专利名称：类金刚石复合二硫化钼纳米多层薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜及其制备方法，属于固体润滑薄膜材料领域。
背景技术：
高硬度类金刚石薄膜和磁控溅射二硫化钥薄膜是近年来在航空航天、高技术装备无油润滑系统等领域应用较多的两种固体润滑薄膜。其中高硬度和低摩擦类金刚石薄膜是近年来关注较多的新型防护薄膜，它具有耐磨与润滑一体化特性。但是类金刚石薄膜存在高应力和脆性等瓶颈问题，直接限制了其在高技术领域的广泛应用，因此具有强韧化特性的类金刚石薄膜一直是产业界追求的理想薄膜材料。
与此同时，具有层状结构的软质二硫化钥薄膜在高真空以及干燥环境下具有超低摩擦系数、耐辐射等优点。但是由于层状结构的二硫化钥晶体边缘的不饱和悬键具有化学活性，在潮湿空气和富氧环境的摩擦过程中容易粘附到金属表面和被氧化使其摩擦性能急剧下降，甚至失去润滑作用，从而对机械系统的安全可靠性和机械零部件的使用寿命产生影响。因此，如何获得具有强韧化特性(硬度超过IOGPa)、超低摩擦和超长使用寿命的新型二硫化钥基润滑薄膜一直是固体润滑与抗磨损薄膜领域的技术难题。对现有技术进行的检索发现为了提高二硫化钥的耐磨寿命和降低其摩擦系数对环境的依赖性，已有的专利技术(如中国专利-公开号CN 1470625A)提到，石墨与二硫化钥复合能减缓二硫化钥润滑膜的摩擦氧化，提高其寿命，原因在于石墨能优先吸附大气中的水汽和氧，从而能够抑制二硫化钥发生氧化失效，但其改善二硫化钥使用寿命的效果仍不尽人意。中国专利(CN 101550535B)提供了一种复合金属硫化物类金刚石复合薄膜的制备方法，该复合薄膜具有较低的摩擦系数，但是其硬度较低，硬度值均小于5. 9GPa.中国专利(CN 201010282390. 8) 采用磁控溅射制备了 MoS2-TiC-C复合薄膜，其硬度仅达到7. 6GPa，大气环境下摩擦系数仍然闻达O. 04。如何能够协同利用高硬度类金刚石薄膜和软质二硫化钥薄膜的各自优势，获得具有高硬度和韧性匹配、高耐磨和低摩擦匹配的类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜是解决以上问题的途径之一。最佳的思路就是设计制备出软/硬交替的类金刚石/二硫化钥纳米多层膜体系，其中软层二硫化钥起到剪切带的作用，使得硬层类金刚石膜之间可以在低应力水平的情况下产生一定的“相对滑动”，以缓解高硬度膜层的界面应力并保持一定的韧性。同时，类金刚石纳米层的引入也能很大程度的改善二硫化钥薄膜的环境敏感性。对现有文献和专利检索，未发现采用双靶磁控溅射技术直接溅射石墨靶和二硫化钥靶来交替沉积类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜的具体技术措施和手段。发明内容
本发明的目的是提供一种类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜及其制备方法，克服现有高硬度类金刚石薄膜存在的脆性强韧性差以及软质二硫化钥薄膜硬度低和耐磨寿命差等问题，获得的类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜具有超低摩擦、高硬度与韧性一体化等特性。
本发明是通过以下技术方案实现的
—种类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜，其特征在于该薄膜镀覆在不锈钢表面上，薄膜由高硬度类金刚石薄膜和二硫化钥润滑膜多层交替构成；类金刚石薄膜单层厚度为10 lOOnm，层数为10-100层，二硫化钥润滑膜单层厚度为lO-lOOnm，层数为10-100层； 类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜总厚度为1. 5 6μπι，硬度为12-18GPa。
本发明还提供了上述纳米多层润滑薄膜的制备方法，首先对不锈钢基底进行超声清洗前处理，然后置于MFD800型双靶磁控溅射气相沉积系统的真空腔中，依次沉积以下薄膜(a)预抽真空至5X 10_4Pa，放电气压为1. O 1. 5Pa，偏压为-500 -1000V，对不锈钢基底进行20 30min的氩等离子体溅射活化处理；(b)单层类金刚石碳薄膜沉积，采用直流电源控制石墨祀，IS气气氛，放电气压为0. 8Pa,控制石墨祀电流为1. O 1. 4A,在不锈钢基底上施加偏压-200 -400V，沉积时间为I 15min ； (c)单层二硫化钥润滑层沉积，采用射频电源控制二硫化钥靶，功率为200 600W，沉积时间为I IOmin ； (d)重复步骤(b) 和(c)，交替沉积类金刚石层和二硫化钥润滑层，直到所需厚度或层数，最终在不锈钢基底表面获得类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜。
本发明所述的双靶磁控溅射气相沉积系统为中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的MFD800型双靶磁控溅射气相沉积系统。
采用高真空摩擦磨损试验机对本发明纳米多层薄膜在真空环境下进行了摩擦学性能评价(摩擦条件采用球-盘旋转模式，旋转速度为500rpm，载荷为3N，摩擦对偶为 Φ3πιπι的GCrl5钢球，测试环境的真空度10_5Pa左右)。同时在大气环境下对纳米多层薄膜进行了摩擦磨损评价(采用球-盘往复模式，线速度为12cm/s，300000转，载荷为5N，摩擦对偶为 Φ6mm 的 GCr 15 钢球)。米用纳米压痕仪(Nano Test 600, Micro Materials Ltd, UK)纳米多层薄膜的纳米硬度。结果表明本发明获得的类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜纳米硬度达到12-18GPa，在高真空下具有超低摩擦系数，摩擦系数稳定在0.01以下， 实现了超润滑性能，其磨损率较传统的类金刚石或者二硫化钥固体润滑薄膜降低I 2个数量级。在大气环境下也实现了超低的摩擦系数(0. 02 0. 03)，其磨损较传统的类金刚石或者二硫化钥固体润滑薄膜降低I 2个数量级。 因此本发明类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜能够实现在高真空环境和大气环境下的超低摩擦和超长服役寿命效果。
本发明的主要优点是制得的类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜具有在各种环境下超低摩擦、高硬度与韧性一体化等特性。其特点在于高硬度的类金刚石膜层提供了良好的承载力和抗磨能力，而交替沉积的二硫化钥润滑膜则起到了降低磨合初期的摩擦和非正常磨损。该纳米多层薄膜还解决了常规高硬度类金刚石薄膜内应力高，结合强度低，脆性强，韧性差等缺点，同时提高了软质二硫化钥润滑膜的硬度和耐磨寿命并降低了摩擦系数对环境的敏感性等问题，其在机械、电子、轴承、齿轮，特别是航空航天等摩擦润滑领域显示了非常重大的应用价值，是一种有着极其重大潜在价值的新型固体润滑薄膜。
图1为本发明的纳米多层薄膜的结构示意图。图中1为不锈钢基底、2为硬质类金刚石层、3为软质二硫化钥层。
图2为制得的纳米多层薄膜在高真空和大气环境下的摩擦系数曲线，可以看出此纳米多层膜在两种环境下都表现出超低的摩擦系数，在真空环境下更是表现出超润滑性倉泛。
具体实施方式
下面结合具体实施方式
对本发明进行详细说明。
实施例1
基底材料为不锈钢(ICrlSNiOTi)，进行超声清洗前处理后置于双靶磁控溅射气相沉积系统中，按照以下步骤进行(a)将氩气通入真空室，保持气压为I 1.5Pa，开启偏压电源调整到-1000V，对不锈钢基底表面进行氩离子放电清洗和活化，时间为15 30min ；(b)单层类金刚石薄膜沉积，氩气气氛，放电气压为O.8Pa，采用直流电源控制石墨靶电流为1. 2A，不锈钢基底施加偏压为-300V，沉积时间15min ； (c)单层二硫化钥润滑膜层沉积， 采用射频电源控制二硫化钥靶，靶电源功率为500W，沉积时间为3min ;(d)重复过程(b)和(c)10次，自然冷却后，最终在不锈钢基底表面获得类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜。 所制得的单层类金刚石层厚度为lOOnm，二硫化钥单层厚度为lOOnm，总膜层厚度为2微米。
实施例2
基底材料为不锈钢(ICrlSNiOTi)，进行超声清洗前处理后置于双靶磁控溅射气相沉积系统中，按照以下步骤进行(a)将氩气通入真空室，保持气压为I 1.5Pa，开启偏压电源调整到-1000V，对不锈钢基底表面进行氩离子放电清洗和活化，时间为15 30min ； (b)单层类金刚石薄膜沉积，氩气气氛，放电气压为O.8Pa，采用直流电源控制石墨靶电流为1. 2A，不锈钢基底施加偏压为-300V，沉积时间8min ； (c)单层二硫化钥润滑膜层沉积，采用射频电源控制二硫化钥靶，靶电源功率为500W，沉积时间为1. 5min ； (d)重复过程(b)和(c)20次，自然冷却后，最终在不锈钢基底表面获得类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜， 所制得的单层类金刚石层厚度为50nm，二硫化钥单层厚度为50nm，总膜层厚度为2微米。
实施例3
基底材料为不锈钢(ICrlSNiOTi)，进行超声清洗处理后置于双靶磁控溅射气相沉积系统中，按照以下步骤进行(a)将氩气通入真空室，保持气压为I 1.5Pa，开启偏压电源调整到-1000V，对不锈钢基底表面进行氩离子放电清洗和活化，时间为15 30min ；(b)单层类金刚石薄膜沉积，氩气气氛，放电气压为O.8Pa，采用直流电源控制石墨靶电流为1. 2A，不锈钢基底施加偏压为-300V，沉积时间4min ； (c)单层二硫化钥润滑膜层沉积， 采用射频电源控制二硫化钥靶，靶电源功率为500W，沉积时间为Imin ;(d)重复过程(b)和(c)50次，自然冷却后，最后在不锈钢基底表面获得类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜， 单层类金刚石层厚度为20nm，单层二硫化钥厚度为20nm，总膜层厚度为2微米。
权利要求
1.一种类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜，其特征在于该薄膜镀覆在不锈钢表面上，薄膜由高硬度类金刚石薄膜和二硫化钥润滑膜多层交替构成；类金刚石薄膜单层厚度为10 lOOnm，层数为10-100层，二硫化钥润滑膜单层厚度为lO-lOOnm，层数为10-100层； 类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜总厚度为1. 5 6 μ m，硬度为12-18GPa。
2.一种类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于首先对不锈钢基底进行超声清洗前处理，然后置于MFD800型双靶磁控溅射气相沉积系统的真空腔中，依次沉积以下薄膜(a)预抽真空至5X 10_4Pa，放电气压为1. O 1. 5Pa，偏压为-500 -1000V， 对不锈钢基底进行20 30min的氩等离子体溅射活化处理；(b)单层类金刚石碳薄膜沉积，采用直流电源控制石墨靶，氩气气氛，放电气压为0. 8Pa，控制石墨靶电流为1.0 1.4A，在不锈钢基底上施加偏压-200 -400V，沉积时间为I 15min ； (c)单层二硫化钥润滑层沉积，采用射频电源控制二硫化钥靶，功率为200 600W，沉积时间为I IOmin ； (d) 重复步骤(b)和(C)，交替沉积类金刚石层和二硫化钥润滑层，直到所需厚度或层数，最终在不锈钢基底表面获得类金刚石复合二硫化钥纳米多层薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种类金刚石复合二硫化钼纳米多层薄膜及其制备方法，采用双靶磁控溅射技术在不锈钢基底上交替沉积类金刚石层和二硫化钼层，最终获得类金刚石复合二硫化钼纳米多层薄膜。类金刚石单层厚度为10～100nm，二硫化钼单层厚度为10-100nm，类金刚石复合二硫化钼纳米多层薄膜总厚度为1.5～6μm。本发明制得的纳米多层薄膜不仅改善了软质二硫化钼薄膜的耐磨寿命不足和摩擦系数环境敏感性问题，同时解决了硬质类金刚石薄膜脆性大和韧性差等问题，在高真空环境下的磨损率较传统的二硫化钼或类金刚石薄膜降低1-2个数量级，实现了超低摩擦以及高硬度与韧性的完美匹配。
文档编号C23C14/06GK102994947SQ20111027726
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月17日 优先权日2011年9月17日
发明者王立平, 亓健伟, 王云锋, 薛群基 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所