CN102453913A - 类富勒烯碳基润滑薄膜材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类富勒烯碳基润滑薄膜材料的制备方法。该方法采用脉冲偏压辅助离子体增强化学气相沉积的方法制备类富勒烯碳基润滑薄膜，通过对脉冲占空比的调控，在碳膜内部构筑类富勒烯纳米结构。该薄膜材料展现了较普通碳基薄膜材料高的韧性和低的环境依赖性，在干燥惰性环境和高湿度大气环境下均具有超低的摩擦系数和磨损率，克服了碳基薄膜材料脆性大、摩擦学性能受环境湿度影响大的问题，极大地扩展了碳基润滑薄膜材料的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种类富勒烯碳基润滑薄膜材料的制备方法。
背景技术
碳基薄膜作为一种新型的高性能润滑薄膜材料，由于其具有硬度高、化学稳定性好以及摩擦系数和磨损率低等一系列优异性能，在苛刻环境中用作防护薄膜以及在精密机械、微系统、信息技术、国家安全、空间环境等相关领域用作润滑薄膜材料都显示了巨大的应用前景。欧洲空间中心摩擦实验室在评价了空间使用的各种固体材料之后，推荐碳薄膜作为未来的空间润滑涂层，美国航空航天局(NASA)也正在开发将碳膜应用于空间固体润滑薄膜材料方面的研究工作，并将碳薄膜材料列为国家21世纪的战略材料之一。
经过数十年的努力，人们在碳薄膜的研究方面已取得了较大的进步，已发展出具有超润滑性能的含氢碳薄膜材料(在干燥惰性气氛和超高真空中，摩擦系数：0.001-0.005，磨损率：＜10-9mm3/Nm)，展现了固体润滑材料中最低的摩擦系数，极大地突破了原有固体润滑材料的性能极限，被誉为“超润滑技术”，显示了作为固体润滑薄膜的巨大优势。然而碳薄膜材料的韧性低，环境依赖性大，往往会在高的载荷作用下发生脆性断裂，寿命缩短；在高湿度运行环境下摩擦学性能大幅下降，极大地限制了碳薄膜材料的实际应用。因此进一步提高碳基薄膜材料的韧性，减小湿度、气氛等环境因素对其摩擦学性能的影响是超润滑碳基薄膜材料实现实际应用的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种类富勒烯碳基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：
一种类富勒烯碳基润滑薄膜材料的制备方法，其特征在于该方法依次步骤为：
A.活化清洗表面：将在酒精、蒸馏水和丙酮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，通入高纯惰性气体作为离化气体，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.清洗完毕后，利用非平衡磁控溅射的方法首先制备硅、钛、铬过渡层，选用高纯度的硅、钛、铬材料作为溅射靶材，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.利用脉冲偏压辅助等离子体化学气相沉积的方法制备碳薄膜材料：通入碳氢气源和惰性混合气体作为反应气源，打开射频电源和脉冲偏压电源，沉积碳薄膜后关闭，冷却至温度小于40℃，释放真空取出样品。
本发明中薄膜的制备是在一个配有非平衡磁控溅射、电感耦合射频等离子体化学气相沉积和脉冲偏压辅助三种功能的真空腔体内完成。
在步骤A中，等离子体活化工艺参数范围为：气压0.3～3.0Pa，脉冲偏压-100～-1200V，占空比10～80％，清洗时间5～60min。
在步骤B中，选用硅、钛、铬作为过渡层材料，可以极大地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。本发明过渡层制备工艺参数范围为：腔体气压0.25～2.0Pa，溅射电流1～20A，脉冲偏压-50～-1000V，脉冲占空比10～80％，过渡层厚度30～1000nm。
在步骤C中，采用脉冲偏压辅助等离子体化学气相沉积的方法制备碳薄膜材料。该方法可以在基体表面形成阶段性放电的等离子体生长环境，在放电过程中，活性粒子可以在强电场的作用下沉积于基体表面，形成亚稳定的非晶碳网络结构。而不放电的过程是一个非晶碳网络结构自由弛豫的过程，碳结构在热力学作用下向稳定相-石墨片层结构转变，并包裹在非晶碳网络中，形成弯曲的类富勒烯结构。碳薄膜制备过程中采用Ar/CH4、H2/CH4、Ar/C2H2、H2/C2H2含碳氢气体和惰性混合气体作为反应气源。工艺参数范围为：气体体积流量比3∶1～1∶3，腔体气压0.3～2.0Pa，脉冲偏压-100～-1200V，脉冲占空比10～80％，射频入射功率100～1500w。
本发明的优点是薄膜制备过程简单，各制备参数易操控。制备的类富勒烯碳薄膜材料展现了较普通碳基薄膜材料高的韧性和低的环境依赖性，在干燥惰性环境和高湿度大气环境下均具有超低的摩擦系数和磨损率，克服了碳基薄膜材料脆性大、摩擦学性能受环境湿度影响大的问题，极大地扩展了碳基薄膜材料的应用范围，使其作为固体润滑薄膜在宽运行环境范围、高承载等苛刻条件下应用成为可能。
本发明的产品主要性能指标如下表1所示：
表1
附图说明
图1为所制备类富勒烯碳薄膜的典型高分辨透射电子显微照片，其中标尺长度为5nm，可以看出薄膜的微观结构是由1-3nm尺寸的弯曲石墨片层交联而成，晶面间距为0.34nm，与石墨(002)晶面的距离相吻合。这说明所制备薄膜具有典型的类富勒烯纳米结构特征。
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2.5Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-400V，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0.25Pa，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-600V，脉冲占空比40％，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600w。调节基底脉冲偏压为-800V，脉冲占空比50％，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1.0Pa，氩气与甲烷气体的质量流量比为1∶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20％，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0.5Pa，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200w。调节基底脉冲偏压为-200V，脉冲占空比50％，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)
1.一种类富勒烯碳基润滑薄膜材料的制备方法，其特征在于该方法依次步骤为：
A.活化清洗表面：将在酒精、蒸馏水和丙酮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，通入高纯惰性气体作为离化气体，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.清洗完毕后，利用非平衡磁控溅射的方法首先制备硅、钛、铬过渡层，选用高纯度的硅、钛、铬材料作为溅射靶材，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.利用脉冲偏压辅助等离子体化学气相沉积的方法制备碳薄膜材料：通入碳氢气源和惰性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，其特征是：在步骤A中，等离子体活化工艺参数范围为：气压0.3～3.0Pa，脉冲偏压-100～-1200V，占空比10～80％，清洗时间5～60min。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是：在步骤B中，过渡层制备工艺参数范围为：腔体气压0.25～2.0Pa，溅射电流1～20A，脉冲偏压-50～-1000V，脉冲占空比10～80％，过渡层厚度30～1000nm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是：在步骤C中，碳薄膜制备过程中采用Ar/CH4、H2/CH4、Ar/C2H2、H2/C2H2含碳氢气体和惰性混合气体作为反应气源；工艺参数范围为气体体积流量比3∶1～1∶3，腔体气压0.3～2.0Pa，脉冲偏压-100～-1200V，脉冲占空比10～80％，射频入射功率100～1500w。
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