專利名稱：：超潤滑摻硅類金剛石薄膜的制備方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種在水環(huán)境中具有極低摩擦系數(shù)和磨損率的超潤滑摻硅類金剛石薄膜的制備方法。
背景技術：
：現(xiàn)代高新技術產業(yè)的快速發(fā)展對裝備在精度、靈敏度、可靠性和傳輸效率方面的要求越來越高，因而對具有極低摩擦磨損性能的超潤滑技術也提出了越來越迫切的需求。類金剛石薄膜作為一種新型的潤滑薄膜材料，具有硬度高、摩擦系數(shù)小、耐磨壽命長、耐腐蝕性強、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)異的性能，在苛刻環(huán)境中用作防護薄膜以及在精密機械、微系統(tǒng)、空間環(huán)境等相關領域用作潤滑薄膜材料顯示了巨大的應用前景。但同時它具有內應力高、環(huán)境依賴性強(尤其是摩擦系數(shù)受濕度影響較大)等缺陷，在實際應用中受到了很大的限制。為了克服這些局限性以便實現(xiàn)更好的應用，研究人員采取了多種方法，如沉積過渡層、構筑梯度層、基底表面圖案化和進行金屬及非金屬的摻雜等。研究表明，摻硅不僅大大降低了類金剛石薄膜的內應力，增強了它的環(huán)境適應能力，而且保留了它的諸多優(yōu)點。但文獻報道，不同方法、不同參數(shù)制備的不同硅含量的類金剛石薄膜的在不同環(huán)境中的潤滑效果明顯不同。而且，目前國內只有摻雜納米金和納米二氧化硅類金剛石薄膜(200310121062及200410011633)及鋼表面鍍制類金剛石薄膜(200710043509.4)的專利，尚無在不銹鋼表面沉積摻硅類金剛石薄膜并在水環(huán)境下實現(xiàn)超潤滑的報道。因而，通過選擇一定方法，優(yōu)化各項參數(shù)，制備出在一定條件下實現(xiàn)超潤滑的摻硅類金剛石薄膜具有重要的理論意義和實用價值。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種在水環(huán)境中具有超潤滑性能的含硅類金剛石薄膜的制備方法。本發(fā)明以甲烷和氬氣為原料氣，采用射頻等離子體增強化學氣相沉積和中頻濺射硅靶相結合的復合沉積技術，在不銹鋼表面沉積超潤滑摻硅類金剛石薄膜。本發(fā)明采用硅靶，所用的脈沖偏壓電源和中頻濺射電源輸出頻率為20100kHz，所用的射頻電源輸出頻率為13.56MHz。3一種超潤滑摻硅類金剛石薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟A、活化清洗表面將在丙酮和乙醇中超聲過的不銹鋼片置于樣品室后抽真空至l.OxlO-3Pal.Oxl(T2Pa，通入氬氣至1.53.0Pa;打開脈沖偏壓電源，電壓調至-400-1200V，占空比為3080%，用氬等離子體對不銹鋼片表面進行活化清洗；B、鍍硅過渡層清洗完畢后，將氬氣氣壓調至0.251.0Pa，打開濺射電源，將濺射電流調至3.020.0A,同時脈沖偏壓調至-200-1000V，占空比為3080%，沉積520分鐘；C、沉積摻硅類金剛石薄膜:通入氬氣與甲烷的混合氣體，使其總壓強為0.54.0Pa;射頻電源功率為4001500W，濺射電流為2.015.0A，脈沖偏壓為-200-1200V，占空比為30%80%，沉積120-160分鐘。在C步驟中，氬氣與甲烷的質量流量比為3:11:4。按本發(fā)明制成的潤滑薄膜的主要性能指標如表1:表l<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>本發(fā)明的優(yōu)點是薄膜制備過程簡單，各制備參數(shù)易操控。應用環(huán)境要求低(開放環(huán)境，無需維持真空或氣體保護)，即使用自來水也能得到低摩擦系數(shù)(可達0.005且曲線平穩(wěn))和低磨損率(1(rSmmS/Nm量級)；而且應用過程中不產生任何有毒有害物質，完全符合綠色、環(huán)保、節(jié)能的理念。該薄膜用在液壓系統(tǒng)，用水做潤滑劑實現(xiàn)超潤滑，不僅大大降低了成本，避免了潤滑過程中潤滑油脂本身所造成的污染，而且大大提高了系統(tǒng)的運作效率，減小了能源消耗和二氧化碳的排放，有利于對自然環(huán)境的保護。另外，該薄膜也可用于食品生產和加工工業(yè)，用水做潤滑劑，從而減少生產過程中潤滑油對食品的污染，為人們的身體健康提供保證。具體實施例方式實施例l:活化清洗表面將在丙酮和乙醇中超聲過的不銹鋼片置于樣品室后抽真空至1.0x10—3Pa，通入氬氣至1.5Pa。打開脈沖偏壓電源，電壓調至-400V，占空比為80%，用氬等離子體對不銹鋼片表面進行活化清洗。鍍硅過渡層清洗完畢后，將氬氣氣壓調至0.25Pa，打開濺射電源，將濺射電流調3.0A，同時脈沖偏壓調至-200V，占空比為80%，沉積20分鐘。沉積摻硅類金剛石薄膜通入氬氣與甲垸的混合氣體，使其總壓強為0.5Pa，氬氣與甲垸的質量流量比為3:1。射頻電源功率為400W,濺射電流為2.0A，脈沖偏壓為-200V，占空比為80%，沉積150分鐘。實施例2:活化清洗表面將在丙酮和乙醇中超聲過的不銹鋼片置于樣品室后抽真空至1.0xlO—2Pa，通入氬氣至3.0Pa。打開脈沖偏壓電源，電壓調至-1200V，占空比為30%，用氬等離子體對不銹鋼片表面進行活化清洗。鍍硅過渡層清洗完畢后，將氬氣氣壓調至l.OPa，打開濺射電源，將濺射電流調至20.0A，同時脈沖偏壓調至-1000V，占空比為30%，沉積5分鐘。沉積摻硅類金剛石薄膜通入氬氣與甲烷的混合氣體，使其總壓強為4.0Pa，氬氣與甲烷的質量流量比為1:4。射頻電源功率為1500W，濺射電流為15.0A，脈沖偏壓為-1200V，占空比為30%，沉積150分鐘。實施例3:活化清洗表面將在丙酮和乙醇中超聲過的不銹鋼片置于樣品室后抽真空至5.2xl(T3Pa，通入氬氣至2.0Pa。打開脈沖偏壓電源，電壓調至-1200V，占空比為40%，用氬等離子體對不銹鋼片表面進行活化清洗。鍍硅過渡層清洗完畢后，將氬氣氣壓調至0.8Pa，打開濺射電源，將濺射電流調至10.0A，同時脈沖偏壓調至-600V，占空比為60%，沉積20分鐘。沉積摻硅類金剛石薄膜通入氬氣與甲烷的混合氣體，使其總壓強為0.8Pa，氬氣與甲烷的質量流量比為1:2。射頻電源功率為1200W，濺射電流為5.0A，脈沖偏壓為-1200V，占空比為40%，沉積150分鐘。實施例4活化清洗表面將在丙酮和乙醇中超聲過的不銹鋼片置于樣品室后抽真空至2.8xl(T3Pa，通入氬氣至2.5Pa。打開脈沖偏壓電源，電壓調至-500V，占空比為70%，用氬等離子體對不銹鋼片表面進行活化清洗。鍍硅過渡層清洗完畢后，將氬氣氣壓調至0.4Pa，打開濺射電源，將濺射電流調至12.0A，同時脈沖偏壓調至-800V，占空比為40%，沉積10分鐘。沉積摻硅類金剛石薄膜通入氬氣與甲烷的混合氣體，使其總壓強為0.5Pa，氬氣與甲烷的質量流量比為3:4。射頻電源功率為IOOOW，濺射電流為6.0A，脈沖偏壓為-800V，占空比為50%，沉積150分鐘。權利要求1、一種超潤滑摻硅類金剛石薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟A、活化清洗表面將在丙酮和乙醇中超聲過的不銹鋼片置于樣品室后抽真空至1.0×10-3Pa～1.0×10-2Pa，通入氬氣至1.5～3.0Pa；打開脈沖偏壓電源，電壓調至-400～-1200V，占空比為30～80％，用氬等離子體對不銹鋼片表面進行活化清洗；B、鍍硅過渡層清洗完畢后，將氬氣氣壓調至0.25～1.0Pa，打開濺射電源，將濺射電流調至3.0～20.0A，同時脈沖偏壓調至-200～-1000V，占空比為30～80％，沉積5～20分鐘；C、沉積摻硅類金剛石薄膜通入氬氣與甲烷的混合氣體，使其總壓強為0.5～4.0Pa；射頻電源功率為400～1500W，濺射電流為2.0～15.0A，脈沖偏壓為-200～-1200V，占空比為30％～80％，沉積120-160分鐘。2、如權利要求l所述的方法，其特征在于在C步驟中，氬氣與甲烷的質量流量比為3:11:4。全文摘要本發(fā)明公開了一種在水環(huán)境中具有極低摩擦系數(shù)和磨損率的超潤滑摻硅類金剛石薄膜的制備技術。本發(fā)明以甲烷和氬氣為原料氣，采用射頻等離子體增強化學氣相沉積和中頻濺射硅靶相結合的復合沉積技術，在不銹鋼表面沉積超潤滑摻硅類金剛石薄膜。該薄膜在水環(huán)境中表現(xiàn)出良好的耐磨和潤滑性能，在較大的載荷及速度范圍內，均得到了極低的摩擦系數(shù)(0.005～0.009)和磨損率(1.71～8.41×10^-8mm³/Nm)。另外，由于該技術原料易得，設備工藝簡單、高效、快速、產率高，適合大規(guī)模工業(yè)生產。潤滑過程只需要水，從而避免了油脂潤滑所產生的有毒有害物質的釋放，環(huán)保節(jié)能，而且大大降低了成本消耗。預計在機械摩擦、食品工業(yè)等方面將有著重要的應用前景。文檔編號C23C28/00GK101619455SQ20081015028公開日2010年1月6日申請日期2008年7月3日優(yōu)先權日2008年7月3日發(fā)明者利吉,周惠娣,李紅軒,飛趙,陳建敏申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所