一种周期弥散强化纳米多层碳基薄膜、其制备方法与应用

本发明涉及固体润滑涂层，尤其涉及一种周期弥散强化纳米多层碳基薄膜、其制备方法与应用。

背景技术：

1、非晶碳基(a-c)薄膜由于其优异的硬度、低摩擦、高耐磨、化学惰性和耐腐蚀性，是机械、电子、汽车、航空、医学、光学等领域理想的表面摩擦防护功能材料。然而应力高、韧性低、脆性大以及摩擦学行为受环境影响很大仍是制约该类复合薄膜实用化进程的主要因素。

2、研究表明，纳米多层薄膜的多层结构中异质界面处的共格、半共格及非共格应变能够显著降低薄膜内应力；与此同时，大量的异质层间界面能够有效抑制裂纹扩展，从而改善薄膜韧性、硬度、断裂韧性和耐磨损性能等方面。此外，在非晶碳基薄膜中掺入异质元素或化合物可有效改善非晶碳基薄膜综合性能，增强非晶碳基薄膜恶劣服役条件下摩擦学适应性。通过掺杂成分和多层结构的设计，虽然已实现了碳基薄膜基本性能的主动控制和服役寿命的一定幅度延长，然而在大气条件下非晶碳基薄膜仍然具有非常狭窄的应用温度范围，这已成为制约其应用的严重障碍。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种周期弥散强化纳米多层碳基薄膜、其制备方法与应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种周期弥散强化纳米多层碳基薄膜，覆设于基体表面，包括沿厚度方向依次层叠设置的粘结层、过渡层以及强化层；

4、所述粘结层包括粘结金属，与所述基体接触；

5、所述过渡层包括所述粘结金属以及非晶碳；

6、所述强化层包括沿所述厚度方向周期性层叠的第一亚层以及第二亚层；所述第一亚层包括非晶碳；所述第二亚层包括非晶碳以及掺杂相，所述掺杂相包括碳化物、氮化物、金属中的任意一种或两种以上的组合，并沿所述第二亚层的延展方向周期性弥散镶嵌于所述第二亚层中。

7、第二方面，本发明还提供一种周期弥散强化纳米多层碳基薄膜的制备方法，包括：

8、1)在基体表面沉积粘结层，所述粘结层包括粘结金属；

9、2)在所述粘结层表面沉积过渡层，所述过渡层中包括粘结金属与非晶碳；

10、3)在所述过渡层表面周期性地沉积非晶碳形成第一亚层以及共沉积非晶碳和掺杂相形成第二亚层，所述第一亚层和第二亚层共同构成强化层。

11、第三方面，本发明还提供一种耐磨构件，包括基体以及覆设于所述基体表面的耐磨层，所述耐磨层包括上述周期弥散强化纳米多层碳基薄膜。

12、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

13、本发明提供的周期弥散强化纳米多层碳基薄膜通过将非晶碳子的第一亚层与周期性弥散复合掺杂的第二亚层交叠组成全新的纳米多层复合结构，实现了纳米多层结构与周期弥散强化掺杂的优势整合，有效降低了薄膜内应力并大幅提升了薄膜的韧性与机械性能；将掺杂相周期弥散性地嵌埋在非晶碳中形成周期弥散的第二亚层，这可有效改善碳基薄膜的热稳定性及其高温抗氧化性能，其有效改善了薄膜在中温段(150℃-250℃)摩擦学性能恶化的缺点，并进一步将碳基薄膜及包含该薄膜的构件的服役温度提高到550℃以上。

14、此外，本发明所提供的制备方法所采用的沉积工艺简单、易操控且成本低廉，有利于工业化应用。

15、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种周期弥散强化纳米多层碳基薄膜，覆设于基体表面，其特征在于，包括沿厚度方向依次层叠设置的粘结层、过渡层以及强化层；

2.根据权利要求1所述的周期弥散强化纳米多层碳基薄膜，其特征在于，所述粘结层的厚度为0.2-0.3μm，所述过渡层的厚度为0.3-0.5μm，所述强化层的厚度为2.0-4.0μm；

3.根据权利要求1所述的周期弥散强化纳米多层碳基薄膜，其特征在于，所述基体与粘结层接触的界面材质为金属；

4.根据权利要求1所述的周期弥散强化纳米多层碳基薄膜，其特征在于，沿所述厚度方向，所述过渡层中的粘结金属的含量逐渐降低，非晶碳的含量逐渐升高。

5.一种周期弥散强化纳米多层碳基薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)具体包括：采用非平衡磁控溅射粘结金属靶和石墨靶，形成过渡层；

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3)具体包括：

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括：对所述基体进行清洗和表面刻蚀的步骤；

9.一种耐磨构件，包括基体以及覆设于所述基体表面的耐磨层，其特征在于，所述耐磨层包括权利要求1-4中任意一项所述的周期弥散强化纳米多层碳基薄膜。

10.根据权利要求9所述的耐磨构件，其特征在于，所述耐磨构件的失效温度在550℃以上。

技术总结
本发明公开了一种周期弥散强化纳米多层碳基薄膜、其制备方法与应用。所述周期弥散强化纳米多层碳基薄膜包括粘结层、过渡层以及强化层；粘结层包括粘结金属；过渡层包括粘结金属以及非晶碳；强化层包括周期性的第一亚层和第二亚层；第一亚层包括非晶碳；第二亚层包括非晶碳和掺杂相，掺杂相包括碳化物和/或氮化物，并周期性弥散镶嵌于所述第二亚层中。本发明提供的周期弥散强化纳米多层碳基薄膜有效降低了薄膜内应力并大幅提升了薄膜的韧性与机械性能，可有效改善碳基薄膜的热稳定性及其高温抗氧化性能，服役温度提高至550℃以上；本发明所提供的制备方法所采用的沉积工艺简单、易操控且成本低廉，有利于工业化应用。

技术研发人员：张广安,曹学乾,尚伦霖,李东山
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15