CN109811322B - 一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明属于超润滑薄膜技术领域，涉及一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜。所述薄膜由依次位于基体上的防氢扩散层、储氢中间层和超润滑功能层组成；所述防氢扩散层为最大晶面间距小于0.25nm的致密物；所述储氢中间层为脱氢温度高于空间环境温度的储氢材料，所述超润滑功能层的材料包括a‑C:H。所述薄膜在寿命、摩擦系数稳定性等方面可满足航天器活动零部件的使用需求。

Description

一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜

技术领域

本发明属于超润滑薄膜技术领域，涉及一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜。

背景技术

随着我国航天事业的发展，军用航天器对其有效载荷的各项性能指标提出了越来越高的要求，例如军事侦察卫星的天线、相机等组件所需求的超高定位准确性、高稳定性、低振动噪音等。虽然目前空间常用的固体润滑薄膜(如MoS₂)基本满足了我国目前不同轨道的飞行器的应用需求，但其摩擦系数相对较高(～0.05)，摩擦力矩波动较大，无法满足后续军用航天器对于超高精度、高稳定度、低振动噪音等的越来越苛刻的需求。

超润滑固体薄膜与传统固体润滑薄膜相比，其摩擦系数(<0.005)低1-2个数量级，摩擦力矩波动大幅度降低，可大幅度提高军用卫星活动机构的传动精度，增加输出力矩的平稳性，同时极大地降低摩擦带来的噪音和动力衰减。因此，研制具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，是后续军用航天器活动机构性能大幅提升的必然需求。

尽管国内外多个高校和研究所对超润滑材料进行了大量研究，并尝试了宏观尺度的超润滑薄膜的制备，但截至目前，尚无一种超润滑薄膜可以成功应用于空间活动机构。其中涉及的主要问题如下：(1)超润滑研究基本局限在微观尺度，而微观超润滑机制难以在宏观重现；(2)少数在宏观尺寸表现出超润滑特性的材料(如含氢非晶碳膜，a-C:H)，寿命较短，摩擦系数波动较大，无法满足空间应用需求；(3)大多数当前研究获得的超润滑材料，不具有空间环境适应性(如真空、辐照、原子氧等)。

含氢非晶碳(a-C:H)膜是目前唯一具有空间应用可行性的超润滑材料，归因于三个方面：(一)a-C:H膜是已报道文献中，唯一在宏观尺度(即“概念与内涵”中解释的“大尺度”)试样上、传统测试条件下表现出超润滑性能的材料；(二)a-C:H膜是非晶膜，不依赖完美的晶体结构，也不依赖超洁净表面，因此可以被有效镀覆于非平面的表面(如滚动球轴承内外圈等)，这些对于石墨单晶、h-BN单晶等材料很难实现；(三)与a-C:H膜成分、结构都类似的类金刚石碳(DLC)膜，已经多次成功应用于空间活动机构，获得了空间飞行验证，因此a-C:H膜具有很高的空间环境适应潜力，这是其他二维材料不具备的。

然而，按目前的研究进展，a-C:H膜的摩擦系数稳定性仍有待提高，a-C:H基超润滑薄膜在服役中因磨损导致C-H键断裂，薄膜寿命距离空间应用需求还有很大差距。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，所述薄膜在寿命、摩擦系数稳定性等方面可满足航天器活动零部件的使用需求。

一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，所述薄膜由依次位于基体上的防氢扩散层、储氢中间层和超润滑功能层组成；所述防氢扩散层为最大晶面间距小于0.25nm的致密物；所述储氢中间层为脱氢温度高于空间环境温度的储氢材料，所述超润滑功能层的材料包括a-C:H。

优选的，所述防氢扩散层为致密陶瓷材料或金属间化合物。

优选的，所述防氢扩散层包括但不限于TiN、ZrN、Al₂O₃或Ni₃Al。

优选的，所述防氢扩散层的厚度为：0＜厚度≤2μm。

优选的，所述储氢中间层的材料包括但不限于TiH_x、TiFeH_x或Ti₂NiH_x，由于储氢材料中H的含量是变化的，因此用X表示H在储氢材料中所占比例。

优选的，所述储氢中间层的厚度为：0＜厚度≤2μm。

优选的，所述超润滑功能层的材料还包括掺杂有Ti、Si、Ag或Cu元素的a-C:H。

优选的，所述超润滑功能层的显微组织结构为非晶结构和/或纳米晶结构，对于气相沉积的薄膜材料而言，纳米晶跟非晶经常同时存在，并且采用一般的测试手段，比如X射线衍射(XRD)，常常无法区分，所以经常在描述薄膜时一起使用。

优选的，所述超润滑功能层的厚度为：0＜厚度≤1μm。

优选的，所述具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜的厚度为：0＜厚度≤3μm，摩擦系数≤0.005。

本发明所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜采用物理气相沉积(PVD)法制备得到，所述方法中的工艺参数选择为本领域的常规选择。

有益效果

本发明基于表现出超润滑特性的a-C:H薄膜，巧妙地提出了防氢扩散层、储氢中间层、a-C:H超润滑功能层的三层复合薄膜结构设计方案。通过在a-C:H薄膜与基体之间附加一层储氢中间层，使得a-C:H基超润滑薄膜在服役中因磨损导致C-H键断裂，氢损耗后，可由储氢层进行补充修复，使超润滑薄膜具备了在服役中的自修复能力。储氢材料中的储氢载体包括但不限于Ti、TiFe或Ti₂Ni等。这些材料作为储氢中间层的特点是常温下稳定存在不脱氢，在加热到一定温度时(如～300℃)才开始脱氢，脱氢速率随温度升高而升高。这些特性，一方面可以保证在a-C:H薄膜稳定发挥超润滑作用的阶段，中间层的储氢长时间储存而不脱氢；另一方面，在a-C:H薄膜的局部区域氢原子因摩擦损耗后，此区域因摩擦力增大而导致局部温度上升(虽然在这一初始阶段整体零部件温度几乎无变化，但在微观尺度，因剧烈摩擦导致的温度上升可高达材料的熔点)，因a-C:H薄膜在纳米尺度(二维材料)，因此位于其下面的储氢中间层将被快速加热，到达脱氢温度，氢得到释放，扩散到表面，与新形成的不饱和碳键结合，将其钝化，“修补”了因摩擦破损的超润滑界面。

储氢中间层在服役中脱氢时，由于氢原子非常小，扩散较快，且对钛合金、钢材而言，都会造成“氢脆”现象。因此，本发明在储氢中间层与基体间设计了一层防氢扩散层，防氢扩散层采用的材料包括但不限于致密陶瓷相TiN，ZrN，Al₂O₃等，或金属间化合物Ni₃Al等。

本发明所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，可以大幅度延长a-C:H膜的使用寿命，为空间活动机构的固体润滑，提供一种自修复超润滑薄膜结构设计解决方案。本发明特别适用于具有长寿命、高精度、高稳定性等要求的空间活动机构，如滚动球轴承、齿轮、蜗轮蜗杆、谐波减速器等。

本发明所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，不仅可以用于空间用活动机构，也可以用于地面活动零部件，以及民用领域，如汽车工业、加工制造业、运输业、船舶工业等，对于民用产业活动零部件、机构的减摩降耗、提高能源利用效率，减少废气排放量等方面，都有巨大的应用价值。

附图说明

图1为本发明所述薄膜的结构示意图。

其中，1-基体，2-防氢扩散层，3-储氢中间层，4-超润滑功能层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，所述薄膜由依次附着在基体1上的防氢扩散层2、储氢中间层3和超润滑功能层4组成，其中，基体1为不锈钢9Cr18，防氢扩散层2为TiN，储氢中间层3为TiH_x，超润滑功能层4为a-C:H。

所述薄膜采用反应磁控溅射技术制备：沉积过程中真空腔室本底真空度小于等于1×10^-3Pa，总沉积时间为1.5小时。

(1)防氢扩散层2的制备：靶材使用纯度高于99.99％的Ti靶，反应气体采用纯度大于等于99.999％的高纯氮气，其他参数选择为本领域常规技术手段，控制沉积时间，在基体1上沉积400nm厚的防氢扩散层2；

(2)储氢中间层3的制备：靶材使用纯度高于99.99％的Ti靶，反应气体采用纯度大于等于99.999％的高纯氢气，其他参数选择为本领域常规技术手段，控制沉积时间，在防氢扩散层2上沉积400nm厚的储氢中间层3；

(3)超润滑功能层4的制备：反应气体为纯度大于等于99.9％的乙炔气体其他参数选择为本领域常规技术手段，控制沉积时间，在储氢中间层3上沉积100nm厚的超润滑功能层4，在基体1得到一种总厚度为900nm的具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜。

按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS₂固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，所述薄膜附着力大于等于300mN，摩擦系数为0.002，寿命大于等于1.5×10⁷转。

实施例2

一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，所述薄膜由依次附着在基体1上的防氢扩散层2、储氢中间层3和超润滑功能层4组成，其中，基体1为轴承钢GCr15，防氢扩散层2为ZrN，储氢中间层3为TiFeH_x，超润滑功能层4为a-C:H。

所述薄膜采用反应磁控溅射技术制备：靶材使用纯度高于99.99％的Zr靶和纯度大于等于99.99％的Ti-Fe合金靶(质量比50:50)，反应气体采用纯度优于99.999％的高纯氢气和纯度优于99.9％的乙炔气体。

所述薄膜采用反应磁控溅射技术制备：沉积过程中真空腔室本底真空度小于等于1×10^-3Pa，总沉积时间为1.5小时。

(1)防氢扩散层2的制备：靶材使用纯度大于等于99.99％的Zr靶，反应气体采用纯度大于等于99.999％的高纯氮气，其他参数选择为本领域常规技术手段，控制沉积时间，在基体1上沉积400nm厚的防氢扩散层2；

(2)储氢中间层3的制备：纯度大于等于99.99％的Ti-Fe合金靶(质量比50:50)，反应气体采用纯度大于等于99.999％的高纯氢气，其他参数选择为本领域常规技术手段，控制沉积时间，在防氢扩散层2上沉积350nm厚的储氢中间层3；

(3)超润滑功能层4的制备：反应气体为纯度大于等于99.9％的乙炔气体，其他参数选择为本领域常规技术手段，控制沉积时间，在储氢中间层3上沉积100nm厚的超润滑功能层4，在基体1得到一种总厚度为850nm的具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜。

按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS₂固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，所述薄膜附着力大于等于250mN，摩擦系数为0.002，寿命大于等于1.5×10⁷转。

实施例3

一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，所述薄膜由依次附着在基体1上的防氢扩散层2、储氢中间层3和超润滑功能层4组成，其中，基体1为钛合金Ti6Al4V，防氢扩散层2为Al₂O₃，储氢中间层3为Ti₂NiH_x，超润滑功能层4为a-C:H。

所述薄膜采用反应磁控溅射技术制备：沉积过程中真空腔室本底真空度小于等于1×10^-3Pa，总沉积时间为1.5小时。

(1)防氢扩散层2的制备：靶材使用纯度大于等于99.99％的Al靶，反应气体采用纯度大于等于99.99％的氧气，其他参数选择为本领域常规技术手段，控制沉积时间，在基体1上沉积400nm厚的防氢扩散层2；

(2)储氢中间层3的制备：纯度大于等于99.99％的Ti靶和纯度大于等于99.99％的Ni靶，反应气体采用纯度大于等于99.999％的高纯氢气，其他参数选择为本领域常规技术手段，控制沉积时间，在防氢扩散层2上沉积400nm厚的储氢中间层3；

(3)超润滑功能层4的制备：反应气体为纯度大于等于99.9％的乙炔气体，其他参数选择为本领域常规技术手段，控制沉积时间，在储氢中间层3上沉积100nm厚的超润滑功能层4，在基体1得到一种总厚度为900nm的具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜。

按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS2固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，所述薄膜附着力大于等于280mN，摩擦系数为0.002，寿命大于等于1.5×10⁷转。

需要说明的是，本发明涉及的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，包含防氢扩散层，储氢中间层和超润滑功能层a-C:H膜三个功能层。其中，超润滑功能层为含氢非晶碳a-C:H膜；防氢扩散层可以是但不限于Ti、TiFe或Ti₂Ni等，储氢中间层可以是但不限于致密陶瓷相TiN，ZrN，Al₂O₃或金属间化合物Ni₃Al等。具体实施方案中的三个示例，仅为举例说明本发明的实施方式，既不具有特殊性，也不具有排他性。

综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：所述薄膜由依次位于基体(1)上的防氢扩散层(2)、储氢中间层(3)和超润滑功能层(4)组成；所述防氢扩散层(2)为最大晶面间距小于0.25nm的致密物；所述储氢中间层(3)为脱氢温度高于空间环境温度的储氢材料，所述超润滑功能层(4)的材料包括a-C:H。

2.如权利要求1所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：所述防氢扩散层(2)为致密陶瓷材料或金属间化合物。

3.如权利要求1或2所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：所述防氢扩散层(2)包括TiN、ZrN、Al₂O₃或Ni₃Al。

4.如权利要求1或2所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：所述防氢扩散层(2)的厚度为：0＜厚度≤2μm。

5.如权利要求1所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：储氢中间层(3)的材料包括TiH_x、TiFeH_x或Ti₂NiH_x。

6.如权利要求1或5所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：所述储氢中间层(3)的厚度为：0＜厚度≤2μm。

7.如权利要求1所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：所述超润滑功能层(4)的材料还包括掺杂有Ti、Si、Ag或Cu元素的

a-C:H。

8.如权利要求1或7所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：所述超润滑功能层(4)的显微组织结构为非晶结构和/或纳米晶结构。

9.如权利要求1或7所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：所述超润滑功能层(4)的厚度为：0＜厚度≤1μm。

10.如权利要求1所述的一种具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜，其特征在于：所述具有空间环境适应性的超润滑固体薄膜的厚度为：0＜厚度≤3μm，摩擦系数≤0.005。

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