[發明專利]一種微/納織構化類金剛石-離子液體復合薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201210005814.5
• 申請日: 2012-01-10
• 公開（公告）號: CN103192561A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 趙文杰;烏學東;王永欣;曾志翔;薛群基;陳建敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: B32B9/04
• 分類號: B32B9/04;B32B37/15;B32B38/18;C23C14/35;C23C14/16;C23C14/06;C23F4/00
• 代理公司: 寧波誠源專利事務所有限公司 33102
• 代理人: 袁忠衛

技術領域

本發明涉及一種微/納織構化類金剛石-離子液體復合薄膜的制備技術，特別是利用感應耦合等離子體刻蝕技術、磁控濺射氣相沉積技術和浸漬-提拉薄膜組裝技術相結合，制備出一種具有不同形貌和幾何參數的微/納織構化類金剛石-離子液體復合薄膜的方法，該技術有望應用于航空航天、醫療衛生、環境控制、數字通訊、自動控制、信息儀器傳感技術、通訊衛星和國防軍事等領域。

背景技術

表面織構，即在表面加工制備出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕、凸包或微小溝槽等圖案陣列?？棙嫽▓D案化微結構和仿生微結構是高性能摩擦副潤滑表面研究的重要內容?？棙嫽梢愿淖儽砻嫘蚊?，進而影響到摩擦副表面的接觸狀態和潤滑狀態。因此設計合適的表面幾何造型可顯著改善摩擦副表面的摩擦磨損性能，延長其使用壽命，對提高摩擦副表面性能和潤滑效果具有較大的工程價值，對節約能源、保護環境有著重要的意義。近年來大量科學研究和工程實踐表明：表面織構在改善材料界面摩擦學性能方面起到了積極的作用。隨著對織構化效應的不斷研究，科技工作者普遍認為織構化表面對機械零部件摩擦接觸將會產生以下有益效果：(1)產生流體動壓效應以增加承載能力；(2)作為儲油器給接觸表面提供潤滑劑以防止咬合；(3)捕捉和容納摩擦產生的磨屑，從而減少磨損等3方面的作用，由此顯著提高摩擦副的壽命和可靠性。織構化技術已在計算機硬盤、軸承和密封、內燃機中的汽缸/活塞、發動機系統中得到了成功的應用。

伴隨著表面織構化日益成為研究的熱點，制備織構化表面的技術和方法也日益增多，主要包括：激光熔融燒蝕，化學刻蝕，軟光刻技術，溶膠-凝膠法，電化學反應和電化學沉積，自組裝法，原子力針尖誘導陽極氧化及其它一些方法。但是這些方法應用到實際工業中時都有一些局限性，如：制作成本高，特定的材料限制，制備過程復雜，不能大面積制備等，所以要根據具體情況選擇合適的織構制備方法。感應耦合等離子體刻蝕技術(ICP)具有刻速快、選擇比高、各向異性高、刻蝕損傷小、大面積均勻性好、刻蝕斷面輪廓可控性高和刻蝕表面平整光滑等優點。通過控制工藝參數可以調節ICP刻蝕結果，包括：刻蝕氣體、氣體流量、工作氣壓、射頻功率和偏壓、電極位置、溫度等。

類金剛石(diamond-like?carbon，簡稱DLC)薄膜具有許多優異的性能，如高硬度、低摩擦系數、高耐磨性以及良好的化學穩定性、導熱性等。DLC作為新型功能薄膜材料在很多領域如：摩擦學、真空微電子學、光電子學、航空航天、生物醫學材料、M/NEMS等領域都有著巨大的應用前景。離子液體是由結構不對稱且體積相對較大的有機陽離子和體積相對較小的無機陰離子構成的在室溫下呈液態的化合物。離子液體具有超低揮發性，高熱穩定性，不可燃，熔點低，良好的導電、導熱性及液相范圍寬等特性，符合高效潤滑劑的要求。劉維民等在國際上率先開展了離子液體作為潛在潤滑劑的應用研究并取得了非常滿意的結果，發現其對鋼/鋼、鋼/鋁、鋼/銅、鋼/單晶硅、鋼/陶瓷以及陶瓷/陶瓷等摩擦副均具有良好的潤滑作用，減摩抗磨性能優于傳統潤滑劑磷嗪和全氟聚醚，是一類極具發展前途的多功能潤滑劑。大量的研究表明：離子液體作為潤滑劑具有優異的抗磨減摩作用和較高的承載能力。國際納米摩擦學知名專家B.Bhushan教授課題組的研究結果表明：離子液體超薄膜可以顯著改善硅片表面的微/納摩擦學性能，是一類在M/NEMS系統中非常有前景的潤滑薄膜材料。

因此，將表面織構化處理與碳基固體潤滑薄膜、離子液體有機薄膜結合制備具有微/納織構的DLC-離子液體復合薄膜，將碳基固體潤滑薄膜的抗磨與離子液體薄膜的減摩作用有效結合起來，發揮兩種類型薄膜在改善材料摩擦學性能的協同作用。本專利將感應耦合等離子體刻蝕技術、磁控濺射氣相沉積技術與浸漬-提拉液相組裝技術巧妙結合起來。目前這方面的技術開發尚未見有專利報道。

發明內容

本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種微/納織構化類金剛石-離子液體復合薄膜，該復合薄膜的表面均勻分布著不同類型形貌和幾何尺寸的微/納織構，具有優異的摩擦性能。

本發明所要解決的第二個技術問題是提供一種微/納織構化類金剛石-離子液體復合薄膜的制備方法，利用感應耦合等離子體刻蝕技術、磁控濺射氣相沉積技術和浸漬-提拉薄膜組裝技術相結合進行制備，制得的DLC-離子液體復合薄膜具有多種形貌和不同幾何參數的微/納織構和優異的摩擦學性能。