具有納米結(jié)構(gòu)的超潤(rùn)滑非晶碳薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有納米結(jié)構(gòu)的超潤(rùn)滑非晶碳薄膜的制備方法。采用射頻磁控濺射物理氣相沉積技術(shù)制備的薄膜，在高真空環(huán)境下具有超潤(rùn)滑性能的硅、鋁共摻雜的含氫非晶碳薄膜，該種薄膜具有納米網(wǎng)絡(luò)狀及類富勒烯復(fù)合的納米結(jié)構(gòu)，具有極為優(yōu)異的彈性恢復(fù)性能。此外，即使薄膜的納米硬度較低，屬于軟質(zhì)薄膜，在真空環(huán)境下表現(xiàn)出了優(yōu)異的摩擦磨損性能，最低摩擦系數(shù)達(dá)到0.001，磨損率低至10-19m3/N·m數(shù)量級(jí)。該種薄膜均勻致密，與金屬基材料結(jié)合牢固，作為固體潤(rùn)滑及密封材料，在真空環(huán)境中的各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件方面具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】具有納米結(jié)構(gòu)的超潤(rùn)滑非晶碳薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有納米結(jié)構(gòu)的超潤(rùn)滑非晶碳薄膜的制備方法，具體涉及一種制備納米結(jié)構(gòu)，在高真空環(huán)境下具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的硅、鋁二元摻雜的含氫非晶碳薄膜材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在苛刻環(huán)境下，如真空失重狀態(tài)，固體潤(rùn)滑材料有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如良好的附著性以及在較寬溫度范圍內(nèi)良好的穩(wěn)定性等。到目前為止，在苛刻環(huán)境下使用的固體潤(rùn)滑材料基本屬于硫系金屬化合物MoS2、WS2等，而基于碳系的固體潤(rùn)滑材料非常少。
[0003]另外，物理氣相沉積技術(shù)對(duì)環(huán)境無污染，成膜均勻致密，與基體的結(jié)合力強(qiáng)。因此，該技術(shù)在航空航天、電子、光學(xué)、材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。通常，在直流磁控濺射技術(shù)中，濺射靶材的選用會(huì)受到導(dǎo)電性的限制，如果靶材的導(dǎo)電性較差，則在等離子轟擊過程中，正電荷會(huì)在靶材表面積累，到一定程度則會(huì)發(fā)生電弧放電，影響靶材濺射及薄膜的沉積。而在射頻或中頻磁控濺射中，放電現(xiàn)象可避免。因此，射頻磁控濺射技術(shù)在氣相沉積法制備無機(jī)非金屬薄膜材料中占有非常重要的地位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有納米結(jié)構(gòu)的超潤(rùn)滑非晶碳薄膜的制備方法。
[0005]一種具有納米結(jié)構(gòu)的超潤(rùn)滑非晶碳薄膜的制備方法，其特征在于采用射頻磁控濺射物理氣相沉積技術(shù)制備，具體操作步驟為: 1)用無水乙醇和丙酮分別超聲清洗的單晶硅片，吹干后置于固體潤(rùn)滑薄膜沉積系統(tǒng)的沉積室中，然后進(jìn)行抽真空；
2)當(dāng)真空度高于5.0X10_4 Pa時(shí)，通氬氣于沉積室中，在占空比為70.0%、脈沖直流負(fù)偏壓700-1000 V的條件下用氬(Ar)等離子體進(jìn)行濺射清洗基材25_35min ；
3)過渡層由純Ar等離子體濺射孿生鈦靶或Si/Al混合靶材，面積比AlgAe=I^制得，制備條件為中頻頻率40 KHz電流2.0 A，氬氣流量為40.0 sccm，工作壓強(qiáng)為4.0-5.0 Pa，基底偏壓為-200 V，靶材與基材距離為9-10 cm，沉積時(shí)間為8-12 min ；
4)將甲烷氣和氬氣以1:7比例混合后通入反應(yīng)室中，在工作壓強(qiáng)為0.5-1.2 Pa的條件下開啟射頻電源，頻率27.12 MHz,功率為400-700 W，在自偏壓的作用下，產(chǎn)生的含有C和Ar的等離子體共同濺射Si/Al混合靶材，面積比為AtgZA桂=1/8 ；
5)薄膜沉積過程中，基材無額外加熱，且負(fù)偏壓為0-50V。
[0006]本發(fā)明所述的固體潤(rùn)滑薄膜沉積系統(tǒng)為中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為650型。
[0007]本發(fā)明制備的具有納米結(jié)構(gòu)的含氫非晶碳薄膜，該種薄膜在真空中具有超低摩擦系數(shù)和優(yōu)異的抗磨損性能，表現(xiàn) 出超潤(rùn)滑性能，且該薄膜均勻致密，表面光滑，彈性良好，附著性強(qiáng)。在真空環(huán)境中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑與密封方面具有良好的應(yīng)用前景。[0008]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
采用該方法制備的薄膜內(nèi)應(yīng)力小(壓應(yīng)力< 0.09 GPa)，均勻致密，內(nèi)部呈現(xiàn)納米網(wǎng)狀(見圖1)與類富勒烯雙重(見圖2)微觀結(jié)構(gòu)特征。此外，薄膜具有優(yōu)異的彈性恢復(fù)性能，彈性回復(fù)率達(dá)到95%，納米硬度為1.0~2.0 GPa,見附圖3 ;在高真空環(huán)境中(氣壓低于
2.0× 1O-4 Pa)非晶碳薄膜的的摩擦系數(shù)可低至0.001，實(shí)現(xiàn)了超低摩擦，且抗磨性能極為優(yōu)異，磨損率低至10-19 m3/N·m數(shù)量級(jí)，見附圖4。采用該種制備方法時(shí)非晶碳薄膜的生長(zhǎng)速率快，達(dá)到1.7 μ m/h,能大面積均勻沉積，更重要的是在薄膜的制備過程中基材無額外加熱，同時(shí)采用的負(fù)偏壓很小，能耗低。
[0009]本發(fā)明具有上述優(yōu)點(diǎn)的原因在于:射頻電源產(chǎn)生的等離子體離化率較高，等離子體氣氛均勻。此外，硅、鋁的同時(shí)引入，使得非晶碳薄膜具有了類富勒烯與納米網(wǎng)狀雙重微觀結(jié)構(gòu)特征，從而導(dǎo)致了薄膜材料的特殊宏觀性能，如極高的彈性恢復(fù)性能和良好的真空潤(rùn)滑性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為薄膜樣品斷面網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡圖。
[0011]圖2為薄膜樣品斷面類富勒烯高分辨透射電子顯微鏡圖及傅里葉變換圖。
[0012]圖3為薄膜樣品載荷-壓入深度變化曲線。
[0013]圖4為薄膜樣品真空摩擦系數(shù)曲線及不同滑動(dòng)行程后磨痕斷面輪廓。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為了更好地理解本發(fā)明，通過實(shí)施例進(jìn)行說明。
[0015]實(shí)施例1:
清洗基底:首先分別用無水乙醇和丙酮溶液超聲清洗單晶硅片(N100型硅片)各10.0min，用氮?dú)獯蹈珊笾糜诜磻?yīng)室中；抽真空:用高效分子泵對(duì)反應(yīng)室抽真空；單晶硅片濺射清洗:當(dāng)沉積腔室背景氣壓低于5.0×10-4 Pa時(shí)，通氬氣于沉積室中，在占空比為50.0%~70.0%、脈沖直流負(fù)偏壓700.0-1000.0 V的條件下用氬(Ar)等離子體進(jìn)行濺射清洗單晶硅片約30.0min,以去除表面的氧化層和其它雜質(zhì)；沉積:將甲烷氣和氬氣以1:7的比例混合后通入反應(yīng)室中，工作壓強(qiáng)在0.5~1.2 Pa的條件下開啟射頻電源(功率為400.0-700.0W)，共同濺射由鋁、硅組成的混合靶材(面積比為A鋁/A硅=l/8)，同時(shí)，在單晶硅片上加0-50V負(fù)偏壓，沉積得到硅鋁二元摻雜的含氫非晶碳薄膜。
[0016]實(shí)施例2:
采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)薄膜斷面觀察，發(fā)現(xiàn)薄膜均勻、致密，和基材結(jié)合良好，樣品層中金屬鈦過渡層厚度為150~350 nm,非晶碳薄膜層厚度為2~4 μ m。高分辨透射電子顯微鏡對(duì)薄膜觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，薄膜內(nèi)部含有類富勒烯和納米網(wǎng)狀雙重結(jié)構(gòu)特征(附圖1和圖2)。納米壓入實(shí)驗(yàn)表明，薄膜的彈性恢復(fù)性能優(yōu)異，彈性恢復(fù)率高達(dá)95%，納米硬度為
1.0~2.0 GPa。采用X射線光電子能譜(XPS)對(duì)薄膜成份進(jìn)行表征，其中碳原子百分比是70~91.5 at.% ;氧原子百分比2~15.5 at.% ;硅原子百分比是I~10.0 at.% ；鋁原子百分比是0.5~5.5 at.%。
[0017]實(shí)施例3:在氣壓低于2.0X 10_4 Pa的真空環(huán)境中進(jìn)行摩擦學(xué)試驗(yàn)。薄膜樣品與對(duì)偶材料(直徑為3"?0.0mm的不銹鋼球)的接觸方式為球盤接觸式，運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)式，旋轉(zhuǎn)半徑為6.0 _?；瑒?dòng)線速率為0.32 m/s,加載2.0 N。摩擦行程分別控制在15000轉(zhuǎn)和30000轉(zhuǎn)，其摩擦曲線見附圖3可見其摩擦系數(shù)可低至0.001，磨損率低至10_19 m3/N.m數(shù)量級(jí)，其磨痕斷面輪廓見附圖4的右上角插圖，磨痕深度都大約為100 nm，表明薄膜在真空條件下具有極為優(yōu)異的抗磨 損性能。
【權(quán)利要求】
1.一種具有納米結(jié)構(gòu)的超潤(rùn)滑非晶碳薄膜的制備方法，其特征在于采用射頻磁控濺射物理氣相沉積技術(shù)制備，具體操作步驟為: 1)用無水乙醇和丙酮分別超聲清洗的單晶硅片，吹干后置于固體潤(rùn)滑薄膜沉積系統(tǒng)的沉積室中，然后進(jìn)行抽真空； 2)當(dāng)真空度高于5.0X10_4 Pa時(shí)，通氬氣于沉積室中，在占空比為70.0%、脈沖直流負(fù)偏壓700-1000 V的條件下用氬(Ar)等離子體進(jìn)行濺射清洗基材25_35min ； 3)過渡層由純Ar等離子體濺射孿生鈦靶或Si/Al混合靶材，面積比AlgAe=I^制得，制備條件為中頻頻率40 KHz電流2.0 A，氬氣流量為40.0 sccm，工作壓強(qiáng)為4.0-5.0 Pa，基底偏壓為-200 V，靶材與基材距離為9-10 cm，沉積時(shí)間為8-12 min ； 4)將甲烷氣和氬氣以1:7比例混合后通入反應(yīng)室中，在工作壓強(qiáng)為0.5-1.2 Pa的條件下開啟射頻電源，頻率27.12 MHz,功率為400-700 W，在自偏壓的作用下，產(chǎn)生的含有C和Ar的等離子體共同濺射Si/Al混合靶材，面積比為AlgAe=IZS ； 5)薄膜沉積過程中 ，基材無額外加熱，且負(fù)偏壓為0-50V。
【文檔編號(hào)】C23C14/34GK103882376SQ201210561459
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】郝俊英, 劉小強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所