CN104278241B - 一种具有多环境适应性的薄膜材料的制备技术 - Google Patents

一种具有多环境适应性的薄膜材料的制备技术 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有多环境适应性的二硫化钼/含氢非晶碳多层薄膜材料的制备技术。采用MoS2/a‑C:H多层结构的设计，并利用反应非平衡磁控溅射技术制备。制备方法简便，而且制备的薄膜结构致密，避免了贯穿膜层的空洞缺陷；同时硬质a‑C:H膜层提高了薄膜的承载能力，软质MoS2膜层提高了薄膜的润滑性能，从而提高了薄膜的多环境适应性。MoS2/a‑C:H多层薄膜在真空、空气、氮气环境中均具有良好的摩擦学性能，可以用作空间润滑材料在载人航天飞船、星际探测器、人造卫星等众多领域得到应用。

Description

一种具有多环境适应性的薄膜材料的制备技术
技术领域
本发明涉及一种利用非平衡磁控溅射技术制备具有多环境适应性的润滑薄膜的制备技术。
背景技术
载人航天工程、空间实验室、星际探测器等空间高技术工业的发展，为我国经济建设、国家安全和科技发展做出了积极贡献。空间环境的重要特点之一就是高真空，在此环境下，金属表面的氧化膜在摩擦过程中很快被除去，洁净金属表面之间极易发生粘着，甚至冷焊，致使摩擦副不能相对运动，这对于空间运动部件来说是致命的。此外，常规的油脂润滑剂在苛刻的真空环境下，易发生蒸发、分解或交联而失效。所以，空间技术关键运动部件在真空环境中的润滑失效已经成为制约空间技术装备寿命和可靠性的瓶颈，因此，发展适合于高真空的高可靠性、超长寿命的润滑材料与技术具有重要意义。
固体润滑材料由于具有低的蒸发率、较宽的温度区间、抗辐射、耐腐蚀等优点，是理想的真空润滑材料。薄膜材料作为精密部件的耐磨润滑层具有重要意义，软金属由于价格昂贵而受到很大限制，目前使用比较广泛的二硫化钼（MoS2）虽然在真空有良好的摩擦学性能，但在空气中存储过程已被氧化而是摩擦性能变差，加之耐腐性能差，薄膜硬度低，易产生磨屑导致污染。而新型的含氢非晶碳膜 (a-C:H)虽然有高硬度、低摩擦系数、高耐磨性、良好的化学稳定性等，但在真空环境下磨损寿命短，极大地限制了它在空间领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有多环境适应性的薄膜材料的制备技术。
本发明的目的可通过如下技术方案实现：
本发明采用MoS2/a-C:H多层结构的设计，并利用反应非平衡磁控溅射技术制备。
一种具有多环境适应性的薄膜材料的制备技术，其特征在于薄膜材料的制备过程是在一个非平衡磁控溅射镀膜机的真空腔室内完成，具体步骤为：
A、活化清洗表面：将光滑、洁净的金属基底置于非平衡磁控溅射镀膜机的真空腔室内后抽真空至10-3 Pa以下，通入氩气作为离化气体，基底施加脉冲偏压，辉光放电产生等离子体，对基底表面进行等离子体活化清洗；
B、过渡层制备：清洗完毕后，利用非平衡磁控溅射的方法首先制备硅过渡层，选用高纯硅作为溅射靶材，以氩气作为溅射气体，基体附加脉冲负偏压，沉积一定厚度后关闭；
C、利用非平衡反应磁控溅射的方法制备MoS2/a-C:H多层薄膜材料：溅射靶材选用MoS2靶和石墨靶，其中制备每层MoS2层与a-C:H层时的反应气源分别是：Ar与Ar/CH4，通过改变靶电流和CH4的通入时间，实现MoS2/a-C:H多层结构交替和周期变化，打开中频电源和脉冲偏压电源，沉积膜层，镀膜完毕后冷却至温度小于40℃，释放真空取出制得的薄膜材料。
在步骤A中，金属基底选自不锈钢、钢或钛合金。
在步骤A中，等离子体活化工艺参数范围为：气压0.2～3.0 Pa，脉冲偏压-100～-1200V。
在步骤B中，过渡层制备工艺参数范围为：腔体气压0.2～1.0Pa，溅射电流1～12A，脉冲偏压-50～-1000V，过渡层厚度30～500 nm。
在步骤C中，工艺参数范围为：腔体气压0.2～2.0Pa，Ar/CH4气体体积流量比6：1～1：6，脉冲偏压-100～-1000V，溅射电流1～25 A，调制周期为5～1000 nm。
本发明制备的涂层断面微观结构如图1所示，形成了MoS2/a-C:H纳米多层交替结构，在MoS2/a-C:H多层膜结构中：硬质a-C:H膜提供承载力，软质MoS2膜提供润滑性。软层MoS2膜在表面有很好的剪切作用，使得亚表面的硬层a-C:H膜在低剪切力水平产生一定程度上“相对滑动”，缓解了高硬度膜层的界面应力并保持了韧性；多相细晶界面的存在，增加了薄膜的韧性，阻止了裂纹的扩展，进而提高了薄膜的耐磨寿命。
本发明制备的MoS2/a-C:H多层膜与纯MoS2膜以及纯a-C:H膜相比：将三种薄膜分别在真空、氮气以及空气中进行摩擦实验。结果表明，纯MoS2膜在空气中摩擦系数高，摩擦寿命短；纯a-C:H膜在真空中虽然摩擦系数很低，但磨损寿命极短；而MoS2/a-C:H多层膜在多种环境下均具有很低的摩擦系数和很长的耐磨寿命。
本发明制备的多层薄膜可以作为空间润滑材料在载人航天飞船、星级探测器、人造卫星等领域的金属运动部件上。
本发明的产品主要性能指标如表1所示：
表1
附图说明
图1为MoS2/a-C:H多层薄膜的断面扫描电镜形貌图。
具体实施方式
实施例1：非平衡磁控溅射镀膜机
A. 活化清洗表面：将光滑、洁净的不锈钢板平面基底置于非平衡磁控溅射镀膜机的真空腔体内后，将真空腔内气压抽至6×10-3 Pa以下，通入高纯氩气至气压为2.5 Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-600 V，进行氩等离子体轰击清洗25 min。
B.沉积硅过渡层：调节氩气流量，使腔体气压维持在0.3Pa，打开中频硅靶溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为7 A，脉冲偏压为-200 V，占空比为40%，待过渡层厚度达到200 nm后关闭。
C. 沉积MoS2/a-C:H多层膜：脉冲偏压控制在-200 V，占空比为20%，沉积时间2 h。间歇打开MoS2、石墨靶，并交替通入Ar、Ar/CH4混合气体交替沉积MoS2层与a-C:H层。Ar流量设定为65sccm，制备单层MoS2层时，打开MoS2溅射电源，调节溅射电流为0.4 A，并通入Ar，沉积时间为5 min；制备a-C:H层时，关闭MoS2溅射电源，打开石墨溅射电源，调节溅射电流为14 A，Ar与N2的流量分别为65 sccm和45 sccm，沉积时间为5 min。以此方法制备了调制周期为98 nm的MoS2/a-C:H多层膜。镀膜完毕后冷却至温度小于40℃，释放真空取出基底。
实施例2：
A. 样品预处理：将光滑、洁净的钛合金平面基底置于非平衡磁控溅射镀膜机的真空腔体内后，将真空腔内气压抽至6×10-3 Pa以下，通入高纯氮气至气压为0.5 Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-1200V，进行氩等离子体轰击清洗20 min。
B. 沉积硅过渡层：调节氩气流量，使腔体气压维持在1.0 Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为3 A，脉冲偏压为-100 V, 待过渡层厚度达到50 nm后关闭。
C. 沉积MoS2/a-C:H多层膜：脉冲偏压控制在-400 V，占空比为50%，沉积时间2 h。间歇打开MoS2、石墨靶，并交替通入Ar、Ar/CH4混合气体交替沉积MoS2层与a-C:H层。Ar流量设定为55sccm，制备单层MoS2层时，打开MoS2溅射电源，调节溅射电流为0.1 A，并通入Ar，沉积时间为15 min；制备a-C:H层时，关闭MoS2溅射电源，打开石墨溅射电源，调节溅射电流为8 A，Ar与N2的流量分别为55 sccm和55 sccm，沉积时间为15 min。以此方法制备了调制周期为334 nm的MoS2/a-C:H多层膜。镀膜完毕后冷却至温度小于40℃，释放真空取出基底。
实施例3：
A. 样品预处理：将光滑、洁净的钢球基底置于非平衡磁控溅射镀膜机的真空腔体内后，将真空腔内气压抽至6×10-3 Pa以下，通入高纯氩气至气压为1.0 Pa。打开脉冲偏压电源，调节电压值为-600 V，进行氩等离子体轰击清洗30 min。
B. 沉积硅过渡层：调节氩气流量，使腔体气压维持在0.5 Pa，打开中频溅射电源和脉冲偏压电源，调节溅射电流为8 A，脉冲偏压为-400 V，待过渡层厚度达到300 nm后关闭。
C. 沉积MoS2/a-C:H多层膜：脉冲偏压控制在-600 V，占空比为70%，沉积时间2 h。间歇打开MoS2、石墨靶，并交替通入Ar、Ar/CH4混合气交替沉积MoS2层与a-C:H层。Ar流量设定为75sccm，制备单层MoS2层时，打开MoS2溅射电源，调节溅射电流为0.5 A，并通入Ar，沉积时间为30 min；制备a-C:H层时，关闭MoS2溅射电源，打开石墨溅射电源，调节溅射电流为18A，Ar与N2的流量分别为75 sccm和35 sccm，沉积时间为30 min。以此方法制备了调制周期为628 nm的MoS2/a-C:H多层膜。镀膜完毕后冷却至温度小于40℃，释放真空取出基底。

Claims (5)

1.一种具有多环境适应性的薄膜材料的制备技术，其特征在于薄膜材料的制备过程是在一个非平衡磁控溅射镀膜机的真空腔室内完成，具体步骤为：
A、活化清洗表面：将光滑、洁净的金属基底置于非平衡磁控溅射镀膜机的真空腔室内后抽真空至10-3 Pa以下，通入氩气作为离化气体，基底施加脉冲偏压，辉光放电产生等离子体，对基底表面进行等离子体活化清洗；
B、过渡层制备：清洗完毕后，利用非平衡磁控溅射的方法首先制备硅过渡层，选用高纯硅作为溅射靶材，以氩气作为溅射气体，基体附加脉冲负偏压，沉积一定厚度后关闭；
C、利用非平衡反应磁控溅射的方法制备MoS2/a-C:H多层薄膜材料：溅射靶材选用MoS2靶和石墨靶，其中制备每层MoS2层与a-C:H层时的反应气源分别是：Ar与Ar/CH4，通过改变靶电流和CH4的通入时间，实现MoS2/a-C:H多层结构交替和周期变化，打开中频电源和脉冲偏压电源，沉积膜层，镀膜完毕后冷却至温度小于40℃，释放真空取出制得的薄膜材料。
2.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤A中，金属基底选自不锈钢、钢或钛合金。
3.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于在步骤A中，等离子体活化工艺参数范围为：气压0.2～3.0 Pa，脉冲偏压-100～-1200V。
4.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤B中，过渡层制备工艺参数范围为：腔体气压0.2～1.0Pa，溅射电流1～12 A，脉冲偏压-50～-1000V，过渡层厚度30～500nm。
5.如权利要求1所述的制备技术，其特征在于，在步骤C中，工艺参数范围为：腔体气压0.2～2.0Pa，Ar/CH4气体体积流量比6：1～1：6，脉冲偏压-100～-1000V，溅射电流1～25 A，调制周期为5～1000 nm。
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