本发明专利技术公开了一种弹性润滑纳米碳环/无定型碳复合薄膜的制备方法，具体步骤为：对单晶硅片和不锈钢薄片进行等离子体溅射清洗；过渡层沉积，采用多功能复合磁控溅射溅射设备，沉积室内初始温度为25~35 ℃，靶材与基底间距设置为7~14 cm，采用高纯钛靶，依次通入溅射气体氩气、氩气/氮气以及氩气/氮气/甲烷，开启直流电源，在工作压强为0.2~1.0 Pa，电流2.0~4.0 A，基底偏压为‑100 V，占空比为80 %的条件下，依次溅射Ti、TiN、TiCN多层膜作为过渡层；关闭氩气和氮气，保留甲烷，关闭直流电源，开启射频电源，在功率为20~40 W，工作压强为2.5~3.5 Pa，基底偏压为‑1000~‑1200 V，溅射靶材为Ti、Al或Si，沉积单一元素掺杂的碳基薄膜。本发明专利技术制备的薄膜结构致密、表面粗糙度低，在大气环境中具有较低的摩擦系数。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于薄膜材料制备
，涉及一种在室温（无需任何额外热源）和无苯环有机试剂下制备良好韧性和润滑的纳米碳环/无定型碳复合薄膜材料的方法。
技术介绍
碳材料在人类历史的发展中起到了重要作用，时至今日，其优异的物理和化学性质仍然吸引着研究者的注意力。在各种碳材料中，无定型碳是由碳元素无晶粒边界的sp3和sp2杂化位点组成的任意共价网络结构。大量研究已表明，无定型碳可以作为固体润滑材料，用于航天航空、机械制造等领域。在非晶碳基薄膜中掺杂异质元素（Ti、Si、Al等）可以改善其综合性能。因此，为了获得超低摩擦并改善其在恶劣服役条件下的摩擦学适应性，加速其实用化进程，研究者对异质元素掺杂无定型碳基薄膜已进行了大量研究。此外，作为碳材料的重要组成之一，碳纳米管，有着超高的弹性模量（约1TPa）和超常的拉伸强度（20~100GPa范围内）。在已有的报道中，碳纳米管韧性增强的块体材料表现出了杰出的抗断裂行为。但是，由于大体积分数、界面反应和对齐排列问题，碳纳米管韧性增强的薄膜至今无法实现。碳纳米环作为碳纳米管的基本组成单元，具有与碳纳米管相似的性质。与碳纳米管相比而言，碳纳米环具有更小的体积和简单的结构，被期望融入薄膜中显示其独特的机械性质。虽然碳纳米环有着简单的结构，但是其合成仍然是一个巨大的挑战。在大量研究工作的努力下，已有部分科研人员使用具有创新意义的化学合成方法制备出了碳纳米环。需要注意的是，在这些方法中，碳纳米环的合成都涉及到含苯环的有机化学试剂（如环己二烯），而这些试剂的使用最终会产生污染环境的一些副产物。因此，发展一种无苯环有机试剂的合成方法是十分必要的，它能有效地促进碳纳米环的开发和应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种弹性润滑纳米碳环/无定型碳复合薄膜的制备方法。本专利技术采用CH4等离子体自组装的方法，通过在较高压强和偏压的条件下迫使带电荷的CxHyn+之间相互发生碰撞，形成带电的苯环（C6Hzn+）。而当两个带电的苯环在等离子体群体中相遇，将发生串联Suzuki耦合/大环化序列反应。这个反应将随着其它带电荷的苯环加入而持续反应，直到碳纳米环的生成。同时，在这个过程中，大部分未参加成环的CxHyn+直接转换成了无定型碳。本专利技术制备的纳米碳环/无定型碳复合薄膜结构致密，表面光滑，具有良好的弹性及润滑性能。一种弹性润滑纳米碳环/无定型碳复合薄膜的制备方法，其特征在于在室温下采用多功能复合磁控溅射设备、利用CH4等离子体自组装技术制备纳米碳环/无定型碳复合薄膜，具体操作步骤如下：1）用无水乙醇和丙酮超声清洗单晶硅片和不锈钢薄片，干燥处理后置于沉积室内，抽真空至3×10-3Pa以下，以氩气为溅射气体，在脉冲偏压为-1100V、压强为1.0~2.0Pa的条件下进行20~30min的等离子体溅射清洗；2）过渡层沉积，沉积室内初始温度为25~35℃，靶材与基底间距设置为7~14cm，采用高纯钛靶，依次通入溅射气体氩气、氩气/氮气以及氩气/氮气/甲烷，开启直流电源，在工作压强为0.2~1.0Pa，电流2.0~4.0A，基底偏压为-100V，占空比为80%的条件下，依次溅射Ti、TiN、TiCN多层膜作为过渡层，溅射时间15~20min；3）关闭氩气和氮气，保留甲烷作为溅射气体，关闭直流电源，开启射频电源，在功率为20~40W，工作压强为2.5~3.5Pa，基底偏压为-1000~-1200V，溅射靶材为Ti、Al或Si，沉积单一元素掺杂的碳基薄膜，沉积时间在3.0~3.5h，沉积结束后，沉积室内温度不高于90℃。所述过渡层的厚度为1.0±0.2μm；碳基薄膜的厚度为1.0±0.3μm，复合薄膜的总厚度为2.0±0.3μm。本专利技术所制备的弹性润滑纳米碳环/无定型碳复合薄膜具有如下结构和性能：1、所述弹性润滑纳米碳环/无定型碳复合薄膜主要由两部分组成：厚度为1.0±0.2μm的Ti/TiN/TiCN多层过渡层和厚度为1.0±0.3μm的碳基薄膜；2、所述薄膜的结构致密、和基底结合牢固、表面粗糙度小于1.5nm，弹性恢复率（We）大于65%；3、所述薄膜在大气环境中具有优异的摩擦学性能，摩擦系数低至0.028，磨损率小于4×10-7mm3/（Nm）。本专利技术所制备的纳米碳环/无定型碳复合薄膜具有以上优点的原因在于：在沉积过程中较高的压强使得分子间的距离减小，等离子体和分子碰撞几率大幅增加，成膜的活性离子增加使得薄膜生长速率增加，而离子能量的降低使高能离子轰击造成的刻蚀速率降低，因此，薄膜有较高的沉积速率；对基底施加高的负偏压，提高了原子在薄膜表面扩散和参与化学反应的能力，提高了薄膜的致密度与成膜能力；同时，在沉积过程中自组装形成的纳米碳环具有优异的韧性和很弱的切变强度，融入薄膜中可以增强薄膜的韧性和摩擦学性能。附图说明图1为本专利技术实施例1所述复合薄膜的透射电子显微镜及其放大图像。图2为本专利技术实施例1所述复合薄膜拉曼图谱。图3为本专利技术实施例2所述复合薄膜的位移-载荷曲线图。图4为本专利技术实施例3所述复合薄膜的在空气中的摩擦系数曲线。具体实施方式为更好的理解本专利技术，现结合下述实施方式进一步说明本专利技术。实施例1清洗基底：用无水乙醇和丙酮溶液超声清洗单晶硅片和不锈钢薄片，干燥处理后放置于沉积室内。沉积前处理：抽真空至2×10-3Pa以下，以氩气为溅射气体，在占空比为80%，脉冲偏压为-1100V的条件下对基底进行等离子体溅射清洗20min，以除去表面氧化层和杂质。沉积：采用高纯钛靶，依次通入溅射气体氩气、氩气＋氮气及氩气＋氮气＋甲烷，开启直流电源，在工作压强为0.4~1.0Pa，直流电流2A，基底偏压-100V，占空比为80%的条件下沉积多层过渡层Ti/TiN/TiCN，过渡层沉积时间为15min。过渡层沉积结束后，关闭氩气和氮气，保留甲烷作为溅射气体，关闭直流电源，开启射频电源，功率设置为20W，在工作压强为3.0Pa，基底偏压为-1100V，占空比为80%的条件下进行Ti掺杂的碳基薄膜的沉积，沉积时间为3.2h，得到一系列的纳米碳环/无定型碳复合薄膜。利用场发射扫面电子显微镜对复合薄膜的截面和表面进行观察，其膜厚（包括过渡层）为1.7μm，表面光滑、结构致密。其透射电子显微镜图像及其放大图像如图1所示，复合薄膜显示出典型的无定型结构，在其放大图像中可以明显观察到一些环状结构的存在。复合薄膜的拉曼图谱如图2所示，碳纳米环和无定型碳的特征峰明显存在于此类薄膜中。原子力显微镜测得复合薄膜表面粗糙度为1.051nm。纳米压痕实验结果表明其硬度（H）和弹性模量（E）分别为10.04和89.0GPa，弹性恢复率（We）为66.0%。在大气摩擦测试中，此类薄膜的平均摩擦系数0.028，磨损率为3.5×10-7mm3/（Nm）。实施例2如实施例1所述，在碳层沉积时将射频功率调节为40W。利用场发射扫面电子显微镜观察薄膜截面及表面，其厚度为2.07μm，表面光滑、结构致密。拉曼结果表明，复合薄膜具有碳纳米环和无定型碳的特征峰。利用原子力显微镜测得薄膜表面粗糙度为0.389nm。根据纳米压痕实验结果，所得复合薄膜的硬度和弹性模量分别为11.36和87.8GPa，弹性恢复率（We）为69.0本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种弹性润滑纳米碳环/无定型碳复合薄膜的制备方法，其特征在于在室温下采用多功能复合磁控溅射设备、利用CH4等离子体自组装技术制备纳米碳环/无定型碳复合薄膜，具体操作步骤如下：1）用无水乙醇和丙酮超声清洗单晶硅片和不锈钢薄片，干燥处理后置于沉积室内，抽真空至3×10‑3 Pa以下，以氩气为溅射气体，在脉冲偏压为‑1100 V、压强为1.0~2.0 Pa的条件下进行20~30 min的等离子体溅射清洗；2）过渡层沉积，沉积室内初始温度为25~35 ℃，靶材与基底间距设置为7~14 cm，采用高纯钛靶，依次通入溅射气体氩气、氩气/氮气以及氩气/氮气/甲烷，开启直流电源，在工作压强为0.2 ~1.0 Pa，电流2.0~4.0 A，基底偏压为‑100 V，占空比为80 %的条件下，依次溅射Ti、TiN、TiCN多层膜作为过渡层，溅射时间15~20 min；3）关闭氩气和氮气，保留甲烷作为溅射气体，关闭直流电源，开启射频电源，在功率为20~40 W，工作压强为2.5~3.5 Pa，基底偏压为‑1000~‑1200 V，溅射靶材为Ti、Al或Si，沉积单一元素掺杂的碳基薄膜，沉积时间在3.0~3.5 h，沉积结束后，沉积室内温度不高于90 ℃。...
【技术特征摘要】
1.一种弹性润滑纳米碳环/无定型碳复合薄膜的制备方法，其特征在于在室温下采用多功能复合磁控溅射设备、利用CH4等离子体自组装技术制备纳米碳环/无定型碳复合薄膜，具体操作步骤如下：1）用无水乙醇和丙酮超声清洗单晶硅片和不锈钢薄片，干燥处理后置于沉积室内，抽真空至3×10-3Pa以下，以氩气为溅射气体，在脉冲偏压为-1100V、压强为1.0~2.0Pa的条件下进行20~30min的等离子体溅射清洗；2）过渡层沉积，沉积室内初始温度为25~35℃，靶材与基底间距设置为7~14cm，采用高纯钛靶，依次通入溅射气体氩气、氩气/氮气以及氩气/氮气/甲烷，开启直流电源，在工作压强为0.2...
【专利技术属性】
技术研发人员：郝俊英，韩熙，郑建云，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62
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