本發(fā)明涉及一種橡膠表面重載超低摩擦多層復(fù)合涂層及其制備方法，尤其涉及一種通過(guò)表面原位離子共注、多層復(fù)合梯度層、碳薄膜及mxene基二維材料多層復(fù)合涂層制備方法，屬于固體潤(rùn)滑材料和摩擦學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中存在大量的密封裝置，用以防止工作介質(zhì)泄漏及外界灰塵和異物侵入。密封介質(zhì)一旦泄漏，輕則造成物料流失、設(shè)備損壞，重則可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸。大多數(shù)動(dòng)密封泄漏事故均與密封件的密封失效有關(guān)。橡膠具有良好的彈性恢復(fù)性、抗壓性等優(yōu)異性能，是最常用的密封材料。然而，橡膠動(dòng)密封件裝入密封槽后受到高壓介質(zhì)擠壓變形，并在周期性應(yīng)力作用下與鋼質(zhì)槽壁和密封桿對(duì)磨的摩擦系數(shù)極高（μ＞1），高摩擦產(chǎn)生的摩擦熱極易導(dǎo)致橡膠密封件軟化而快速磨損失效，使得高壓密封介質(zhì)從受損部位滲漏，進(jìn)而影響設(shè)備的安全可靠服役。因此，解決橡膠密封件磨損失效問(wèn)題必須從降低摩擦入手。

2、碳薄膜具有與鋼對(duì)偶的低粘著特性、沉積溫度低（沉積溫度≤100℃，不會(huì)對(duì)丁腈橡膠基體產(chǎn)生致命損傷）、組分及機(jī)械強(qiáng)度可控、結(jié)構(gòu)多變（如多微納結(jié)構(gòu)、多元素?fù)诫s等）、摩擦磨損低等優(yōu)異性能，因而是實(shí)現(xiàn)橡膠表面低摩擦的理想涂層。然而，隨著橡膠動(dòng)密封件工況越來(lái)越苛刻，即多數(shù)橡膠動(dòng)密封件要求在重載條件下穩(wěn)定可靠服役，但目前實(shí)現(xiàn)橡膠表面重載條件下的超低摩擦仍面臨巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，橡膠材料為軟基底，而碳薄膜為硬質(zhì)薄膜，確保軟表面硬質(zhì)薄膜重載下不會(huì)發(fā)生機(jī)械碎裂（高承載性），同時(shí)不會(huì)沿切向剝離（高結(jié)合特性）形成硬質(zhì)磨粒三體則是實(shí)現(xiàn)橡膠表面超低摩擦的關(guān)鍵因素。因此，如何設(shè)計(jì)制備高結(jié)合高承載多層復(fù)合涂層，并實(shí)現(xiàn)其重載超低摩擦特性是解決未來(lái)橡膠密封件磨損失效的重中之重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種橡膠表面重載超低摩擦多層復(fù)合涂層及其制備方法，是通過(guò)原位離子共注強(qiáng)化橡膠基底表面，通過(guò)金屬碳化物+梯度過(guò)渡層來(lái)實(shí)現(xiàn)橡膠表面非晶碳薄膜的高結(jié)合高承載特性，最后噴涂mxene基二維材料納米片，其在重載條件下可以充當(dāng)“模板”源源不斷地將非晶碳薄膜磨屑原位轉(zhuǎn)變?yōu)轭愂┙Y(jié)構(gòu)，并與其原位形成異質(zhì)結(jié)配副，從而實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合涂層重載條件下的超低摩擦特性。

2、一、橡膠表面重載超低摩擦多層復(fù)合涂層及其制備方法

3、本發(fā)明橡膠表面重載超低摩擦多層復(fù)合涂層，先是利用原位離子共注法在橡膠表面共注入金屬和碳元素形成強(qiáng)化層，然后在強(qiáng)化后的橡膠表面依次沉積金屬碳化物層、梯度過(guò)渡層及非晶碳薄膜，最后在非晶碳薄膜表面噴涂mxene基二維材料納米片，從而獲得橡膠表面重載超低摩擦多層復(fù)合涂層。

4、上述橡膠表面重載超低摩擦多層復(fù)合涂層的制備方法，包括以下步驟：

5、1）橡膠基底清洗：將橡膠板切割成20×20mm2的橡膠片，浸泡在50~60℃肥皂水溶液中超聲清洗30~60min，以除去橡膠表面的油脂和污垢；然后取出并浸泡在90~95℃蒸餾水超聲清洗20~30min，以除去可能殘留的肥皂水溶液；最后用干燥氮?dú)獯蹈珊蠓胖糜诟稍锵渲?00~120℃下再干燥10~20min，以蒸發(fā)掉橡膠表面殘留水分；上述過(guò)程反復(fù)進(jìn)行4~5次；

6、所述橡膠基底為丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、硅橡膠及三元乙丙橡膠中的一種，橡膠表面粗糙度≤200nm，橡膠厚度為2~4mm。

7、2）橡膠基底表面原位共注金屬和碳元素：將清洗干凈的橡膠基底置于集成有mevva-v.ru真空電弧離子源的磁控濺射真空腔中，抽真空至≤1×10-6pa；調(diào)節(jié)碳靶電流45~60a，占空比40~50%，束流密度0.48~0.64a/100cm2·s；同時(shí)，調(diào)節(jié)金屬靶電流20a~40a，占空比50%，束流密度0.3a~0.42a/100cm2·s，共注入時(shí)間為0.5~2h；控制加速電壓-20~-30kv，頻率1~3?hz；

8、所述注入金屬靶材選用ti、cr、w靶中的一種，碳靶材選用石墨靶。注入強(qiáng)化層深度為300~1200nm，注入層離子濃度漸變并隨層深逐漸降低。

9、3）沉積金屬碳化物層：采用高功率微脈沖磁控濺射技術(shù)，在橡膠基底表面沉積金屬碳化物層作為承載層；具體沉積工藝：金屬靶材選用w、cr、ti中的一種，通入45~60sccm氬氣和60~90sccm甲烷，調(diào)整靶材峰值電流為150a~200a，基底偏壓-500~-700v，氣壓保持在0.5~0.8pa之間，沉積30~40分鐘；

10、所述金屬碳化物層中金屬靶材選用ti、cr、w靶中的一種，并與步驟2）中注入金屬元素對(duì)應(yīng)；金屬碳化物層厚度為1.0~1.2μm。

11、4）沉積梯度過(guò)渡層：在上述沉積過(guò)程中，以5sccm/5min的速度逐漸降低甲烷流量，同時(shí)以5a/min的速度降低金屬靶材電流直至0a，關(guān)閉金屬靶電源；

12、所述梯度過(guò)渡層為金屬濃度逐漸降低，碳元素濃度逐漸增加到與非晶碳薄膜一致的過(guò)渡層。

13、5）沉積非晶碳薄膜：打開石墨靶濺射電源，調(diào)整靶基距為8~12cm，靶電流為3a，氬氣流量為45~60sccm，ar/ch4流量比為1.5:1，基底負(fù)偏壓為700v，氣壓為0.5~0.8pa，占空比為40~45%，頻率為60~70khz，沉積時(shí)間為120~150min；所述非晶碳薄膜為含氫非晶碳薄膜，薄膜厚度為500nm~1.0μm。

14、6）噴涂mxene二維材料層：將mxene二維材料納米片溶于易揮發(fā)溶劑中并裝入便攜式噴涂?jī)x，利用該噴涂?jī)x將其均勻噴涂到非晶碳薄膜表面，待溶劑完全揮發(fā)后可得到本發(fā)明所述多層復(fù)合涂層。所述mxene二維材料為ti基、v基、mo基mxene二維材料中的一種或幾種，所述易揮發(fā)溶劑為乙醇、丙酮中的一種。

15、圖1?為本發(fā)明制備的橡膠表面重載超低摩擦多層復(fù)合涂層橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。可見(jiàn)，采用原位離子共注入表面既是強(qiáng)化層又是原位承載層；同時(shí)，在共注強(qiáng)化層表層沉積與共注元素相對(duì)應(yīng)的金屬碳化物陶瓷層，進(jìn)一步提高涂層承載能力；此外，在金屬碳化物層和非晶碳薄膜中間設(shè)計(jì)了梯度過(guò)渡層，可進(jìn)一步提高涂層結(jié)合強(qiáng)度，弱化層數(shù)增加導(dǎo)致的界面剝離風(fēng)險(xiǎn)；最后，在非晶碳薄膜表面噴涂mxene基二維材料納米片，其重載條件下可作為“模板”定向剪裁非晶碳薄膜磨屑并將其源源不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)轭愂┙Y(jié)構(gòu)，并與之原位形成異質(zhì)結(jié)配副來(lái)實(shí)現(xiàn)其超低摩擦特性。本發(fā)明有效突破了目前橡膠軟表面硬質(zhì)碳基涂層重載下難以實(shí)現(xiàn)超低摩擦的技術(shù)瓶頸，且工藝過(guò)程易于控制，可操作性強(qiáng)，獲得的橡膠表面多層復(fù)合涂層具有重載條件下的超低摩擦特性，易于大面積工業(yè)化應(yīng)用。

16、二、橡膠表面多層復(fù)合涂層性能測(cè)試

17、1、結(jié)合強(qiáng)度

18、采用x切割法測(cè)試涂層與橡膠基底結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果顯示其結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到5a級(jí)（工業(yè)最高級(jí)），說(shuō)明了涂層具有高結(jié)合強(qiáng)度。

19、2、摩擦系數(shù)

20、圖2?為本發(fā)明制備的重載超低摩擦橡膠表面多層復(fù)合涂層摩擦系數(shù)曲線圖。采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)本發(fā)明的橡膠表面多層復(fù)合涂層進(jìn)行摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)。摩擦條件為：球-盤旋轉(zhuǎn)式，法向載荷40n，摩擦對(duì)偶為φ6mm?gcr15鋼球，測(cè)試環(huán)境為大氣。結(jié)果顯示：常規(guī)的純碳薄膜摩擦系數(shù)較高（~0.61），而本發(fā)明多層復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)顯著降低（0.02~0.05）。

21、綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

22、1、采用原位離子共注入表面強(qiáng)化層，同時(shí)在共注強(qiáng)化層表層沉積與共注元素相對(duì)應(yīng)的金屬碳化物陶瓷層，可進(jìn)一步提高涂層承載能力；

23、2、在金屬碳化物層和非晶碳薄膜中間設(shè)計(jì)了梯度過(guò)渡層，可進(jìn)一步提高薄膜結(jié)合強(qiáng)度，弱化涂層層數(shù)增加導(dǎo)致的界面剝離風(fēng)險(xiǎn)；

24、3、本發(fā)明設(shè)計(jì)的多層復(fù)合涂層最表層為mxene基二維材料層，其具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性。特別是在重載條件下，mxene基二維材料可以充當(dāng)“模板”定向剪裁非晶碳薄膜磨屑，并將其源源不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)轭愂┙Y(jié)構(gòu)，并與其原位形成異質(zhì)結(jié)配副，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合涂層長(zhǎng)效超低摩擦特性。此外，mxene基二維材料層采用簡(jiǎn)單噴涂技術(shù)，其在摩擦過(guò)程中易轉(zhuǎn)移到鋼質(zhì)對(duì)偶表面，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效潤(rùn)滑；

25、4、本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單且易于控制，可操作性強(qiáng)，獲得的橡膠表面多層復(fù)合涂層具有重載條件下的超低摩擦特性，易于實(shí)現(xiàn)大面積工業(yè)化應(yīng)用。