[發(fā)明專利]通過納米金屬鍍膜鋼球與含氫碳薄膜配副實現(xiàn)宏觀超滑的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010774380.X
• 申請日: 2020-08-04
• 公開（公告）號: CN111876754A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設計）人: 張俊彥;賈倩;張斌;張興凱;于元烈
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C23C16/50
• 分類號: C23C16/50;C23C16/26;C25D3/48;C25D7/00;C25D3/50;C25D3/12
• 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(fā)明公開了一種通過納米金屬鍍膜鋼球與含氫碳薄膜配副實現(xiàn)宏觀超滑的方法，是以納米金屬鍍膜鋼球與含氫量25~30%的類金剛石薄膜作為配副，摩擦過程中，在接觸界由于摩擦化學反應產(chǎn)一種能夠形成非公度接觸的轉移膜，從而實現(xiàn)宏觀工程超滑。

技術領域

本發(fā)明涉及一種通過納米金屬鍍膜鋼球與含氫碳薄膜配副實現(xiàn)宏觀超滑的方法，屬于固體超滑和摩擦學領域。

背景技術

資源和能源消耗是人類社會面臨的重大難題。尤其是對運動的機械系統(tǒng)來說，高的摩擦不僅導致能源消耗，更影響設備的高可靠長壽命運行。類金剛石碳薄膜作為一種高性能固體潤滑薄膜，其摩擦系數(shù)在0.05-0.1數(shù)量級，雖然相對傳統(tǒng)的氮化鈦等薄膜，摩擦系數(shù)已經(jīng)有了大幅度降低，但是，對于未來發(fā)展的深海站、空間站等系統(tǒng)，其機械系統(tǒng)運行壽命成為制約長期服役的關鍵。

超滑，特指摩擦系數(shù)處于0.001量級或者更低的摩擦狀態(tài)。超滑技術被認為是二十一世紀的顛覆性技術，其工程應用有望解決航天、真空、深海站等機械運動系統(tǒng)的全周期服役問題。類金剛石碳薄膜的超滑主要集中在真空方面，如美國阿貢實驗室發(fā)展了一種高含氫碳薄膜（40%含氫）（Applied Physics Letters 2001，78(17):2449-2451），但其只能在真空條件下實現(xiàn)超滑，難以工程應用。因此，如何實現(xiàn)工程超滑，仍然是一項技術難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種通過納米金屬鍍膜鋼球與含氫碳薄膜配副實現(xiàn)宏觀工程超滑的方法。

本發(fā)明實現(xiàn)宏觀工程超滑的方法，是以納米金屬鍍膜鋼球與含氫量24-30%的類金剛石薄膜作為配副，摩擦過程中通過納米金屬的催化作用發(fā)生摩擦化學反應，在接觸界面形成非公度接觸的納米石墨烯轉移膜，從而實現(xiàn)宏觀超滑。

所述納米金屬鍍膜鋼球的基底為GCr15軸承鋼、440c不銹鋼鋼球。納米金屬鍍膜為納米鍍金膜、納米鍍鉑膜、納米鍍鈷膜。納米金屬鍍膜可以通過電鍍方式在鋼球表面沉積。納米金屬鍍膜的厚度為600~800nm。

所述含氫量24-30%的類金剛石薄膜是通過等離子化學氣相沉積法或或反應磁控濺射法在基材表面沉積制得。類金剛石薄膜的厚度為700~1000nm。

將上述獲得的納米金屬鍍膜與類金剛石薄膜在CSM摩擦機上進行摩擦學性能檢測實驗：摩擦氣氛環(huán)境為氬氣，該過程注意控制濕度在5%左右，選擇頻率為5Hz，摩擦時間控制在30min，分別在1N、3N、5N、7N、10N載荷下進行實驗，結果發(fā)現(xiàn)納米金屬鍍膜在3N時球摩擦系數(shù)最低，為0.0019（見圖2），實現(xiàn)了在氬氣氛圍下的超滑。

圖3 為本發(fā)明納米金屬鍍膜鋼球與摩擦對偶面類金剛石薄膜在摩擦過程中摩擦界面的高分辨電鏡照片。可以看出，納米金屬鍍膜鋼球與摩擦對偶面含氫量24-30%的類金剛石薄膜在摩擦過程中，非晶碳薄膜轉變?yōu)楦佑行虻亩鄬邮┙Y構。由于納米金屬的催化作用，在摩擦界面形成納米石墨烯轉移膜，而非公度接觸的納米石墨烯是實現(xiàn)界面超滑的根本原因。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明所實現(xiàn)宏觀工程超滑的示意圖。

圖2 為本發(fā)明不同金屬膜球的最優(yōu)摩擦系數(shù)圖。

圖3 為本發(fā)明摩擦界面的高分辨電鏡照片。

具體實施方式

實施例1

（1）GCr15軸承鋼（直徑6mm），分別用四氯甲烷和無水乙醇超聲30min，除去鋼球表面的污垢雜質(zhì)，清洗后檢查鋼球已清洗干凈，準備用于鍍膜；