大氣環(huán)境下超滑納米晶-非晶碳薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大氣環(huán)境下超滑納米晶?非晶碳薄膜的制備方法，該制備方法包括以下步驟：將預(yù)清潔后的硅片放入丙酮、乙醇中超聲清洗，然后轉(zhuǎn)移至等離子體增強化學(xué)氣相沉積設(shè)備的真空腔下部基底盤上，基底盤與負偏壓電源相連；抽真空直到小于1.0×10?3帕；通入氬氣，在直流偏壓500~800 V條件下進行等離子體清洗，用以除去表面殘留的雜質(zhì)和污染物；通入甲烷和氮氣，在直流偏壓780~820 V條件下鍍膜20~40分鐘；通入甲烷和氫氣，在直流偏壓為780~820V條件下鍍膜90~120分鐘。本發(fā)明所獲得的薄膜呈現(xiàn)了納米晶?非晶特征，具有較高的硬度和彈性，以及優(yōu)異的摩擦學(xué)性能（摩擦系數(shù)可持續(xù)維持在0.005左右，磨損率達到了~10?17m3/N/m級別）。
【專利說明】
大氣環(huán)境下超滑納米晶-非晶碳薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種在大氣環(huán)境下表現(xiàn)出超滑行為的納米晶-非晶碳薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]摩擦和磨損是機械系統(tǒng)中導(dǎo)致能量耗散與相互運動部件失效的主要方式之一。據(jù)估計，由摩擦造成的能量消耗約占全球能量資源的三分之一，同時約有60%的機械材料損失歸結(jié)于磨損。設(shè)計具有超低摩擦系數(shù)與磨損的機械系統(tǒng)和建立超滑體系對最大程度地節(jié)約能源、減少機械系統(tǒng)中有害物質(zhì)對大氣環(huán)境的排放具有劃時代的意義，必將產(chǎn)生革命性的經(jīng)濟和社會效益。到目前為止，超滑的實現(xiàn)主要集中在一些與層狀材料相關(guān)的實驗中，如二硫化鉬(MoS2)、高定向熱解石墨(HOPG)和多壁碳納米管(MWCNT)，這些超滑主要歸因于兩個在納米或微米尺度晶面之間的非公度接觸，需要高真空和超高清潔的環(huán)境。在宏觀尺度上，結(jié)構(gòu)缺陷和畸變是材料表現(xiàn)出超滑特性難以越過的鴻溝。因此，探索宏觀超滑體系成為了科技人員研究的熱點課題之一。
[0003]目前，最有希望能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀超滑行為的典型材料是含氫類金剛石薄膜(diamond-like carbon,DLC)。由于其光滑表面的懸鍵被氫飽和、鈍化，滑移表面間無化學(xué)物理相互作用，其在真空和特殊氣氛下均可表現(xiàn)出超滑行為。但其內(nèi)應(yīng)力高、摩擦性能受環(huán)境影響較大限制了其工程應(yīng)用，尤其是在較大接觸應(yīng)力和大氣環(huán)境下難以實現(xiàn)超滑。因此，需發(fā)展一些新的技術(shù)與方法來強化碳薄膜的機械性能與其在大氣環(huán)境下的摩擦學(xué)性能，使其在工程應(yīng)用方面也能表現(xiàn)出超滑特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種大氣環(huán)境下超滑納米晶-非晶碳薄膜的制備方法。
[0005]本發(fā)明采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)在非晶碳網(wǎng)格中引入了納米金剛石顆粒(小于10 nm)，從而釋放薄膜的內(nèi)應(yīng)力、強化薄膜的機械性能，同時鑲嵌在非晶碳網(wǎng)絡(luò)中的納米顆粒可以促進洋蔥碳結(jié)構(gòu)(類富勒烯結(jié)構(gòu))轉(zhuǎn)移膜在摩擦界面的形成，從而賦予薄膜超滑行為?；谶@一思路，我們制備出了一種與常規(guī)類金剛石碳薄膜結(jié)構(gòu)不同的納米晶_非晶碳薄膜。該薄膜表現(xiàn)出了較高的硬度(?18.94GPa)、彈性恢復(fù)系數(shù)(?84%)和在大氣環(huán)境下超低的摩擦系數(shù)(?0.005)與磨損(?10—17m3/N/m)。該方法具有氣相沉積系統(tǒng)工藝成熟、設(shè)備簡單、沉積溫度低、成膜均勻、重復(fù)性好等特點。這極大地擴寬了碳基薄膜潛在的應(yīng)用前景，為碳基薄膜的應(yīng)用提供了一種新的可能，必將推動機械零部件與裝備的技術(shù)革新，有利于我國構(gòu)建能源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。
[0006]大氣環(huán)境下超滑納米晶-非晶碳薄膜的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟:
I)將預(yù)清潔后的硅片放入丙酮、乙醇中超聲清洗，然后轉(zhuǎn)移至等離子體增強化學(xué)氣相沉積設(shè)備的真空腔下部基底盤上，基底盤與負偏壓電源相連； 2)抽真空直到小于I.0 X 10-3帕;
3)通入氬氣，在直流偏壓500?800V條件下進行等離子體清洗，用以除去表面殘留的雜質(zhì)和污染物；
4)通入甲烷和氮氣，在直流偏壓780?820V條件下鍍膜20?40分鐘;通入甲烷和氫氣，在直流偏壓為780?820V條件下鍍膜90?120分鐘。
[0007]所述電源為直流電源。
[0008]所述甲烷和氮氣的流量比為0.8:1.0-1.2:1.0;所述甲烷和氫氣的流量比為1:1.8?1:2.2。
[0009]本發(fā)明所獲得的薄膜具有納米晶-非晶特征，即薄膜中含有金剛石納米顆粒(小于1nm);該種薄膜具有較高的硬度和彈性，其納米硬度為18.94 GPa，彈性恢復(fù)系數(shù)為84%;所獲得的納米晶-非晶碳薄膜具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，在空氣中(相對濕度為20%)和接觸應(yīng)力達到2.89GPa時，摩擦系數(shù)可持續(xù)維持在0.005左右。
[0010]本發(fā)明的制備方法簡單易行，將甲烷和氫氣氣體引入真空腔中，在直流電源的誘導(dǎo)下產(chǎn)生離化，使之產(chǎn)生具有電子、離子、自由基等各種基團的等離子體氣氛，其中帶正電的各種含碳基團(CH3+，CH2+等)在負偏壓的作用下做加速運動，并在基底上沉積形成薄膜。
[0011]對本發(fā)明中所制備薄膜進行了紅外光譜(FTIR)、x-射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)等表征。結(jié)果表明，該薄膜為含有金剛石納米顆粒的碳氫薄膜，具有納米晶-非晶結(jié)構(gòu)特征。
【附圖說明】
[0012]圖1: (A)納米晶-非晶碳膜的高分辨透射電鏡圖(HRTEM) ; (B)納米晶-非晶碳膜和非晶碳膜的XRD數(shù)據(jù)圖。
[0013]圖2:(A)納米晶-非晶薄膜(FTIR)紅外光譜圖；(B)納米晶-非晶碳膜和非晶碳膜的Cls結(jié)合能譜圖。
【具體實施方式】
[0014]為了更好的理解本發(fā)明，通過實例進行說明。
[0015]實施例1
首先選擇表面光潔的硅片三片，將其放入丙酮、乙醇中超聲清洗，取出硅片，用洗耳球吹干后將其迅速轉(zhuǎn)入等離子體增強化學(xué)氣相沉積設(shè)備的真空腔里，放置在基底盤上，開始抽真空。待真空抽到小于1.0 X 10—3帕時，通入氬氣，調(diào)整氣壓為6.0帕，在直流電壓800伏特的情況下，進行等離子體清洗。清洗完成后，通入甲烷和氮氣(流量比為1.0)，在直流偏壓800伏特的條件下沉積薄膜，沉積時間為0.5小時;通入甲烷和氫氣(流量比為1.0:2.0)，在直流偏壓800伏特的條件下沉積薄膜，沉積時間為1.5小時。
[0016]實施例2
FTIR光譜圖中在2800 cm—1NSOOO cm—1范圍內(nèi)出現(xiàn)甲基和亞甲基的特征振動吸收峰，表明得到的類金剛石碳膜是含氫的。X射線光電子能譜分析發(fā)現(xiàn)薄膜Cls的結(jié)合能要明顯高于常規(guī)的類金剛石薄膜，表明薄膜中的SP3碳含量較高。往復(fù)摩擦實驗結(jié)果表明薄膜具有優(yōu)異的摩擦學(xué)特性，空氣中(相對濕度為20%)，接觸應(yīng)力為2.89 GPa時，其摩擦系數(shù)可持續(xù)維持在0.005左右。
【主權(quán)項】
1.大氣環(huán)境下超滑納米晶-非晶碳薄膜的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟: 1)將預(yù)清潔后的硅片放入丙酮、乙醇中超聲清洗，然后轉(zhuǎn)移至等離子體增強化學(xué)氣相沉積設(shè)備的真空腔下部基底盤上，基底盤與負偏壓電源相連； 2)抽真空直到小于1.0 X 10-3帕; 3)通入氬氣，在直流偏壓500?800V條件下進行等離子體清洗； 4)通入甲烷和氮氣，在直流偏壓780?820V條件下鍍膜20?40分鐘;通入甲烷和氫氣，在直流偏壓為780?820V條件下鍍膜90?120分鐘。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述電源為直流電源。3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述甲烷和氮氣的流量比為0.8:1.0?.1.2:1.0;所述甲烷和氫氣的流量比為1:1.8?1:2.2。
【文檔編號】C23C16/503GK106011794SQ201610371967
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】張俊彥, 曹忠躍, 強力, 張斌
【申請人】中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所