[發明專利]一種實現碳薄膜超低摩擦的摩擦催化設計方法

有效

• 申請號: 202011133505.7
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112210417B
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 李瑞云;張俊彥;楊興;侯德良;孫朝杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C10M125/00
• 分類號: C10M125/00;C10M125/02;C10M125/04;C10M103/00;C10M103/02;C10M103/04;B82Y30/00;B82Y40/00;C01B32/19;F16N15/00;C10N30/06;C10N50/08;C10N50/02
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 曹向東

本發明涉及一種實現碳薄膜超低摩擦的摩擦催化設計方法，該方法是指：首先將金屬納米顆粒加入到無水乙醇中，超聲分散得到金屬納米顆粒溶液；然后將金屬納米顆粒溶液旋涂在碳基薄膜表面，即得金屬納米顆粒涂層；最后，采用機械摩擦攪拌，促使碳基薄膜磨屑和金屬納米顆粒混合，即得內嵌金屬納米顆粒外裹石墨烯的類滾珠顆粒涂層。本發明以金屬納米顆粒為催化劑引入到碳基薄膜摩擦界面，通過摩擦催化協同作用改進單一摩擦過程存在的摩擦系數高、環境敏感性等問題。

技術領域

本發明涉及表面工程金屬催化等技術領域，尤其涉及一種實現碳薄膜超低摩擦的摩擦催化設計方法。

背景技術

隨著機械系統的高精密化、高集成化及高可靠性發展，機械系統運動部件的表界面效應越來越突出，對摩擦磨損的要求也越來越苛刻。同時據可靠數據摩擦造成全世界1/3的一次性能源消耗，60%的零部件損壞是由磨損引起的。由兩者導致的直接經濟損失占全國GDP的5%~7%左右。按照5%計算，2019年我國僅因摩擦、磨損導致的損失就高達4.95萬億元。因此進一步減小摩擦、降低磨損、延長運動部件的工作壽命成為潤滑技術的核心問題之一。

固體超滑是指在沒有液體潤滑劑的狀態下，通過固體潤滑或者自潤滑技術，使相互接觸的摩擦副之間具有10^-3量級及以下的摩擦系數。超滑的實現是保證真空環境下運動部件可靠運行的關鍵技術，為摩擦磨損問題的解決帶來了根本途徑，開發具有超低摩擦磨損的體系和建立超滑體系具有極大的經濟價值和社會效益。二維層狀材料（單層石墨烯、二硫化鉬及六方氮化硼）因層間弱的范德華作用及良好的摩擦學性能，是良好的固體潤滑材料，在電化學、機械、航天航空等領域有著廣泛的應用前景，但是存在易氧化、磨損壽命短等缺點。

在性能各異的減摩抗磨材料中，類金剛石碳薄膜（DLC）由于高硬度、優良的耐磨性能、化學惰性以及生物相容性而受到關注，其表面及邊緣懸鍵被鈍化后形成惰性界面，在真空或者惰性環境中，摩擦系數可達10^-3量級，磨損率低至10^-9 mm^-3N^-1m^-1，是目前所觀察到可以應用到實際工況下摩擦系數最低的固體潤滑材料。不足之處在于，只有當類金剛石薄膜中sp²和sp³鍵比例、活性σ鍵以及H含量等滿足一定條件時，才能展現出超滑性能，而且類金剛石碳薄膜的摩擦學性能受到諸多條件（對偶材料、環境氣氛及摩擦過程等）制約。

以往解決類金剛石薄膜摩擦失效問題的方法主要集中在其它元素的摻雜（N、P、S）以及微納結構（類石墨、類富勒烯、碳洋蔥）的引入，但是均不能滿足對潤滑具有極高需求的機械零部件服役要求。如含氫類富勒烯碳薄膜只在大氣環境下可取得優異的摩擦性能（μ~0.008），而真空中摩擦系數較高。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種簡單可行、成本低廉的實現碳薄膜超低摩擦的摩擦催化設計方法。

為解決上述問題，本發明所述的一種實現碳薄膜超低摩擦的摩擦催化設計方法，其特征在于：首先將金屬納米顆粒加入到無水乙醇中，超聲分散30 min得到濃度為0.025~2.5g/L的金屬納米顆粒溶液；然后將所述金屬納米顆粒溶液按8~14滴/2.5 cm²旋涂在氫含量8~20 at.%、表面粗糙度≤5 nm的碳基薄膜表面，所述無水乙醇經真空揮發后，即得均勻分布的金屬納米顆粒涂層；最后，采用機械摩擦攪拌，促使碳基薄膜磨屑和金屬納米顆粒混合，即得內嵌金屬納米顆粒外裹石墨烯的類滾珠顆粒涂層。

所述金屬納米顆粒是指Cu、Ni、Co、Fe中的一種或者兩種的合金顆粒，其粒徑50~200 nm。

所述碳基薄膜是指類富勒烯碳基薄膜、類石墨碳基薄膜、無定形碳基薄膜中的一種。

本發明與現有技術相比具有以下優點：