[發(fā)明專利]一種彈性硬質(zhì)潤(rùn)滑納米復(fù)合薄膜材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510949153.5
• 申請(qǐng)日: 2015-12-18
• 公開（公告）號(hào): CN105506566B
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭建云;郝俊英;劉維民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): C23C14/35
• 分類號(hào): C23C14/35;C23C14/06;C23C14/58
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 方曉佳

本發(fā)明公開了一種彈性硬質(zhì)潤(rùn)滑納米復(fù)合薄膜材料的制備方法。該方法是采用磁控濺射沉積和等離子體處理技術(shù)相結(jié)合的方式，在低溫下制備彈性硬質(zhì)潤(rùn)滑納米復(fù)合薄膜材料，此類薄膜以氮化物（如氮化鈦(TiN)、氮化鉻(CrN)、氮化鋯(ZrN)等）多孔結(jié)構(gòu)為骨架，在納米孔道中填充軟物質(zhì)石墨，從而構(gòu)成硬相/軟相復(fù)合的納米薄膜，其表面光滑，與基底材料結(jié)合牢固，具有高硬度、高韌性和良好的潤(rùn)滑行為。因此，此類多孔薄膜適合應(yīng)用于柔性電子材料、平板顯示器、微電子機(jī)械系統(tǒng)、聚合物防護(hù)、玻璃薄片、紡織物、減摩耐磨物件等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在低溫下制備高彈性、高硬度和潤(rùn)滑的納米復(fù)合薄膜材料的方法。

背景技術(shù)

硬質(zhì)納米復(fù)合薄膜體現(xiàn)了新一代的薄膜的發(fā)展趨勢(shì)。通常，合成硬質(zhì)納米復(fù)合薄膜的主要目的是增強(qiáng)其硬度。當(dāng)此類薄膜的硬度超過(guò)40 GPa時(shí)，其被稱為超硬納米復(fù)合薄膜。但是，在現(xiàn)代的許多應(yīng)用中，增加硬度已經(jīng)不是硬質(zhì)納米復(fù)合薄膜的唯一考量因素。有時(shí)，硬質(zhì)薄膜的韌性遠(yuǎn)比極其高的硬度（>40 GPa）更重要。因此，在當(dāng)前，發(fā)展同時(shí)具有高硬度、高韌性和可彎曲的納米復(fù)合薄膜（即彈性硬質(zhì)納米復(fù)合薄膜）已經(jīng)吸引了大量研究人員的注意。彈性硬質(zhì)納米復(fù)合薄膜在高新技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用，如柔性電子材料、平板顯示器、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）、在柔性基底（聚合物薄片、玻璃薄片、紡織物等）上功能薄膜的形成等。

近年來(lái)，彈性硬質(zhì)納米復(fù)合薄膜主要有以下幾個(gè)系統(tǒng)：Al-Cu-O納米復(fù)合薄膜；Zr-Al-O納米復(fù)合薄膜；Al-O-N納米復(fù)合薄膜；Si-Zr-O納米復(fù)合薄膜；Ti-Ni-N納米復(fù)合薄膜；Al-Cu-N納米復(fù)合薄膜；（Ti-Al-V）N_x納米復(fù)合薄膜。所有的這些納米復(fù)合薄膜都具有高硬度和高韌性，且可彎曲而無(wú)裂縫的特性。但是，從此類納米復(fù)合薄膜的成分可知，其只具有耐磨損的性質(zhì)，而無(wú)潤(rùn)滑行為。這樣會(huì)導(dǎo)致彈性硬質(zhì)納米復(fù)合薄膜在使用過(guò)程中將其對(duì)偶材料（特別是軟物質(zhì)）造成嚴(yán)重的磨損，同時(shí)易于發(fā)出較大的噪音。因此，發(fā)展一種同時(shí)具有高硬度、高韌性、可彎曲且具有潤(rùn)滑性的納米復(fù)合薄膜成為研究人員追求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的是利用磁控濺射沉積和等離子體處理技術(shù)相結(jié)合的方式，在低溫下制備彈性硬質(zhì)潤(rùn)滑納米復(fù)合薄膜材料，此類薄膜以氮化物（如氮化鈦(TiN)、氮化鉻(CrN)、氮化鋯(ZrN)等）多孔結(jié)構(gòu)為骨架，在納米孔道中填充軟物質(zhì)石墨，從而構(gòu)成硬相/軟相復(fù)合的納米薄膜，其表面光滑，與基底材料結(jié)合牢固，具有高硬度、高韌性和良好的潤(rùn)滑行為。

本發(fā)明的原理是磁控濺射掠射角沉積技術(shù)的陰影效應(yīng)在基底上制備納米多孔氮化物骨架，使用刻蝕氣體（如氮?dú)猓∟₂）、氬氣（Ar）、氪氣（Kr）等惰性氣體）等離子體調(diào)控氮化物骨架的孔徑尺寸和孔道結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)含碳（如甲烷（CH₄）、乙烯（C₂H₄）、乙炔（C₂H₂）等其衍生物）等離子體處理在氮化物骨架的孔道中填充軟物質(zhì)石墨，從而構(gòu)成硬相/軟相復(fù)合的納米薄膜。同時(shí)，在等離子體處理過(guò)程中，含碳等離子體會(huì)與氮化物反應(yīng)在其表層生成碳氮化物，其不僅提高薄膜的硬度，也有利于氮化物與石墨的結(jié)合。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，應(yīng)用磁控濺射設(shè)備和等離子體處理在低溫（基底無(wú)需任何額外加熱）下制備彈性硬質(zhì)潤(rùn)滑納米復(fù)合薄膜材料。具體操作步驟如下：

1）采用磁控濺射設(shè)備沉積制備納米多孔氮化物骨架，其中，靶材為純金屬靶，濺射氣體為N₂和Ar，總壓強(qiáng)為0.4～4.0 Pa，N₂分壓為總壓強(qiáng)的5～40%，沉積離子入射角度與基底成0～90°，靶材與基底的距離為5～20 cm，沉積時(shí)間為5～60 min，初始腔室溫度為15～45℃，施加于所述靶材上的直流電源的功率為400～1600 W，施加于所述基底上的負(fù)偏壓和占空比分別為0～-400 V和40～90%，沉積結(jié)束時(shí)腔室溫度在100 ℃以下，沉積制得具有納米多孔結(jié)構(gòu)的氮化物薄膜；