本發(fā)明屬于表面工程，具體涉及一種mos2基納米復(fù)合薄膜及其制備方法和應(yīng)用、裝置。

背景技術(shù)：

1、mos2因其優(yōu)異的真空潤(rùn)滑性能而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。mos2的潤(rùn)滑特性來(lái)源于其六方層狀晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)層間以弱范德華力結(jié)合，因此剪切強(qiáng)度低，在摩擦力的作用下很容易發(fā)生層間滑移。

2、近年來(lái)在美國(guó)spacex公司的引領(lǐng)下可重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展如火如荼。該運(yùn)輸系統(tǒng)的生命周期遍歷地面裝配與貯存、脫離大氣層、進(jìn)入軌道、再入大氣層和返回地面等截然不同的服役環(huán)境?？芍貜?fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)所涉及的環(huán)境包括大氣常溫、大氣高溫和真空，mos2薄膜作為航空航天運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要組成部分，需要在各種環(huán)境下都能提供可靠的潤(rùn)滑性能，然而復(fù)雜多變的環(huán)境為其帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3、通常mos2薄膜只適用于真空和惰性氣氛等非反應(yīng)性環(huán)境，一旦暴露在大氣環(huán)境下，與水分子和氧氣的相互作用將會(huì)導(dǎo)致其摩擦系數(shù)和磨損率大幅增加。此外在300℃以上的大氣高溫環(huán)境中，mos2會(huì)快速氧化為moo3，薄膜化學(xué)成分的變化會(huì)帶來(lái)摩擦和磨損的上升。綜上，mos2薄膜摩擦學(xué)性能的退化將給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命和可靠性帶來(lái)嚴(yán)重的不利影響，極大地限制了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

4、中國(guó)專(zhuān)利cn?111621745?b公開(kāi)的大氣高溫mos2薄膜體系將mos2薄膜使用溫度提高到了400℃，然而可重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜的服役環(huán)境一方面需要mos2薄膜體系還能夠在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠潤(rùn)滑，另一方面需要盡可能地提高薄膜的服役環(huán)境閾值。

5、因此，設(shè)計(jì)新型mos2基薄膜以實(shí)現(xiàn)薄膜在真空、大氣常溫和高溫多元環(huán)境下的可靠潤(rùn)滑，這對(duì)發(fā)展可重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)、保障運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安全服役具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種mos2基納米復(fù)合薄膜及其制備方法和應(yīng)用、裝置。本發(fā)明提供的mos2基納米復(fù)合薄膜同時(shí)在真空、大氣常溫和高溫(500℃)環(huán)境下均具有良好的摩擦學(xué)性能。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下方案：

3、本發(fā)明提供了一種mos2基納米復(fù)合薄膜，包括ti過(guò)渡層和沉積在所述ti過(guò)渡層表面的ti與c共摻雜mos2納米復(fù)合層；所述ti與c共摻雜mos2納米復(fù)合層中，ti原子個(gè)數(shù)百分比為5.0～8.0％，c原子個(gè)數(shù)百分比為35.0～45.0％，余量為mos2。

4、優(yōu)選的，所述ti過(guò)渡層的厚度為100～300nm；所述mos2基納米復(fù)合薄膜的厚度為2.0～3.0μm。

5、優(yōu)選的，所述mos2基納米復(fù)合薄膜的硬度＞8.0gpa，彈性模量＞90.0gpa，在真空中的平均摩擦系數(shù)＜0.05，在大氣常溫中的平均摩擦系數(shù)＜0.11，在大氣高溫500℃的平均摩擦系數(shù)＜0.1。

6、本發(fā)明提供了上述方案所述mos2基納米復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟：

7、以第一氬氣為工作氣體，采用第一ti靶材進(jìn)行第一磁控濺射，同時(shí)對(duì)基體進(jìn)行第一加熱并施加負(fù)偏壓，在所述基體表面沉積ti過(guò)渡層，得到沉積ti過(guò)渡層基體；所述第一ti靶材的磁控濺射電流為400～800ma，所述第一磁控濺射的時(shí)間為10～30min；

8、以第二氬氣為工作氣體，采用mos2靶材、第二ti靶材和c靶材同時(shí)進(jìn)行第二磁控濺射，同時(shí)對(duì)所述沉積ti過(guò)渡層基體進(jìn)行第二加熱，在ti過(guò)渡層表面沉積ti與c共摻雜mos2納米復(fù)合層，得到所述mos2基納米復(fù)合薄膜；

9、所述mos2靶材的磁控濺射功率為200～300w，所述c靶材的磁控濺射功率為200～300w，所述第二ti靶材的磁控濺射電流為80～120ma，所述第二磁控濺射的時(shí)間為3.5～5.0h。

10、優(yōu)選的，所述第一氬氣的流量為20～40sccm，壓強(qiáng)為0.5～0.8pa；所述第一加熱的溫度為100～200℃，所述負(fù)偏壓為-100～0v。

11、優(yōu)選的，所述第二氬氣的流量為20～40sccm，壓強(qiáng)為0.5～0.8pa；所述第二加熱的溫度為100～200℃，且不施加基體偏壓。

12、優(yōu)選的，所述基體的材料包括si、w18cr4v、inconel?718或440c。

13、優(yōu)選的，所述第一磁控濺射前，還包括對(duì)基體依次進(jìn)行超聲清洗和等離子體清洗，并對(duì)靶材進(jìn)行預(yù)濺射。

14、本發(fā)明提供了上述方案所述的mos2基納米復(fù)合薄膜或上述方案所述制備方法制備得到的mos2基納米復(fù)合薄膜在航空航天機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面工程中的應(yīng)用。

15、本發(fā)明提供了一種裝置，包括基體以及沉積在所述基體表面的mos2基納米復(fù)合薄膜；所述mos2基納米復(fù)合薄膜為上述方案所述的mos2基納米復(fù)合薄膜或上述方案所述制備方法制備得到的mos2基納米復(fù)合薄膜。

16、本發(fā)明提供了一種mos2基納米復(fù)合薄膜包括ti過(guò)渡層和沉積在所述ti過(guò)渡層表面的ti與c共摻雜mos2納米復(fù)合層；所述ti與c共摻雜mos2納米復(fù)合層中，ti原子個(gè)數(shù)百分比為5.0～8.0％，c原子個(gè)數(shù)百分比為35.0～45.0％，余量為mos2。本發(fā)明提供的mos2基納米復(fù)合薄膜體系包含增強(qiáng)膜基結(jié)合力的ti過(guò)渡層、ti與c共摻雜的mos2納米復(fù)合層，該體系耦合了mos2的真空摩擦特性、c的大氣摩擦特性和ti的強(qiáng)化作用，極大地改善了mos2薄膜的環(huán)境自適應(yīng)能力。本發(fā)明提供的mos2基納米復(fù)合薄膜的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可以抑制mos2晶粒的柱狀快速生長(zhǎng)方式，增加薄膜體系的致密度，提高薄膜的硬度和彈性模量等力學(xué)性能，而且納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)對(duì)水和氧氣分子的阻擋能力，鈍化mos2晶粒界面處的活性位點(diǎn)，提高薄膜的抗氧化性能。因此，本發(fā)明提供的mos2基納米復(fù)合薄膜具有良好的力學(xué)性能，同時(shí)在真空、大氣常溫和高溫(500℃)環(huán)境下均具有良好的摩擦學(xué)性能，表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境自適應(yīng)能力和抗氧化性能，能夠滿足可重復(fù)使用航空航天飛行器在復(fù)雜環(huán)境下的可靠潤(rùn)滑和服役要求。

技術(shù)特征：

1.一種mos2基納米復(fù)合薄膜，其特征在于，包括ti過(guò)渡層和沉積在所述ti過(guò)渡層表面的ti與c共摻雜mos2納米復(fù)合層；所述ti與c共摻雜mos2納米復(fù)合層中，ti原子個(gè)數(shù)百分比為5.0～8.0％，c原子個(gè)數(shù)百分比為35.0～45.0％，余量為mos2。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mos2基納米復(fù)合薄膜，其特征在于，所述ti過(guò)渡層的厚度為100～300nm；所述mos2基納米復(fù)合薄膜的厚度為2.0～3.0μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的mos2基納米復(fù)合薄膜，其特征在于，所述mos2基納米復(fù)合薄膜的硬度＞8.0gpa，彈性模量＞90.0gpa，在真空中的平均摩擦系數(shù)＜0.05，在大氣常溫中的平均摩擦系數(shù)＜0.11，在大氣高溫500℃的平均摩擦系數(shù)＜0.1。

4.權(quán)利要求1～3任意一項(xiàng)所述mos2基納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述第一氬氣的流量為20～40sccm，壓強(qiáng)為0.5～0.8pa；所述第一加熱的溫度為100～200℃，所述負(fù)偏壓為-100～0v。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述第二氬氣的流量為20～40sccm，壓強(qiáng)為0.5～0.8pa；所述第二加熱的溫度為100～200℃，且不施加基體偏壓。

7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，所述基體的材料包括si、w18cr4v、inconel?718或440c。

8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，所述第一磁控濺射前，還包括對(duì)基體依次進(jìn)行超聲清洗和等離子體清洗，并對(duì)靶材進(jìn)行預(yù)濺射。

9.權(quán)利要求1～3任意一項(xiàng)所述的mos2基納米復(fù)合薄膜或權(quán)利要求5～8任意一項(xiàng)所述制備方法制備得到的mos2基納米復(fù)合薄膜在航空航天機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件表面工程中的應(yīng)用。

10.一種裝置，其特征在于，包括基體以及沉積在所述基體表面的mos2基納米復(fù)合薄膜；所述mos2基納米復(fù)合薄膜為權(quán)利要求1～3任意一項(xiàng)所述的mos2基納米復(fù)合薄膜或權(quán)利要求5～8任意一項(xiàng)所述制備方法制備得到的mos2基納米復(fù)合薄膜。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種MoS<subgt;2</subgt;基納米復(fù)合薄膜及其制備方法和應(yīng)用、裝置，屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，所述MoS<subgt;2</subgt;基納米復(fù)合薄膜包括Ti過(guò)渡層和沉積在所述Ti過(guò)渡層表面的Ti與C共摻雜MoS<subgt;2</subgt;納米復(fù)合層；所述Ti與C共摻雜MoS<subgt;2</subgt;納米復(fù)合層中，Ti原子個(gè)數(shù)百分比為5.0～8.0％，C原子個(gè)數(shù)百分比為35.0～45.0％，余量為MoS<subgt;2</subgt;。本發(fā)明提供的MoS<subgt;2</subgt;基納米復(fù)合薄膜具有良好的力學(xué)性能，同時(shí)在真空、大氣常溫和高溫(500℃)環(huán)境下均具有良好的摩擦學(xué)性能，表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境自適應(yīng)能力和抗氧化性能，能夠滿足可重復(fù)使用航空航天飛行器在復(fù)雜環(huán)境下的可靠潤(rùn)滑和服役要求。

技術(shù)研發(fā)人員：趙曉宇,王鵬,馬鵬翔,張弘,張貝貝,喬麗,柴利強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17