专利名称：：超润滑复合碳薄膜材料的制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种在金属底材上制备超润滑复合碳薄膜材料的方法。
背景技术：
：固体超润滑研究是近年来迅速崛起的一项高技术研究。它是指在无液体润滑剂存在的情况下，采用固体润滑或自润滑表面工程技术，使固体摩擦副之间具有10—3以下摩擦系数，并具有优异磨损性能的新型润滑技术。这样的摩擦系数可以满足高
技术领域：
装备对于高精度、高可靠性和高传输效率方面的要求。特别是利用各种物理气相沉积和化学气相沉积技术制备的碳薄膜材料(金刚石薄膜、类金刚石薄膜、碳氮薄膜等)引起了摩擦学研究者的极大兴趣。相对于目前常用的固体润滑薄膜材料如M0S2，WS2薄膜等，碳薄膜材料具有以下优点①具有更低的摩擦系数和磨损率，特殊结构的碳薄膜具备超润滑特性，如美国Argonne国家实验室的Ali教授所领导的研究小组已发展出了在干燥的惰性气氛中摩擦系数为0.0010.005，磨损率低于10—9mm3/Nm的复合碳薄膜。②硬度高。取决于薄膜结构的不同，碳薄膜材料的硬度在20100GPa之间变化，要远远高于目前常用的固体润滑材料。③结构可调。利用不同的制备方法、沉积条件，碳薄膜中的spS和sp2键比例、活性悬a键、H含量等微观结构和组成可以在比较宽的范围内变化，因而可以根据不同的要求，制备出合适的碳薄膜材料。④具有更好的化学稳定性。上述性能使得碳薄膜材料作为一种新型的固体润滑薄膜材料在高技术精密机械和电子信息
技术领域：
有着非常广泛的应用前景和价值。但同时碳薄膜材料与基底的结合强度较差(尤其是对于金属基底)，不仅限制薄膜的厚度，而且引起薄膜在摩擦过程中的剥落和快速失效。另外只有当碳薄膜材料中的spS和sp2键比例、活性悬a键、H含量等微观结构和组成满足一定条件时，碳薄膜才能展现出超润滑性能。因此如何提高膜基结合性能，并通过对沉积方法的选择及工艺条件的优化来精确控制碳薄膜材料的微观结构是实现超润滑碳薄膜材料实际应用的关键。
发明内容本发明的目的在于提供一种与金属基底结合牢固、具有超低摩擦系数和磨损率的复合碳薄膜材料的制备方法。本发明的目的可通过如下技术方案实现本发明在金属底材上制备超润滑复合碳薄膜材料的方法，其特点是在金属基底上首先通过非平衡磁控溅射的方法导入硅过渡层，然后采用脉冲偏压辅助射频电感偶合等离子体化学气相沉积的方法制备含氢碳薄膜材料。一种超润滑复合碳薄膜材料的制备方法，其特征在于制备过程在多功能镀膜设备的真空腔体内完成，该方法包括以下步骤A、样品预处理将在丙酮和乙醇中超声处理后的金属基底置于样品室后抽真空至6xl0—spa以下，通入高纯氩气、氮气作为离化气体，打开脉冲偏压电源，辉光放电产生等离子体，对基底表面进行活化清洗；B、沉积硅过渡层清洗完毕后，利用非平衡磁控溅射的方法首先制备硅过渡层，选用高纯度的硅材料作为溅射靶材，以高纯氩气作为溅射气体，基体附加脉冲负偏压，沉积后关闭；C、沉积碳层利用脉冲偏压辅助射频电感偶合等离子体化学方法制备碳薄膜材料；通入氩气与甲烷、氢气与甲烷等混合气体作为反应气源，打开射频电源和脉冲偏压电源，沉积碳薄膜，一定时间后关闭，冷却至温度小于4(TC,释放真空取出样品。本发明选用硅作为过渡层材料，硅的热膨胀系数介于碳薄膜和铁基材料之间，并且硅与碳和铁都具有好的结合性能，作为过渡层可以缓减由膜基热膨胀系数差异所造成的热应力，提高膜基结合力。本发明B步骤硅过渡层制备工艺参数为腔体气压0.251.0Pa，溅射电流320A，脉冲偏压-100-1000V,脉冲占空比2080%，过渡层厚度30500腦。本发明C步骤等离子体活化工艺参数为气压0.53.0Pa，脉冲偏压-200-1200V,占空比2080%，清洗时间540min。本发明采用射频电感耦合的方式产生等离子体制备碳薄膜材料，该方法具有等离子体能量密度高的优点(109"2(:111-1),有利于增加反应活性，制备特殊结构、具有超润滑性能的碳薄膜材料。4本发明C步骤碳薄膜制备工艺参数为Ar/CH4及H2/CH4的体积流量比3:11:3，腔体气压0.52.0Pa，射频入射功率4001500w，脉冲偏压-200-1200V,脉冲占空比2080%。本发明的优点是薄膜制备过程简单，各制备参数易操控。制备的复合碳薄膜材料不仅具有高的硬度，良好的化学稳定性，而且与铁基金属底材具有良好的附着力，在无液体润滑剂存在的情况下，显示了极其优异的摩擦学性能。在大气环境中具有0.03-0.05的摩擦系数和1.732.6xl(T7mm3/Nm的磨损率，在&等惰性气体气氛中具有0.004-0.007的摩擦系数和3.88.9xl(T9mm3/Nm的磨损率。上述优异性能使得该复合碳薄膜材料可以作为新型的固体超润滑薄膜材料应用在高技术精密机械和电子信息技术等众多领域中。本发明的产品主要性能指标如下表1所示表l<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>具体实施方式实施例1:A、样品预处理将抛光至镜面的不锈钢基底用无水酒精、蒸馏水、丙酮分别进行超声清洗10min，随即用氮气吹干，置于沉积室。将真空腔内气压抽至6xl0-spa以下，通入高纯氩气至气压为3.0Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-200V，占空比为80%，进行氩等离子体轰击清洗10min。B、沉积硅过渡层调节氩气流量，使腔体气压维持在2.5x10—1Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为20A，脉冲偏压为-1000V，脉冲占空比20%,待过渡层厚度达到500nm后关闭。C、沉积碳层通入高纯氩气与甲烷混合气体，使腔体气压维持在2.0Pa，氩气与甲垸气体的体积流量比为1:3。打开射频电源和脉冲偏压电源，调节射频电源反射功率为零，入射功率为400w。调节基底脉冲偏压为-800V，脉冲占空比60%，沉积300分钟后冷却，当温度降至4(TC以下，释放真空取出样品。实施例2:A、样品预处理将抛光后的硬质合金基底用无水酒精、蒸馏水、丙酮分别进行超声清15min，随即用氮气吹干，置于沉积室。将真空腔内气压抽至6x10—3Pa以下，通入高纯氮气至气压为0.5Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-1200V,占空比为20%，进行氩等离子体轰击清洗20min。B、沉积硅过渡层调节氩气流量，使腔体气压维持在1.0Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为3A，脉冲偏压为-100V，脉冲占空比50%,待过渡层厚度达到50nm后关闭。C、沉积碳层通入高纯氩气与甲烷混合气体，使腔体气压维持在0.5Pa，氩气与甲垸气体的质量流量比为3:1。打开射频电源和脉冲偏压电源，调节射频电源反射功率为零，入射功率为1500w。调节基底脉冲偏压为-1000V，脉冲占空比30%，沉积300分钟后冷却，当温度降至40。C以下，释放真空取出样品。实施例3:A、样品预处理将抛光至镜面的钢球基底用无水酒精、蒸馏水、丙酮分别进行超声清洗30rnin，随即用氮气吹干，置于沉积室。将真空腔内气压抽至6xl(T3Pa以下，通入高纯氩气至气压为1.0Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-1000V,占空比为60%，进行氩等离子体轰击清洗30min。B、沉积硅过渡层调节氩气流量，使腔体气压维持在5.5x10—1Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为8A，脉冲偏压为-400V,脉冲占空比80%,待过渡层厚度达到300nm后关闭。C、沉积碳层通入高纯氩气与甲垸混合气体，使腔体气压维持在0.5Pa，氢气与甲垸气体的质量流量比为3:1。打开射频电源和脉冲偏压电源，调节射频电源反射功率为零，入射功率为1000w。调节基底脉冲偏压为-200V，脉冲占空比80%，沉积300分钟后冷却，当温度降至40。C以下，释放真空取出样品。实施例4:A、样品预处理将抛光至镜面的不锈钢基底用无水酒精、蒸馏水、丙酮分别进行超声清洗30min，随即用氮气吹干，置于沉积室。将真空腔内气压抽至6xlO^Pa以下，通入高纯氮气至气压为l.OPa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-1000V，占空比为60%，进行氩等离子体轰击清洗30min。B、沉积硅过渡层调节氩气流量，使腔体气压维持在5.5x10"Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为8A，脉冲偏压为-400V,脉冲占空比40%,待过渡层厚度达到200nm后关闭。C、沉积碳层通入高纯氩气与甲垸混合气体，使腔体气压维持在0.6Pa，氢气与甲烷气体的质量流量比为1:3。打开射频电源和脉冲偏压电源，调节射频电源反射功率为零，入射功率为600w。调节基底脉冲偏压为-200V，脉冲占空比60%，沉积300分钟后冷却，当温度降至40。C以下，释放真空取出样品。权利要求1、一种超润滑复合碳薄膜材料的制备方法，其特征在于制备过程在多功能镀膜设备的真空腔体内完成，该方法包括以下步骤A、样品预处理将在丙酮和乙醇中超声处理后的金属基底置于样品室后抽真空至6×10-3Pa以下，通入高纯氩气、氮气作为离化气体，打开脉冲偏压电源，辉光放电产生等离子体，对基底表面进行活化清洗；B、沉积硅过渡层清洗完毕后，利用非平衡磁控溅射的方法首先制备硅过渡层，选用高纯度的硅材料作为溅射靶材，以高纯氩气作为溅射气体，基体附加脉冲负偏压，沉积后关闭；C、沉积碳层利用脉冲偏压辅助射频电感偶合等离子体化学方法制备碳薄膜材料；通入氩气与甲烷、氢气与甲烷等混合气体作为反应气源，打开射频电源和脉冲偏压电源，沉积碳薄膜，一定时间后关闭，冷却至温度小于40℃，释放真空取出样品。2、如权利要求l所述的方法，其特征在于B步骤硅过渡层制备工艺参数为腔体气压0.251.0Pa，溅射电流320A，脉冲偏压-100-1000V，脉冲占空比2080%，过渡层厚度30500nm。3、如权利要求1所述的方法，其特征在于C步骤等离子体活化工艺参数为气压0.53.0Pa，脉冲偏压-200-1200V，占空比2080%，清洗时间5404、如权利要求l所述的方法，其特征在于C步骤碳薄膜制备工艺参数为Ar/CH4及H2/CH4的体积流量比3:11:3，腔体气压0.52.0Pa，射频入射功率4001500w，脉冲偏压-200-1200V，脉冲占空比2080%。全文摘要本发明公开了一种在金属底材上制备超润滑复合碳薄膜材料的方法。本发明在金属底材上制备超润滑复合碳薄膜材料的方法，其特点是在金属基底上首先通过非平衡磁控溅射的方法导入硅过渡层，然后采用脉冲偏压辅助射频电感偶合等离子体化学气相沉积的方法制备含氢碳薄膜材料。该薄膜材料不仅与金属基底具有牢固的结合力，而且展示了极其优异的摩擦学性能，在大气环境中具有0.03-0.05的摩擦系数和1.73～2.6×10<sup>-7</sup>mm<sup>3</sup>/Nm的磨损率，在N<sub>2</sub>等惰性气体气氛下具有0.004-0.007的摩擦系数和3.8～8.9×10<sup>-9</sup>mm<sup>3</sup>/Nm的磨损率，解决了碳薄膜材料与金属基体结合力差的难题，在高技术精密机械和电子信息技术等众多领域具有广泛的应用前景。文档编号C23C28/04GK101665942SQ20081015086公开日2010年3月10日申请日期2008年9月4日优先权日2008年9月4日发明者利吉,周惠娣,权伟龙,李红轩,飞赵,陈建敏申请人:中国科学院兰州化学物理研究所