[发明专利]一种自适应长效润滑性能金/碳复合薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种多种环境下具有自适应、长效润滑性能的金/碳复合薄膜，是利用磁控溅射技术在基材表面制备了结构包括基材表面的钛打底层、碳/钛混合梯度过渡层、金/碳复合层的复合薄膜，该复合薄膜利用金和不含氢碳的活性位点之间的弱结合特性，在制备过程中形成纳米金/非晶碳纳米复合弥散结构；在摩擦过程中剪切力的驱动下，金原子与碳原子分离并源源不断迁移扩散至摩擦表面和对偶，形成富碳和富金的摩擦副化学惰性的界面，实现在真空、潮湿大气多环境下的自适应、长寿命润滑性能。可应用于航天、航空等各领域真空、潮湿大气以及交替使用环境下服役机械部件的表面润滑处理。

技术领域

本发明涉及一种金属/碳复合薄膜，尤其涉及一种多种环境下具有自适应、长效润滑性能的金/碳复合薄膜及其制备方法，可应用于航天、航空等各领域真空、潮湿大气以及交替使用环境下服役机械部件的表面润滑处理。

背景技术

载人航天、空间站等空间技术的飞速发展，空间装备运动部件的服役环境已不局限于真空，涉及到潮湿空气（舱内）、真空（舱外）、二氧化碳（火星表面）等复杂交变环境，空间润滑材料与技术需要满足多环境适应性的高性能润滑要求。目前空间精密部件润滑主要采用了二硫化钼薄膜技术（专利授权号：CN1043366C），虽然其在高真空环境下展现出了优良的润滑性能，但是在高湿度空气里会快速润滑失效。非晶碳膜是1990年左右兴起的一类新型的明星固体润滑材料（Surface and Coatings Technology, 2000, 133-134: 448-454），特别是含氢的非晶碳薄膜能够在惰性或真空条件下展现出极低的摩擦系数（低于0.01），较常规材料降低10-100倍，因此作为下一代空间润滑材料在航天领域的应用被寄予厚望，比如欧洲空间中心推荐碳薄膜材料作为未来空间环境的润滑材料。然而其在高真空条件下虽然具有极低的摩擦系数，但寿命仅能维持数百转。原因是碳的共价结构不可避免存在着悬挂活性键，氢原子可以起到有效钝化的作用，但是在真空摩擦过程中，碳氢键会被摩擦力破坏而导致悬挂键相互作用，快速润滑失效；在潮湿空气摩擦过程中，水分子会与悬挂键作用，导致润滑性能对湿度高的敏感性。

近期研究发现，金与非晶碳膜组成摩擦运动副时，金具有好的化学惰性，可以减少非晶碳活性悬挂键的作用，有效改善非晶碳薄膜的真空润滑性能（J. Phys. Chem. Lett.,2021, 12: 10333-10338）。张斌等在非晶碳薄膜上附加一薄层金（≤100nm），同样实现了其真空润滑性能的改善（Carbon, 2022 186: 180-192, CN111850470B）。但金配副以及附加金纳米层的方法无法解决金/碳界面摩擦产物覆盖和消耗的问题，导致润滑寿命有限。因此探索设计具有自补充性的金/碳界面是实现长效润滑的有利途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多种环境下具有长效润滑性能的金/碳复合薄膜及其制备方法，以实现在真空、潮湿大气等环境下的自适应性和长寿命润滑性能。

一、金/碳复合薄膜的结构和制备

本发明的金/碳复合薄膜，其结构包括基材表面的钛打底层，碳/钛混合过渡层，金/碳复合层。钛打底层的作用是屏蔽碳与铁等金属底材元素之间的触媒反应；碳/钛混合梯度过渡层的作用是缓冲由钛层到碳表层之间的晶格匹配和应力，钛打底层和碳/钛混合梯度过渡层的共同作用是保障金/碳复合层能够牢固结合至金属基材表面；金/碳复合层是润滑功能层，发挥主要的减摩耐磨功能作用。

本发明金/碳复合薄膜的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）等离子体清洗表面：对基材部件进行氩气等离子体清洗刻蚀，去除基底表面残留的杂质和污染物。基材部件的材质可选自钢、不锈钢、钛合金、铜等金属。具体工艺参数严格控制如下：真空室本底真空气压低于1×10^-2 Pa；清洗气压稳定在1.0~3.0 Pa，基体负偏压-400 V~-800 V，处理时间20~40 min。