[发明专利]一种微/纳织构化类金刚石-离子液体复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微/纳织构化类金刚石-离子液体复合薄膜的制备技术，特别是利用感应耦合等离子体刻蚀技术、磁控溅射气相沉积技术和浸渍-提拉薄膜组装技术相结合，制备出一种具有不同形貌和几何参数的微/纳织构化类金刚石-离子液体复合薄膜的方法，该技术有望应用于航空航天、医疗卫生、环境控制、数字通讯、自动控制、信息仪器传感技术、通讯卫星和国防军事等领域。

背景技术

表面织构，即在表面加工制备出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕、凸包或微小沟槽等图案阵列。织构化包括图案化微结构和仿生微结构是高性能摩擦副润滑表面研究的重要内容。织构化可以改变表面形貌，进而影响到摩擦副表面的接触状态和润滑状态。因此设计合适的表面几何造型可显著改善摩擦副表面的摩擦磨损性能，延长其使用寿命，对提高摩擦副表面性能和润滑效果具有较大的工程价值，对节约能源、保护环境有着重要的意义。近年来大量科学研究和工程实践表明：表面织构在改善材料界面摩擦学性能方面起到了积极的作用。随着对织构化效应的不断研究，科技工作者普遍认为织构化表面对机械零部件摩擦接触将会产生以下有益效果：(1)产生流体动压效应以增加承载能力；(2)作为储油器给接触表面提供润滑剂以防止咬合；(3)捕捉和容纳摩擦产生的磨屑，从而减少磨损等3方面的作用，由此显著提高摩擦副的寿命和可靠性。织构化技术已在计算机硬盘、轴承和密封、内燃机中的汽缸/活塞、发动机系统中得到了成功的应用。

伴随着表面织构化日益成为研究的热点，制备织构化表面的技术和方法也日益增多，主要包括：激光熔融烧蚀，化学刻蚀，软光刻技术，溶胶-凝胶法，电化学反应和电化学沉积，自组装法，原子力针尖诱导阳极氧化及其它一些方法。但是这些方法应用到实际工业中时都有一些局限性，如：制作成本高，特定的材料限制，制备过程复杂，不能大面积制备等，所以要根据具体情况选择合适的织构制备方法。感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)具有刻速快、选择比高、各向异性高、刻蚀损伤小、大面积均匀性好、刻蚀断面轮廓可控性高和刻蚀表面平整光滑等优点。通过控制工艺参数可以调节ICP刻蚀结果，包括：刻蚀气体、气体流量、工作气压、射频功率和偏压、电极位置、温度等。

类金刚石(diamond-like carbon，简称DLC)薄膜具有许多优异的性能，如高硬度、低摩擦系数、高耐磨性以及良好的化学稳定性、导热性等。DLC作为新型功能薄膜材料在很多领域如：摩擦学、真空微电子学、光电子学、航空航天、生物医学材料、M/NEMS等领域都有着巨大的应用前景。离子液体是由结构不对称且体积相对较大的有机阳离子和体积相对较小的无机阴离子构成的在室温下呈液态的化合物。离子液体具有超低挥发性，高热稳定性，不可燃，熔点低，良好的导电、导热性及液相范围宽等特性，符合高效润滑剂的要求。刘维民等在国际上率先开展了离子液体作为潜在润滑剂的应用研究并取得了非常满意的结果，发现其对钢/钢、钢/铝、钢/铜、钢/单晶硅、钢/陶瓷以及陶瓷/陶瓷等摩擦副均具有良好的润滑作用，减摩抗磨性能优于传统润滑剂磷嗪和全氟聚醚，是一类极具发展前途的多功能润滑剂。大量的研究表明：离子液体作为润滑剂具有优异的抗磨减摩作用和较高的承载能力。国际纳米摩擦学知名专家B.Bhushan教授课题组的研究结果表明：离子液体超薄膜可以显著改善硅片表面的微/纳摩擦学性能，是一类在M/NEMS系统中非常有前景的润滑薄膜材料。

因此，将表面织构化处理与碳基固体润滑薄膜、离子液体有机薄膜结合制备具有微/纳织构的DLC-离子液体复合薄膜，将碳基固体润滑薄膜的抗磨与离子液体薄膜的减摩作用有效结合起来，发挥两种类型薄膜在改善材料摩擦学性能的协同作用。本专利将感应耦合等离子体刻蚀技术、磁控溅射气相沉积技术与浸渍-提拉液相组装技术巧妙结合起来。目前这方面的技术开发尚未见有专利报道。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种微/纳织构化类金刚石-离子液体复合薄膜，该复合薄膜的表面均匀分布着不同类型形貌和几何尺寸的微/纳织构，具有优异的摩擦性能。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种微/纳织构化类金刚石-离子液体复合薄膜的制备方法，利用感应耦合等离子体刻蚀技术、磁控溅射气相沉积技术和浸渍-提拉薄膜组装技术相结合进行制备，制得的DLC-离子液体复合薄膜具有多种形貌和不同几何参数的微/纳织构和优异的摩擦学性能。