[發明專利]一種超滑納米硫復合含氫碳膜制備方法

有效

• 申請號: 202010424053.1
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111424249B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 張斌;賈倩;張俊彥;高凱雄
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/34;C23C14/06;C23C14/58
• 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納米硫復合含氫碳膜制備方法，是采用高功率磁過濾電弧離子鍍方法方式獲得含氫量20?23%的含氫碳膜，再在含氫碳膜上生長納米硫薄膜或者注入納米硫，最終納米硫復合含氫碳膜。由于納米硫粉的弱作用力，使得的復合膜能有效減小摩擦界面間的剪切力，在摩擦過程中有效的降低摩擦系數，實現宏觀尺度上（在干燥/潮濕空氣）氛圍下的穩定超滑。摩擦性能實驗表明，本發明制備的納米硫粉復合含氫碳薄膜在宏觀尺度氛圍下的的摩擦系數低至0.0036，可以實現穩定超滑，為工程應用提供基礎數據和思路。另外，本發明制備納米硫粉復合碳膜的方法簡單，效率高，而且對實驗設備要求不高。

技術領域

本發明涉及一種超滑復合含氫碳薄膜的制備方法，尤其涉及一種在含氫碳薄膜上生長納米硫粉制備超滑薄膜超滑復合含氫碳薄膜的方法，屬于復合材料領域和摩擦學技術領域。

背景技術

摩擦是兩摩擦表面間存在的阻礙相對運動的一種現象；磨損是摩擦導致的結果；潤滑是控制摩擦面間摩擦、磨損的重要措施。因此，研發摩擦系數更低的、具有更佳潤滑性能的材料，是降低摩擦磨損的關鍵。近年來，許多機械系統對表面和界面性能的要求越來越高，表面設計與制造技術急需進一步改進，現有的潤滑材料摩擦系數均＞0.01，對節能減排戰略的實施和機械系統的創新設計都造成了很大的制約。

潤滑材料越來越追求低摩擦甚至“零摩擦”也就是超滑，既摩擦系數處于0.001或者更低的狀態。超滑的實現將為節能減排和機械系統的設計提供新的途徑和思路，大幅度延長機械系統的使用壽命。

納米碳材料由于具有獨特的力學性能已成為摩擦學應用研究的熱點，因此，超滑一開始被觀測到是在微觀尺度上，如石墨烯、納米石墨等。但是，截止今天，微觀尺度的超滑難以實現工程應用，宏觀材料存在局限性，對環境具有較大的依賴性。

含氫碳膜是目前研究最為廣泛的宏觀超滑的材料之一，但是含氫碳薄膜的超滑只能在惰性氣氛下實現，且要求含氫量大于40%，導致獲得的含氫碳薄膜機械性能弱化，限制了其廣泛的工業應用。因此，對含氫碳薄膜進行改性，實現跨環境超滑性能時本領域人員追求的目標和研發的方向。

發明內容

本發明的目的是提供一種超滑納米硫復合含氫碳膜制備方法。

一、納米硫粉復合含氫碳薄膜的制備

本發明制備納米硫粉復合含氫碳薄膜的方法，是在含氫碳膜上生長一層納米硫粉，納米硫粉的弱作用力使得摩擦界面的剪切力下降而降低摩擦系數，從而實現復合含氫碳薄膜的超滑性能。具體方法如下：

（1）含氫碳薄膜的制備

高功率磁過濾電弧離子鍍制備氫碳薄膜的工藝：高功率磁過濾電弧濺射石墨沉積純碳薄膜過程中通入氫氣獲得含氫碳薄膜。具體為：將清洗干凈的基底置入真空室，抽真空至1×10^-3Pa，沖入氬氣1Pa，打開磁過濾Cr金屬電弧，電流偏壓200V，沉積10分鐘；然后打開磁過濾石墨電弧，脈沖電流500A，脈沖寬度500微秒，沖入氫氣，氬氣和氫氣的氣壓比為1:1~1:3，在氣壓1Pa，偏壓100V，沉浸80分鐘，獲得含氫碳薄膜。含氫碳薄膜的含氫量為10~30%。含氫碳薄膜厚度為790~850nm。

所述基底為不銹鋼、工具鋼、硅片。

為了便于二納米硫粉更好的在碳膜表面生長，對獲得的含氫碳膜進行親水性處理：將含氫碳薄膜置于濃硫酸/高錳酸鉀混合溶液中處理4~5h，使碳膜表面羥基化；處理完成后用純水完全沖洗干凈，烘干；其中濃硫酸/高錳酸鉀混合溶液為：15ml濃硫酸與1ml濃度1mol/L 高錳酸鉀溶液混合。

（2）納米硫粉復合含氫碳薄膜的制備

將納米硫粉超聲分散于乙醇中配置成質量濃度0.025~0.1%的納米硫粉溶液，然后將納米硫粉溶液均勻地涂抹在含氫碳薄膜上，并在室溫下自然風干，即得超滑納米硫粉復合含氫碳超滑薄膜。