CN112209361A - 一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺 - Google Patents

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张俊彦
杨兴
侯德良
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Abstract

本发明涉及一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺，该工艺是指：将碳基薄膜置于充满深冷介质的密闭设备中，在降温速率为2~5℃/min、处理温度为‑100℃~‑200℃±1℃的条件下保温处理4 h~24 h，得到深冷处理后的碳基薄膜；所述深冷处理后的碳基薄膜置于空气中进行回温处理即可。本发明工艺简单、成本低，可使碳基薄膜硬度明显增加，满足不同领域的需求，不但延长了碳基薄膜的使用寿命，而且极大地改善碳基薄膜耐磨性能。

Description

一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺
技术领域
本发明涉及表面工程领域，尤其涉及一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺。
背景技术
随着迅猛发展的现代工业，使得机械装备朝着高精密化、高集成化、高效化迈进，从而对于运动部件的承载能力、耐磨性能的需求更加苛刻，对于摩擦磨损性能的控制要求也越来越苛刻。摩擦造成全世界1/3一次性能源的消耗，而磨损导致60%的机械零部件失效，直接经济损失占工业化国家GDP的5%~7%。
采用润滑材料技术将能有效降低摩擦、减小（或避免）磨损、提高工作效率和延长设备寿命。现有的润滑材料技术主要是通过润滑油添加剂、防护涂层等方法。碳基涂层由于其较高的机械性能、良好的化学稳定性以及生物相容性等在航空航天、机械、电子、光学及生物医学等领域具有重要的应用价值。但是在针对实际工况的应用中，碳基薄膜依旧有诸多问题需要解决，如内应力会随着厚度的增加导致性能下降，较差的摩擦磨损性能。
目前解决此类问题的主要方法在于微纳结构的引入和元素掺杂，Si、F、S等元素的掺杂可以降低碳薄膜的内应力增加薄膜的硬度，提高热稳定性，增强膜/基底的结合力，改变其在潮湿环境中的摩擦学性能，但是并不能完全解决碳基薄膜的高磨损问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、高效的改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺。
为解决上述问题，本发明所述的一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺，其特征在于：将碳基薄膜置于充满深冷介质的密闭设备中，在降温速率为2~5 ℃/min、处理温度为-100 ℃~ -200 ℃±1 ℃的条件下保温处理4 h~24 h，得到深冷处理后的碳基薄膜；所述深冷处理后的碳基薄膜置于空气中进行回温处理即可。
所述碳基薄膜是指无定形碳薄膜、类富勒烯碳薄膜及类石墨碳薄膜中的一种。
所述深冷介质是指液氮。
所述深冷处理+回温处理的次数至少一次。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用碳基薄膜自身不稳定sp2和sp3碳杂化结构，通过至少一次深冷处理+回温处理, 促使sp2杂化碳到sp3杂化碳的相变及薄膜致密化，使碳基薄膜硬度明显增加，可满足不同领域的需求，不但延长了碳基薄膜的使用寿命，而且极大地改善碳基薄膜耐磨性能。经实际测试，采用本发明方法，摩擦系数可由0.14~0.20降低至0.05~0.07，耐磨性能提高3~5倍。
2、本发明以液氮为处理介质，来源方便，过程绿色，对环境无危害。
3、本发明工艺简单，节约能源、成本低，具有广泛的应用潜能。
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为本发明深冷处理前后碳基薄膜的形貌图。其中：(a) GL-C:H；(b) FL-C:H。
图2为本发明深冷处理前后碳基薄膜的三维轮廓图。
具体实施方式
一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺：将碳基薄膜置于充满深冷介质的密闭设备中，在降温速率为2~5 ℃/min、处理温度为-100 ℃~ -200 ℃±1 ℃的条件下保温处理4 h~24 h，得到深冷处理后的碳基薄膜；深冷处理后的碳基薄膜置于空气中进行回温处理，回温过程为从深冷设备中取出自然回温即可，促使碳基薄膜sp2杂化碳向sp3杂化碳的相变及薄膜致密化。
其中：深冷介质是指液氮。深冷处理+回温处理的次数至少一次。
经过深冷处理后的碳基薄膜与对偶球组成摩擦配伍对，在接触压力0~2 Gpa，线速度0.05~0.15 m/s下对摩擦配伍对进行摩擦实验即可。
摩擦实验采用点-面接触的形式，上模块旋转，下模块固定，运动方式包括往复摩擦、旋转摩擦。
摩擦实验涉及的对偶球包括但不限于氧化铝、碳化硅等陶瓷球和轴承钢、不锈钢球等。
实施例1 一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺：将类石墨碳薄膜（GLC）置于充满深冷介质的密闭设备中，在降温速率为2 ℃/min、处理温度为-150 ℃±1 ℃的条件下保温处理18 h，得到深冷处理后的类石墨碳薄膜；深冷处理后的类石墨碳薄膜置于空气中进行回温处理，回温过程为从深冷设备中取出自然回温。利用两次深冷处理+回温处理，促使类石墨碳薄膜sp2杂化碳向sp3杂化碳的相变及薄膜致密化。
所得经深冷处理的类石墨碳薄膜与碳化硅对偶球组成摩擦配伍对，在接触压力2Gpa，0.15 m/s线速度下在UMT上对摩擦配伍对进行摩擦实验。
由于类石墨碳薄膜自身sp2和sp3碳杂化结构的不稳定，如图1a所示，深冷处理后的类石墨碳基薄膜发生sp2杂化碳到sp3杂化碳的相变，类石墨结构中出现卷曲和小片的石墨烯结构，逐渐向类富勒烯结构转变，并且薄膜致密化。如图2所示，深冷处理后类石墨碳薄膜摩擦系数降低至0.06，耐磨性能提高至少3.2倍。
实施例2 一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺：将类富勒烯碳基薄膜（FLC）置于充满深冷介质的密闭设备中，在降温速率为5 ℃/min、处理温度为-196 ℃±1℃的条件下保温处理12 h，得到深冷处理后的类富勒烯碳基薄膜；深冷处理后的类富勒烯碳基薄膜置于空气中进行回温处理，回温过程为从深冷设备中取出自然回温。利用一次深冷处理+回温处理，促使类富勒烯碳基薄膜sp2杂化碳向sp3杂化碳的相变及薄膜致密化。
所得经深冷处理的类富勒烯碳基薄膜与氧化铝对偶球组成摩擦配伍对，在接触压力1 Gpa，0.10 m/s线速度下采用UMT对摩擦配伍对进行摩擦实验。
如图1b所示，深冷处理后类富勒烯碳基薄膜中出现高度卷曲和交联的石墨烯片段，并且薄膜致密化。如图2所示，深冷处理后类富勒烯碳基薄膜的摩擦系数由0.14降低至0.05，耐磨性能提高了3倍。
实施例3 一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺：将无定形碳薄膜（AC）置于充满深冷介质的密闭设备中，在降温速率为3 ℃/min、处理温度为-100 ℃±1 ℃的条件下保温处理24 h，得到深冷处理后的无定形碳薄膜；深冷处理后的无定形碳薄膜置于空气中进行回温处理，回温过程为从深冷设备中取出自然回温。利用一次深冷处理+回温处理，促使无定形碳薄膜sp2杂化碳向sp3杂化碳的相变及薄膜致密化。
所得的深冷处理的无定形碳薄膜与氧化铝对偶球组成摩擦配伍对，在接触压力1.5 Gpa，0.08 m/s线速度下采用UMT对摩擦配伍对进行摩擦实验。
深冷处理后无定形碳薄膜结构并未发生变化，依旧为无定形结构，无定形碳薄膜的耐磨性能提高1.2倍，相对类石墨和类富勒烯碳薄膜变化较小。

Claims (4)

1.一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺，其特征在于：将碳基薄膜置于充满深冷介质的密闭设备中，在降温速率为2~5 ℃/min、处理温度为-100 ℃~ -200 ℃±1 ℃的条件下保温处理4 h~24 h，得到深冷处理后的碳基薄膜；所述深冷处理后的碳基薄膜置于空气中进行回温处理即可。
2.如权利要求1所述的一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺，其特征在于：所述碳基薄膜是指无定形碳薄膜、类富勒烯碳薄膜及类石墨碳薄膜中的一种。
3.如权利要求1所述的一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺，其特征在于：所述深冷介质是指液氮。
4.如权利要求1所述的一种改善碳基薄膜耐磨性能的深冷处理工艺，其特征在于：所述深冷处理+回温处理的次数至少一次。
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CN104231296A (zh) * 2014-09-15 2014-12-24 东华大学 一种深冷处理对碳纤维复合材料的改性方法
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