[發明專利]一種高壓干氣密封裝置用分形織構化碳膜的制備方法

有效

• 申請號: 201711360984.4
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN108220911B
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發明（設計）人: 張俊彥;王兆龍;張斌;高凱雄;王永富;王彥
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/513;C23C16/02
• 代理公司: 62002 蘭州中科華西專利代理有限公司
• 代理人: 周瑞華

本發明公開了一種高壓干氣密封裝置用分形織構化碳膜的制備方法。本發明通過分形織構與碳基薄膜相結合的一體化技術，即利用激光加工技術實現織構圖形的構筑；利用等離子增強化學氣相沉積技術來實現碳基薄膜的沉積，通過兩者的協同耦合作用，來實現高壓干氣密封裝置用分形織構化碳膜的制備。本發明所制備的高壓干氣密封裝置用的分形織構化碳膜具有超低摩擦系數、超低磨損、高承載能力、長壽命等優異的綜合性能，可大幅度提高高壓干氣密封的使用壽命。

技術領域

本發明屬于織構化薄膜技術領域，涉及一種高壓干氣密封裝置用分形織構化碳膜的制備方法，可用于動靜環摩擦副的摩擦學性能的改善。

背景技術

織構化薄膜技術綜合了表面圖形化技術和固體薄膜技術的優勢，能夠在很大程度上改善摩擦副的摩擦、磨損及潤滑性能。其適用范圍包括不同的溫度環境和濕度環境、真空及各種氣體環境、不同載荷、速度條件及各種潤滑條件如干摩擦、油潤滑、水潤滑、其它潤滑介質等，在摩擦學技術領域具有很好的應用前景。

雖然表面織構化的科學研究已取得了重要進展，但目前的表面織構化研究主要以單一的規則織構化圖案如凹坑和凹槽為主，缺少對復雜織構的系統研究。

分形織構(織構圖案為分形圖形)相對于一般規則織構而言，其單元間的相互作用比規則織構的更強烈，可以產生更大的流體動壓效應，從而提高負載能力與潤滑條件；分形織構在捕獲磨屑上比規則織構更強，從而防止摩擦副進一步磨損。

激光加工表面具有速度快，與表面物質接觸時間短，對表面其他部位的損傷小加工精度高等特點并且可以通過改變能量等控制織構尺寸，通過改變激光掃描路徑控制織構的形狀，對環境的污染小。

與非晶碳薄膜相比，特殊納米結構的固體潤滑薄膜（如類富勒烯薄結構）通常具有獨特的屬性，如超低摩擦系數和磨損率，相對高的硬度和彈性模量以及好的環境活應性和荷刻條件下的適用性能。

發明內容

本發明針對高壓干氣密封端面摩擦磨損嚴重的問題提供了一種高壓干氣密封裝置用分形織構化碳膜的制備方法。

本發明所述的分形織構碳膜可用于活塞環、潤滑機械部件（如缸套表面）、切削刀具、成形工具（如用于金屬板材成形的輥、冷沖模）和機械端面密封表面。

一種高壓干氣密封裝置用分形織構化碳膜的制備方法，其特征在于將拋光好的基底依次用丙酮、無水乙醇、蒸餾水經超聲波清洗5-15min，并用N₂干燥，利用激光加工技術在基底表面加工出預先設計好的織構圖形；然后把基底在丙酮和無水乙醇中依次超聲波清洗5~15min，用氮氣干燥，快速轉移到真空腔內，將真空腔抽至9.8×10^-4Pa；在沉積前利用脈沖負偏壓進行高強度的Ar氣體離子轟擊清洗，去除基底表面的氧化層和毛刺等；然后沉積類富勒烯結構碳膜，制得高性能的高壓干氣密封用分形織構化類富勒烯結構碳膜。

所述基底為碳化硅、碳化鎢或軸承鋼。

所述激光加工技術的激光波長為1000 nm，脈沖寬度為100 ns，激光功率為49 W，激光脈沖重復頻率為50 kHz，激光器對單個微凹坑織構的持續時間為0.4 ms。

所述織構圖形為二階Sierpinski方毯分形結構，其形成過程為將二階Sierpinski方毯分形結構的原正方形區域平均9等分為9個大小相等的正方形，然后去除中間的正方形區域；將周圍的8個正方形按上述步驟再分別進行9等分，分別去除中間的正方形，按這種構造規則連續構造3次可得所述圖形，其正方形邊長分別為333μm； 111μm；37μm，12μm。正方形的深度為3~12μm。