【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层及其构筑方法，尤其涉及一种离子注入硬化+激光刻蚀/纳米孔洞内碳化物陶瓷柱/碳薄膜/二维材料纳米片复合涂层的构筑，可用于动密封橡胶件，属于固体润滑材料和聚合物摩擦学领域。
技术介绍
1、现代工业设备中存在大量的密封装置，用以防止工作介质泄漏及外界灰尘和异物侵入。密封介质一旦泄漏，轻则造成物料流失、设备损坏，重则可能引发火灾、爆炸。大多数动密封泄漏事故均与密封件的密封失效有关。橡胶具有良好的弹性恢复性、抗压性等优异性能，是最常用的密封材料。然而，橡胶动密封件装入密封槽后受到高压介质挤压变形，并在周期性应力作用下与钢质槽壁和密封杆对磨的摩擦系数极高（µ＞1），高摩擦产生的摩擦热极易导致橡胶密封件软化而快速磨损失效，使得高压密封介质从受损部位渗漏，影响设备的安全可靠服役。因此，解决橡胶密封件磨损失效问题必须从降低摩擦入手。
2、碳薄膜具有与钢对偶的低粘着特性、沉积温度低（沉积温度≤100℃，不会对丁腈橡胶基体产生致命损伤）、组分及机械强度可控、结构多变（如多微纳结构、多元素掺杂等）、摩擦磨损低等优异性能，因而是实现橡胶表面低摩擦的理想涂层。然而，对于橡胶动密封件表面涂层而言，其在重载往复运动过程中能否牢固地结合在橡胶表面，是实现橡胶表面碳薄膜长久润滑的关键。此外，仅依靠单纯碳薄膜难以实现橡胶表面超低摩擦及超高耐磨特性。因此，如何构筑高结合界面和低剪切表面，并实现薄膜的超高耐磨特性，是确保橡胶密封件高可靠长寿命服役的重中之重。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有橡胶表面碳薄膜超高载下沿切向剥离的技术风险及依靠单纯碳薄膜难以实现橡胶表面超低摩擦超高耐磨的缺陷，提供一种通过高能离子注入+微纳织构、硬质陶瓷骨架及二维材料润滑介质构筑高结合超低摩擦超高耐磨复合涂层的方法。
2、一、橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层构筑
3、本专利技术橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑，先是对橡胶表面进行原位高能离子注入硬化，然后利用激光刻蚀法在硬化橡胶表面预构筑微米孔洞，并在微米孔洞中沉积碳化物陶瓷柱，最后沉积碳薄膜并在其表面喷涂二维材料纳米片，从而获得橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层。
4、所述橡胶基底为丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶及硅橡胶中的一种，橡胶表面粗糙度≤200nm，橡胶厚度为3~5mm。
5、所述高能注入离子为碳离子、氮离子或硼离子中的一种；离子注入参数：注入能量10-100kev，注入剂量为1×1014~1×1016ions/cm2，束流密度为0.2~0.6ma/cm2，注入时间为1~3h。
6、所述微米孔洞的制备方法为金属掩膜+激光刻蚀法，所述激光刻蚀法采用的激光为超短脉冲激光；所述微米孔洞形状为圆形、矩形、三角形和菱形；所述微米孔洞排列方式包括圆环型排列、纵横交错型排列或点阵分布型排列。
7、所述微米孔洞的尺寸为50~200微米；孔洞深度占碳化物长度的2/3~4/5；表面织构面积占与碳薄膜接触面积的比例为10~20%。
8、所述碳化物为碳化硅、碳化钛、碳化铬和碳化钨中的一种。
9、所述碳化物沉积方法：通入氩气（流量为45~120sccm）和甲烷（流量为5~15sccm），溅射靶电流为3~6a，基底负偏压为1200-1600v，沉积时间为20~40min。
10、所述碳薄膜为a-c:h薄膜：利用pecvd技术，甲烷为碳源（流量为15~25sccm），基底负偏压为300~700v，沉积时间为90~150min。
11、所述碳薄膜表面喷涂二维材料纳米片方法：将二维材料纳米片溶于易挥发溶剂中，利用便携式喷涂仪喷涂到薄膜表面，待溶剂完全挥发后可得到本专利技术碳基复合固体润滑涂层。
12、所述二维材料纳米片为mxene基、石墨烯基及二硫属过渡金属基二维材料中的一种或几种。
13、图1 为本专利技术构筑的橡胶表面高结合超低摩擦碳基复合润滑薄膜横截面结构示意图。可见，本专利技术先对橡胶表面进行高能离子注入，一方面高能离子可以使橡胶表面高度交联提高其内聚强度，另一方面可导致橡胶表面原位碳化形成类金刚石结构提高表面硬度和薄膜结合强度；随后在硬化后的橡胶表面织构孔洞并在孔洞内沉积碳化物陶瓷柱，不仅可充当橡胶与碳薄膜之间硬质楔而提高薄膜结合强度，而且可充当碳薄膜骨架提高薄膜耐磨性；而复合涂层最表层为二维材料纳米片，在摩擦过程中易剪切而实现涂层超低摩擦特性。本专利技术获得的橡胶表面碳基复合润滑薄膜具有高结合、超低摩擦及超高耐磨等特性，且工艺过程易于控制，可操作性强，易于实现大面积工业化应用。
14、二、橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的性能评价
15、1、结合强度
16、采用划痕法测试碳基复合涂层与橡胶的结合强度，结果显示其结合强度达到100n左右，说明薄膜具有高结合强度。
17、2、摩擦性能
18、采用摩擦磨损试验机对本专利技术的橡胶表面碳基复合涂层进行摩擦学性能评价。摩擦条件为：球-盘旋转模式，法向载荷30n，摩擦对偶为φ6mm gcr15钢球，测试环境为大气。结果显示：常规的纯碳薄膜摩擦系数较高（约0.4~0.5），而本专利技术碳基复合涂层的摩擦系数显著降低（0.08~0.1）。
19、3、耐磨性能
20、采用摩擦磨损试验机对本专利技术的橡胶表面进行摩擦学性能评价。摩擦条件为：球-盘旋转模式，法向载荷30n，摩擦对偶为φ6mm gcr15钢球，测试环境为大气。结果显示：原始橡胶在20次摩擦后已出现明显磨损，而本专利技术复合涂层经600万次摩擦系数仍远远低于原始橡胶摩擦系数，表明其具有超高耐磨特性。
21、综上所述，本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
22、1、本专利技术采用高能离子注入技术，一方面可以使橡胶表面高度交联提高其内聚强度，另一方面可导致橡胶表面原位碳化形成类金刚石结构提高表面硬度和薄膜结合强度；同时高能离子注入不会额外增加结合界面，从而避免了层间剥落的风险；
23、2、本专利技术采用微纳织构技术，并在织构孔洞内沉积了碳化物陶瓷柱。一方面高能离子注入强化了基面，镶入碳化物陶瓷柱可充当碳薄膜与橡胶基底之间的硬质楔而显著提高其结合强度；另一方面该碳化物陶瓷柱亦可充当碳薄膜骨架，从而显著提高薄膜耐磨性；
24、3、本专利技术设计的碳基复合润滑涂层最表层为二维材料纳米片，其在摩擦界面极易剪切而实现超低摩擦特性。同时，该纳米片采用简单喷涂技术，即其只是通过物理方法附着于碳薄膜表面并未形成结合界面，因而不存在界面剥离风险。在摩擦过程中易转移到钢质对偶表面，从而实现长效润滑；
25、4、本专利技术工艺简单且易于控制，可操作性强，获得的橡胶表面碳基复合涂层具有高结合、超低摩擦及超高耐磨等特性，易于实现大面积工业化应用。
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1.一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，先是在橡胶基底表面进行原位高能离子注入硬化，再利用激光刻蚀法在硬化后的橡胶表面预构筑微米孔洞，并在微米孔洞中沉积碳化物陶瓷柱，最后沉积碳薄膜并在碳薄膜表面喷涂二维材料纳米片，从而获得橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层。
2.如权利要求1所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述橡胶基底为丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶及硅橡胶中的一种，橡胶表面粗糙度≤200nm，橡胶厚度为3~5mm。
3.如权利要求1所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述高能离子为碳离子、氮离子或硼离子中的一种；控制注入参数如下：注入能量10-100KeV，注入剂量为1×1014~1×1016ions/cm2，束流密度为0.2~0.6mA/cm2，注入时间为1~3小时。
4.如权利要求1所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述微米孔洞的制备方法为金属掩膜+激光刻蚀法；所述激光刻蚀法采用的激光为超短
5.如权利要求4所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述微米孔洞的尺寸为50~200微米；孔洞深度占碳化物陶瓷柱长度的2/3~4/5；微米孔洞织构面积占比为10~20%。
6.如权利要求1所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述碳化物陶瓷柱为碳化硅、碳化钛、碳化铬和碳化钨中的一种。
7.如权利要求6所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述碳化物陶瓷柱的沉积方式是通入45~120sccm氩气和5~15sccm的甲烷，控制溅射靶电流为3~6A，基底负偏压为1200-1600V，沉积时间为20~40min。
8.如权利要求1所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述碳薄膜为a-C:H薄膜；碳薄膜沉积方式为：利用PECVD技术，15~25sccm的甲烷为碳源，控制基底负偏压为300~700V，沉积时间为90~150min。
9.如权利要求1所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述二维材料纳米片为MXene基、石墨烯基及二硫属过渡金属基二维材料中的一种或几种。
10.一种如权利要求1所述方法制备得到的橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层。
...【技术特征摘要】
1.一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，先是在橡胶基底表面进行原位高能离子注入硬化，再利用激光刻蚀法在硬化后的橡胶表面预构筑微米孔洞，并在微米孔洞中沉积碳化物陶瓷柱，最后沉积碳薄膜并在碳薄膜表面喷涂二维材料纳米片，从而获得橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层。
2.如权利要求1所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述橡胶基底为丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶及硅橡胶中的一种，橡胶表面粗糙度≤200nm，橡胶厚度为3~5mm。
3.如权利要求1所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述高能离子为碳离子、氮离子或硼离子中的一种；控制注入参数如下：注入能量10-100kev，注入剂量为1×1014~1×1016ions/cm2，束流密度为0.2~0.6ma/cm2，注入时间为1~3小时。
4.如权利要求1所述一种橡胶表面高结合超低摩擦超高耐磨碳基复合涂层的构筑方法，其特征在于：所述微米孔洞的制备方法为金属掩膜+激光刻蚀法；所述激光刻蚀法采用的激光为超短脉冲激光；所述微米孔洞形状为圆形、矩形、三角形和菱形；所述微米孔洞排列方式包括圆环型排列、纵横交错型排列或点阵分布型排列。
5.如权利要求4所述一种橡胶表面高...
【专利技术属性】
技术研发人员：强力，任俊辉，胡波，俞凯还，梁爱民，于元烈，
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：
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