[發明專利]一種類石墨納米多層薄膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201610773454.1
• 申請日: 2016-08-30
• 公開（公告）號: CN106282918B
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發明（設計）人: 王海斗;馬國政;雍青松;陳書贏;何鵬飛
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍裝甲兵工程學院
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/35;C23C14/16
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 趙青朵

本發明涉及類石墨薄膜(GLC)技術領域，本發明提供了一種類石墨納米多層薄膜及其制備方法和應用，所述類石墨納米多層薄膜由純GLC薄膜與摻金屬GLC薄膜交替組成，所述摻金屬GLC薄膜中金屬為第六副族元素，每個相鄰純GLC薄膜與摻金屬GLC薄膜兩膜層的總厚度為30nm～80nm。本發明將摻雜改性和結構設計這兩種優化手段引入到GLC薄膜研究中，獲得一種具有局部摻雜、整體多層的結構特征的新型GLC薄膜，其具有高硬度、低應力、強韌性等特點，并且摩擦學性能優異，能很好地實現力學性能與摩擦學性能的協調匹配，利于其在各種工程部件上的廣泛應用。

技術領域

本發明涉及類石墨薄膜技術領域，具體涉及一種類石墨納米多層薄膜及其制備方法和應用。

背景技術

類金剛石薄膜(DLC)是一類性質上與金剛石類似，主要由sp²和sp³鍵組成的非晶碳膜。它不僅摩擦系數小，而且抗粘附性好、硬度高、耐磨性優良，導熱性及化學穩定性好，可廣泛的應用于機械、工模具、刀具、汽車、電子、光學以及航空航天等領域。然而，DLC薄膜也存在不足。DLC薄膜的摩擦學性能與力學性能匹配性較差，當薄膜的硬度較高時，往往彈性和韌性較差，在摩擦過程中容易發生脆裂；而當薄膜的硬度較低時，其耐磨性又大大降低。這些都大大的限制了DLC薄膜的實際應用范圍的擴展，目前來說，DLC薄膜主要只在低載和低速的服役工況下使用。

越來越多的研究表明，與DLC薄膜結構相近、主要由sp²雜化結構構成的類石墨薄膜(GLC)，這種非晶碳膜在具有與DLC薄膜同樣優異的摩擦學性能的同時，還表現出良好的力學性能以及承載能力。類石墨薄膜的出現為解決類金剛石薄膜內應力高，熱穩定性較差等一系列難題提供了一個新的思路，也為實現非晶碳膜在更加苛刻工況環境下的應用開辟了可能。

GLC薄膜的摩擦學特性與摩擦接觸點的表面化學和物理狀態有關，在適當的工藝條件下，GLC薄膜在大氣、水潤滑以及油潤滑環境下可表現出非常低的摩擦系數，是一種有望在更加苛刻環境下服役的極具潛力的非晶碳膜。但是，目前有關類石墨薄膜的研究還停留在對純GLC薄膜的制備工藝及相關性能的探索，有關元素摻雜和結構設計方面的研究還鮮有報道，這大大限制了GLC薄膜的進一步開發和應用。

發明內容

有鑒于此，本申請提供一種類石墨納米多層薄膜及其制備方法和應用，本發明提供的類石墨納米多層薄膜具有高硬度、低應力、強韌性等力學性能和優異的摩擦學性能，利于推廣應用。

本發明提供一種類石墨納米多層薄膜，其由純GLC子層與摻金屬GLC子層交替組成，所述摻金屬GLC子層薄膜中金屬為第六副族元素，每個相鄰純GLC子層與摻金屬GLC子層構成的一個調制周期的總厚度為30nm～80nm。其中，所述純GLC子層和摻金屬GLC子層均為薄膜狀，即每個相鄰純GLC薄膜與摻金屬GLC薄膜兩個子層作為一個調制周期。

優選地，所述摻金屬GLC薄膜中金屬為鎢。

優選地，每個相鄰純GLC子層與摻金屬GLC子層兩膜層的總厚度為40nm。

優選地，所述摻金屬GLC薄膜中金屬的含量為8～10at％。

優選地，所述類石墨納米多層薄膜的總層數為30層～60層，進一步優選為30層或60層，更優選為60層。其中，所述類石墨納米多層薄膜的總層數為總調制周期數的2倍。

本發明提供一種類石墨納米多層薄膜的制備方法，包括以下步驟：

采用等離子體增強磁控濺射系統，所述等離子體增強磁控濺射系統包括位于方形爐壁上的四個靶位，所述四個靶位中，對稱設置有兩個石墨靶，其余兩個靶位分別設置有一個金屬靶和一個濺射增強離子源，在基體上交替沉積純GLC薄膜與摻金屬GLC薄膜，得到類石墨納米多層薄膜；

所述金屬靶和摻金屬GLC薄膜中金屬為第六副族元素，每個相鄰純GLC薄膜與摻金屬GLC薄膜兩膜層的總厚度為30nm～80nm。