一种高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜及其制备方法与应用，属于表面处理技术领域。该高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜包括用于在基底表面依次设置的Cr打底层、Cr

【技术实现步骤摘要】
一种高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及表面处理
，具体而言，涉及一种高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]摩擦磨损在现代工业生产中到处可见，涉及人类长久发展的能源与资源问题与其密切相关。一方面，全球约30％的一次能源被机械系统摩擦所消耗；另一方面，60％的机械零部件失效由磨损所导致。此外，机械系统的高精度、高可靠和长寿命运行也受限于材料的摩擦磨损性能。因此，降低材料的摩擦磨损是实现机械系统低能耗、高可靠和长寿命运行的关键。追求极低摩擦或超滑材料及其制备技术一直以来是摩擦学工作者的目标。近年来，随着对碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等二维材料的研究兴起，引起了新一轮对超滑材料的研究高潮。尤其是这些二维材料中发现的超滑现象作为一种摩擦能耗与磨损率有望降低几个数量级的变革性技术，为解决上述难题提供了一种全新的选择。
[0003]超滑研究涉及到微观和宏观两个层次。早期的超滑研究主要集中在微观的理论和试验，已取得突破性的进展。截止目前，超滑研究已从早期微观的二维材料(碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等)拓展到宏观的碳薄膜、二硫化钼薄膜、聚合物和凝胶材料等。其中，碳薄膜的超滑性能被广泛地研究和报道，发现通过元素掺杂改变界面状态或者在特殊气氛下使摩擦界面满足低剪切力就可能实现碳薄膜在宏观尺度上的超滑。相较于其它的碳薄膜材料，类金刚石碳膜(Diamond
‑
like carbon，DLC)具有低摩擦系数、高硬度、高耐磨性等优异性能，是目前最有希望在工程上实现广泛应用的碳薄膜超滑材料。
[0004]目前，类金刚石薄膜的超滑性能主要体现在含氢类金刚石薄膜或者元素掺杂含氢类金刚石薄膜上，但其在400℃以上的高温条件下磨损率较高。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的之一在于提供一种高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜，该高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜不含氢，能够在400℃以上的高温条件下具有较低的磨损率，实现宏观尺度上的稳定超滑。
[0007]本专利技术的目的之二在于提供一种上述高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜的制备方法。
[0008]本专利技术的目的之三在于提供一种采用上述高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜以改善基体摩擦磨损性能的方法。
[0009]本申请可这样实现：
[0010]第一方面，本申请提供一种高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜，其包括用于在基底表面依次设置的Cr打底层、Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层以及Si
‑
DLC功能层。
[0011]在可选的实施方式中，Cr打底层具有Cr纳米晶；和/或，Cr打底层的厚度为0.1～
0.2μm。
[0012]在可选的实施方式中，Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层具有非晶
‑
纳米晶复合结构；和/或，Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层的厚度为0.1～0.2μm。
[0013]在可选的实施方式中，Si
‑
DLC功能层具有非晶结构；和/或，Si
‑
DLC功能层的厚度为1.0～4.0μm。
[0014]第二方面，本申请提供一种如前述实施方式任一项的高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜的制备方法，包括以下步骤：于基底表面依次设置Cr打底层、Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层以及Si
‑
DLC功能层。
[0015]在可选的实施方式中，采用直流磁控溅射的方法制备Cr打底层。
[0016]在可选的实施方式中，Cr打底层的制备条件包括：设备腔室内的真空度优于5.0
×
10
‑3Pa，设备内通入100～200sccm氩气，气压为0.4～1.0Pa；基体偏压为
‑
150～
‑
250V，偏压占空比为65～75％；靶材采用金属Cr靶，靶电流为2.0～2.5A，沉积时间为2～6min。
[0017]在可选的实施方式中，采用直流磁控溅射的方法制备Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层。
[0018]在可选的实施方式中，Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层的制备条件包括：氩气通入量为100～200sccm，气压为0.4～1.0Pa；基体偏压为
‑
150～
‑
250V，偏压占空比为65～75％；靶材采用金属Cr靶和C
‑
Si镶嵌复合靶，金属Cr靶材的电流由3.0A逐渐减小至0A，C
‑
Si镶嵌复合靶材的电流由0A逐渐增加至3.0A，沉积时间为10～15min。
[0019]在可选的实施方式中，采用高功率脉冲磁控溅射
‑
直流磁控溅射并联叠加的方式制备Si
‑
DLC功能层。
[0020]在可选的实施方式中，Si
‑
DLC功能层的制备条件包括：氩气的通入量为100～200sccm，气压为0.4～1.0Pa；基体偏压为
‑
150～
‑
250V，偏压占空比为65～75％；采用C
‑
Si镶嵌复合靶，直流电流为1.5～2.0A，溅射靶材功率为0.5～3.0kW；HiPIMS脉冲功率为1.0～4.0kW，占空比为1.0～1.5％，沉积时间为4～12h。
[0021]在可选的实施方式中，制备Cr打底层之前，还包括对基底进行前处理。
[0022]在可选的实施方式中，前处理包括将基体进行打磨、抛光，然后进行超声清洗，再将所得的基体置于真空腔室的转架上，利用阳极层离子源进行等离子体辉光清洗。
[0023]在可选的实施方式中，超声清洗时间为20～30min。
[0024]在可选的实施方式中，等离子体辉光清洗包括：将基体放入真空腔室，抽真空优于5.0
×
10
‑3Pa，然后通入100～200sccm氩气，调节气压为0.4～1.0Pa；同时调节基体偏压为
‑
800～
‑
1000V，偏压占空比为65～75％；开启阳极层离子源，阳极层离子源功率60～180W，占空比为65～75％，清洗15～25min。
[0025]第三方面，本申请提供一种改善基体摩擦磨损性能的方法，包括以下步骤：在基体表面制备如前述实施方式任一项的高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜以使在高温大气环境下摩擦时，摩擦副处原位形成由非晶碳和SiOx组成的致密转移膜。
[0026]在可选的实施方式中，基体包括碳钢、硬质合金或陶瓷。
[0027]本申请的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜，其特征在于，包括用于在基底表面依次设置的Cr打底层、Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层以及Si
‑
DLC功能层。2.根据权利要求1所述的高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜，其特征在于，所述Cr打底层具有Cr纳米晶；和/或，所述Cr打底层的厚度为0.1～0.2μm。3.根据权利要求1所述的高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜，其特征在于，所述Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层具有非晶
‑
纳米晶复合结构；和/或，所述Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层的厚度为0.1～0.2μm。4.根据权利要求1所述的高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜，其特征在于，所述Si
‑
DLC功能层具有非晶结构；和/或，所述Si
‑
DLC功能层的厚度为1.0～4.0μm。5.一种如权利要求1～4任一项所述的高温超润滑硅掺杂类金刚石碳膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：于基底表面依次设置所述Cr打底层、所述Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层以及所述Si
‑
DLC功能层。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用直流磁控溅射的方法制备所述Cr打底层；优选地，所述Cr打底层的制备条件包括：设备腔室内的真空度优于5.0
×
10
‑3Pa，设备内通入100～200sccm氩气，气压为0.4～1.0Pa；基体偏压为
‑
150～
‑
250V，偏压占空比为65～75％；靶材采用金属Cr靶，靶电流为2.0～2.5A，沉积时间为2～6min。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用直流磁控溅射的方法制备所述Cr
x
Si
y
C
z
梯度过渡层；优选地，所述Cr
x
Si
y
C
z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：林松盛，陈彦军，张程，李海潮，苏一凡，唐鹏，石倩，韦春贝，黄淑琪，代明江，周克崧，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：