的a-C纳米层；

所述nWCC纳米子层是由WC子层和a-C子层构成的具有超晶格的多层结构。

优选地，Si/a-C纳米子层中Si元素的原子数百分比为10％～20％；Si/a-C纳米子层与nWCC纳米子层的调制比为1.0～3.0，调制周期为100nm～250nm；nWCC纳米子层中WC子层和a-C子层的调制比为0.5～1.0，调制周期为3nm～8nm。

优选地，该非晶碳基薄膜的总厚度为2.0μm～3.5μm。