【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超润滑cnx薄膜的构筑方法，尤其涉及一种超润滑石墨烯插层cnx薄膜的构筑方法，属于工程材料领域和摩擦学润滑。
技术介绍
1、全球约1/3的一次能源被机械系统摩擦消耗，另一方面，60%的机器零部件失效由磨损导致。机械系统的高精度、高可靠和长寿命服役受限于材料的摩擦磨损性能。可靠的降低摩擦、减小磨损的手段和技术是实现机械系统低能耗、高可靠和长寿命运行的关键。超润滑是指摩擦系数低于0.01，摩擦系数趋近于零（0.001量级或更小）的状态；与常规润滑相比，摩擦系数与磨损率成数量级降低。超润滑首次在1990年提出，历经结构超润滑、二维材料超润滑、同质和异质超润滑、薄膜超润滑等阶段，超润滑技术得到了极大发展和应用。超低摩擦和超润滑技术的出现为解决上述工程难题提供了一种新的选择，有望从根源上解决部件的摩擦、磨损、能等一系列问题，带来全面的技术革新。
2、碳基材料具有优异的摩擦性能，对摩擦学领域，尤其是在固体超润滑研究方面，碳基材料几乎占到了 95%以上。其中的非晶碳涂层可以沉积到金属基材表面且具有较高的承载，是最有希望实现工程超润滑及应用的涂层之一。非晶氮化碳薄膜（cnx）在惰性气体环境下优异的摩擦学性能及高耐磨性，在过去引起了众多研究者的兴趣。作为一种由sp2c-n和sp3c-n键合组成的杂化材料，其在干燥惰性气体环境下，尤其是氮气下摩擦力超低。有观点认为，超低摩擦的机制是磨合周期氮原子从cnx涂层表面解吸，而在摩擦表面变成了类似石墨的富碳摩擦层，并且在对偶球表面形成了极薄的转移层也有“氮气润滑”等观点提出。鉴
技术实现思路
1、针对以上技术问题，本专利技术提供一种超润滑石墨烯插层结构cnx摩擦副的构筑方法，以提高类金刚石涂层材料的润滑性能，并避免工件的过大摩擦磨损和不必要的能源损耗。
2、本专利技术一种超润滑石墨烯插层cnx薄膜的构筑方法，是以石墨中心柱靶为碳源，氮气为氮源，利用高功率脉冲非平衡磁控溅射技术，在基底表面制得石墨烯插层cnx薄膜。其具体包括以下工艺步骤：
3、（1）基底的清洗：将基底分别用石油醚、无水乙醇、去离子水超声清洗，干燥后放入磁控溅射装置真空镀膜室的旋转工架上，调整基底与石墨中心柱靶的靶间距到11~15cm，并抽真空至5×10-3pa，开启旋转工架并旋转石墨中心柱靶，且石墨靶与工架反方向匀速转动。
4、所述基底采用取向（10 0）单晶硅片，石墨中心柱靶采用磁通量4000钐钴磁铁（sm2co17）。
5、（2）氮掺杂类金刚石非晶碳薄膜的制备：通入氩气、氮气，并调节腔室工作气压保持在0.54~0.68 pa；同时调整高功率脉冲的电源，在基底表面沉积石墨烯插层结构cnx薄膜：
6、氩气的流量控制在160sccm，氮气的流量每6分钟从50 sccm切换至20sccm，高功率脉冲电源按1200v、650 v和通入氮气同步变化（1200v对应50 sccm，650 v对应20sccm），石墨靶的电流为100a，输出功率按12kw、6.5kw和通入氮气同步变化（12kw对应50 sccm，6.5kw对应20sccm），偏压70v。依次循环，直至类金刚石非晶碳涂层厚度达到目标厚度。
7、整个工艺过程中，石墨靶与工架的转速为0.114 m/s，脉冲供电和供气同步。脉冲供气和供电的示意图见图1。
8、图2为本专利技术所制备的石墨烯插层结构cnx薄膜的表面（a）和截面sem图（b）。可见，经高功率磁控溅射沉积后，在硅片表面形成了大量的花椰菜状结构，涂层侧面则成柱状生长方式。
9、图3为本专利技术所制备的氮掺杂类金刚石非晶碳cnx薄膜的5 ×5μm afm图，涂层粗糙度经afm测量接近4.80 nm，光滑度极高，高功率磁控溅射具有高离化和高能量，可以沉积光滑致密的薄膜，有利于摩擦学性能。
10、图4为本专利技术所制备的氮掺杂类金刚石非晶碳cnx薄膜在1n载荷下氮气氛围与440c钢球配对实现43min （8666转）超润滑的摩擦系数图。在50 % 潮湿大气中经过约330s预磨合之后cnx薄膜在湿度＜ 3% 的氮气氛围下实现时长43min的超润滑行为，进入超润滑状态时间快，持续时间久。
11、图5是经过磨擦实验后的cnx薄膜表面高分辨hrtem图，可见经过摩擦后生成类聚合物状表面微结构和清晰石墨烯条带状结构，推测这种类聚合物复合石墨烯组织微结构即为cnx薄膜在惰性气体环境中迅速进入超润滑状态的原因。
12、经图6xps光电子能谱分析，所制备的氮掺杂类金刚石非晶碳涂层中，氮掺杂量不低于10.0 wt%，碳含量不低于87.81 wt% ，表面氧化极少。
13、经检测，本专利技术所制备的氮掺杂类金刚石非晶碳cnx薄膜在惰性气体环境中表现出超低摩擦系数，尤其氮气和氩气氛围下，多种配副均能达到超润滑状态（440c 钢球，氧化铝陶瓷球，氮化硅陶瓷球），呈现良好的摩擦和磨损性能，摩擦系数均低于0.01，最低能达到0.003，实现了宏观尺度下的超润滑性能。
14、在双氧水（湿度15-90%）气氛下预磨合生长表层类聚合物复合石墨烯结构，这种结构被认为是cnx薄膜超润滑的起源，然后在氮气、氩气等气氛下，或载流条件下，与多种配副（440c 钢球，氧化铝和氮化硅陶瓷球）滑动均可达到超润滑状态。
15、综上所述，本专利技术相对于现有技术具有以下优点：
16、1、本专利技术通过预磨合生长石墨烯插层cnx薄膜实现了多种惰性气体下甚至是载流导电环境下的超润滑性能，有望实现跨环境条件下的超润滑技术的工程应用；
17、2、本专利技术在制备石墨烯插层cnx薄膜的过程中，采用同步脉冲供电和供气，实现石墨烯插层的有序控制，保证了高掺杂量和cnx薄膜结构的质量；
18、3、本专利技术制备过程中不涉及高温过程，有效的避免晶粒长大和不必要的能源损耗，降低了制备成本，有利于推广应用。
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1.一种超润滑石墨烯插层CNx薄膜的构筑方法，是以石墨中心柱靶为碳源，氮气为氮源，利用高功率脉冲非平衡磁控溅射技术，在基底表面制得石墨烯插层CNx薄膜；其具体包括以下工艺步骤：
2.如权利要求1所述一种超润滑石墨烯插层CNx薄膜的构筑方法，其特征在于：所述基底采用取向100的单晶硅片。
3.如权利要求1所述一种超润滑石墨烯插层CNx薄膜的构筑方法，其特征在于：所述石墨中心柱靶采用磁通量4000的钐钴磁铁Sm2Co17。
4.如权利要求1所述一种超润滑石墨烯插层CNx薄膜的构筑方法，其特征在于：所述调整工件单晶硅片与石墨中心柱靶的间距到11~15cm。
5.如权利要求1所述一种超润滑石墨烯插层CNx薄膜的构筑方法，其特征在于：所述整个工艺过程中，石墨靶与工架的转速为0.114 m/s。
6.如权利要求1所述一种超润滑石墨烯插层CNx薄膜的构筑方法，其特征在于：所制备的超润滑石墨烯插层CNx薄膜中，氮掺杂量不低于10.0 wt%，碳含量不低于87.81 wt% ，sp3结构的碳含量至少为82 at%。
【技术特征摘要】
1.一种超润滑石墨烯插层cnx薄膜的构筑方法，是以石墨中心柱靶为碳源，氮气为氮源，利用高功率脉冲非平衡磁控溅射技术，在基底表面制得石墨烯插层cnx薄膜；其具体包括以下工艺步骤：
2.如权利要求1所述一种超润滑石墨烯插层cnx薄膜的构筑方法，其特征在于：所述基底采用取向100的单晶硅片。
3.如权利要求1所述一种超润滑石墨烯插层cnx薄膜的构筑方法，其特征在于：所述石墨中心柱靶采用磁通量4000的钐钴磁铁sm2co17。
4.如权利要求1所述一种超...
【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，邢朝阳，张俊彦，
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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