RU2690259C1 - Способ получения нанокомпозиционного покрытия из диоксида кремния с наночастицами дисульфида молибдена - Google Patents
Способ получения нанокомпозиционного покрытия из диоксида кремния с наночастицами дисульфида молибдена Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690259C1 RU2690259C1 RU2018118420A RU2018118420A RU2690259C1 RU 2690259 C1 RU2690259 C1 RU 2690259C1 RU 2018118420 A RU2018118420 A RU 2018118420A RU 2018118420 A RU2018118420 A RU 2018118420A RU 2690259 C1 RU2690259 C1 RU 2690259C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- silicon dioxide
- reactor
- substrate
- molybdenum disulphide
- Prior art date
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 45
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 30
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 27
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 title claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 20
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 57
- ZKKLPDLKUGTPME-UHFFFAOYSA-N diazanium;bis(sulfanylidene)molybdenum;sulfanide Chemical compound [NH4+].[NH4+].[SH-].[SH-].S=[Mo]=S ZKKLPDLKUGTPME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims description 21
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 14
- -1 helium tetraethoxysilane Chemical compound 0.000 abstract description 4
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 13
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 13
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 10
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 6
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 5
- 239000006199 nebulizer Substances 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical group C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 229920000547 conjugated polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 229920000553 poly(phenylenevinylene) Polymers 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZZHIDJWUJRKHGX-UHFFFAOYSA-N 1,4-bis(chloromethyl)benzene Chemical group ClCC1=CC=C(CCl)C=C1 ZZHIDJWUJRKHGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002808 Si–O–Si Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004125 X-ray microanalysis Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- KBYIUVSNCDARKH-UHFFFAOYSA-N azane;n,n-dimethylformamide Chemical compound N.CN(C)C=O KBYIUVSNCDARKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MMIVZWZHLDUCKH-UHFFFAOYSA-N chloromethane;chloromethylbenzene Chemical group ClC.ClCC1=CC=CC=C1 MMIVZWZHLDUCKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000003517 fume Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052976 metal sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002103 nanocoating Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 150000004763 sulfides Chemical class 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
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
- C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
- C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
- C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- 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
- C23C16/44—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 method of coating
- C23C16/50—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 method of coating using electric discharges
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам получения покрытий из нанокомпозиционных материалов химическим осаждением из газовой фазы, в частности к способу формирования на подложке нанокомпозиционного покрытия, состоящего из матрицы диоксида кремния с равномерно распределенными в ней наночастицами дисульфида молибдена. Проводят совместную конденсацию в реакторе наночастиц дисульфида молибдена и паров диоксида кремния на подложке при атмосферном давлении до достижения требуемой толщины покрытия, при этом получают наночастицы дисульфида молибдена в верхней части реактора, которую нагревают до 750-900°С, путем пиролиза раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде с концентрацией 0,635-2,6 г/л. Затем упомянутые наночастицы дисульфида молибдена переносят потоком гелия с расходом 0,1-1 л/мин в нижнюю зону реактора, которую нагревают до температуры 25-300°С. В упомянутой нижней зоне реактора формируют пары диоксида кремния путем подачи паров тетраэтоксисилана потоком гелия с расходом 0,1-1 л/мин и их разложения под воздействием коронного разряда, формируемого между металлическим электродом и заземленным столиком с упомянутой подложкой при подаче на металлический электрод переменного напряжения 1,8-2,2 кВ. Обеспечивается износостойкое нанокомпозиционное покрытие из диоксида кремния с однородным распределением наночастиц дисульфида молибдена, обладающее высокой плотностью и низким коэффициентом трения. 4 ил., 6 табл.
Description
Изобретение относится к способам получения покрытий из нанокомпозиционных материалов химическим осаждением из газовой фазы, в частности, к способу получения нанокомпозиционных пленок диоксида кремния с наночастицами дисульфида молибдена, обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения и применяемых для поверхностной обработки изделий в различных областях техники и промышленности. Изобретение может быть использовано для нанесения нанокомпозиционных покрытий на поверхность изделий сложной формы в промышленных масштабах.
Известен способ получения нанокомпозиционного полимерного материала путем совместной конденсации на подложке паров сульфидов металлов (PbS, CdS, ZnS) и дихлор-п-ксилилена, полученного пиролизом α,α'-дихлор-п-ксилола, в вакууме с образованием полимерного слоя (см. патент РФ № 2523548, опубл. 20.07.2014 по индексам МПК B05D 1/34, B05D 5/12, C08G 61/02, C08K 3/10, C08L 65/04, B05D 7/24, C08K 3/30). После этого полимерный слой дополнительно прогревают в вакууме или в протоке инертного газа до формирования покрытия из сопряженного полимера - полифениленвинилена, содержащего наночастицы PbS, CdS, ZnS. Материал на основе сопряженного полимера полифениленвинилена содержит 4,2-8 об.% наночастиц сульфидов металлов PbS, CdS, ZnS с размером 4,1-9,5 нм. Основными недостатками предложенного способа являются создание вакуума для процесса осаждения, необходимость дополнительной последующей термообработки осажденного материала для формирования нанокомпозиционного покрытия.
Известен способ формирования нанокомпозиционного материала, основанный на одновременной подаче в реактор реагентов, используемых для синтеза материала матрицы и частицы наполнителя (см. патент РФ № 2523716, опубл. 20.07.2014 по индексам МПК B01F 3/00, B82B 3/00, C08F 292/00). Мономер стирола предварительно нагревают до температуры кипения и, далее, пары мономера подают с помощью газа-носителя в камеру смешения. Одновременно по второму газовому каналу в камеру смешения подают наночастицы, охлажденные до температуры не менее 0°С. В камере смешения происходит конденсация паров мономера стирола за счет поддержания температуры стенок не ниже температуры кипения мономера. Процесс смешения двух газовых потоков осуществляют в течение не менее 0,1 секунд, в результате чего получают конденсат мономера на поверхности подложки, содержащий наночастицы, который далее полимеризуют до твердого состояния, что приводит к образованию покрытия из нанокомпозиционного материала.
Данный способ имеет ряд недостатков: необходимость предварительного синтеза наночастиц наполнителя, что увеличивает трудоемкость; невозможность управления размером наночастиц в процессе формирования нанокомпозиционного покрытия; невозможность регулирования объемом наночастиц, переносимых с помощью газа-носителя, необходимого для осаждения покрытия; необходимость последующей термообработки конденсата для формирования твердого нанокомпозиционного покрытия.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ формирования на подложке нанокомпозиционного покрытия, содержащего наночастицы дисульфида молибдена (CN1718857 A, 11.01.2006). Выбранный в качестве прототипа способ имеет ряд недостатков: необходимость предварительного время- и энергозатратного механического размола частиц материала матрицы титана в шаровых мельницах, необходимость предварительного синтеза частиц наполнителя, необходимость долговременного смешения порошков компонентов нанокомпозиционного покрытия, необходимость прокатки при высоком давлении полученной смеси порошков в дискообразные полуфабрикаты, необходимость магнетронного распыления полуфабрикатов при пониженном давлении для формирования нанокомпозиционного покрытия. Таким образом, выбранный в качестве прототипа метод требует значительных временных и энергетических затрат, а также сложного технологического, в том числе вакуумного, оборудования.
Известные способы требуют значительных временных затрат на проведение процессов формирования нанокопозиционного покрытия, связанных с необходимостью предварительного формирования частиц наполнителя. Реализация известных способов требует наличия нескольких технологических устройств, предназначенных для формирования частиц наполнителя и для формирования нанокомпозиционного покрытия.
Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа получения нанокомпозиционного материала, состоящего из диоксида кремния с наночастицами дисульфида молибдена, обеспечивающего возможность одновременного синтеза наночастиц наполнителя нанокомпозиционного материала и осаждения нанокомпозиционного материала на подложку в едином технологическом реакторе/установке.
Технический результат – износостойкое нанокомпозиционное покрытие из диоксида кремния с однородным распределением наночастиц дисульфида молибдена, обладающее высокой плотностью и низким коэффициентом трения.
Технический результат достигается предлагаемым способом формирования на подложке нанокомпозиционного покрытия, состоящего из матрицы диоксида кремния с равномерно распределенными в ней наночастицами дисульфида молибдена, включающий совместную конденсацию в реакторе наночастиц дисульфида молибдена и паров диоксида кремния на подложке при атмосферном давлении до достижения требуемой толщины покрытия, при этом получают наночастицы дисульфида молибдена в верхней части реактора, которую нагревают до 750-900 оС, путем пиролиза раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде с концентрацией 0,635-2,6 г/л, после чего упомянутые наночастицы дисульфида молибдена переносят потоком гелия с расходом 0,1-1 л/мин в нижнюю зону реактора, которую нагревают до температуры 25-300оС, при этом в упомянутой нижней зоне реактора формируют пары диоксида кремния путем подачи паров тетраэтоксисилана потоком гелия с расходом 0,1-1 л/мин и их разложения под воздействием коронного разряда, формируемого между металлическим электродом и заземленным столиком с упомянутой подложкой при подаче на металлический электрод переменного напряжения 1,8-2,2 кВ.
Изобретение поясняется чертежами:
- на Фиг. 1 представлен схематичный чертеж установки для осуществления заявляемого способа, где 1 - пьезоэлектрический небулайзер, 2 - дистиллированная вода в пьезоэлектрическом небулайзере 1, 3 - пленочная фторопластовая мембрана, 4 - газовый ввод испарителя, 5 - раствор тиомолибдата аммония в диметилформамиде в испарителе 6, 7 - соединительная трубка, 8 – уплотнение типа Вильсона, 9 - прокладка, 10 - нагреватели, 11 - кварцевый реактор, 12 - электрод, 13 - подложка, 14 - газовый ввод, 15 - нагреватель, 16 - заземленный столик, 17 - прокладка, 18 - уплотнение типа Вильсона, 19 – кварцевый токоввод, 20 - газовый вывод.
- на Фиг. 2 представлена микрофотография морфологии поверхности полученного нанокомпозиционного покрытия;
- на Фиг. 3 приведен пример ИК спектра образца, полученного нанокомпозиционного покрытия;
- на Фиг. 4 приведена схема испытаний образцов нанокомпозиционных покрытий на силу трения.
Сущность изобретения заключается в следующем.
В качестве исходных соединений используют тетраэтоксисилан (C2H5O)4Si как реагент, необходимый для формирования слоя диоксида кремния и раствор тиомолибдата аммония (NH4)2MoS4 в диметилформамиде C3H7NO, применяемый в качестве реагента для формирования наночастиц дисульфида молибдена, с требуемой концентрацией.
В чистом виде тиомолибдат аммония представляет собой твердые кристаллы, поэтому для осуществления переноса тиомолибдата аммония внутри реактора был выбран растворитель – диметилформамид. Тиомолибдат аммония обладает высокой растворимостью в диметилформамиде, достаточно низким поверхностным натяжением, благодаря чему получаемая аэрозоль тиомолибдата аммония состоит из капель небольших размеров, и высокой термостабильностью за счет чего получаемое покрытие не загрязняется продуктами термического разложения диметилформамида.
Осаждение покрытия нанокомпозиционного материала производят в вертикальном кварцевом реакторе 11, состоящем из двух зон. Испаритель 6 с раствором тиомолибдата аммония в диметилформамиде 5 помещают в пьезоэлектрический небулайзер 1 с дистиллированной водой 2. В отверстии небольшого диаметра (~20 мм), расположенного на дне испарителя 6, установлена пленочная фторопластовая мембрана 3. С помощью пьезоэлектрического небулайзера 1 генерируют ультразвуковые колебания. Через мембрану 3 колебания передаются в испаритель 6. За счет ультразвуковых колебаний в испарителе 6 образуется аэрозоль раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде 5. В испаритель 6 через газовый ввод 4 подают гелий с расходом 0,1-0,9 л/мин. Газовый поток гелия через соединительную трубку 7 переносит аэрозоль раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде 5 в верхнюю часть реактора 11. Соединительная трубка 7 обеспечивает герметичное соединение с верхней зоной реактора 11 с помощью уплотнения 8 и прокладки 9. Уплотнение 8 типа Вильсона выполнено из нержавеющей стали 12х18н10т. Прокладка 9 выполнена в виде резинового кольца круглого сечения 5 мм2 и диаметром 26 мм.
В верхней части реактора 11, нагретой до температуры 750-900°С трубчатыми нагревателями 10, происходит испарение диметилформамида и последующий пиролиз тиомолибдата аммония с образованием наночастиц дисульфида молибдена. В качестве трубчатых нагревателей 10 могут быть использованы любые нагреватели резистивного типа, расположенные вокруг реактора.
Наночастицы дисульфида молибдена далее переносятся газовым потоком гелия в нижнюю зону реактора 11. Одновременно с подачей в верхнюю зону реактора 11 аэрозоля раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде 5 осуществляют нагрев нижней зоны реактора 11 трубчатыми нагревателями 15 до температуры 25-300 °С. В нижней зоне реактора 11 формируют пары диоксида кремния: через газовый ввод 14 газовым потоком гелия с расходом 0,1-1 л/мин подают пары тетраэтоксисилана, которые разлагаются с образованием диоксида кремния с помощью коронного разряда. Коронный разряд формируют между металлическим электродом 12 и заземленным столиком 16, на котором расположена подложка 13. Осаждение проводили на круглую подложку из нержавеющей стали 12х18н10т и на пластину монокристаллического кремния диаметром 10 мм. Заземленный Т-образный столик 16 может быть выполнен из нержавеющей стали 12х18н10т. Опора столика 16 вставлена в кварцевый изолятор 19, выполненный в виде трубки. На металлический электрод 12, выполненный в виде стержня с острым наконечником и жестко зафиксированный в кварцевый токоввод, вваренный в реактор 11, подают переменное напряжение 1,8-2,2 кВ частотой 27 кГц. Острый наконечник электрода 12 расположен на расстоянии ~25 мм над подложкой 13. Электрод 12 может быть изготовлен, например, из вольфрама. Напряжение на электрод 12 подают с помощью генератора переменного тока низкой частоты (на чертеже не показано).
В области коронного разряда происходит смешение паров диоксида кремния и газового потока с наночастицами дисульфида молибдена, в результате которого на подложке 13 формируется нанокомпозиционное покрытие, состоящее из матрицы диоксида кремния с наночастицами дисульфида молибдена. Осаждение проводят до требуемой толщины покрытия. Газообразные продукты осаждения выводятся из нижней зоны реактора 11 через газовый вывод 20 в атмосферу, проходя через масляный фильтр (на чертеже не показан). Газовый вывод 20 герметично соединен с нижней зоной реактора 11 с помощью прокладки 17, выполненной в виде резинового кольца круглого сечения 79 мм2 и диаметром 90 мм, и уплотнения 18 типа Вильсона из нержавеющей стали 12х18н10т бóльшего диаметра по сравнению с уплотнением 8.
От концентрации раствора 5, являющегося источником наночастиц дисульфида молибдена, зависит размер осаждаемых наночастиц дисульфида молибдена. При увеличении концентрации тиомолибдата аммония увеличивается размер наночастиц дисульфида молибдена за счет увеличения количества тиомолибдата аммония в каждой отдельной микрокапле аэрозоля раствора, аналогично, при уменьшении концентрации раствора уменьшается размер наночастиц. Изменяя соотношение расходов газовых потоков, переносящих аэрозоль раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде и пары тетраэтоксисилана, возможно изменять и контролировать относительное содержание наночастиц дисульфида молибдена в нанокомпозиционном материале.
Конкретные примеры реализации заявляемого способа представлены в таблицах 1-3.
Таблица 1. Эксперименты с изменением концентрации раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде.
| Параметры эксперимента | Образец 1 | Образец 2 | Образец 3 |
| Концентрация раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде, г/л | 2.6 | 1.3 | 0.635 |
| Температура верхней зоны, оС | 750 | 750 | 750 |
| Температура нижней зоны, оС | 300 | 300 | 300 |
| Расход гелия через испаритель, л/мин | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Расход гелия с парами тетраэтоксисилана, л/мин | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Напряжение на электроде, кВ | 2 | 2 | 2 |
| Длительность осаждения, мин | 60 | 60 | 60 |
Таблица 2. Эксперименты с изменением соотношения расходов газа-носителя.
| Параметры эксперимента | Образец 4 | Образец 5 | Образец 6 |
| Концентрация раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде, г/л | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| Температура верхней зоны, оС | 750 | 750 | 750 |
| Температура нижней зоны, оС | 300 | 300 | 300 |
| Расход гелия через испаритель, л/мин | 0.1 | 0.3 | 0.9 |
| Расход гелия с парами тетраэтоксисилана, л/мин | 0.9 | 0.3 | 0.1 |
| Напряжение на электроде, кВ | 2 | 2 | 2 |
| Длительность осаждения, мин | 60 | 60 | 60 |
Таблица 3. Эксперименты с изменением температуры первой зоны реактора.
| Параметры эксперимента | Образец 7 | Образец 8 | Образец 9 |
| Концентрация раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде, г/л | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| Температура верхней зоны, оС | 750 | 800 | 900 |
| Температура нижней зоны, оС | 300 | 300 | 300 |
| Расход гелия через испаритель, л/мин | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Расход гелия с парами тетраэтоксисилана, л/мин | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Напряжение на электроде, кВ | 2 | 2 | 2 |
| Длительность осаждения, мин | 60 | 60 | 60 |
Таблица 4. Эксперименты с изменением температуры второй зоны.
| Параметры эксперимента | Образец 10 | Образец 11 | Образец 12 |
| Концентрация раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде, г/л | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| Температура верхней зоны, оС | 750 | 750 | 750 |
| Температура нижней зоны, оС | 25 | 150 | 300 |
| Расход гелия через испаритель, л/мин | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Расход гелия с парами тетраэтоксисилана, л/мин | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Напряжение на электроде, кВ | 2 | 2 | 2 |
| Длительность осаждения, мин | 60 | 60 | 60 |
Таблица 5. Эксперименты с изменением напряжения на электроде.
| Параметры эксперимента | Образец 13 | Образец 14 | Образец 15 |
| Концентрация раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде, г/л | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| Температура верхней зоны, оС | 750 | 750 | 750 |
| Температура нижней зоны, оС | 300 | 300 | 300 |
| Расход гелия через испаритель, л/мин | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Расход гелия с парами тетраэтоксисилана, л/мин | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| Напряжение на электроде, кВ | 1,8 | 2 | 2,2 |
| Длительность осаждения, мин | 60 | 60 | 60 |
Результаты исследований осажденных пленок нанокомпозитного материала представлены в таблице 6.
Таблица 6. Результаты исследований осажденных пленок нанокомпозитного материала.
| Номер образца | Средний диаметр наночастиц дисульфида молибдена, нм | Средняя поверхностная плотность наночастиц, мкм-2 | Сила трения, Н | Толщина покрытия, нм |
| 1 | 115 | 7,7 | 3 | 1200 |
| 2 | 95 | 6 | 3,7 | 1213 |
| 3 | 71 | 4,5 | 4,2 | 1182 |
| 4 | 97 | 4,3 | 5,0 | 1175 |
| 5 | 95 | 6 | 3,7 | 1177 |
| 6 | 94 | 9,5 | 2,8 | 1205 |
| 7 | 107 | 7,3 | 3,2 | 1189 |
| 8 | 86 | 5,7 | 3,9 | 1178 |
| 9 | 63 | 4,2 | 4,6 | 1176 |
| 10 | 93 | 5,9 | 3,6 | 1193 |
| 11 | 96 | 6,2 | 3,8 | 1221 |
| 12 | 95 | 5,8 | 3,9 | 1198 |
| 13 | 97 | 6 | 3,7 | 1175 |
| 14 | 94 | 5,9 | 3,8 | 1187 |
| 15 | 96 | 6,1 | 3,6 | 1222 |
Основное влияние на антифрикционные свойства оказывает размер частиц и их относительное количество в пленке. Чем больше средний размер и относительное содержание частиц, тем ниже сила трения. Показано, что с ростом концентрации раствора, увеличивается размер частиц дисульфида аммония. С ростом соотношения расход гелия через испаритель/расход гелия с парами тетраэтоксисилана, увеличивается относительное содержание наночастиц в пленке. С ростом температуры первой зоны уменьшается размер наночастиц. Кроме этого, проведенные опыты показали, что температура второй зоны и напряжение на электроде не оказывают влияния на размер частиц и относительное содержание наночастиц в пленке.
Морфология и толщина полученных пленок был исследована с помощью сканирующей электронной микроскопии (сканирующий электронный микроскоп Zeiss SUPRA 55VP). Оптимальная толщина покрытия ~1 микрон. При большей толщине покрытия значительно увеличиваются диэлектрические свойства за счет образующейся матрицы диоксида кремния и возникают перебои при формировании коронного разряда. Осаждение покрытия меньшей толщины приводит к образованию неоднородного по толщине слоя.
Полученные образцы были исследованы с помощью машины торцового трения. В процессе испытаний вращающийся стальной образец своей плоской частью прижимался к плоскости зажатого в струбцине образца. Струбцина, зафиксированная на подшипниковом узле, с помощью тросика и тензобалки в процессе опыта удерживалась от поворота, сообщаемого подвижным роликом. С тензобалки на компьютер передавались данные о силе трения и действующей нагрузке. В процессе всех опытов нагрузка на пару трения составляла 390 Н, а частота вращения вала, в котором был зажат стальной ролик составляла 200 об/мин. В качестве вращающегося контртела использовался цилиндрический образец (ролик) из подшипниковой стали марки ШХ-15, диаметром 10 мм.
Поверхностная плотность определялась путем обработки фотографий с электронного микроскопа в программном пакете Digimizer.
Для проверки стехиометрии состава полученных пленок были проведены исследования с помощью ИК-Фурье спектроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (рентгеновский микроанализ выполнялся с помощью приставки X-Max Oxford Instruments к электронному микроскопу Zeiss SUPRA 55VP). Результаты ИК-спектроскопии всех композиционных покрытий показывают, что во всех спектрах присутствуют три основных полосы поглощения с максимумами около 450
см-1, 800 см-1 и около 1075 см-1, соответствующие различным колебаниям связей Si-O-Si, пример ИК-спектра образцов приведен на фиг. 3. Во всех экспериментах, проводимых при любых описываемых условиях, состав частиц был стехиометрический MoS2, состав пленки был стехиометрический SiO2.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает получение нанокомпозиционного покрытия стехиометрического состава, состоящего из диоксида кремния с равномерным распределением в покрытии дисульфида молибдена, обладающего высокой плотностью и низким коэффициентом трения.
Claims (1)
- Способ формирования на подложке нанокомпозиционного покрытия, состоящего из матрицы диоксида кремния с равномерно распределенными в ней наночастицами дисульфида молибдена, включающий совместную конденсацию в реакторе наночастиц дисульфида молибдена и паров диоксида кремния на подложке при атмосферном давлении до достижения требуемой толщины покрытия, при этом получают наночастицы дисульфида молибдена в верхней части реактора, которую нагревают до 750-900°С, путем пиролиза раствора тиомолибдата аммония в диметилформамиде с концентрацией 0,635-2,6 г/л, после чего упомянутые наночастицы дисульфида молибдена переносят потоком гелия с расходом 0,1-1 л/мин в нижнюю зону реактора, которую нагревают до температуры 25-300°С, при этом в упомянутой нижней зоне реактора формируют пары диоксида кремния путем подачи паров тетраэтоксисилана потоком гелия с расходом 0,1-1 л/мин и их разложения под воздействием коронного разряда, формируемого между металлическим электродом и заземленным столиком с упомянутой подложкой при подаче на металлический электрод переменного напряжения 1,8-2,2 кВ.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018118420A RU2690259C1 (ru) | 2018-05-19 | 2018-05-19 | Способ получения нанокомпозиционного покрытия из диоксида кремния с наночастицами дисульфида молибдена |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018118420A RU2690259C1 (ru) | 2018-05-19 | 2018-05-19 | Способ получения нанокомпозиционного покрытия из диоксида кремния с наночастицами дисульфида молибдена |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2690259C1 true RU2690259C1 (ru) | 2019-05-31 |
Family
ID=67037323
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018118420A RU2690259C1 (ru) | 2018-05-19 | 2018-05-19 | Способ получения нанокомпозиционного покрытия из диоксида кремния с наночастицами дисульфида молибдена |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2690259C1 (ru) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112779074A (zh) * | 2021-01-16 | 2021-05-11 | 西安建筑科技大学 | 一种润滑剂及其制备方法和应用 |
| RU2754127C1 (ru) * | 2020-12-23 | 2021-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Способ переноса нитевидных нанокристаллов на подложку |
| RU209747U1 (ru) * | 2021-12-15 | 2022-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт" (национальный исследовательский университет) | Устройство для модификации поверхности материалов наночастицами металлов |
| CN114892142A (zh) * | 2022-06-10 | 2022-08-12 | 烟台先进材料与绿色制造山东省实验室 | 一种具有耐磨性能的二硫化钼复合薄膜及其制备方法和应用 |
| RU2803989C1 (ru) * | 2022-12-26 | 2023-09-25 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Способ получения коллоидного раствора композитных наночастиц |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1718857A (zh) * | 2005-08-11 | 2006-01-11 | 上海交通大学 | 减摩MoS2/Ti复合镀层 |
| WO2014008006A2 (en) * | 2012-07-02 | 2014-01-09 | Nanomech, Inc. | Textured surfaces to enhance nano-lubrication |
| RU2591932C1 (ru) * | 2015-06-10 | 2016-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ получения износостойкого покрытия |
-
2018
- 2018-05-19 RU RU2018118420A patent/RU2690259C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1718857A (zh) * | 2005-08-11 | 2006-01-11 | 上海交通大学 | 减摩MoS2/Ti复合镀层 |
| WO2014008006A2 (en) * | 2012-07-02 | 2014-01-09 | Nanomech, Inc. | Textured surfaces to enhance nano-lubrication |
| RU2591932C1 (ru) * | 2015-06-10 | 2016-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ получения износостойкого покрытия |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2754127C1 (ru) * | 2020-12-23 | 2021-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Способ переноса нитевидных нанокристаллов на подложку |
| CN112779074A (zh) * | 2021-01-16 | 2021-05-11 | 西安建筑科技大学 | 一种润滑剂及其制备方法和应用 |
| CN112779074B (zh) * | 2021-01-16 | 2023-03-17 | 西安建筑科技大学 | 一种润滑剂及其制备方法和应用 |
| RU209747U1 (ru) * | 2021-12-15 | 2022-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт" (национальный исследовательский университет) | Устройство для модификации поверхности материалов наночастицами металлов |
| CN114892142A (zh) * | 2022-06-10 | 2022-08-12 | 烟台先进材料与绿色制造山东省实验室 | 一种具有耐磨性能的二硫化钼复合薄膜及其制备方法和应用 |
| CN114892142B (zh) * | 2022-06-10 | 2024-05-28 | 烟台先进材料与绿色制造山东省实验室 | 一种具有耐磨性能的二硫化钼复合薄膜及其制备方法和应用 |
| RU2803989C1 (ru) * | 2022-12-26 | 2023-09-25 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Способ получения коллоидного раствора композитных наночастиц |
| RU2821168C1 (ru) * | 2023-12-19 | 2024-06-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Чувствительный элемент датчика для определения концентрации кислот и щелочей в жидкости или газе и способ его изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2690259C1 (ru) | Способ получения нанокомпозиционного покрытия из диоксида кремния с наночастицами дисульфида молибдена | |
| KR100775789B1 (ko) | 소수성 또는 초소수성 처리를 위하여 상압 플라즈마를이용한 표면코팅방법 | |
| König et al. | Durable surface modification of poly (tetrafluoroethylene) by low pressure H2O plasma treatment followed by acrylic acid graft polymerization | |
| Schäfer et al. | Liquid assisted plasma enhanced chemical vapour deposition with a non-thermal plasma jet at atmospheric pressure | |
| US20120009231A1 (en) | Apparatus and method for deposition of functional coatings | |
| Barranco et al. | Synthesis of SiO2 and SiOxCyHz thin films by microwave plasma CVD | |
| Zhang et al. | Deposition of silicon oxide coatings by atmospheric pressure plasma jet for oxygen diffusion barrier applications | |
| US10174424B2 (en) | Methods for the photo-initiated chemical vapor deposition (PICVD) of coatings and coatings produced by these methods | |
| Saloum et al. | Effect of surface modification on the properties of plasma‐polymerized hexamethyldisiloxane thin films | |
| Zanini et al. | Characterisation of SiOxCyHz thin films deposited by low-temperature PECVD | |
| Shirafuji et al. | Plasma copolymerization of tetrafluoroethylene/hexamethyldisiloxane and in situ Fourier transform infrared spectroscopy of its gas phase | |
| Chen et al. | Plasma polymerization of hexafluoropropylene: Film deposition and structure | |
| Quitzau et al. | Modification of polyethylene powder with an organic precursor in a spiral conveyor by hollow cathode glow discharge | |
| Blaszczyk-Lezak et al. | Remote nitrogen microwave plasma chemical vapor deposition from a tetramethyldisilazane precursor. 1. Growth mechanism, structure, and surface morphology of silicon carbonitride films | |
| Prysiazhnyi et al. | Tailored wettability of plasma polymers made of C–F, C–H, and N–H | |
| Liu et al. | Plasma enhanced CVD of fluorocarbon films by low-pressure dielectric barrier discharge | |
| Yılmaz et al. | Vapor deposition of stable copolymer thin films in a batch iCVD reactor | |
| Takai et al. | Application of MO calculation to plasma-enhanced CVD using organosilicon compounds | |
| Martin et al. | Growth vs. nucleation of conducting polymers thin films obtained by plasma-enhanced chemical vapor deposition | |
| Lewis et al. | E‐Beam Patterning of Hot‐Filament CVD Fluorocarbon Films Using Supercritical CO2 as a Developer | |
| JP2723472B2 (ja) | 基体上に硼燐化シリカガラスを付着する装置および方法 | |
| Laguardia et al. | Deposition of Super‐Hydrophobic and Oleophobic Fluorocarbon Films in Radio Frequency Glow Discharges | |
| Huang et al. | Fabrication of oleophobic fluorocarbon film by 13.56 MHz CH2F2/Ar plasma chemical vapor deposition | |
| Tan et al. | Plasma polymerization of styrene using an argon-fed atmospheric pressure plasma jet | |
| Kravets et al. | Formation of hydrophobic polymer coatings on the track-etched membrane surface |