[發明專利]一種超滑二硫化鎢/含氫碳薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 202010422837.0
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111455386B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 張斌;張俊彥;賈倩;強力;高凱雄;張興凱
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C23C28/04
• 分類號: C23C28/04;C23C14/06;C23C14/35;C23C16/30;C23C16/50
• 代理公司: 蘭州智和專利代理事務所(普通合伙) 62201
• 代理人: 張英荷

本發明公開了一種超滑二硫化鎢/含氫碳薄膜，是在基底表面構建一個雙層薄膜體系，該雙層薄膜體系包括附著于基底表面的含氫碳薄膜和附著于碳薄膜表面的WS₂球薄膜。本發明由等離子體氣相沉積法制備的碳薄膜與高功率脈沖磁控濺射技術制備的WS₂薄膜球構成一種含氫碳薄膜?二硫化鎢的雙層薄膜體系，在摩擦過程中摩擦熱的作用下，二硫化鎢催化含氫類金剛石碳膜原位生成二維石墨烯，通過二者異質接觸形成多相界面非公度接觸而實現結構超滑，從而實現了在宏觀尺度上的大氣和氬氣氛圍高載荷環境下的超滑。

技術領域

本發明涉及一種復合含氫碳薄膜的制備，尤其涉及一種超滑二硫化鎢/含氫碳薄膜及其制備方法，屬于固體超滑和摩擦學技術領域。

背景技術

近些年來，隨著工程技術的發展，設備運行的工況條件也越來越復雜、越來越多樣化，對運動部件的低能耗、高可靠和長壽命提出了更高的要求。尤其是在無油潤滑的運動副界面，如何降低高摩擦帶來的粘著磨損、高溫，甚至是摩擦熔焊帶來的裝備停機等，嚴重影響了重大工程機械裝備的高可靠長壽命運行。

超滑，特指摩擦系數處于0.001的狀態，其工程化應用有望降低運動副界面的摩擦磨損，不僅減少能耗，更能保障工程機械裝備關鍵運動副的高可靠、長壽命穩定運行。在固體潤滑材料中，可工程化應用的所有薄膜材料中，類金剛石薄膜具有最低的摩擦系數，類金剛石薄膜包括非氫四面體碳薄膜、含氫四面體碳薄膜、非晶碳薄膜、非晶含氫碳薄膜。其中，含氫碳薄膜具有較低的摩擦系數，約0.05左右。目前，有關超滑的報道都集中在微觀二維層狀材料表面，很難實現工程應用。雖然已經有報道可以在工作界面引入石墨烯實現大尺度超滑，但是如何在機械零部件復雜表面制備均勻的二維層狀材料仍然是一項挑戰。

發明內容

本發明的目的是提供一種超滑復合二硫化鎢/含氫碳薄膜及其制備方法。

本發明的超滑二硫化鎢/含氫碳薄膜，其特征在于：在基底表面構建一個雙層薄膜體系，該雙層薄膜體系包括沉積在基底表面的含氫碳薄膜和沉積在碳薄膜表面的WS₂薄膜。

含氫碳薄膜的含氫量為10-30%，含氫碳薄膜厚度為約1微米；二硫化鎢薄膜的厚度小于200nm。

超滑二硫化鎢/含氫碳薄膜制備方法，是將基底材料經過超聲清洗后置入鍍膜真空室，抽真空至0.001帕以下，先利用空心陰極等離子體或陽極層離子源輔助等離子體制備含氫碳膜；再利用高功率脈沖磁控濺射技術制備WS₂薄膜。

采用空心陰極等離子體制備含氫碳薄膜，具體步驟為：

（1）通入2Pa的氬氣，空心陰極電流300-400A，偏壓800V，占空比80%，清洗30分鐘，進一步除去工件表面的污染物；

（2）將氬氣替換為2Pa的5%硅烷混合氣，空心陰極電流300A，偏壓200-400V，占空比80%，沉積硅粘結層，時間30分鐘；

（3）30分鐘內逐漸通入甲烷，至甲烷和5%硅烷混合氣比例為1:1，保持20分鐘；

（4）關閉5%硅烷混合氣，通入相同量的氬氣，控制甲烷和氫氣的比例為2:1-1:2；沉積90分鐘；獲得含氫量為10-30%的類金剛石碳薄膜。

采用陽極層離子源輔助制備含氫碳薄膜，具體步驟為：

（1）通入3Pa的氬氣，陽極層離子源電壓1500-2000V，偏壓800V，占空比60%，清洗30分鐘，進一步除去工件表面的污染物；

（2）將氬氣替換為2Pa的5%硅烷混合氣，陽極層離子源電壓1000-1200V，偏壓200-400V，占空比60%，沉積硅粘結層，時間40分鐘；

（3）30分鐘內逐漸通入甲烷，至甲烷和5%硅烷混合氣比例為1:1，保持20分鐘；