CN101463466A - 金属掺杂的类金刚石表面离子液体润滑剂自组装润滑薄膜的制备方法 - Google Patents

金属掺杂的类金刚石表面离子液体润滑剂自组装润滑薄膜的制备方法 Download PDF

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石雷
刘维民
蓬显娟
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Abstract

本发明公开了一种金属掺杂的类金刚石表面离子液体润滑剂自组装润滑薄膜的制备方法。本发明以离子液体润滑剂为原料，采用磁控溅射设备制备金属掺杂的类金刚石碳膜并在其上组装稳定、均匀且有序的液体润滑剂薄膜。其特点是：制备过程常温操作，对基底的材质和形状要求较低；薄膜稳定、均匀，表面粗糙度较低；薄膜减摩抗磨以及抗粘着性能好。摩擦、磨损试验结果表明：本发明所涉及的离子液体润滑剂与金属掺杂的类金刚石具有很好的结合性能，并具有良好的减摩、抗磨和抗粘着性能，有望成为解决空间机械和信息技术等领域材料的保护和润滑问题的有效手段。

Description

金属掺杂的类金刚石表面离子液体润滑剂自组装润滑薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属掺杂的类金刚石表面离子液体润滑剂自组装润滑膜的制备方法。
背景技术
类金刚石碳(DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦系数、高耐磨性以及良好的化学稳定性、导热性、电绝缘性、光透过性和生物相容性作为新型功能薄膜材料在机械耐磨涂层、光学窗口、微电子机械系统(MEMS)以及半导体材料等方面具有广阔的应用前景。然而，研究发现，巨大的内应力及较差的结合力是类金刚石碳膜的两大缺陷，很大程度上制约了其发展。类金刚石碳膜的内应力高达数GPa，这不仅降低了薄膜与基体之间的结合强度，造成薄膜使用过程中的失效，也限制了薄膜的沉积厚度。实验证明，通过掺杂可以有效的降低薄膜中的内应力，增强薄膜韧性，提高薄膜的使用寿命。
近二十年来，自组装作为制备有序薄膜的新型技术成为研究的热点。这是因为自组装技术是在比较温和的条件下将活性分子通过化学键吸附在异相界面上，使自组装膜具有一定的化学稳定性和热力学稳定性，从而制备出致密、有序的表面膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属掺杂的类金刚石表面离子液体润滑剂自组装薄膜的制备方法，有望成为解决空间机械和信息技术等领域材料的保护和润滑问题的有效手段。
本发明的制备方法依次包括以下两个步骤：
(一)金属掺杂的类金刚石碳膜的制备：
以单晶硅片作基底，使用前进行彻底清洗，置于真空室中；溅射前将真空室气压预抽至低于1×10-3Pa～3×10-3Pa，在沉积薄膜前用Ar等离子体轰击10分钟以进一步清洗硅片表面。采用TiAl靶，Ar和CH4气体作为溅射和反应气体，通过控制进入真空室的气体流量、沉积功率和基底负偏压制备金属掺杂的类金刚石碳膜。
(二)金属掺杂的类金刚石碳膜表面润滑剂组装有机膜的制备：
选取易吸附于金属掺杂的类金刚石碳膜表面的离子液体润滑剂配制成溶液；将制得的金属掺杂的类金刚石碳膜浸入离子液体润滑剂溶液中于室温下反应24～48小时；取出后用二氯甲烷彻底清洗并吹干，即得到具有一定有序性的有机薄膜；离子液体润滑剂选自1-烯丙基-3-己基咪唑六氟磷酸盐离子液体、1-甲基—3-三丁基膦基六氟磷酸咪唑盐离子液体或含双咪唑环六氟磷酸离子液体。
本发明所涉及的进入真空室Ar气流量为120sccm～160sccm；CH4气流量为20sccm～40sccm；反应总气压为0.5Pa～0.8Pa；沉积功率为600W～900W；基底负偏压为60V～300V；
本发明所涉及的离子液体润滑剂是1-烯丙基-3-己基咪唑六氟磷酸盐离子液体、1-甲基—3-三丁基膦基六氟磷酸咪唑盐离子液体、含双咪唑环六氟磷酸离子液体，它们在金属掺杂的类金刚石碳膜表面具有良好的化学吸附特性，与基底的结合力较强。
本发明所涉及的金属掺杂的类金刚石碳膜具有良好的摩擦学性能，可以用作减摩、抗磨保护性涂层。本发明所涉及的离子液体润滑剂薄膜具有良好的减摩、抗磨和抗粘着性能。采用的试验方法如下：
采用美国CETR公司制造的UMT-2MT型摩擦磨损试验机评价金属掺杂的类金刚石碳膜的摩擦学性能，采用往复滑动方式，频率为3Hz，单次滑动行程为5mm，法向载荷为0.5N，环境温度20℃，湿度25％，偶件为Φ3mm的钢球，在室温及相对湿度RH＝40％～45％条件下进行测定。摩擦磨损试验结果表明，GCr15钢球与洁净的单晶硅表面对摩时摩擦系数约为0.70。
0.5N负荷下DLC/GCr15钢摩擦磨损试验结果表明：单晶硅表面沉积DLC薄膜后摩擦系数降低为0.11～0.14，随着滑动次数的增加，摩擦系数趋于稳定。沉积DLC的单晶硅表面形成离子液体自组装膜后，摩擦系数进一步降低至0.06～0.08；
以上摩擦系数数据表明，本发明所涉及的金属掺杂的类金刚石碳膜具有良好的摩擦学性能，可以用作减摩、抗磨保护性涂层；金属掺杂的类金刚石表面自组装离子液体薄膜具有一定的减摩和抗粘着作用，可望用作空间机械和信息技术等领域的润滑材料。
本发明有如下优点：
(1)制备过程常温操作，对基底的材质和形状要求较低；
(2)薄膜致密、均匀，表面粗糙度低；
(3)薄膜减摩抗磨以及抗粘着性能好；
具体实施方式
实施例1：
(1)以单晶硅片作基底，使用前进行彻底清洗，置于真空室中；
(2)溅射前将真空室气压预抽至低于2.5×10-3Pa。在沉积薄膜前用Ar等离子体轰击10分钟以进一步清洗硅片表面。采用TiAl靶，Ar和CH4气体作为溅射和反应气体，控制进入真空室的Ar气流量为150sccm，CH4气流量为30sccm，反应总气压为0.60Pa，沉积功率为700W，基底负偏压为100V，制得金属掺杂的类金刚石碳膜；
(3)将1-烯丙基-3-己基咪唑六氟磷酸盐离子液体溶于二氯甲烷中，配制成0.5％(W/V)的溶液；
(4)将制得的金属掺杂的类金刚石碳膜迅速浸入配制好的离子液体润滑剂溶液中于室温下反应24小时，取出后经二氯甲烷充分漂洗，N2气吹干，在真空干燥箱中匀化三个小时，即制得具有一定有序性的有机薄膜。
实施例2：
(1)将使用的1-烯丙基-3-己基咪唑六氟磷酸盐离子液体改为1-甲基-3-三丁基膦基六氟磷酸咪唑盐离子液体；
(2)其他步骤同实施例1。
实施例3：
(1)将使用的1-烯丙基-3-己基咪唑六氟磷酸盐离子液体改为含双咪唑环六氟磷酸离子液体；
(2)其他步骤同实施例1。

Claims (6)

1、一种金属掺杂的类金刚石表面离子液体润滑剂自组装润滑薄膜的制备方法，其特征在于该方法依次包括以下两个步骤：
(一)金属掺杂的类金刚石碳膜的制备：
以单晶硅片作基底，使用前进行彻底清洗，置于真空室中；溅射前将真空室气压预抽至低于1×10-3Pa～3×10-3Pa，在沉积薄膜前用Ar等离子体轰击10分钟以进一步清洗硅片表面。采用TiAl靶，Ar和CH4气体作为溅射和反应气体，通过控制进入真空室的气体流量、沉积功率和基底负偏压制备金属掺杂的类金刚石碳膜。
(二)金属掺杂的类金刚石碳膜表面润滑剂组装有机膜的制备：
选取易吸附于金属掺杂的类金刚石碳膜表面的离子液体润滑剂配制成溶液；将制得的金属掺杂的类金刚石碳膜浸入离子液体润滑剂溶液中于室温下反应24～48小时；取出后用二氯甲烷彻底清洗并吹干，即得到具有一定有序性的有机薄膜；离子液体润滑剂选自1-烯丙基-3-己基咪唑六氟磷酸盐离子液体、1-甲基—3-三丁基膦基六氟磷酸咪唑盐离子液体或含双咪唑环六氟磷酸离子液体。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于进入真空室的Ar气流量为120sccm～160sccm。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于进入真空室的CH4气流量为20sccm～40sccm。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于反应总气压为0.5Pa～0.8Pa。5、
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于当沉积功率为600W～900W。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于基底负偏压为60V～300V。
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