專利名稱：類金剛石復(fù)合二硫化鉬納米多層薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜及其制備方法，屬于固體潤滑薄膜材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高硬度類金剛石薄膜和磁控濺射二硫化鑰薄膜是近年來在航空航天、高技術(shù)裝備無油潤滑系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用較多的兩種固體潤滑薄膜。其中高硬度和低摩擦類金剛石薄膜是近年來關(guān)注較多的新型防護(hù)薄膜，它具有耐磨與潤滑一體化特性。但是類金剛石薄膜存在高應(yīng)力和脆性等瓶頸問題，直接限制了其在高技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，因此具有強(qiáng)韌化特性的類金剛石薄膜一直是產(chǎn)業(yè)界追求的理想薄膜材料。
與此同時，具有層狀結(jié)構(gòu)的軟質(zhì)二硫化鑰薄膜在高真空以及干燥環(huán)境下具有超低摩擦系數(shù)、耐輻射等優(yōu)點(diǎn)。但是由于層狀結(jié)構(gòu)的二硫化鑰晶體邊緣的不飽和懸鍵具有化學(xué)活性，在潮濕空氣和富氧環(huán)境的摩擦過程中容易粘附到金屬表面和被氧化使其摩擦性能急劇下降，甚至失去潤滑作用，從而對機(jī)械系統(tǒng)的安全可靠性和機(jī)械零部件的使用壽命產(chǎn)生影響。因此，如何獲得具有強(qiáng)韌化特性(硬度超過IOGPa)、超低摩擦和超長使用壽命的新型二硫化鑰基潤滑薄膜一直是固體潤滑與抗磨損薄膜領(lǐng)域的技術(shù)難題。對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行的檢索發(fā)現(xiàn)為了提高二硫化鑰的耐磨壽命和降低其摩擦系數(shù)對環(huán)境的依賴性，已有的專利技術(shù)(如中國專利-公開號CN 1470625A)提到，石墨與二硫化鑰復(fù)合能減緩二硫化鑰潤滑膜的摩擦氧化，提高其壽命，原因在于石墨能優(yōu)先吸附大氣中的水汽和氧，從而能夠抑制二硫化鑰發(fā)生氧化失效，但其改善二硫化鑰使用壽命的效果仍不盡人意。中國專利(CN 101550535B)提供了一種復(fù)合金屬硫化物類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，該復(fù)合薄膜具有較低的摩擦系數(shù)，但是其硬度較低，硬度值均小于5. 9GPa.中國專利(CN 201010282390. 8) 采用磁控濺射制備了 MoS2-TiC-C復(fù)合薄膜，其硬度僅達(dá)到7. 6GPa，大氣環(huán)境下摩擦系數(shù)仍然聞達(dá)O. 04。如何能夠協(xié)同利用高硬度類金剛石薄膜和軟質(zhì)二硫化鑰薄膜的各自優(yōu)勢，獲得具有高硬度和韌性匹配、高耐磨和低摩擦匹配的類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜是解決以上問題的途徑之一。最佳的思路就是設(shè)計制備出軟/硬交替的類金剛石/二硫化鑰納米多層膜體系，其中軟層二硫化鑰起到剪切帶的作用，使得硬層類金剛石膜之間可以在低應(yīng)力水平的情況下產(chǎn)生一定的“相對滑動”，以緩解高硬度膜層的界面應(yīng)力并保持一定的韌性。同時，類金剛石納米層的引入也能很大程度的改善二硫化鑰薄膜的環(huán)境敏感性。對現(xiàn)有文獻(xiàn)和專利檢索，未發(fā)現(xiàn)采用雙靶磁控濺射技術(shù)直接濺射石墨靶和二硫化鑰靶來交替沉積類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜的具體技術(shù)措施和手段。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜及其制備方法，克服現(xiàn)有高硬度類金剛石薄膜存在的脆性強(qiáng)韌性差以及軟質(zhì)二硫化鑰薄膜硬度低和耐磨壽命差等問題，獲得的類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜具有超低摩擦、高硬度與韌性一體化等特性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
—種類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜，其特征在于該薄膜鍍覆在不銹鋼表面上，薄膜由高硬度類金剛石薄膜和二硫化鑰潤滑膜多層交替構(gòu)成；類金剛石薄膜單層厚度為10 lOOnm，層數(shù)為10-100層，二硫化鑰潤滑膜單層厚度為lO-lOOnm，層數(shù)為10-100層； 類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜總厚度為1. 5 6μπι，硬度為12-18GPa。
本發(fā)明還提供了上述納米多層潤滑薄膜的制備方法，首先對不銹鋼基底進(jìn)行超聲清洗前處理，然后置于MFD800型雙靶磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)的真空腔中，依次沉積以下薄膜(a)預(yù)抽真空至5X 10_4Pa，放電氣壓為1. O 1. 5Pa，偏壓為-500 -1000V，對不銹鋼基底進(jìn)行20 30min的氬等離子體濺射活化處理；(b)單層類金剛石碳薄膜沉積，采用直流電源控制石墨祀，IS氣氣氛，放電氣壓為0. 8Pa,控制石墨祀電流為1. O 1. 4A,在不銹鋼基底上施加偏壓-200 -400V，沉積時間為I 15min ； (c)單層二硫化鑰潤滑層沉積，采用射頻電源控制二硫化鑰靶，功率為200 600W，沉積時間為I IOmin ； (d)重復(fù)步驟(b) 和(c)，交替沉積類金剛石層和二硫化鑰潤滑層，直到所需厚度或?qū)訑?shù)，最終在不銹鋼基底表面獲得類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜。
本發(fā)明所述的雙靶磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)為中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司生產(chǎn)的MFD800型雙靶磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)。
采用高真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對本發(fā)明納米多層薄膜在真空環(huán)境下進(jìn)行了摩擦學(xué)性能評價(摩擦條件采用球-盤旋轉(zhuǎn)模式，旋轉(zhuǎn)速度為500rpm，載荷為3N，摩擦對偶為 Φ3πιπι的GCrl5鋼球，測試環(huán)境的真空度10_5Pa左右)。同時在大氣環(huán)境下對納米多層薄膜進(jìn)行了摩擦磨損評價(采用球-盤往復(fù)模式，線速度為12cm/s，300000轉(zhuǎn)，載荷為5N，摩擦對偶為 Φ6mm 的 GCr 15 鋼球)。米用納米壓痕儀(Nano Test 600, Micro Materials Ltd, UK)納米多層薄膜的納米硬度。結(jié)果表明本發(fā)明獲得的類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜納米硬度達(dá)到12-18GPa，在高真空下具有超低摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.01以下， 實(shí)現(xiàn)了超潤滑性能，其磨損率較傳統(tǒng)的類金剛石或者二硫化鑰固體潤滑薄膜降低I 2個數(shù)量級。在大氣環(huán)境下也實(shí)現(xiàn)了超低的摩擦系數(shù)(0. 02 0. 03)，其磨損較傳統(tǒng)的類金剛石或者二硫化鑰固體潤滑薄膜降低I 2個數(shù)量級。 因此本發(fā)明類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)在高真空環(huán)境和大氣環(huán)境下的超低摩擦和超長服役壽命效果。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是制得的類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜具有在各種環(huán)境下超低摩擦、高硬度與韌性一體化等特性。其特點(diǎn)在于高硬度的類金剛石膜層提供了良好的承載力和抗磨能力，而交替沉積的二硫化鑰潤滑膜則起到了降低磨合初期的摩擦和非正常磨損。該納米多層薄膜還解決了常規(guī)高硬度類金剛石薄膜內(nèi)應(yīng)力高，結(jié)合強(qiáng)度低，脆性強(qiáng)，韌性差等缺點(diǎn)，同時提高了軟質(zhì)二硫化鑰潤滑膜的硬度和耐磨壽命并降低了摩擦系數(shù)對環(huán)境的敏感性等問題，其在機(jī)械、電子、軸承、齒輪，特別是航空航天等摩擦潤滑領(lǐng)域顯示了非常重大的應(yīng)用價值，是一種有著極其重大潛在價值的新型固體潤滑薄膜。


圖1為本發(fā)明的納米多層薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為不銹鋼基底、2為硬質(zhì)類金剛石層、3為軟質(zhì)二硫化鑰層。
圖2為制得的納米多層薄膜在高真空和大氣環(huán)境下的摩擦系數(shù)曲線，可以看出此納米多層膜在兩種環(huán)境下都表現(xiàn)出超低的摩擦系數(shù)，在真空環(huán)境下更是表現(xiàn)出超潤滑性倉泛。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
基底材料為不銹鋼(ICrlSNiOTi)，進(jìn)行超聲清洗前處理后置于雙靶磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)中，按照以下步驟進(jìn)行(a)將氬氣通入真空室，保持氣壓為I 1.5Pa，開啟偏壓電源調(diào)整到-1000V，對不銹鋼基底表面進(jìn)行氬離子放電清洗和活化，時間為15 30min ；(b)單層類金剛石薄膜沉積，氬氣氣氛，放電氣壓為O.8Pa，采用直流電源控制石墨靶電流為1. 2A，不銹鋼基底施加偏壓為-300V，沉積時間15min ； (c)單層二硫化鑰潤滑膜層沉積， 采用射頻電源控制二硫化鑰靶，靶電源功率為500W，沉積時間為3min ;(d)重復(fù)過程(b)和(c)10次，自然冷卻后，最終在不銹鋼基底表面獲得類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜。 所制得的單層類金剛石層厚度為lOOnm，二硫化鑰單層厚度為lOOnm，總膜層厚度為2微米。
實(shí)施例2
基底材料為不銹鋼(ICrlSNiOTi)，進(jìn)行超聲清洗前處理后置于雙靶磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)中，按照以下步驟進(jìn)行(a)將氬氣通入真空室，保持氣壓為I 1.5Pa，開啟偏壓電源調(diào)整到-1000V，對不銹鋼基底表面進(jìn)行氬離子放電清洗和活化，時間為15 30min ； (b)單層類金剛石薄膜沉積，氬氣氣氛，放電氣壓為O.8Pa，采用直流電源控制石墨靶電流為1. 2A，不銹鋼基底施加偏壓為-300V，沉積時間8min ； (c)單層二硫化鑰潤滑膜層沉積，采用射頻電源控制二硫化鑰靶，靶電源功率為500W，沉積時間為1. 5min ； (d)重復(fù)過程(b)和(c)20次，自然冷卻后，最終在不銹鋼基底表面獲得類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜， 所制得的單層類金剛石層厚度為50nm，二硫化鑰單層厚度為50nm，總膜層厚度為2微米。
實(shí)施例3
基底材料為不銹鋼(ICrlSNiOTi)，進(jìn)行超聲清洗處理后置于雙靶磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)中，按照以下步驟進(jìn)行(a)將氬氣通入真空室，保持氣壓為I 1.5Pa，開啟偏壓電源調(diào)整到-1000V，對不銹鋼基底表面進(jìn)行氬離子放電清洗和活化，時間為15 30min ；(b)單層類金剛石薄膜沉積，氬氣氣氛，放電氣壓為O.8Pa，采用直流電源控制石墨靶電流為1. 2A，不銹鋼基底施加偏壓為-300V，沉積時間4min ； (c)單層二硫化鑰潤滑膜層沉積， 采用射頻電源控制二硫化鑰靶，靶電源功率為500W，沉積時間為Imin ;(d)重復(fù)過程(b)和(c)50次，自然冷卻后，最后在不銹鋼基底表面獲得類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜， 單層類金剛石層厚度為20nm，單層二硫化鑰厚度為20nm，總膜層厚度為2微米。
權(quán)利要求
1.一種類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜，其特征在于該薄膜鍍覆在不銹鋼表面上，薄膜由高硬度類金剛石薄膜和二硫化鑰潤滑膜多層交替構(gòu)成；類金剛石薄膜單層厚度為10 lOOnm，層數(shù)為10-100層，二硫化鑰潤滑膜單層厚度為lO-lOOnm，層數(shù)為10-100層； 類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜總厚度為1. 5 6 μ m，硬度為12-18GPa。
2.一種類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜的制備方法，其特征在于首先對不銹鋼基底進(jìn)行超聲清洗前處理，然后置于MFD800型雙靶磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)的真空腔中，依次沉積以下薄膜(a)預(yù)抽真空至5X 10_4Pa，放電氣壓為1. O 1. 5Pa，偏壓為-500 -1000V， 對不銹鋼基底進(jìn)行20 30min的氬等離子體濺射活化處理；(b)單層類金剛石碳薄膜沉積，采用直流電源控制石墨靶，氬氣氣氛，放電氣壓為0. 8Pa，控制石墨靶電流為1.0 1.4A，在不銹鋼基底上施加偏壓-200 -400V，沉積時間為I 15min ； (c)單層二硫化鑰潤滑層沉積，采用射頻電源控制二硫化鑰靶，功率為200 600W，沉積時間為I IOmin ； (d) 重復(fù)步驟(b)和(C)，交替沉積類金剛石層和二硫化鑰潤滑層，直到所需厚度或?qū)訑?shù)，最終在不銹鋼基底表面獲得類金剛石復(fù)合二硫化鑰納米多層薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種類金剛石復(fù)合二硫化鉬納米多層薄膜及其制備方法，采用雙靶磁控濺射技術(shù)在不銹鋼基底上交替沉積類金剛石層和二硫化鉬層，最終獲得類金剛石復(fù)合二硫化鉬納米多層薄膜。類金剛石單層厚度為10～100nm，二硫化鉬單層厚度為10-100nm，類金剛石復(fù)合二硫化鉬納米多層薄膜總厚度為1.5～6μm。本發(fā)明制得的納米多層薄膜不僅改善了軟質(zhì)二硫化鉬薄膜的耐磨壽命不足和摩擦系數(shù)環(huán)境敏感性問題，同時解決了硬質(zhì)類金剛石薄膜脆性大和韌性差等問題，在高真空環(huán)境下的磨損率較傳統(tǒng)的二硫化鉬或類金剛石薄膜降低1-2個數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了超低摩擦以及高硬度與韌性的完美匹配。
文檔編號C23C14/06GK102994947SQ20111027726
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月17日
發(fā)明者王立平, 亓健偉, 王云鋒, 薛群基 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所