專利名稱：基于MoS₂-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜及其制備方法
技術領域：
本發明涉及的是一種納米處理技術領域的材質及方法，具體是一種基于 MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜及其制備方法。
背景技術：
近年來，固態潤滑材料的研究成為摩擦學領域的熱點問題。與液體潤滑劑相比， 一方面它具有更高的使用溫度和更大的承載能力，另一方面可以減小對環境的污染。常用 的固態潤滑材料主要有MoS2、WS2和石墨，其中又以MoS2基潤滑材料的研究應用最為廣泛。 普通層狀結構(2H)的過渡族金屬硫化物MoS2晶體是S-Mo-S原子形成的六方體結構，在每 一層里S-Mo原子以很強的共價鍵結合，層與層之間以很弱的范德瓦爾斯鍵結合，層與層之 間易于滑動，呈現出良好的潤滑性能，因而被廣泛用作干摩擦狀態下的固態薄膜潤滑材料。 但是由于層狀結構的MoS2晶體邊緣不飽和的懸掛鍵具有化學活性，在大氣(特別是潮濕空 氣)和富氧環境的摩擦過程中容易被氧化生成MoO3和H2SO4使其摩擦性能急劇下降，甚至 失去潤滑作用，MoS2薄膜的這一缺點大大限制了其在大氣環境中的應用。與此同時，TiC薄 膜和DLC(類金剛石)薄膜由于其強度高、硬度高、耐蝕性和熱穩定性好，可以有效地提高材 料的耐磨性能和使用壽命而被廣泛應用于各個領域。然而，單獨的TiC薄膜或DLC(類金 剛石)薄膜由于較高的摩擦系數、較差的耐久性和較低的結合力無法滿足其應用環境的要 求。A. A. El Mel 等人在雜志 Surface & Coatings Technology 2010 年第 204 期第 1880-1883 頁發表的〈〈Microstructure and composition of TiC/a-C :H nanocomposite thin films deposited by a hybrid IPVD/PECVD process》(混合 IPVD/PECVD(電離物理 氣相沉積和等離子體增強化學氣相沉積)方法制備TiC/a-C :H(非晶態氫化碳)納米復合 薄膜的結構和成分研究)中提出，在Ar-CH4等離子體氣氛中用Ti靶磁控濺射可以制備得 到TiC/a-C =H納米復合薄膜。對現有文獻和專利檢索，未發現在Ar-CH4氣氛中MoS2靶和 Ti靶共濺射制備MoS2-TiC-C自潤滑減摩復合薄膜。

發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復 合薄膜及其制備方法，制備工藝簡單，沉積過程易于控制，沉積后的復合薄膜無需進行熱處 理，可直接作為機械零部件表面的減摩防護薄膜使用。本工藝制備所得的復合薄膜硬度高， 納米硬度達到7. 6GPa，抗磨減摩性能優異，摩擦系數可達到0. 04，經摩擦磨損測試后薄膜 表面未見磨穿脫落現象。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過在不銹鋼基片濺射純鈦或純鎳后 進一步進行反應磁控濺射制備得到MoS2-TiC-C復合薄膜。所述的不銹鋼基片為經拋光機上拋光后超聲波清洗并吹干后的不銹鋼片。所述的基片為不銹鋼，直徑為30mm，厚度為4mm
所述的拋光是指將基片拋光至光潔度小于等于0. 01 μ m ；所述的超聲清洗是指采用分析純酒精、丙酮將拋光后的不銹鋼基片置于超聲清 洗機中分別超聲清洗30min;所述的吹干是指用壓縮氮氣將不銹鋼基片表面吹干。所述的濺射純鈦或純鎳是指將濺射室本底真空抽至IO-4Pa后，通入氬氣并調整 氣體流量計使氣壓達到lPa，設置濺射功率為100W，濺射時間為15min，在基片上直流濺射 純Ti靶或純Ni靶，制成厚度約IOOnm的中間層；所述的進行反應磁控濺射是指在濺射室中通入氬氣和甲烷的混合氣體后，在 0. 3 1. 5Pa氬氣和甲烷混合氣體環境下，分別設置a) MoS2靶射頻濺射功率為100 300W ；b)純鈦靶直流濺射功率10 30W ；兩靶同時開啟進行濺射，濺射時間為60 120min，制成厚度為0. 4 1. 7 μ m的復
口 te O所述的混合氣體中氬氣為濺射氣體，甲烷為反應氣體，氬氣在混合氣體中所占體 積百分比含量為85%且甲烷為15%。本發明通過上述方法制備得到的復合薄膜采用XRD和EDS分析，物相為MoS2、TiC 和非晶態C，成分含量MoS2* 17. 1 29. 6at%、TiC為5. 9 15. 8at%、非晶態C為63. 8 73at%。本發明的主要優點是采用氬氣和甲烷混合氣體進行反應磁控濺射，利用MoS2晶體 結構具有低摩擦系數的特性，加入Ti和C成分，形成了 MoS2、TiC和C三者的復合薄膜。首 先，TiC可以細化MoS2晶粒，大大改善MoS2薄膜的柱狀疏松結構，抑制MoS2在潮濕大氣和富 氧環境中的氧化；其次，TiC可以提高MoS2薄膜的硬度和強度；再次，非晶態C可以進一步 提高薄膜的硬度，強度，韌性和潤滑性能；這些特點使得薄膜的耐磨性能和使用壽命有了極 大的提高，拓展了 MoS2在大氣環境下的使用范圍。由于在濺射復合薄膜之前，在基體上濺 射有一層IOOnm左右的中間層，進一步增強金屬基體與薄膜之間的結合強度。本發明MoS2-TiC-C自潤滑減摩復合薄膜制備工藝簡單，沉積過程易于控制，薄膜 沉積后無需進行熱處理，可直接作為機械零部件表面的減摩防護薄膜使用。本發明制備的 復合薄膜具有低摩擦系數的同時耐磨性能優良，與金屬基底有較高的結合力，可用于制造 軸承、陀螺儀和齒輪等零部件表面的減摩防護薄膜。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例1將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調節氣體流量計使濺射室內氣壓為0. 8Pa,
4甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率150W，直流濺射鈦靶，功率10W，工 作氣壓為0. 8Pa，濺射時間60分鐘，關閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成 薄膜厚度約0. 6 μ m的薄膜。經EDS能譜分析，得到其原子百分比為19. Iat % MoS2+7. 9at% TiC+73at% C實施例2將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調節氣體流量計使濺射室內氣壓為1.2Pa， 甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率200W，直流濺射Ti靶，功率15W，工 作氣壓為1. 2Pa，濺射時間90分鐘，關閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成 薄膜厚度約1.3μπι的薄膜。實施例3將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為lPa，開啟電 源，直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約 15min，關閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調節氣體流量計使濺射室內氣壓為
0.5Pa,甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率100W，直流濺射Ti靶，功 率30W，工作氣壓為0. 5Pa,濺射時間100分鐘，關閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開 真空室，制成薄膜厚度約Ι.Ομπι的薄膜。經EDS能譜分析，得到其原子百分比為17. Iat % MoS2+15. 8at% TiC+67. Iat % C實施例4將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為lPa，開啟電 源，直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約 15min，關閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調節氣體流量計使濺射室內氣壓為
1.5Pa,甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率300W，直流濺射Ti靶，功 率20W，工作氣壓為1.5Pa，濺射時間120分鐘，關閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開 真空室，制成薄膜厚度約1. 7 μ m的薄膜。經EDS能譜分析，得到其原子百分比為25. 3at% MoS2+10. 9at% TiC+63. 8at% C實施例5將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調節氣體流量計使濺射室內氣壓為0. 3Pa, 甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率200W，直流濺射Ti靶，功率10W，工 作氣壓為0. 3Pa，濺射時間80分鐘，關閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成 薄膜厚度約0.4μπι的薄膜。實施例6
將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調節氣體流量計使濺射室內氣壓為l.OPa， 甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率250W，直流濺射Ti靶，功率10W，工 作氣壓為l.OPa，濺射時間100分鐘，關閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制 成薄膜厚度約1.5μπι的薄膜。實施例7將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調節氣體流量計使濺射室內氣壓為1.3Pa， 甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率300W，直流濺射Ti靶，功率10W，工 作氣壓為1. 3Pa，濺射時間90分鐘，關閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成 薄膜厚度約1. 6 μ m的薄膜。經EDS能譜分析，得到其原子百分比為29. 6at% MoS2+5. 9at% TiC+64. 5at% C對MoS2基復合薄膜進行摩擦學性能和力學性能評價，所用的設備為在MFT-4000 材料表面性能試驗儀。對磨材料選用Φ4mm的GCr 15鋼球，硬度62HRC。試驗條件為試驗 載荷為20N，摩擦方式為往復摩擦，摩擦長度10mm，摩擦頻率50Hz，試驗時間30min，干摩擦 (無油潤滑)狀態，在室溫空氣(相對濕度為50% 70%)條件下進行，測試過程中自動記 錄摩擦系數。力學性能評價所用設備為納米壓痕儀。表1為實施例1-7的MoS2基復合薄膜 以及純MoS2薄膜在室溫，相對濕度為50% 70%空氣中的平均動摩擦系數(μ )。表2為 實施例1-7的MoS2基復合薄膜以及純MoS2薄膜的納米硬度。表 1 表 2
實施例編號1234567純MoS2薄膜納米硬度(GPa)6. 287. 137. 637. 215. 765. 134. 610. 57 本實施例制備的MoS2-TiC-C自潤滑減摩復合薄膜硬度高，可達7. 6GPa,復合薄膜 在室溫空氣(相對濕度為50% 70%)條件下往復循環摩擦半小時過程中，摩擦系數低且 變化平穩、波動小，摩擦系數達到0. 042，該薄膜耐磨抗氧化性能優良，可用于制造軸承、陀 螺儀和齒輪等零部件表面的減摩防護薄膜。
權利要求
一種基于MoS2 TiC C的自潤滑減摩復合薄膜的制備方法，其特征在于，通過在不銹鋼基片濺射純鈦或純鎳后進一步進行反應磁控濺射制備得到MoS2 TiC C復合薄膜。
2.根據權利要求1所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的不銹鋼基片為經拋光機上拋光后超聲波清洗并吹干后的不銹鋼片。
3.根據權利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的基片為不銹鋼，直徑為30mm，厚度為4mm。
4.根據權利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的拋光是指將基片拋光至光潔度小于等于0. 01 μ m。
5.根據權利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的超聲清洗是指采用分析純酒精、丙酮將拋光后的不銹鋼基片置于超聲清洗機中 分別超聲清洗30min。
6.根據權利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的吹干是指用壓縮氮氣將不銹鋼基片表面吹干。
7.根據權利要求1所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的濺射純鈦或純鎳是指將濺射室本底真空抽至KT4Pa后，通入氬氣并調整氣體流 量計使氣壓達到lPa，設置濺射功率為100W，濺射時間為15min，在基片上直流濺射純Ti靶 或純M靶，制成厚度約IOOnm的中間層。
8.根據權利要求1所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜的制備方法，其特 征是，所述的進行反應磁控濺射是指在濺射室中通入氬氣和甲烷的混合氣體后，在0. 3 1. 5Pa氬氣和甲烷混合氣體環境下，分別設置a)MoS2靶射頻濺射功率為100 300W ；b)純鈦靶直流濺射功率10 30W；兩靶同時開啟進行濺射，濺射時間為60 120min，制成厚度為0. 4 1. 7μπι的復合層。
9.根據權利要求8所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的混合氣體中氬氣為濺射氣體，甲烷為反應氣體，氬氣在混合氣體中所占體積百 分比含量為85%且甲烷為15%。
10.一種基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜，其特征在于，采用上述任一權利要求 所述方法制備得到。
全文摘要
一種納米表面處理技術領域的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復合薄膜及其制備方法，通過在不銹鋼基片濺射純鈦或純鎳后進一步進行反應磁控濺射制備得到MoS2-TiC-C復合薄膜。本發明制備工藝簡單，沉積過程易于控制，沉積后的復合薄膜無需進行熱處理，可直接作為機械零部件表面的減摩防護薄膜使用。本工藝制備所得的復合薄膜硬度高，納米硬度達到7.6GPa，抗磨減摩性能優異，摩擦系數可達到0.04，經摩擦磨損測試后薄膜表面未見磨穿脫落現象。
文檔編號C23C14/06GK101921984SQ201010282390
公開日2010年12月22日 申請日期2010年9月15日 優先權日2010年9月15日
發明者何丹農, 余震, 宋佳, 尹桂林, 李倩倩 申請人:上海交通大學;上海納米技術及應用國家工程研究中心有限公司