一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜，是在基底表面构建一个双层薄膜体系，该双层薄膜体系包括附着于基底表面的含氢碳薄膜和附着于碳薄膜表面的WS

【技术实现步骤摘要】
一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜及其制备方法
本专利技术涉及一种复合含氢碳薄膜的制备，尤其涉及一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜及其制备方法，属于固体超滑和摩擦学

技术介绍
近些年来，随着工程技术的发展，设备运行的工况条件也越来越复杂、越来越多样化，对运动部件的低能耗、高可靠和长寿命提出了更高的要求。尤其是在无油润滑的运动副界面，如何降低高摩擦带来的粘着磨损、高温，甚至是摩擦熔焊带来的装备停机等，严重影响了重大工程机械装备的高可靠长寿命运行。超滑，特指摩擦系数处于0.001的状态，其工程化应用有望降低运动副界面的摩擦磨损，不仅减少能耗，更能保障工程机械装备关键运动副的高可靠、长寿命稳定运行。在固体润滑材料中，可工程化应用的所有薄膜材料中，类金刚石薄膜具有最低的摩擦系数，类金刚石薄膜包括非氢四面体碳薄膜、含氢四面体碳薄膜、非晶碳薄膜、非晶含氢碳薄膜。其中，含氢碳薄膜具有较低的摩擦系数，约0.05左右。目前，有关超滑的报道都集中在微观二维层状材料表面，很难实现工程应用。虽然已经有报道可以在工作界面引入石墨烯实现大尺度超滑，但是如何在机械零部件复杂表面制备均匀的二维层状材料仍然是一项挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超滑复合二硫化钨/含氢碳薄膜及其制备方法。本专利技术的超滑二硫化钨/含氢碳薄膜，其特征在于：在基底表面构建一个双层薄膜体系，该双层薄膜体系包括沉积在基底表面的含氢碳薄膜和沉积在碳薄膜表面的WS2薄膜。含氢碳薄膜的含氢量为10~30%，含氢碳薄膜厚度为约1微米；二硫化钨薄膜的厚度小于200nm。超滑二硫化钨/含氢碳薄膜制备方法，是将基底材料经过超声清洗后置入镀膜真空室，抽真空至0.001帕以下，先利用空心阴极等离子体或阳极层离子源辅助等离子体制备含氢碳膜；再利用高功率脉冲磁控溅射技术制备WS2薄膜。采用空心阴极等离子体制备含氢碳薄膜，具体步骤为：（1）通入2Pa的氩气，空心阴极电流300-400A，偏压800V，占空比80%，清洗30分钟，进一步除去工件表面的污染物；（2）将氩气替换为2Pa的5%硅烷混合气，空心阴极电流300A，偏压200-400V，占空比80%，沉积硅粘结层，时间30分钟；（3）30分钟内逐渐通入甲烷，至甲烷和5%硅烷混合气比列为1:1，保持20分钟；（4）关闭5%硅烷混合气，通入相同量的氩气，控制甲烷和氢气的比列为2:1-1:2；沉积90分钟；获得含氢量为10-30%的类金刚石碳薄。采用阳极层离子源辅助制备含氢碳薄膜，具体步骤为：（1）通入3Pa的氩气，阳极层离子源电压1500-2000V，偏压800V，占空比60%，清洗30分钟，进一步除去工件表面的污染物；（2）将氩气替换为2Pa的5%硅烷混合气，阳极层离子源电压1000-1200V，偏压200-400V，占空比60%，沉积硅粘结层，时间40分钟；（3）30分钟内逐渐通入甲烷，至甲烷和5%硅烷混合气比例为1:1，保持20分钟；（4）关闭5%硅烷混合气，通入相同量的氩气，控制甲烷和氢气的比列为2:1-1:2；阳极层离子源电压800-1000V，沉积90分钟；获得含氢量为10-30%的类金刚石碳薄。采用高功率脉冲磁控溅射WS2：溅射靶采用WS2靶，在氩气气氛、气压为0.5-1Pa、溅射靶电压为800V、脉冲波长为1000微秒、脉冲周期为2000微秒的条件下，偏压200V，沉积时间40分钟。二、二硫化钨/含氢碳薄膜的摩擦性能1、在干燥大气环境下的摩擦性能将制备好的碳薄膜在表面清洗干燥后固定在钢片上，将溅射得到的WS2镀膜球与碳薄膜进行CSM摩擦测试。设定实验参数：载荷为3N，频率5Hz，振幅5mm，空气氛围，摩擦时间30min，室温摩擦。通入干燥空气，控制空气通入速率，以控制摩擦湿度从45%逐渐匀速降低至5%，获得CSM摩擦曲线。图2为本专利技术制备的二硫化钨/含氢碳薄膜在大气环境下的超滑摩擦系数图。从图中可以看出，采用本专利技术摩擦配副体系，其摩擦系数低于0.01，最低至0.002。2、在惰性气氛下的摩擦性能将制备好的碳薄膜在表面清洗干燥后固定在钢片上，将溅射得到的WS2镀膜球与碳薄膜进行CSM摩擦测试。设定实验参数：载荷在3~7N范围内，频率5Hz，振幅5mm，氩气氛围，摩擦时间30min，室温摩擦。通入氩气，获得CSM摩擦曲线。图3为本专利技术制备的二硫化钨/含氢碳薄膜在氩气环境超滑摩擦系数图。从图中可以看出，其中5N时摩擦系数为0.002左右，实现了氩气高载荷环境下的宏观超滑。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术由等离子体气相沉积法制备的碳薄膜与高功率脉冲磁控溅射技术制备的WS2薄膜球构成一种含氢碳薄膜-二硫化钨的双层薄膜体系，在摩擦过程中摩擦热的作用下，二硫化钨催化含氢类金刚石碳膜原位生成二维石墨烯，通过二者异质接触形成多相界面非公度接触而实现结构超滑，从而实现了在宏观尺度上的大气和氩气氛围高载荷环境下的超滑；2、本专利技术采用高功率脉冲磁控溅射技术制备WS2薄膜球，该高功率脉冲技术不同于传统的磁控溅射，释放的能量为100~100W/cm2（传统的磁控溅射在单个脉冲的释放的能量为10W/cm2），空比高达30%，瞬间放出的能量是直流脉冲的50-100倍；微脉冲模式在一个周期内可以放出数十乃至数百个脉冲波，组成群波，脉宽1000微秒甚至更高，制备的WS2薄膜球具有更高的有序性；3、本专利技术可以摆脱复杂零部件表面形貌的限制，实现大面积及复杂表面的均一制备，因此，可以将含氢碳薄膜良好的润滑性能升级达到超滑，使得耐磨性能更好，苛刻工况下的润滑性能显著提升，为苛刻工况下的机械部件运行提供了可靠选择。附图说明图1为本专利技术二硫化钨/含氢碳薄膜的结构图。图2为本专利技术二硫化钨/含氢碳薄膜在大气环境下的超滑摩擦系数图。图3为本专利技术二硫化钨/含氢碳薄膜在氩气环境下的超滑摩擦系数图。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术二硫化钨/含氢碳薄膜的制备和摩擦性能作进一步说明。实施例1（1）将基底材料（可以是轴承钢、齿轮钢等）超声清洗，除去锈点和污垢，清洗后检查被镀件表面，确保没有锈点和缺陷后；放入真空镀膜室，抽真空至0.001帕以下，开始镀膜；（2）采用空心阴极等离子体制备含氢碳薄膜，具体步骤为：a.通入2Pa的氩气，空心阴极电流300-400A，偏压800V，占空比80%，清洗30分钟，进一步除去工件表面的污染物；b.将氩气替换为2Pa的5%硅烷混合气，空心阴极电流300A，偏压200-400V，占空比80%，沉积硅粘结层，时间30分钟；c.30分钟内逐渐通入甲烷，至甲烷和5%硅烷混合气比列为1:1，保持20分钟；d.关闭5%硅烷混合气，通入相同量的氩气，控制甲烷和氢气的比例为2:1-1:2，沉积90分钟；获得含氢量为10-30%的，碳薄膜的厚度为约1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜，其特征在于：在基底表面构建一个双层薄膜体系，该双层薄膜体系包括沉积在基底表面的含氢碳薄膜和沉积在碳薄膜表面的WS

【技术特征摘要】
1.一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜，其特征在于：在基底表面构建一个双层薄膜体系，该双层薄膜体系包括沉积在基底表面的含氢碳薄膜和沉积在碳薄膜表面的WS2薄膜。


2.如权利要求1所述一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜，其特征在于：含氢碳薄膜的含氢量为10~30%。


3.如权利要求1所述一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜，其特征在于：含氢碳薄膜厚度小于1微米；二硫化钨薄膜的厚度小于200nm。


4.如权利要求1所述一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜的制备方法，是将基底材料经过超声清洗后置入镀膜真空室，抽真空至0.001帕以下，先利用空心阴极等离子体或阳极层离子源辅助等离子体制备含氢碳膜；再利用高功率脉冲磁控溅射技术制备WS2薄膜。


5.如权利要求4所述一种超滑二硫化钨/含氢碳薄膜的制备方法，其特征在于：采用空心阴极等离子体制备含氢碳薄膜的步骤包括：
（1）通入2Pa的氩气，空心阴极电流300-400A，偏压800V，占空比80%，清洗30分钟，进一步除去工件表面的污染物；
（2）将氩气替换为2Pa的5%硅烷混合气，空心阴极电流300A，偏压200-400V，占空比80%，沉积硅粘结层，时间30分钟；
（3）30分钟内逐渐通入甲烷，至甲烷和5%硅烷混合气比列为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，张俊彦，贾倩，强力，高凯雄，张兴凯，
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