CN110257796A - 一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法 - Google Patents

一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110257796A
CN110257796A CN201910560502.2A CN201910560502A CN110257796A CN 110257796 A CN110257796 A CN 110257796A CN 201910560502 A CN201910560502 A CN 201910560502A CN 110257796 A CN110257796 A CN 110257796A
Authority
CN
China
Prior art keywords
substrate
superslide
carbon
ultra
solution
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.)
Granted
Application number
CN201910560502.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110257796B (zh
Inventor
王永富
张俊彦
张激扬
杨兴
孙朝杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Original Assignee
Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS filed Critical Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority to CN201910560502.2A priority Critical patent/CN110257796B/zh
Publication of CN110257796A publication Critical patent/CN110257796A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110257796B publication Critical patent/CN110257796B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0272—Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明涉及一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，包括以下步骤：⑴Si衬底放入由30%H2O2和98%H2SO4配成的溶液中，于100℃煮30~50min，得到活化的Si衬底；⑵将溶质N’‑[3‑（三甲氧基硅基）‑丙基]三乙烯三胺通过机械搅拌混入丙酮‑水的混合溶液中，得到TA溶液；⑶活化的Si衬底放入TA溶液中浸泡，得到浸泡后的Si衬底；⑷碳洋葱颗粒分散到有机溶剂内，随后放入浸泡后的Si衬底浸泡，得到二次浸泡的Si衬底；⑸将二次浸泡的Si衬底取出，经脱水后真空加热，得到带有碳洋葱颗粒的Si衬底；⑹带有碳洋葱颗粒的Si衬底利用PECVD设备在碳洋葱颗粒表面沉积类金刚石薄膜即得。本发明方法简单，易于实现，所制备的超滑超薄碳涂层在机械运动系统减磨抗磨的环境中具有潜在的应用前景。

Description

一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法
技术领域
本发明涉及真空镀膜及表面工程技术领域，尤其涉及一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法。
背景技术
减小摩擦、降低磨损和延长运动部件的工作寿命是在机械运动系统中摩擦学科主要任务。进一步实现减摩抗磨和延寿，将满足机械系统不断提升的高精度、高可靠性和长寿命要求，以及符合日益严格环保政策。超滑指两个滑动接触表面之间摩擦系数小于或等于0.01，或者达到10-3量级。通常，钢材质与钢材质对摩的摩擦系数为1.0左右，润滑油的摩擦系数在0.05左右。因此，实现超滑将从根本上解决上述问题。挖掘新型超滑材料和开发超滑技术日益成为在机械工业应用中节能减排主要途径和方向。
固体超滑指在两个滑动接触表面之间直接接触实现的超滑现象。现阶段固体超滑的研究主要集中在以石墨烯为代表的结构性超滑，和以类金刚石薄膜为代表的无序固体界面的超滑。现阶段固体超滑的发展已经到了从基础到应用的关键阶段，它的主要任务是实现更大尺寸的稳定固体超滑。
目前，将以石墨烯为代表的结构性超滑从微纳尺度扩展到宏观尺度主要途径是在两个滑动接触表面之间引入纳米颗粒或纳米凸起。美国Argonne国家实验室berman等将类金刚石颗粒表面引入石墨烯小片与类金刚石薄膜之间，巧妙地将减小有效接触面积与形成非公度表面结合起来，实现宏观尺度的固体超滑。中国雒建斌院士团队采用在二氧化硅表面沉积石墨烯实现在两个滑动接触表面之间引入纳米凸起，从而形成非公度接触而实现更大尺寸的稳定固体超滑。但引入纳米颗粒或纳米凸起的主要途径面临的主要问题是加入的纳米金刚石会引起机械常用表面的严重磨损，且其在高湿度下失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种方法简单、易于实现的嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，包括以下步骤：
⑴将Si衬底放入由体积浓度30%H2O2和体积浓度98%H2SO4按照3：7的体积比配成的溶液中，并通过热敏电偶控制温度，于100℃煮30~50min，得到活化的Si衬底；
⑵将溶质N’-[3-（三甲氧基硅基）-丙基]三乙烯三胺（N’-[3-（Trimethoxysilyl）-propyl]driethylenetriamine,tech (TA)）通过机械搅拌混入丙酮-水的混合溶液中，得到浓度为1~4mmol/L 的TA溶液；
⑶将所述活化的Si衬底放入所述TA溶液中浸泡30~50min，得到浸泡后的Si衬底；
⑷将纯度为95.0~99.7%的碳洋葱颗粒按1：10~20的质量体积比分散到有机溶剂内，随后放入所述浸泡后的Si衬底，继续浸泡30~50min，得到二次浸泡的Si衬底；
⑸将所述二次浸泡的Si衬底取出，经干燥氮气脱水后置于真空加热炉内，在惰性气体保护下真空加热，得到带有碳洋葱颗粒的Si衬底；
⑹将所述带有碳洋葱颗粒的Si衬底置于PECVD的真空腔内，利用PECVD设备在碳洋葱颗粒表面沉积类金刚石薄膜即得。
所述步骤⑵中丙酮-水的混合溶液是指将丙酮与去离子水按5：1的体积比混合均匀所得的溶液。
所述步骤⑵TA溶液中的TA链长为1.5nm的单分子。
所述步骤⑷中有机溶剂是指甲苯或硝基甲烷。
所述步骤⑸中惰性气体是指氮气或氩气。
所述步骤⑸中真空加热的条件是指气压为10-2Pa，温度为500~900℃。
所述步骤⑹中沉积条件是指通入甲烷和氢气的纯度均大于99.99%；甲烷气体气压为15~30 Pa；甲烷与氢气的压比为1：1~1：4；类金刚石薄膜沉积参数：脉冲偏压为500~1500V，占空比为60~80%，频率为40~100 KHz。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过自组装制备良好的机械和弹性特性的碳洋葱薄膜，并继续在制备好的碳洋葱薄膜上通过等离子体增强化学气相沉积系统制备一层超薄（厚度达到100nm以下）类金刚石薄膜，该薄膜将碳洋葱的良好弹性性能和易实现非公度接触的特性，与类金刚石薄膜的良好化学惰性、低摩擦、低磨损性能结合起来，在两个滑动接触表面之间引入纳米颗粒或纳米凸起，实现非公度接触并有效减小接触面积，可使滑动体系的摩擦系数降低至0.01以下，有效地减小摩擦，降低磨损，实现超滑目的。同时，延长了运动部件的工作寿命。
2、采用摩擦磨损试验机对本发明在硅基底上制备嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层进行性能评价：
摩擦条件采用球-盘旋转模式，转速为32rpm（相当于0.01m/s的滑动速度），法向载荷为3mN，摩擦对偶为Φ3mm的球。测试结果：在硅基底上嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层为0.005。
3、本发明方法简单，易于实现，所制备的超滑超薄碳涂层在机械运动系统减磨抗磨的环境中具有潜在的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明制备嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层断面结构的示意图。
图2 是本发明制备嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层Raman图。
具体实施方式
实施例1 一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，包括以下步骤：
⑴将Si衬底放入由体积浓度30%H2O2和体积浓度98%H2SO4按照3：7的体积比（mL/mL）配成的溶液中，并通过热敏电偶控制温度，于100℃煮30~50min，得到活化的Si衬底。
⑵将溶质N’-[3-（三甲氧基硅基）-丙基]三乙烯三胺（N’-[3-（Trimethoxysilyl）-propyl]driethylenetriamine,tech (TA)）通过机械搅拌混入丙酮-水的混合溶液中，得到浓度为1mmol/L 的TA溶液。
其中：丙酮-水的混合溶液是指将丙酮与去离子水按5：1的体积比（mL/mL）混合均匀所得的溶液。
TA溶液中的TA链长为1.5nm的单分子。
⑶将活化的Si衬底放入TA溶液中浸泡30~50min，得到浸泡后的Si衬底。
⑷将0.1g纯度为95.0%的碳洋葱颗粒分散到1mL的甲苯内，随后放入浸泡后的Si衬底，继续浸泡30~50min，得到二次浸泡的Si衬底。
⑸将二次浸泡的Si衬底取出，经干燥氮气脱水后置于真空加热炉内，在氮气保护下于10-2Pa、800℃条件真空加热，进一步将活化的Si与碳洋葱颗粒键合，提高结合力，得到带有碳洋葱颗粒的Si衬底。
⑹将带有碳洋葱颗粒的Si衬底置于PECVD的真空腔内，利用PECVD设备在碳洋葱颗粒表面沉积类金刚石薄膜即得。
其中：沉积条件是指通入甲烷和氢气的纯度均大于99.99%；甲烷气体气压为15Pa；甲烷与氢气的压比为1：1；类金刚石薄膜沉积参数：脉冲偏压为500 V，占空比为60%，频率为40 KHz。
该碳洋葱颗粒以颗粒薄膜方式存在，颗粒之间分散开来，类金刚石薄膜被沉积在颗粒之间的空隙内，最终形成一个嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层，如图1所示。采用拉曼分析碳涂层，一个强烈D峰强度表明薄膜具有高含量sp2键合碳，与碳洋葱具有高含量sp2键合碳相符，如图2所示。
实施例2 一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，包括以下步骤：
⑴活化的Si衬底制备同实施例1。
⑵将溶质N’-[3-（三甲氧基硅基）-丙基]三乙烯三胺（N’-[3-（Trimethoxysilyl）-propyl]driethylenetriamine,tech (TA)）通过机械搅拌混入丙酮-水的混合溶液中，得到浓度为4mmol/L 的TA溶液。
其中：丙酮-水的混合溶液的制备同实施例1。
TA溶液中的TA链长为1.5nm的单分子。
⑶将活化的Si衬底放入TA溶液中浸泡30~50min，得到浸泡后的Si衬底。
⑷将0.1g纯度为99.0%的碳洋葱颗粒分散到1.5mL的硝基甲烷内，随后放入浸泡后的Si衬底，继续浸泡30~50min，得到二次浸泡的Si衬底。
⑸将二次浸泡的Si衬底取出，经干燥氮气脱水后置于真空加热炉内，在氮气保护下于10-2Pa，温度为900℃条件真空加热，进一步将活化的Si与碳洋葱颗粒键合，提高结合力，得到带有碳洋葱颗粒的Si衬底。
⑹将带有碳洋葱颗粒的Si衬底置于PECVD的真空腔内，利用PECVD设备在碳洋葱颗粒表面沉积类金刚石薄膜即得。
其中：沉积条件是指通入甲烷和氢气的纯度均大于99.99%；甲烷气体气压为30Pa；甲烷与氢气的压比为1：4；类金刚石薄膜沉积参数：脉冲偏压为1500 V，占空比为80%，频率为100 KHz。
实施例3 一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，包括以下步骤：
⑴活化的Si衬底制备同实施例1。
⑵将溶质N’-[3-（三甲氧基硅基）-丙基]三乙烯三胺（N’-[3-（Trimethoxysilyl）-propyl]driethylenetriamine,tech (TA)）通过机械搅拌混入丙酮-水的混合溶液中，得到浓度为2.5 mmol/L 的TA溶液。
其中：丙酮-水的混合溶液的制备同实施例1。
TA溶液中的TA链长为1.5nm的单分子。
⑶将活化的Si衬底放入TA溶液中浸泡30~50min，得到浸泡后的Si衬底。
⑷将0.1g纯度为99.7 %的碳洋葱颗粒分散到2mL的甲苯内，随后放入浸泡后的Si衬底，继续浸泡30~50min，得到二次浸泡的Si衬底。
⑸将二次浸泡的Si衬底取出，经干燥氮气脱水后置于真空加热炉内，在氮气保护下于10-2Pa，温度为500℃条件真空加热，进一步将活化的Si与碳洋葱颗粒键合，提高结合力，得到带有碳洋葱颗粒的Si衬底。
⑹将带有碳洋葱颗粒的Si衬底置于PECVD的真空腔内，利用PECVD设备在碳洋葱颗粒表面沉积类金刚石薄膜即得。
其中：沉积条件是指通入甲烷和氢气的纯度均大于99.99%；甲烷气体气压为25Pa；甲烷与氢气的压比为1：3；类金刚石薄膜沉积参数：脉冲偏压为1000 V，占空比为70%，频率为70 KHz。

Claims (7)

1.一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，包括以下步骤：
⑴将Si衬底放入由体积浓度30%H2O2和体积浓度98%H2SO4按照3：7的体积比配成的溶液中，并通过热敏电偶控制温度，于100℃煮30~50min，得到活化的Si衬底；
⑵将溶质N’-[3-（三甲氧基硅基）-丙基]三乙烯三胺通过机械搅拌混入丙酮-水的混合溶液中，得到浓度为1~4mmol/L 的TA溶液；
⑶将所述活化的Si衬底放入所述TA溶液中浸泡30~50min，得到浸泡后的Si衬底；
⑷将纯度为95.0~99.7%的碳洋葱颗粒按1：10~20的质量体积比分散到有机溶剂内，随后放入所述浸泡后的Si衬底，继续浸泡30~50min，得到二次浸泡的Si衬底；
⑸将所述二次浸泡的Si衬底取出，经干燥氮气脱水后置于真空加热炉内，在惰性气体保护下真空加热，得到带有碳洋葱颗粒的Si衬底；
⑹将所述带有碳洋葱颗粒的Si衬底置于PECVD的真空腔内，利用PECVD设备在碳洋葱颗粒表面沉积类金刚石薄膜即得。
2.如权利要求1所述的一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中丙酮-水的混合溶液是指将丙酮与去离子水按5：1的体积比混合均匀所得的溶液。
3.如权利要求1所述的一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，其特征在于：所述步骤⑵TA溶液中的TA链长为1.5nm的单分子。
4.如权利要求1所述的一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，其特征在于：所述步骤⑷中有机溶剂是指甲苯或硝基甲烷。
5.如权利要求1所述的一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，其特征在于：所述步骤⑸中惰性气体是指氮气或氩气。
6.如权利要求1所述的一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，其特征在于：所述步骤⑸中真空加热的条件是指气压为10-2Pa，温度为500~900℃。
7.如权利要求1所述的一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法，其特征在于：所述步骤⑹中沉积条件是指通入甲烷和氢气的纯度均大于99.99%；甲烷气体气压为15~30 Pa；甲烷与氢气的压比为1：1~1：4；类金刚石薄膜沉积参数：脉冲偏压为500~1500 V，占空比为60~80%，频率为40~100 KHz。
CN201910560502.2A 2019-06-26 2019-06-26 一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法 Active CN110257796B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910560502.2A CN110257796B (zh) 2019-06-26 2019-06-26 一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910560502.2A CN110257796B (zh) 2019-06-26 2019-06-26 一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110257796A true CN110257796A (zh) 2019-09-20
CN110257796B CN110257796B (zh) 2021-06-22

Family

ID=67921707

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910560502.2A Active CN110257796B (zh) 2019-06-26 2019-06-26 一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110257796B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102211077A (zh) * 2011-03-01 2011-10-12 北京市射线应用研究中心 一种制备NiTi合金表面有机膜层的方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102211077A (zh) * 2011-03-01 2011-10-12 北京市射线应用研究中心 一种制备NiTi合金表面有机膜层的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
龚珍彬: "纳米结构类金刚石薄膜的制备及其摩擦学性能的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110257796B (zh) 2021-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Fluorine and sulfur co-doped amorphous carbon films to achieve ultra-low friction under high vacuum
Cui et al. Toward low friction in high vacuum for hydrogenated diamondlike carbon by tailoring sliding interface
EP3388544B1 (en) Thermal spray coated reinforced polymer composites
Li et al. Tribochemical effects on the friction and wear behaviors of aC: H and aC films in different environment
Cui et al. Mechanical and tribological properties of Ti-DLC films with different Ti content by magnetron sputtering technique
Oguri et al. Low friction coatings of diamond-like carbon with silicon prepared by plasma-assisted chemical vapor deposition
Zhao et al. Superlow friction behavior of Si-doped hydrogenated amorphous carbon film in water environment
CN102854226B (zh) 金属氧化物/聚苯胺复合电阻型气敏元件及其制备方法
EP1841896A1 (en) Amorphous carbon film, process for forming the same, and high wear-resistant sliding member with amorphous carbon film provided
Zhou et al. Friction and wear property of a-CNx coatings sliding against Si3N4 balls in water
Yang et al. The high‐temperature tribological properties of Si‐DLC films
Chaukulkar et al. Single-step plasma synthesis of carbon-coated silicon nanoparticles
Wu et al. Structure, mechanical, and tribological properties of MoS 2/aC: H composite films
CN110257796A (zh) 一种嵌入碳洋葱的超滑超薄碳涂层制备方法
Chen et al. Kinetically controlled synthesis of Au 102 (SPh) 44 nanoclusters and catalytic application
CN100572597C (zh) FeS/MoS2纳米多层膜及其制备方法
Takeno et al. XPS and TEM study of W-DLC/DLC double-layered film
Sun et al. Structural and tribological behaviours of silicon doped amorphous carbon films
Konca et al. Vacuum tribological behavior of the non-hydrogenated diamond-like carbon coatings against aluminum: effect of running-in in ambient air
Wang et al. The degradation of humidity sensitivity of friction for tetrahedral amorphous carbon film by spin-coating hexagonal boron nitride
Gangopadhyay et al. Tribological behavior of amorphous hydrogenated carbon films on silicon
CN102649915B (zh) 气化装置中使用的泵及该泵的耐磨性的方法
Banerjee et al. Influence of RF power on the electrical and mechanical properties of nano-structured carbon nitride thin films deposited by RF magnetron sputtering
Shi et al. Effect of rotational speed on the interfacial nano-structural evolution and friction behavior of hydrogenated fullerene-like carbon (FLC) films in vacuum
CN101397666A (zh) 一种Zn/ZnS复合固体润滑薄膜及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant