一種彈性硬質(zhì)潤滑納米復合薄膜材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜材料制備技術領域，尤其涉及一種在低溫下制備高彈性、高硬度和潤滑的納米復合薄膜材料的方法。
【背景技術】
[0002]硬質(zhì)納米復合薄膜體現(xiàn)了新一代的薄膜的發(fā)展趨勢。通常，合成硬質(zhì)納米復合薄膜的主要目的是增強其硬度。當此類薄膜的硬度超過40 GPa時，其被稱為超硬納米復合薄膜。但是，在現(xiàn)代的許多應用中，增加硬度已經(jīng)不是硬質(zhì)納米復合薄膜的唯一考量因素。有時，硬質(zhì)薄膜的韌性遠比極其高的硬度(MO GPa)更重要。因此，在當前，發(fā)展同時具有高硬度、高韌性和可彎曲的納米復合薄膜(即彈性硬質(zhì)納米復合薄膜)已經(jīng)吸引了大量研究人員的注意。彈性硬質(zhì)納米復合薄膜在高新技術領域具有巨大的潛在應用，如柔性電子材料、平板顯示器、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)、在柔性基底(聚合物薄片、玻璃薄片、紡織物等)上功能薄膜的形成等。
[0003]近年來，彈性硬質(zhì)納米復合薄膜主要有以下幾個系統(tǒng):Al-Cu-O納米復合薄膜;Zr-Al-O納米復合薄膜;Al-O-N納米復合薄膜;S1-Zr-O納米復合薄膜;T1-N1-N納米復合薄膜；Al-Cu-N納米復合薄膜；(T1-Al-V)Nx納米復合薄膜。所有的這些納米復合薄膜都具有高硬度和高韌性，且可彎曲而無裂縫的特性。但是，從此類納米復合薄膜的成分可知，其只具有耐磨損的性質(zhì)，而無潤滑行為。這樣會導致彈性硬質(zhì)納米復合薄膜在使用過程中將其對偶材料(特別是軟物質(zhì))造成嚴重的磨損，同時易于發(fā)出較大的噪音。因此，發(fā)展一種同時具有高硬度、高韌性、可彎曲且具有潤滑性的納米復合薄膜成為研究人員追求的目標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的是利用磁控濺射沉積和等離子體處理技術相結(jié)合的方式，在低溫下制備彈性硬質(zhì)潤滑納米復合薄膜材料，此類薄膜以氮化物(如氮化鈦(TiN)、氮化鉻(CrN)、氮化鋯(ZrN)等)多孔結(jié)構為骨架，在納米孔道中填充軟物質(zhì)石墨，從而構成硬相/軟相復合的納米薄膜，其表面光滑，與基底材料結(jié)合牢固，具有高硬度、高韌性和良好的潤滑行為。
[0005]本發(fā)明的原理是磁控濺射掠射角沉積技術的陰影效應在基底上制備納米多孔氮化物骨架，使用刻蝕氣體(如氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氪氣(Kr)等惰性氣體)等離子體調(diào)控氮化物骨架的孔徑尺寸和孔道結(jié)構，然后通過含碳(如甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)等其衍生物)等離子體處理在氮化物骨架的孔道中填充軟物質(zhì)石墨，從而構成硬相/軟相復合的納米薄膜。同時，在等離子體處理過程中，含碳等離子體會與氮化物反應在其表層生成碳氮化物，其不僅提高薄膜的硬度，也有利于氮化物與石墨的結(jié)合。
[0006]本發(fā)明的技術方案是，應用磁控濺射設備和等離子體處理在低溫(基底無需任何額外加熱)下制備彈性硬質(zhì)潤滑納米復合薄膜材料。具體操作步驟如下:
I)采用磁控濺射設備沉積制備納米多孔氮化物骨架，其中，靶材為純金屬靶，濺射氣體為NdPAr，總壓強為0.4?4.0 Pa，吣分壓為總壓強的5?40%，沉積離子入射角度與基底成O?90°，靶材與基底的距離為5?20 cm，沉積時間為5?60 min，初始腔室溫度為15?45 °C，施加于所述靶材上的直流電源的功率為400?1600 W，施加于所述基底上的負偏壓和占空比分別為O?-400 V和40?90%，沉積結(jié)束時腔室溫度在100 °C以下，沉積制得具有納米多孔結(jié)構的氮化物薄膜；
2)對納米多孔氮化物骨架使用刻蝕氣體等離子體進行刻蝕，其中刻蝕氣體的總壓強為1.0?4.5 Pa，初始腔室溫度為15?45 °C，施加于所述氮化物薄膜的負偏壓和占空比分別為-500?-1200 V和40?90%，刻蝕結(jié)束時腔室溫度在100 °C以下，其中刻蝕時間為20?180min以在低溫下快速刻蝕納米多孔氮化物骨架而使其具有不同的孔徑尺寸和孔道結(jié)構；
3)對刻蝕過的納米多孔氮化物骨架進行含碳等離子體處理，其中含碳氣體的總壓強為1.0?5.0 Pa，初始腔室溫度為15?45 °C，施加于所述刻蝕過的納米多孔氮化物的負偏壓和占空比分別為-500?-1200 V和40?90%，處理結(jié)束時腔室溫度在100 °C以下，其中處理時間為20?360 min以在低溫下形成軟物質(zhì)石墨填充在氮化物骨架的孔道中，同時與氮化物骨架發(fā)生反應在其表層形成碳氮化物。
[0007]所述純金屬靶為鈦、鉻或鋯。
[0008]所述刻蝕氣體為N2、Ar或Kr。
[0009]所述含碳氣體為CH4、C2H^C2H2d
[0010]本發(fā)明所制備的彈性硬質(zhì)潤滑納米復合薄膜具有如下結(jié)構和性能:
(A)所述薄膜主要由三部分成分組成:納米多孔氮化物骨架、軟物質(zhì)石墨和反應生成的碳氮化物表層；
(B )所述薄膜的硬度(H)和楊氏模量(E )分別為1?35 GPa和140?180 GPa，且彈性恢復值(We)大于60%，然后計算硬度與有效楊氏模量(E*)的比值大于0.1，其中E*=E/(1-v2)，v為薄膜的泊松比，依據(jù)上述結(jié)果可判斷所述薄膜同時具有高硬度、高韌性和可彎曲的特性，即彈性硬質(zhì)復合納米薄膜；
(C)所述薄膜在大氣壓下具有優(yōu)異的摩擦學行為，摩擦系數(shù)低于0.05，磨損率小于10—7mm3.N—1 ^―1，此所述薄膜即為彈性硬質(zhì)潤滑復合納米薄膜；
(D)所述薄膜厚度為200-800nm，表面較為光滑(粗糙度〈5 nm)，與基底結(jié)合牢固，其結(jié)合力為2O?40 No
[0011]本發(fā)明具有上述結(jié)構和性能的原因在于:在低的沉積離子入射角度和適當?shù)墓に噮?shù)下，沉積離子的迀移能力降低，沉積速率下降，從而在陰影效應下生成納米多孔氮化物薄膜作為骨架;在使用刻蝕氣體進行等離子刻蝕時，調(diào)整負偏壓和總壓強能夠控制氮化物骨架的孔徑尺寸和孔道結(jié)構，從而影響軟物質(zhì)石墨的填充量和軟相/硬相的接觸面，這些因素決定了納米復合薄膜所具有的機械性能;在含碳等離子體處理過程中，適當?shù)膲簭?、負偏壓和處理時間將有利于形成軟物質(zhì)石墨和與氮化物骨架的表層反應生成碳氮化物，并保證石墨能夠充分的填充于多孔的氮化物骨架中，如此過程不僅增加氮化物骨架的硬度，還為氮化物骨架提供了高的韌性和優(yōu)異的潤滑性能。
[0012]本發(fā)明的彈性硬質(zhì)潤滑納米復合薄膜可用于柔性電子材料、平板顯示器、微電子機械系統(tǒng)、聚合物防護、玻璃薄片、紡織物、減摩耐磨物件等領域。
【附圖說明】
[0013]
圖1為本發(fā)明實施例1所述納米多孔TiN骨架的場發(fā)射掃描電鏡圖。
[0014]圖2為本發(fā)明實施例1所述彈性硬質(zhì)潤滑納米復合薄膜的拉曼圖譜。
[0015]圖3為本發(fā)明實施例2所述彈性硬質(zhì)潤滑納米復合薄膜的位移-載荷曲線圖。
[0016]圖4為本發(fā)明實施例3所述彈性硬質(zhì)潤滑納米復合薄膜的摩擦系數(shù)曲線圖。
【具體實施方式】