CN111876753A - 通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的方法，等离子体气相沉积法制备的碳薄膜与高功率双极微脉冲反应磁控溅射制备的二硫化钼组成配副体系，磨擦过程在摩擦剪切力的作用下，无序的二硫化钼沿摩擦方向有序排列，形成少层有序结构，通过对摩擦界面的调控以实现碳膜在大气下的宏观超滑。实验表明，该体系在富氧环境中的摩擦系数以及耐磨特性会更优异。

Description

通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的 方法
技术领域
本发明提供一种通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的方法，属于薄膜沉积和表面防护领域。
背景技术
机械磨损导致的经济损失高达GDP的5%~7%，造成的损失达到数万亿元人民币。若采用高性能润滑材料技术，预期可降低汽车摩擦功耗18%。现代航空飞航天器被要求15甚至到30年的运行寿命，对运动部件的耐磨要求不断提升。然而现在航天零部件中的活动部件性能仍有待提高，对于整个航天器的长效稳定的运行极其重要。
非晶碳薄膜具有减磨耐磨的特性，具有航空航天的应用潜力，被期望用于轴承及其他航天器传动零部件。然而传统非晶碳膜只能在单一环境中（N2和真空）达到超滑和低磨损，抗磨性较高，但在空气下达到0.04，寿命较低。
发明内容
本发明的目的是针对非晶碳薄膜在空气下抗磨性较差的问题，提供一种通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的方法，以解决碳膜在大气下的应用问题。
本发明根据含氢碳薄膜和二硫化钼薄膜的性质，通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系，通过对摩擦界面的调控以实现碳膜在大气下的宏观超滑。
所述含氢碳薄膜可通过等离子体气相沉积法制备，含氢碳薄膜的氢含量在20~26%，厚度在700~900nm。
所述二硫化钼薄膜可采用高功率双极微脉冲反应磁控溅射制得。二硫化钼薄膜的厚度在500~700nm。
二硫化钼薄膜在大气下摩擦系数较大（0.05），耐磨性差，而且传统二硫化钼薄膜在钢表面上的结合力很低，摩擦过程中容易脱落。以含氢碳薄膜和二硫化钼薄膜互为配副，磨擦过程中在摩擦剪切力的作用下，无序的二硫化钼沿摩擦方向有序排列，在碳膜基体表面原位形成少层二硫化钼有序结构，从而实现碳膜的宏观超滑。图1为MoS2摩擦副滑动后薄膜磨痕断面高分辨照片。磨擦过程在摩擦剪切力的作用下，无序的二硫化钼沿摩擦方向有序排列，形成少层有序结构，通过对摩擦界面的调控以实现碳膜在大气下的宏观超滑。实验表明，该体系在富氧环境中的摩擦系数以及耐磨特性会更优异。
分别将沉积含氢碳薄膜钢块和沉积二硫化钼薄膜的金属球作为摩擦配副，在CSM摩擦机上，将样品固定好后，设定实验参数载荷9N，频率5Hz，振幅5mm，摩擦时间30min，室温摩擦。通入干燥空气，使得空气湿度逐渐降低至5%或以下，开始实验。获得其摩擦系数快速降低至0.005左右。极大减小了摩擦力与磨损量，提高了碳薄膜在干燥大气中使用寿命。即该体系在富氧环境中的摩擦系数以及耐磨特性会更优异。
其优势在于，由于采用高功率微脉冲技术调控二硫化钼薄膜的结构有序性，使得本来摩擦系数为0.05量级的两个摩擦薄膜材料，经过互相耦合后摩擦系数降低至0.005。
附图说明
图1为MoS2摩擦副滑动后薄膜磨痕断面高分辨照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明实现超滑宏观的方法作进一步的说明。
（1）含氢碳薄膜的制备
a.将基体材料（高抛光轴承钢、模具钢、齿轮钢等）先在酒精中超声处理20min，清洗干净后，用氮气吹干，放入镀膜真空室准备镀膜；
b.待真空室抽至10-4Pa，在等离子体化学气相沉积装置中首先用800V电压，气压为2.5Pa，并通入氩气轰击硅片表面，轰击时间为20分钟，以清除硅片表面的杂质；
c.含氢碳薄膜的制备：采用双极对称脉冲激发等离子体，脉冲电压800V，占空比55%，频率20-40KHz，甲烷、氢气和氩气流量比为1:1:1，气压保持5Pa，极板距离25mm，沉积时间90分钟，获得1.1微米厚度的含氢碳薄膜。含氢碳薄膜摩擦系数0.018；
（2）二硫化钼薄膜的制备
a.采用直径为6mm的GCr15或不锈钢球，在酒精中超声清洗10min。
b.在等离子体化学气相沉积/磁控溅射装置中，通过先使用等离子体沉积法预先在处理好的不锈钢表面生成一层过渡层，随后使用高功率微脉冲磁控溅射在过渡层上制备二硫化钼层。具体为：极微脉冲采用非对称模式，负脉冲电压650V，脉冲宽度600微秒，微脉冲群波占空比30%，群波内频率15KHz，占空比4%可调。负脉冲电压300V，其余参数保持一致。首先在氩气、甲烷比列1:2沉积30分钟；关闭甲烷，沉积1小时，在钢球表面获得800微米厚度的二硫化钼层薄膜。二硫化钼薄膜的摩擦系数为0.05；
（3）分别将沉积的碳薄膜钢块和沉积二硫化钼薄膜的金属球作为摩擦配副。在CSM摩擦机上，将样品固定好后，设定实验参数载荷9N，频率5Hz，振幅5mm，摩擦时间30min，室温摩擦。通入干燥空气，使得空气湿度逐渐降低至5%或以下，开始实验。获得其摩擦系数快速降低至0.005左右。

Claims (5)

1.一种通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的方法，是以含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系，通过对摩擦界面的调控以实现碳膜在大气下的宏观超滑。
2.如权利要求1所述一种通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的方法，其特征在于：所述含氢碳薄膜通过微波表面波等离子体气相沉积法制得。
3.如权利要求1或2所述一种通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的方法，其特征在于：含氢碳薄膜的氢含量在20~26%，厚度在700~900nm。
4.如权利要求1所述一种通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的方法，其特征在于：所述二硫化钼薄膜采用高功率双极微脉冲反应磁控溅射法制得。
5.如权利要求1或4所述一种通过含氢碳薄膜与二硫化钼组成配副体系实现超滑宏观的方法，其特征在于：二硫化钼薄膜的厚度在500~700nm。
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