一种掺银铜类石墨纳米多层膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺银铜类石墨纳米多层膜及制备方法，多层膜包括依次沉积在基底上的纯Cr结合层、Ag+Cu/GLC复合膜和类石墨膜。制备方法包括在磁控溅射反应室内，在四个垂直于水平面并相互呈90度方向安一个石墨靶、一个Cr靶、一个Cu靶和一个Ag靶，Cu靶和Ag靶呈180

【技术实现步骤摘要】
一种掺银铜类石墨纳米多层膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及表面处理
，具体涉及一种掺银铜类石墨纳米多层膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]类石墨薄膜(GLC)是一种无定形碳，通常由氢，碳sp2和sp3化轨道组成，因此，调控sp2键与sp3键的比例可以调控GLC薄膜的性能，从而获得不同工况环境的应用，如在机械和光学领域。GLC薄膜因其独特的特性，如高耐磨性、低摩擦因数、高硬度、生物相容性和化学惰性等。其摩擦特性对机械系统的效率、耐久性产生了巨大的积极影响，如磁性硬盘、滑动或滚动接触轴承、齿轮、机械密封、耐刮擦玻璃、侵入性和可植入性医疗设备、微机电系统等。
[0003]然而，限制薄膜厚度的高压缩应力是GLC薄膜的主要缺点。降低应力的方法之一是在薄膜中引入不同的成分。金属或非金属掺杂是较为常用的手段，可以通过掺杂元素改善GLC薄膜粘附性、热稳定性、韧性、硬度和弹性模量。例如具体表现为，掺入金属(Ti、Mo、Cr、W、Au、Ag、Al)可以通过调节GLC薄膜中sp2、sp3键的比例，降低薄膜内应力，提高附着力和摩擦学性能，并作为一个新的领域越来越受到关注。公开号为CN105644059A的中国专利申请文献中公开了一种磁控溅射含银超低摩擦系数类石墨碳膜的制备方法，其先处理基体表面是一个完全清洁的表面；再将镶嵌有Ag和Y镶块的碳靶和Cr靶安装在炉体内部，然后通过溅射的方法先基体表面处理，再溅射Cr缓冲层，最后Cr靶和碳靶同时溅射，得到含银超低摩擦系数类石墨碳膜；其制备工艺简单，所制备的膜层具有低的内应力，膜层均匀致密，耐磨性好，缓冲层Cr可以提高超低类石墨碳膜膜基结合强度，塑性软质元素Ag的添加，降低了超低摩擦系数类石墨碳膜的摩擦系数，Y元素加入，提高了膜层致密性、承载能力及高温耐磨性，但是Y为稀有金属，成本较高，限制了其应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于提供了一种成本低且具有良好的耐摩损性能和低摩擦系数的掺杂类石墨纳米多层膜及其制备方法。
[0005]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
[0006]一种掺银铜类石墨纳米多层膜，包括依次沉积在基底上的纯Cr结合层、Ag+Cu/GLC复合膜和类石墨膜；所述Ag+Cu/GLC复合膜为掺杂银和铜的类石墨膜。
[0007]有益效果：本专利技术中掺银铜类石墨纳米多层膜具有优异的摩擦学性能，一方面是由于Ag具有面心立方结构，Ag纳米粒子的弹性模量要明显小于GLC，从而可以吸收来自GLC矩阵的压缩应力。同时，掺Ag、Cu可以增加复合膜的韧性，并且可以减少纳米微晶与基体之间结合键的形成。另一方面，在硬质金属表面上掺杂具有低剪切强度的软金属Ag、Cu可以改善接触界面，并降低由于相对滑移过程中塑性流动引起的摩擦系数。
[0008]优选地，所述基底为不锈钢基底；所述Ag+Cu/GLC复合膜是以金属Ag靶、金属Cu靶、
纯石墨靶为溅射靶材，同时溅射沉积得到的。
[0009]优选地，所述纯Cr结合层的厚度为100
‑
150nm；所述Ag+Cu/GLC复合膜的厚度为1
‑
2μm；所述类石墨膜的厚度为150
‑
200nm。
[0010]优选地，所述Ag+Cu/GLC复合膜中，Ag+Cu的原子百分含量≤10％。
[0011]优选地，所述Ag+Cu/GLC复合膜中，Ag、Cu的原子百分含量比为2
‑
6：2
‑
4。
[0012]本专利技术还提出一种所述的掺银铜类石墨纳米多层膜的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1、在磁控溅射反应室内，在四个垂直于水平面并相互呈90度方向安置一个纯石墨靶、一个金属Cr靶、一个金属Cu靶和一个金属Ag靶，其中金属Cu靶和金属Ag靶呈180
°
间隔放置；在磁控溅射反应室内的转架台上，放置基底；
[0014]S2、对磁控溅射反应室进行抽真空处理，通入纯氩气，以金属Cr靶为溅射靶材溅射清洗靶材和基底；
[0015]S3、在氩气氛围中，以金属Cr靶为溅射靶材在基底上溅射沉积得到纯Cr结合层；
[0016]S4、通入氮气，以金属Ag靶、金属Cu靶、纯石墨靶为溅射靶材，同时溅射沉积得到Ag+Cu/GLC复合膜；然后以石墨靶为溅射靶材溅射沉积得到类石墨膜。
[0017]优选地，在S1中，所述转架台转速调整为5rpm，基底与靶材间的距离调整为8
‑
12cm。
[0018]优选地，在S2中，对磁控溅射反应室进行抽真空处理至2.0
×
10
‑4Pa；通入纯氩气的流量为40sccm；在溅射清洗过程中，金属Cr靶电流为0.3A、负偏压200V，清洗时间为20min。
[0019]优选地，在S3中，通入氩气保持氩气氛围，氩气的流量为25sccm，在溅射沉积过程中，金属Cr靶电流为2A，负偏压为80
‑
120V，基底温度为80℃，沉积时间为100
‑
150min。
[0020]优选地，S4具体包括以下步骤：通入氮气，将氮气流量控制在7.5sccm，关闭Cr靶电流，将金属Ag靶的电流从0A逐渐上升到1A、负偏压30
‑
70V，将金属Cu靶的电流从0A逐渐上升到6A、负偏压170
‑
230V，纯石墨靶的电流从0A逐渐上升到2A，负偏压90
‑
130V，同时溅射沉积得到Ag+Cu/GLC复合膜，然后用2A的石墨靶电流、负偏压90
‑
130V，溅射沉积得到类石墨膜。
[0021]优选地，在S4中，溅射沉积得到Ag+Cu/GLC复合膜的过程中，沉积时间为300
‑
450min，基底温度为80℃；溅射沉积得到类石墨膜的过程中，沉积时间为150
‑
250min，基底温度为80℃。
[0022]本专利技术的优点在于：
[0023](1)具有较低的摩擦系数；一方面是由于Ag具有面心立方结构，Ag纳米粒子的弹性模量要明显小于GLC，从而可以吸收来自GLC矩阵的压缩应力。同时，掺Ag、Cu可以增加复合膜的韧性，并且可以减少纳米微晶与基体之间结合键的形成，而Cu含量较高的Cu/DLC复合薄膜具有较高的sp2键分数和较低的内应力，这导致薄膜更好地粘附在基体上；另一方面，在硬质金属表面上掺杂具有低剪切强度的软金属Ag、Cu可以改善接触界面，并降低由于相对滑移过程中塑性流动引起的摩擦系数。
[0024](2)具有良好的耐摩损性能；在配备有真空室的圆盘式摩擦计上进行的球形摩擦和磨损试验中，配合球的接触表面上可以观察到明显的转移膜，并且在转移膜周围散布有一些大小不同的松散颗粒状磨损碎屑，配合球上的转移膜相对富含Ag、Cu原子，有效地支撑负载和减少磨损。说明Ag、Cu原子从本体扩散到磨损区域并形成转移膜，作为固体润滑剂的转移膜防止了对应物之间的直接接触，因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺银铜类石墨纳米多层膜，其特征在于：包括依次沉积在基底上的纯Cr结合层、Ag+Cu/GLC复合膜和类石墨膜；所述Ag+Cu/GLC复合膜为掺杂银和铜的类石墨膜。2.根据权利要求1所述的掺银铜类石墨纳米多层膜，其特征在于：所述基底为不锈钢基底；所述Ag+Cu/GLC复合膜是以金属Ag靶、金属Cu靶、纯石墨靶为溅射靶材，同时溅射沉积得到的。3.根据权利要求1所述的掺银铜类石墨纳米多层膜，其特征在于：所述纯Cr结合层的厚度为100
‑
150nm；所述Ag+Cu/GLC复合膜的厚度为1
‑
2μm；所述类石墨膜的厚度为150
‑
200nm。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的掺银铜类石墨纳米多层膜，其特征在于：所述Ag+Cu/GLC复合膜中，Ag+Cu的原子百分含量≤10％。5.一种如权利要求1
‑
4中任一项所述的掺银铜类石墨纳米多层膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、在磁控溅射反应室内，在四个垂直于水平面并相互呈90度方向安置一个纯石墨靶、一个金属Cr靶、一个金属Cu靶和一个金属Ag靶，其中金属Cu靶和金属Ag靶呈180
°
间隔放置；在磁控溅射反应室内的转架台上，放置基底；S2、对磁控溅射反应室进行抽真空处理，通入纯氩气，以金属Cr靶为溅射靶材溅射清洗靶材和基底；S3、在氩气氛围中，以金属Cr靶为溅射靶材在基底上溅射沉积得到纯Cr结合层；S4、通入氮气，以金属Ag靶、金属Cu靶、纯石墨靶为溅射靶材，同时溅射沉积得到Ag+Cu/GLC复合膜；然后以石墨靶为溅射靶材溅射沉积得到类石墨膜。6.根据权利要求5所述的掺银铜类石墨纳米多层膜的制备方法，其特征在于：在S1中，所述转架台转速调整为5rp...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东光，邹金鑫，李泽群，刘慧，罗来马，吴玉程，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：