CN101665942A - 超润滑复合碳薄膜材料的制备方法 - Google Patents
超润滑复合碳薄膜材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101665942A CN101665942A CN200810150862A CN200810150862A CN101665942A CN 101665942 A CN101665942 A CN 101665942A CN 200810150862 A CN200810150862 A CN 200810150862A CN 200810150862 A CN200810150862 A CN 200810150862A CN 101665942 A CN101665942 A CN 101665942A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film material
- carbon film
- pulsed bias
- power supply
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明公开了一种在金属底材上制备超润滑复合碳薄膜材料的方法。本发明在金属底材上制备超润滑复合碳薄膜材料的方法，其特点是在金属基底上首先通过非平衡磁控溅射的方法导入硅过渡层，然后采用脉冲偏压辅助射频电感偶合等离子体化学气相沉积的方法制备含氢碳薄膜材料。该薄膜材料不仅与金属基底具有牢固的结合力，而且展示了极其优异的摩擦学性能，在大气环境中具有0.03－0.05的摩擦系数和1.73～2.6×10－7mm3/Nm的磨损率，在N2等惰性气体气氛下具有0.004－0.007的摩擦系数和3.8～8.9×10－9mm3/Nm的磨损率，解决了碳薄膜材料与金属基体结合力差的难题，在高技术精密机械和电子信息技术等众多领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种在金属底材上制备超润滑复合碳薄膜材料的方法。
背景技术
固体超润滑研究是近年来迅速崛起的一项高技术研究。它是指在无液体润滑剂存在的情况下，采用固体润滑或自润滑表面工程技术，使固体摩擦副之间具有10-3以下摩擦系数，并具有优异磨损性能的新型润滑技术。这样的摩擦系数可以满足高技术领域装备对于高精度、高可靠性和高传输效率方面的要求。特别是利用各种物理气相沉积和化学气相沉积技术制备的碳薄膜材料(金刚石薄膜、类金刚石薄膜、碳氮薄膜等)引起了摩擦学研究者的极大兴趣。相对于目前常用的固体润滑薄膜材料如MoS2，WS2薄膜等，碳薄膜材料具有以下优点：①具有更低的摩擦系数和磨损率，特殊结构的碳薄膜具备超润滑特性，如美国Argonne国家实验室的Ali教授所领导的研究小组已发展出了在干燥的惰性气氛中摩擦系数为0.001～0.005，磨损率低于10-9mm3/Nm的复合碳薄膜。②硬度高。取决于薄膜结构的不同，碳薄膜材料的硬度在20～100GPa之间变化，要远远高于目前常用的固体润滑材料。③结构可调。利用不同的制备方法、沉积条件，碳薄膜中的sp3和sp2键比例、活性悬σ键、H含量等微观结构和组成可以在比较宽的范围内变化，因而可以根据不同的要求，制备出合适的碳薄膜材料。④具有更好的化学稳定性。上述性能使得碳薄膜材料作为一种新型的固体润滑薄膜材料在高技术精密机械和电子信息技术领域有着非常广泛的应用前景和价值。
但同时碳薄膜材料与基底的结合强度较差(尤其是对于金属基底)，不仅限制薄膜的厚度，而且引起薄膜在摩擦过程中的剥落和快速失效。另外只有当碳薄膜材料中的sp3和sp2键比例、活性悬σ键、H含量等微观结构和组成满足一定条件时，碳薄膜才能展现出超润滑性能。因此如何提高膜基结合性能，并通过对沉积方法的选择及工艺条件的优化来精确控制碳薄膜材料的微观结构是实现超润滑碳薄膜材料实际应用的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与金属基底结合牢固、具有超低摩擦系数和磨损率的复合碳薄膜材料的制备方法。
本发明的目的可通过如下技术方案实现：
本发明在金属底材上制备超润滑复合碳薄膜材料的方法，其特点是在金属基底上首先通过非平衡磁控溅射的方法导入硅过渡层，然后采用脉冲偏压辅助射频电感偶合等离子体化学气相沉积的方法制备含氢碳薄膜材料。
一种超润滑复合碳薄膜材料的制备方法，其特征在于制备过程在多功能镀膜设备的真空腔体内完成，该方法包括以下步骤
A、样品预处理：将在丙酮和乙醇中超声处理后的金属基底置于样品室后抽真空至6×10-3Pa以下，通入高纯氩气、氮气作为离化气体，打开脉冲偏压电源，辉光放电产生等离子体，对基底表面进行活化清洗；
B、沉积硅过渡层：清洗完毕后，利用非平衡磁控溅射的方法首先制备硅过渡层，选用高纯度的硅材料作为溅射靶材，以高纯氩气作为溅射气体，基体附加脉冲负偏压，沉积后关闭；
C、沉积碳层：利用脉冲偏压辅助射频电感偶合等离子体化学方法制备碳薄膜材料；通入氩气与甲烷、氢气与甲烷等混合气体作为反应气源，打开射频电源和脉冲偏压电源，沉积碳薄膜，一定时间后关闭，冷却至温度小于40℃，释放真空取出样品。
本发明选用硅作为过渡层材料，硅的热膨胀系数介于碳薄膜和铁基材料之间，并且硅与碳和铁都具有好的结合性能，作为过渡层可以缓减由膜基热膨胀系数差异所造成的热应力，提高膜基结合力。
本发明B步骤硅过渡层制备工艺参数为：腔体气压0.25～1.0Pa，溅射电流3～20A，脉冲偏压-100～-1000V，脉冲占空比20～80％，过渡层厚度30～500nm。
本发明C步骤等离子体活化工艺参数为：气压0.5～3.0Pa，脉冲偏压-200～-1200V，占空比20～80％，清洗时间5～40min。
本发明采用射频电感耦合的方式产生等离子体制备碳薄膜材料，该方法具有等离子体能量密度高的优点(109-12cm-1)，有利于增加反应活性，制备特殊结构、具有超润滑性能的碳薄膜材料。
本发明C步骤碳薄膜制备工艺参数为：Ar/CH4及H2/CH4的体积流量比3∶1～1∶3，腔体气压0.5～2.0Pa，射频入射功率400～1500w，脉冲偏压-200～-1200V，脉冲占空比20～80％。
本发明的优点是薄膜制备过程简单，各制备参数易操控。制备的复合碳薄膜材料不仅具有高的硬度，良好的化学稳定性，而且与铁基金属底材具有良好的附着力，在无液体润滑剂存在的情况下，显示了极其优异的摩擦学性能。在大气环境中具有0.03-0.05的摩擦系数和1.73～2.6×10-7mm3/Nm的磨损率，在N2等惰性气体气氛中具有0.004-0.007的摩擦系数和3.8～8.9×10-9mm3/Nm的磨损率。上述优异性能使得该复合碳薄膜材料可以作为新型的固体超润滑薄膜材料应用在高技术精密机械和电子信息技术等众多领域中。
本发明的产品主要性能指标如下表1所示：
表1
具体实施方式
实施例1：
A、样品预处理：将抛光至镜面的不锈钢基底用无水酒精、蒸馏水、丙酮分别进行超声清洗10min，随即用氮气吹干，置于沉积室。将真空腔内气压抽至6×10-3Pa以下，通入高纯氩气至气压为3.0Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-200V，占空比为80％，进行氩等离子体轰击清洗10min。
B、沉积硅过渡层：调节氩气流量，使腔体气压维持在2.5×10-1Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为20A，脉冲偏压为-1000V，脉冲占空比20％，待过渡层厚度达到500nm后关闭。
C、沉积碳层：通入高纯氩气与甲烷混合气体，使腔体气压维持在2.0Pa，氩气与甲烷气体的体积流量比为1∶3。打开射频电源和脉冲偏压电源，调节射频电源反射功率为零，入射功率为400w。调节基底脉冲偏压为-800V，脉冲占空比60％，沉积300分钟后冷却，当温度降至40℃以下，释放真空取出样品。
实施例2：
A、样品预处理：将抛光后的硬质合金基底用无水酒精、蒸馏水、丙酮分别进行超声清15min，随即用氮气吹干，置于沉积室。将真空腔内气压抽至6×10-3Pa以下，通入高纯氮气至气压为0.5Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-1200V，占空比为20％，进行氩等离子体轰击清洗20min。
B、沉积硅过渡层：调节氩气流量，使腔体气压维持在1.0Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为3A，脉冲偏压为-100V，脉冲占空比50％，待过渡层厚度达到50nm后关闭。
C、沉积碳层：通入高纯氩气与甲烷混合气体，使腔体气压维持在0.5Pa，氩气与甲烷气体的质量流量比为3∶1。打开射频电源和脉冲偏压电源，调节射频电源反射功率为零，入射功率为1500w。调节基底脉冲偏压为-1000V，脉冲占空比30％，沉积300分钟后冷却，当温度降至40℃以下，释放真空取出样品。
实施例3：
A、样品预处理：将抛光至镜面的钢球基底用无水酒精、蒸馏水、丙酮分别进行超声清洗30min，随即用氮气吹干，置于沉积室。将真空腔内气压抽至6×10-3Pa以下，通入高纯氩气至气压为1.0Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-1000V，占空比为60％，进行氩等离子体轰击清洗30min。
B、沉积硅过渡层：调节氩气流量，使腔体气压维持在5.5×10-1Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为8A，脉冲偏压为-400V，脉冲占空比80％，待过渡层厚度达到300nm后关闭。
C、沉积碳层：通入高纯氩气与甲烷混合气体，使腔体气压维持在0.5Pa，氢气与甲烷气体的质量流量比为3∶1。打开射频电源和脉冲偏压电源，调节射频电源反射功率为零，入射功率为1000w。调节基底脉冲偏压为-200V，脉冲占空比80％，沉积300分钟后冷却，当温度降至40℃以下，释放真空取出样品。
实施例4：
A、样品预处理：将抛光至镜面的不锈钢基底用无水酒精、蒸馏水、丙酮分别进行超声清洗30min，随即用氮气吹干，置于沉积室。将真空腔内气压抽至6×10-3Pa以下，通入高纯氮气至气压为1.0Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-1000V，占空比为60％，进行氩等离子体轰击清洗30min。
B、沉积硅过渡层：调节氩气流量，使腔体气压维持在5.5×10-1Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为8A，脉冲偏压为-400V，脉冲占空比40％，待过渡层厚度达到200nm后关闭。
C、沉积碳层：通入高纯氩气与甲烷混合气体，使腔体气压维持在0.6Pa，氢气与甲烷气体的质量流量比为1∶3。打开射频电源和脉冲偏压电源，调节射频电源反射功率为零，入射功率为600w。调节基底脉冲偏压为-200V，脉冲占空比60％，沉积300分钟后冷却，当温度降至40℃以下，释放真空取出样品。
Claims (4)
1、一种超润滑复合碳薄膜材料的制备方法，其特征在于制备过程在多功能镀膜设备的真空腔体内完成，该方法包括以下步骤
A、样品预处理：将在丙酮和乙醇中超声处理后的金属基底置于样品室后抽真空至6×10-3Pa以下，通入高纯氩气、氮气作为离化气体，打开脉冲偏压电源，辉光放电产生等离子体，对基底表面进行活化清洗；
B、沉积硅过渡层：清洗完毕后，利用非平衡磁控溅射的方法首先制备硅过渡层，选用高纯度的硅材料作为溅射靶材，以高纯氩气作为溅射气体，基体附加脉冲负偏压，沉积后关闭；
C、沉积碳层：利用脉冲偏压辅助射频电感偶合等离子体化学方法制备碳薄膜材料；通入氩气与甲烷、氢气与甲烷等混合气体作为反应气源，打开射频电源和脉冲偏压电源，沉积碳薄膜，一定时间后关闭，冷却至温度小于40℃，释放真空取出样品。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于B步骤硅过渡层制备工艺参数为：腔体气压0.25～1.0Pa，溅射电流3～20A，脉冲偏压-100～-1000V，脉冲占空比20～80％，过渡层厚度30～500nm。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于C步骤等离子体活化工艺参数为：气压0.5～3.0Pa，脉冲偏压-200～-1200V，占空比20～80％，清洗时间5～40min。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于C步骤碳薄膜制备工艺参数为：Ar/CH4及H2/CH4的体积流量比3∶1～1∶3，腔体气压0.5～2.0Pa，射频入射功率400～1500w，脉冲偏压-200～-1200V，脉冲占空比20～80％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200810150862A CN101665942A (zh) | 2008-09-04 | 2008-09-04 | 超润滑复合碳薄膜材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200810150862A CN101665942A (zh) | 2008-09-04 | 2008-09-04 | 超润滑复合碳薄膜材料的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101665942A true CN101665942A (zh) | 2010-03-10 |
Family
ID=41802709
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN200810150862A Pending CN101665942A (zh) | 2008-09-04 | 2008-09-04 | 超润滑复合碳薄膜材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101665942A (zh) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102453913A (zh) * | 2010-10-29 | 2012-05-16 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 类富勒烯碳基润滑薄膜材料的制备方法 |
| CN107653438A (zh) * | 2017-09-25 | 2018-02-02 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种具有真空长效润滑性能碳薄膜的制备方法 |
| CN108203810A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-06-26 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种类富勒烯碳层/类石墨烯氮化硼多层复合超润滑薄膜的制备方法 |
| CN108203813A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-06-26 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种原位生成石墨烯的制备方法 |
| CN108220910A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-06-29 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种原位生成纳米洋葱碳的制备方法 |
| CN109627816A (zh) * | 2019-01-07 | 2019-04-16 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 低摩擦碳基固体润滑涂层及其制备方法和应用 |
| CN110747447A (zh) * | 2019-09-11 | 2020-02-04 | 江苏菲沃泰纳米科技有限公司 | 电子设备外盖增强纳米膜及其制备方法和应用 |
| CN110760814A (zh) * | 2019-09-11 | 2020-02-07 | 江苏菲沃泰纳米科技有限公司 | 电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用 |
| CN111621759A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-09-04 | 兰州文理学院 | 一种降低运动部件摩擦系数的固液复合润滑体系 |
| CN111850470A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-10-30 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种超滑性能金属/含氢碳复合薄膜及其制备方法 |
| CN112899639A (zh) * | 2019-12-04 | 2021-06-04 | 江苏菲沃泰纳米科技股份有限公司 | 类金刚石薄膜制备装置和制备方法 |
| CN115522162A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-12-27 | 苏州辉钻纳米新材料有限公司 | 高阶静电消散碳基多元复合薄膜材料及其制备方法 |
| CN116904925A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-10-20 | 广东省科学院新材料研究所 | 一种高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜及其制备方法与应用 |
-
2008
- 2008-09-04 CN CN200810150862A patent/CN101665942A/zh active Pending
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102453913A (zh) * | 2010-10-29 | 2012-05-16 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 类富勒烯碳基润滑薄膜材料的制备方法 |
| CN107653438A (zh) * | 2017-09-25 | 2018-02-02 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种具有真空长效润滑性能碳薄膜的制备方法 |
| CN108220910A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-06-29 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种原位生成纳米洋葱碳的制备方法 |
| US11225710B2 (en) | 2017-12-20 | 2022-01-18 | Lanzhou Institute Of Chemical Physics, Chinese Academy Of Sciences | Method for preparing super-lubricative multi-layer composite fullerene-like carbon layer/graphene-like boron nitride thin film |
| CN108203810A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-06-26 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种类富勒烯碳层/类石墨烯氮化硼多层复合超润滑薄膜的制备方法 |
| CN108203813A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-06-26 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种原位生成石墨烯的制备方法 |
| CN109627816A (zh) * | 2019-01-07 | 2019-04-16 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 低摩擦碳基固体润滑涂层及其制备方法和应用 |
| CN110747447A (zh) * | 2019-09-11 | 2020-02-04 | 江苏菲沃泰纳米科技有限公司 | 电子设备外盖增强纳米膜及其制备方法和应用 |
| CN110760814A (zh) * | 2019-09-11 | 2020-02-07 | 江苏菲沃泰纳米科技有限公司 | 电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用 |
| CN112899639B (zh) * | 2019-12-04 | 2022-08-19 | 江苏菲沃泰纳米科技股份有限公司 | 类金刚石薄膜制备装置和制备方法 |
| CN112899639A (zh) * | 2019-12-04 | 2021-06-04 | 江苏菲沃泰纳米科技股份有限公司 | 类金刚石薄膜制备装置和制备方法 |
| WO2021109815A1 (zh) * | 2019-12-04 | 2021-06-10 | 江苏菲沃泰纳米科技有限公司 | 类金刚石薄膜制备装置和制备方法 |
| CN111621759A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-09-04 | 兰州文理学院 | 一种降低运动部件摩擦系数的固液复合润滑体系 |
| CN111850470B (zh) * | 2020-08-04 | 2021-11-19 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种超滑性能金属/含氢碳复合薄膜及其制备方法 |
| CN111850470A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-10-30 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种超滑性能金属/含氢碳复合薄膜及其制备方法 |
| CN115522162A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-12-27 | 苏州辉钻纳米新材料有限公司 | 高阶静电消散碳基多元复合薄膜材料及其制备方法 |
| CN116904925A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-10-20 | 广东省科学院新材料研究所 | 一种高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜及其制备方法与应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101665942A (zh) | 超润滑复合碳薄膜材料的制备方法 | |
| CN102453859A (zh) | 含氢类金刚石碳薄膜材料的制备方法 | |
| CN102453913A (zh) | 类富勒烯碳基润滑薄膜材料的制备方法 | |
| Pauleau et al. | Deposition and characterization of nanostructured metal/carbon composite films | |
| CN102586735B (zh) | 一种无氢掺硅类金刚石膜层及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Effects of substrate bias voltage on the microstructure, mechanical properties and tribological behavior of reactive sputtered niobium carbide films | |
| CN108411272A (zh) | 一种轴承用AlCrCuFeNi系高熵合金涂层的制备方法 | |
| CN102011102B (zh) | 高界面强度类金刚石薄膜材料的常温沉积设备及其方法 | |
| CN106119783B (zh) | 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品 | |
| CN102453858A (zh) | 轻质软金属表面碳基薄膜材料的制备方法 | |
| Luo et al. | Low friction coefficient of superhard nc-TiC/aC: H nanocomposite coatings deposited by filtered cathodic vacuum arc | |
| CN104278234A (zh) | 一种室温到800℃宽温域自润滑涂层的制备技术 | |
| Li et al. | Mechanical and tribological properties of diamond-like carbon films prepared on steel by ECR-CVD process | |
| CN104294230B (zh) | 高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层及其制备方法 | |
| CN113774344B (zh) | 一种钛硅共掺杂非晶碳氮复合薄膜的制备方法 | |
| Wu et al. | Micrograph and structure of CrN films prepared by plasma immersion ion implantation and deposition using HPPMS plasma source | |
| CN108396306A (zh) | 一种低温沉积硬度可控的类金刚石复合薄膜的方法 | |
| CN108330455B (zh) | 一种Cr2AlC相纯度可调控的涂层制备方法 | |
| CN108149198B (zh) | 一种wc硬质合金薄膜及其梯度层技术室温制备方法 | |
| CN103160794A (zh) | 在碳素钢或球墨铸铁表面制备类金刚石薄膜的方法 | |
| CN1129678C (zh) | 用电弧离子镀沉积氮化钛铌超硬质梯度薄膜的方法 | |
| CN114411123A (zh) | 一种提高类金刚石碳膜与镁锂合金基底结合力的方法 | |
| Zhang et al. | Effect of deposition time on hardness and bonding strength of magnetron sputtered TiN coatings on 316 stainless steel | |
| CN108193178B (zh) | 一种晶态wc硬质合金薄膜及其缓冲层技术室温生长方法 | |
| CN110578114A (zh) | 一种掺杂的类石墨复合薄膜及其制备方法、含有掺杂的类石墨复合薄膜的部件 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20100310 |