类金刚石碳基涂层、复合涂层及其制备方法技术

本申请涉及一种类金刚石碳基涂层、复合涂层及其制备方法，所述类金刚石碳基涂层包括碳、氢和掺杂元素，所述掺杂元素包括弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素和非金属元素；其中，所述类金刚石碳基涂层中，以碳和掺杂元素的原子总量计，碳的原子百分比含量为70％～90％，以掺杂元素的原子总量计，弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～70％，以除弱碳化物形成金属元素外其余掺杂元素的原子总量计，强碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～80％。该涂层兼具低的摩擦系数和高的硬度，能在低温宽温域范围、潮湿大气下实现超滑。气下实现超滑。气下实现超滑。

【技术实现步骤摘要】
类金刚石碳基涂层、复合涂层及其制备方法


[0001]本申请涉及固体润滑涂层材料制备
，特别是涉及一种类金刚石碳基涂层、复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着航空、航天技术的不断发展，大型装备常面临高低温、多气氛等复杂环境的考验，这些复杂环境对机构运动副的润滑提出了重大挑战。机械零部件在空间运行过程中受到低温、多气氛环境的影响，使得油、脂不再是理想的润滑材料，所以固体润滑剂常被应用于在这种复杂环境下运行的运动副上。
[0003]类金刚石碳基涂层是一种常见的固体润滑材料，由石墨结构的sp2杂化碳原子和金刚石结构的sp3杂化碳原子相互混杂而成，通常具有高硬度、低摩擦磨损的特点。含氢类金刚石碳基涂层根据其sp2、sp3和H成分的比例不同可以得到性能不同的类金刚石碳基涂层。因此含氢类金刚石碳基涂层具有较宽的摩擦系数范围、硬度范围和温度应用范围等。研究者已经通过如氢钝化、形成高质量转移膜、剪切局域化、添加二维材料纳米添加剂等方式使类金刚石碳基涂层实现了超滑(摩擦系数小于0.01)，然而这种超滑状态依赖于特定的气体氛围环境及温度范围，在含有活泼氧分子及水蒸气的潮湿大气环境、较低的温度(低至
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80℃)下却难以实现超滑。
[0004]元素掺杂是一种常见的提高涂层结合强度、环境适应性及摩擦性能的方法，有望实现但是，目前的单一元素掺杂在提高涂层一种性能的同时，往往会对另一种性能带来负面作用：如掺杂Cr或Ti元素在提高结合力的同时往往会使得涂层的摩擦性能降低，掺杂Al或Ag元素在降低涂层内应力的同时也会削弱其机械性能(如硬度、弹性模量等)。目前研究报道中通过元素掺杂获得的类金刚石碳基涂层尚不能兼顾摩擦性能和机械性能，无法做到超滑类金刚石碳基涂层的工程应用推广。
[0005]因此，如何制备出一种能在低温宽温域范围、潮湿大气下实现超滑的类金刚石碳基涂层仍是亟需解决的关键技术问题。

技术实现思路

[0006]基于此，有必要提供一种能在低温宽温域范围、潮湿大气下实现超滑的类金刚石碳基涂层及其制备方法，能够同时兼具优异的摩擦性能和机械性能。
[0007]本申请的一个方面，提供了一种类金刚石碳基涂层，其特征在于，组成元素包括碳、氢和掺杂元素，所述掺杂元素包括弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素和非金属元素；
[0008]在所述类金刚石碳基涂层中，以碳、氢和掺杂元素的原子总量计，碳的原子百分比含量为70％～90％，以掺杂元素的原子总量计，弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～70％，以除弱碳化物形成金属元素外其余掺杂元素的原子总量计，强碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～80％。
[0009]在其中一个实施例中，所述弱碳化物形成金属元素选自以下情况中的任意一种：
[0010](a)Al；
[0011](b)Al和Ag的组合；
[0012](c)Al和Au的组合；
[0013](d)Al和Cu的组合；
[0014]其中，(b)、(c)、(d)中Al元素的原子百分比含量为70％～90％。
[0015]在其中一些实施例中，所述强碳化物形成金属元素选自Cr、Ti或W中的至少一种。
[0016]在其中一些实施例中，所述非金属元素选自Si。
[0017]本申请的另一个方面，提供一种复合涂层，包括：
[0018]基体结合层，布置在基体上；
[0019]硬质强化层，布置在所述基体结合层上；
[0020]梯度层，布置在所述硬质强化层上；以及
[0021]摩擦作用层，布置在所述梯度层上；
[0022]其中，所述硬质强化层材料为氮化物，所述梯度层材料为碳含量、氮含量呈梯度变化的碳氮化物，所述摩擦作用层为所述的类金刚石碳基涂层。
[0023]在其中一些实施例中，所述的复合涂层还包括下述技术特征中的至少一种：
[0024]所述基体结合层的材料为Cr、Ti、AlCrSi或AlTiSi中的任意一种；
[0025]所述硬质强化层的材料为Cr、Ti、AlCrSi或AlTiSi中的任意一种的氮化物。
[0026]在其中一些实施例中，自靠近所述硬质强化层端至靠近所述摩擦作用层端，所述过渡层材料的氮含量梯度降至零，碳含量梯度增至与所述摩擦作用层中的碳含量相同。
[0027]在其中一些实施例中，所述摩擦作用层的厚度为所述复合涂层厚度的50％～80％。
[0028]在其中一些实施例中，所述的复合涂层还包括下述技术特征中的至少一种：
[0029]所述基体结合层厚度为300nm～800nm；
[0030]所述硬质强化层厚度为100nm～300nm；
[0031]所述梯度层厚度为100nm～300nm；
[0032]所述摩擦作用层厚度为500nm～2000nm。
[0033]在其中一些实施例中，所述复合涂层在20℃，相对湿度0.5％条件下，摩擦系数不大于0.01；所述复合涂层在20℃，相对湿度52％条件下，摩擦系数不大于0.01；所述复合涂层在
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80℃氮气条件下，摩擦系数不大于0.01。
[0034]在其中一些实施例中，所述复合涂层纳米硬度不小于9GPa。
[0035]本申请的还一个方面，提供一种复合涂层的制备方法，所述基体结合层、硬质强化层、梯度层以及摩擦作用层中的至少一层通过高功率脉冲磁控溅射沉积制成。
[0036]在其中一些实施例中，溅射沉积参数为：脉冲电压500V～900V，脉冲长度50μs～200μs，脉冲频率50Hz～200Hz，制备基体结合层的基体偏压为500V～900V，制备硬质强化层、梯度层以及摩擦作用层的基体偏压为50V～200V。
[0037]与现有技术相比，本申请至少具有以下有益效果：
[0038]本申请提供的类金刚石碳基涂层，通过加入特定比例的弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素和非金属元素使得涂层兼具优异的摩擦和机械性能。弱碳化物形成
金属元素可以诱导涂层加速石墨化，即诱导涂层中碳原子呈sp2杂化结构(石墨结构)，从而获得低的摩擦系数，其还具有降低涂层内应力和提高其韧性的作用；而强碳化物形成金属元素可以诱导涂层中碳原子呈sp3杂化结构(金刚石结构)，从而获得高的硬度；进一步非金属元素可以与水分子结合形成低剪切的水合物，从而降低对潮湿大气环境的敏感性。在摩擦过程中，非金属元素形成的水合硅胶优先与对磨副结合形成转移膜，使得被氧化的弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素与对磨副隔离开，且逐渐被转移膜表层的石墨层包裹起来进一步减小摩擦。通过特定比例的弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素和非金属元素的协同作用，可以使得类金刚石碳基涂层在低温宽温域范围、潮湿大气环境下的摩擦系数降低至超滑水平的同时还可以兼具高的硬度。
[0039]本申请进一步提供的复合涂层，包括依次层叠的基体结合层、硬质强化层、梯度层和类金刚石碳基涂层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种类金刚石碳基涂层，其特征在于，组成元素包括碳、氢和掺杂元素，所述掺杂元素包括弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素和非金属元素；在所述类金刚石碳基涂层中，以碳和掺杂元素的原子总量计，碳的原子百分比含量为70％～90％，以掺杂元素的原子总量计，弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～70％，以除弱碳化物形成金属元素外其余掺杂元素的原子总量计，强碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～80％。2.根据权利要求1所述的类金刚石碳基涂层，其特征在于，所述弱碳化物形成金属元素选自以下情况中的任意一种：(a)Al；(b)Al和Ag的组合；(c)Al和Au的组合；(d)Al和Cu的组合；其中，(b)、(c)、(d)中Al元素的原子百分比含量为70％～90％。3.根据权利要求1所述的类金刚石碳基涂层，其特征在于，所述强碳化物形成金属元素选自Cr、Ti或W中的至少一种。4.根据权利要求1所述的类金刚石碳基涂层，其特征在于，所述非金属元素选自Si。5.一种复合涂层，其特征在于，包括：基体结合层，布置在基体上；硬质强化层，布置在所述基体结合层上；梯度层，布置在所述硬质强化层上；以及摩擦作用层，布置在所述梯度层上；其中，所述硬质强化层材料为氮化物，所述梯度层材料为碳含量、氮含量呈梯度变化的碳氮化物，所述摩擦作用层为如权利要求1～4所述的类金刚石碳基涂层。6.根据权利要求5所述的复合涂层，其特征在于，还包括下述技术特征中的至少一种：所述基体结合层的材料为Cr、Ti、AlCrSi或AlTiSi中的任意一种；所述硬质强化层的材料为Cr、Ti、AlC...

【专利技术属性】
技术研发人员：马全胜，马天宝，付永强，崔文岩，王紫丹，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：