CN111575665B - 一种纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法，是在金属基底上通过磁控溅射沉积技术和空心阴极等离子化学气相沉积技术沉积制备含氢量为20‑24%的含氢碳薄膜，然后通过自组装的方式在含氢碳薄膜上生长纳米羰基金属颗粒获得。由于羰基金属其羰基的高活性，在摩擦过程中，含氢非晶碳环状网络在纳米羰基金属的催化下转变为石墨烯，而石墨烯的多层结构有利于碳膜的超滑性能。摩擦性能测试结果表明，在干燥的大气环境及惰性气氛下，本发明制备的复合纳米羰基金属含氢碳膜的摩擦系数均在0.003~0.006范围内，远低于传统的0.01数量级，完全实现了在宏观尺度大气等环境下的超滑性能，对超滑技术的工程应用意义重大。

Description

一种纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超滑含氢碳薄膜的制备方法，尤其涉及纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法，属于复合材料领域和摩擦学领域。
背景技术
摩擦伴随着生命的起源和人类社会的发展，进入21世纪，摩擦与润滑已经成为人类文明发展和科技进步不可分割的重要部分。世界上使用的一次能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦，机械产品的易损零件80%是由于磨损超过限度而报废和更换的。
超滑特指摩擦系数低于0.01，处于0.001甚至更低的状态，被认为是解决摩擦磨损问题的必由之路，又称之为超低摩擦。
专利CN 201710403632.6提供了一种摩擦表面生长石墨烯的宏观超滑方法，但是其在600℃以上制备，根本不能满足大多数工程金属表面制备的要求，会导致金属基底机械性能丧失。专利CN 201510582261.3提供了一种磁控溅射含银超低摩擦系数类石墨碳膜的制备方法，但实际测量摩擦系数大于0.01，没有实现真正意义上的超低摩擦。专利CN201910336890.6提供了一种超滑二维复合材料及其制备方法，但是其实际测量摩擦系数仅为0.02。专利CN 201910675966.8提供了一种表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法，使用电泳的方法在金属表面制备石墨烯，这种方法只能在平面样品中获得均匀厚度的薄膜，且结合力差，不利于在复杂表面制备，难以工业化应用。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的目的是提供了纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法，以解决复杂表面可控制备和实现工程超滑的难题。
本发明制备超滑含氢碳薄膜的方法，是在金属基底上通过磁控溅射沉积技术和反空心阴极等离子化学气相沉积技术沉积制备含氢量为20-24%的含氢碳薄膜，然后通过自组装的方式在含氢碳薄膜上复合纳米羰基金属颗粒而得。具体步骤如下：
（1）金属基底的清洗：将金属基底依次用水基清洗液、碳氢清洗液进行超声清洗，去除油污、锈点和污染物后用氮气吹干。金属基底为404不锈钢、轴承钢等。
（2）含氢碳薄膜的制备：将清洗吹干后的金属基底置入镀膜真空室，真空抽至1.0×10-3 Pa及以下；先利用空心阴极离子源进行高强度的气体离子轰击清洗以进一步去除表面污染物；再采用磁控溅射技术沉积钛钨结合层，然后阳极辅助空心阴极离子源沉积含氢碳薄膜，烘干，得含氢碳薄膜；
空心阴极离子源进行高强度的气体离子轰击清洗：电流400A，气压2Pa，偏压700V；
磁控溅射技术沉积结合层的参数：钛钨（TiW）复合靶（Ti、W质量比7:3），电流7A，偏压400V，氩气1Pa；
阳极辅助空心阴极离子源沉积含氢碳薄膜参数：空心阴极电流300A，阳极150V，偏压200V，气压2Pa，时间100分钟。其中气压由甲烷、氢气同时提供。薄膜中氢含量通过调节氢气比例控制。甲烷与氢气气压比在1:1~1:1.7时，可获得氢含量20~24%的含氢碳薄膜；
（3）将羰基金属粉末超声分散在乙醇溶液中，配置成质量浓度0.1~0.3%的羰基金属分散液，然后将含氢碳薄膜浸泡在羰基金属分散液中20~24小时，羰基金属将在含氢碳薄膜表面自组装形成羰基金属纳米薄膜，即得纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜。
利用CSM摩擦实验机对复合纳米滑石粉的含氢碳膜进行摩擦学性能检测。将上述制备的复合纳米羰基金属颗粒的含氢碳薄膜样品安装至摩擦试验机上，分别通入干燥空气、润湿空气、氩气，复合在3~10N范围内条件下进行检测。结果显示，在干燥、湿润的大气环境及惰性气氛下，本发明制备的复合纳米纳米羰基金属的含氢碳膜的摩擦系数均在0.003~0.006的范围内，远低于传统的0.01数量级，完全实现了在宏观尺度大气环境下的超滑性能。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过在金属基底上生长含氢碳薄膜，并在含氢碳薄膜上自组装纳米羰基金属颗粒的方法，由于羰基金属的催化作用（羰基金属的羰基有利于降低催化石墨化的能垒而更易于摩擦过程中石墨烯的形成），在摩擦过程中，含氢非晶碳在纳米羰基金属的催化下转变为石墨烯，而石墨烯的多层结构有利于碳膜实现在宏观尺度大气环境下、惰性气氛的超滑性能，因此，有望实现跨环境条件下超滑技术的工程应用；
2、本发明通过浸没沉积的方式将纳米羰基金属颗粒自组装于含氢碳薄膜上，不受电化学沉积过程中电压分布的影响，容易在复杂金属表面获得均匀的羰基金属纳米颗粒分布；
3、本发明利用磁控溅射和空心阴极离子源在金属表面制备含氢碳薄膜，结合力强，能够在复杂的基体表面制备，易于工程化应用。
附图说明
图1为本发明所制备复合羰基金属催化含氢碳薄膜在3N载荷下的摩擦系数。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明复合羰基金属超滑含氢碳薄膜的制备方法及超滑性能作进一步的说明。
实施例1
（1）金属基底的清洗：将金属基底（404不锈钢、轴承钢等）分别用水基清洗液、碳氢清洗液在超声清洗槽中清洗，去除油污、锈点和污染物，然后用氮气吹干，置入镀膜真空室准备镀膜；
（2）含氢碳薄膜的制备：将真空室背底抽真空至1.0×10-3 Pa；先利用六硼化镧空心阴极离子源进行高强度的气体离子轰击清洗以进一步去除表面污染物；此时电流400A，压2Pa，偏压700V。再采用磁控溅射技术沉积TiW结合层，此时，电流7A，偏压400V，氩气1Pa；然后采用阳极辅助空心阴极离子源沉积含氢碳薄膜，此时空心阴极电流300A，阳极150V，偏压200V，气压2Pa（甲烷与氢气的气压比为1:1），时间100分钟，即可获得含氢量20%的碳薄膜。完成镀膜后，将含氢碳薄膜取出，进行表面羰基纳米金属复合；
（3）复合纳米羰基金属镍含氢碳薄膜的制备：选取5纳米以下粒径分布的羰基镍粉末，置于乙酰胺溶液中，在5个大气压和150℃下磁力搅拌保持2小时，获得可溶于乙醇的羰基纳米粉体；再可溶于乙醇的羰基纳米粉体超声分散在乙醇溶液中配置成质量浓度0.3%的羰基镍分散液，然后将上述制备的含氢碳薄膜羰基金属分散液体中24小时，取出，烘干，即获得复合纳米羰基金属镍的含氢碳薄膜样品，标记为A；
（4）摩擦性能测试：利用CSM，以钢球为摩擦副，在载荷3N，干燥大气环境下，测得样品A的摩擦系数低至0.006（见表1）。
实施例2
（1）金属基底的清洗：同实施例1；
（2）含氢碳薄膜的制备：气压为2Pa，甲烷与氢气的气压比为1:1.7，其他与实施例1同。获得含氢量24%的含氢碳薄膜；
（3）复合纳米羰基金属钴含氢碳薄膜的制备：选取5纳米以下粒径分布的羰基钴粉末，置于乙酰胺溶液中，在5个大气压和150℃下磁力搅拌保持2小时，获得可溶于乙醇的羰基钴纳米粉体；再将可溶于乙醇的羰基钴纳米粉体超声分散在乙醇溶液中配置成质量浓度0.2%的羰基钴分散液，然后将上述制备的含氢碳薄膜浸泡在羰基钴分散液中24小时，取出，烘干，即获得复合纳米羰基金属钴的含氢碳薄膜样品，标记为B；
（4）摩擦性能测试：利用CSM，以钢球为摩擦副，在干燥大气环境，载荷10N条件下，测的样品B的摩擦系数低至0.004（见表1）。
实施例3
（1）金属基底的清洗：同实施例1；
（2）含氢碳薄膜的制备：气压为2Pa，甲烷与氢气的气压比为1:1.4，其他与实施例1同，获得含氢量22%的碳薄膜；
（3）复合纳米羰基金属钌含氢碳薄膜的制备：选取5纳米以下粒径分布的羰基钌粉末，置于乙酰胺溶液中，在5个大气压和150℃下磁力搅拌保持2小时，获得可溶于乙醇的羰基钌纳米粉体；再将可溶于乙醇的羰基钌纳米粉体超声分散在乙醇溶液中形成质量浓度0.1%羰基钌分散液，然后将上述制备的含氢碳薄膜浸泡羰基钌分散液中24小时，取出，烘干，即得复合纳米羰基金属钌的含氢碳薄膜样品，标记为C；
（4）摩擦性能测试：利用CSM，以钢球为摩擦副，在氩气环境，载荷5N条件下，测得样品 C的摩擦系数低至0.005（见表1）。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
上述各实施例中，阳极辅助空心阴极离子源沉积含氢碳薄膜，空心阴极为电弧空心阴极且自带供气系统、阳极为加正电压的供气系统且有水冷辅助。

Claims (5)

1.一种纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）金属基底的清洗：将金属基底依次用水基清洗液、碳氢清洗液进行超声清洗，去除油污、锈点和污染物后用氮气吹干；
（2）含氢碳薄膜的制备：将清洗吹干后的金属基底置入镀膜真空室，真空抽至1.0×10-3 Pa及以下；先利用空心阴极离子源进行高强度的气体离子轰击清洗以进一步去除表面污染物；再采用磁控溅射技术沉积钛钨双金属结合层，然后阳极辅助空心阴极离子源沉积含氢碳薄膜，得含氢碳薄膜；
（3）将可溶于乙醇的羰基金属纳米粉末超声分散在乙醇溶液中，配置成质量浓度0.1~0.3%的羰基金属分散液，然后将含氢碳薄膜浸泡在羰基金属分散液中20~24小时，羰基金属将在含氢碳薄膜表面自组装形成羰基金属纳米薄膜，即得纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜；
所述可溶于乙醇的羰基金属纳米粉末的制备，是直径5 nm以下的羰基纳米颗粒置于乙酰胺溶液中，在5个大气压和150℃下磁力搅拌保持2小时，获得可溶于乙醇的羰基纳米粉体；其中羰基金属为羰基镍粉、羰基钴粉、羰基钌粉中的任何一种。
2.如权利要求1所述一种纳米羰基金属复合的超滑含氢碳薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，金属基底为404不锈钢、轴承钢。
3.如权利要求1所述一种纳米羰基金属复合超滑含氢碳薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，空心阴极离子源进行高强度的气体离子轰击清洗：电流400A，气压2Pa，偏压700V。
4.如权利要求1所述一种纳米羰基金属复合的超滑含氢碳薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，磁控溅射技术沉积钛钨结合层：钛钨复合靶中钛、钨的质量比为7:3，电流7A，偏压400 V，氩气1 Pa。
5.如权利要求1所述一种纳米羰基金属复合的超滑含氢碳薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，阳极辅助空心阴极离子源沉积含氢碳薄膜的参数：空心阴极电流300A，阳极150V，偏压200V，气压2Pa，时间100分钟；气压由甲烷、氢气共同，且甲烷与氢气气压比为1:1~1:1.7。
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