CN101469402A - 类富勒烯碳膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高弹性、低摩擦类富勒烯碳膜的制备方法。本发明采用复合气相沉积系统，利用脉冲高偏压与磁控溅射相结合的方法制备。制备出的类富勒烯碳膜具有原子量级的表面光洁度、较低的摩擦系数、较高的硬度以及良好的弹性恢复性能。因此适用于高精度空间运动部件、微机电系统的润滑，并有望成为一种长寿命、低摩擦的减摩抗磨固体润滑薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种高弹性、低摩擦类富勒烯碳膜的制备方法。
背景技术
为了适应航空航天、微电子、生物和医学领域对材料表面的特殊要求，固体润滑薄膜正向着低磨擦、高硬度、长寿命的方向发展。利用薄膜科学、表面改性与纳米技术的最新进步成果，通过沉积方法的选择和结构设计，发展在特殊环境和工况中具有高弹性、低摩擦的新型润滑薄膜材料，对于国家高技术领域的发展具有十分重要的意义。无定型碳膜与常规固体润滑薄膜相比具有一系列优良的摩擦学性能，无定型碳膜具有多种不同的结构形式，例如类石墨结构、类金刚石结构以及类富勒烯结构。其中，作为新发展出来的类富勒烯结构碳膜，因其具有较低的摩擦系数、高硬度、良好的弹性恢复以及优良的耐磨性能，已作为一类先进固体润滑材料而受到了科学界和工业界的广泛关注。类富勒烯碳膜可以通过多种方法获得，例如：磁控溅射沉积、脉冲电弧沉积以及脉冲激光刻蚀沉积等等。在此类制备过程中，都需要将基底加热到350℃以上，并且在沉积气氛中引入氮气来降低沉积中离子所需的能量。这样的制备条件使得类富勒烯碳膜只能沉积在单晶硅以及陶瓷等耐高温材料上，这大大限制了类富勒烯碳膜在实际工况中的应用。因此，在较低温度下沉积具有低摩擦、高弹性以及高硬度的类富勒烯碳膜材料逐渐成为了人们研究的热点和难点。但是，目前外关于针对开展相关研究较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高弹性、低摩擦类富勒烯碳膜的制备方法。
本发明通过如下措施来实现：
本发明通过高能粒子轰击与磁控溅射相结合的办法，降低沉积过程中形成类富勒烯结构所需的能量，从而解决传统类富勒烯碳膜制备过程中存在的沉积温度高、使用范围有限的问题，在金属底材上制备出具有高弹性、低摩擦性能的类富勒烯碳膜。
一种类富勒烯碳膜的制备方法，采用复合气相沉积系统，利用脉冲高偏压与磁控溅射相结合的方法制备，其特征在于靶材选取纯度高于99.999％的石墨；磁控溅射电源选用功率为10KW的交流中频电源；脉冲电源选用6KV高压电源；沉积时石墨靶为阴极，溅射气体为高纯Ar气和CH4混合气体，气压为0.5Pa；溅射电流为2.5A；金属底材连接-1000—2000V脉冲负偏压；沉积温度控制在100-120℃，制备出厚度为500nm的类富勒烯碳膜。
上面所述的方法，Ar气与CH4气的体积比为1：1。
采用本发明方法制备出的类富勒烯碳膜，其微观结构表现为：具有类富勒烯结构高度弯曲的石墨平面，均匀的镶嵌在以无定型碳为基体的网络当中。其宏观性能表现为：薄膜表面均匀致密，粗糙度小于1.5nm，纳米压入硬度达到21GPa，弹性恢复可达85％以上；在大气气氛下，以Si3N4球为对偶，利用UMT摩擦试验机考察薄膜摩擦学性能，其摩擦系数小于0.02，耐磨寿命可达106转。
本发明制备出的类富勒烯碳膜具有原子量级的表面光洁度、较低的摩擦系数、较高的硬度以及良好的弹性恢复性能。因此适用于高精度空间运动部件、微机电系统的润滑，并有望成为一种长寿命、低摩擦的新型减摩抗磨固体润滑薄膜。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，通过实施例进行说明。
实施例1：
在不锈钢或钛合金表面采用本发明制备类富勒烯碳膜，工件采用常规的镀前预处理工艺。所用靶材为：纯度99.999％石墨靶，通过冷压石墨粉末制得。沉积气体为：99.9％的高纯Ar气和CH4气体，沉积气压为0.5Pa。利用磁控溅射，在Ar气环境中预先在金属底材上溅射一层厚度为100nm的金属Cr粘结层；其次利用脉冲高偏压与磁控溅射相结合的方法，在-1000V脉冲偏压下，Ar与CH4混合气体中，利用氩和甲烷等离子体溅射碳靶，其中Ar气气体流量保持在120Sccm，CH4气体流量为120Sccm；在粘结层上沉积500nm的类富勒烯碳膜层，溅射电压为560V，电流为2.5A。按上述靶材成分和工艺条件下进行沉积，即可在金属底材上一次性沉积出具有高弹性、低摩擦性能的类富勒烯碳膜。
Claims (2)
1、一种类富勒烯碳膜的制备方法，采用复合气相沉积系统，利用脉冲高偏压与磁控溅射相结合的方法制备，其特征在于靶材选取纯度高于99.999％的石墨；磁控溅射电源选用功率为10KW的交流中频电源；脉冲电源选用6KV高压电源；
沉积时石墨靶为阴极，溅射气体为高纯Ar气和CH4混合气体，气压为0.5Pa；溅射电流为2.5A；金属底材连接-1000—-2000V脉冲负偏压；沉积温度控制在100-120℃，制备出厚度为500nm的类富勒烯碳膜。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于Ar气与CH4气的体积比为1：1。
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