CN113201720B - 一种通过原位离子共注入构筑高承载低摩擦橡胶表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种通过原位离子共注入构筑高承载高结合低摩擦橡胶表面的方法，是以金属靶材和碳靶材作为离子共注入材料，采用真空电弧离子源，在橡胶表面原位共注入金属和碳元素作为承载层，然后注入碳元素，从而获得高承载低摩擦橡胶表面。本发明采用原位离子共注入技术，避免了橡胶表面沉积承载层存在的层间剥落的风险；注入时存在离子浓度的渐变，成功实现了橡胶软基底到硬质碳薄膜的机械硬度的自然过渡，避免了薄膜超高载下碎裂剥离的风险；后期只注入碳元素，使得碳薄膜与承载层实现了完美的晶格匹配，从而确保了薄膜的高结合强度。本发明工艺易于控制，可操作性强，获得的橡胶表面具有高承载、高结合及低摩擦等特性，易于实现大面积工业化应用。

Description

一种通过原位离子共注入构筑高承载低摩擦橡胶表面的方法
技术领域
本发明涉及一种高承载低摩擦橡胶表面的制备方法，尤其涉及一种通过原位离子共注入构筑高承载低摩擦橡胶表面的方法，属于固体润滑材料和聚合物摩擦学领域。
背景技术
橡胶具有良好的压缩性和回弹性，良好的气密性、耐溶剂性等性能，广泛应用于航空航天、石油化工、汽车工业等领域。然而，当橡胶作为运动部件时，即当橡胶与硬质对偶配副时摩擦系数极高（µ＞1），高摩擦产生的摩擦热极易导致橡胶密封件软化而快速磨损失效，使得高压密封介质从受损部位渗漏而密封失效，影响设备的安全可靠服役。因此，解决橡胶密封件磨损失效问题必须从降低摩擦入手。
碳薄膜具有与钢对偶的低粘着特性、沉积温度低（沉积温度≤100℃，不会对丁腈橡胶基体产生致命损伤）、组分及机械强度可控、结构多变（如多微纳结构、多元素掺杂等）、摩擦磨损低等优异性能，因而是实现橡胶表面低摩擦的理想涂层。然而，橡胶为软基底，而碳薄膜为硬质薄膜，确保软表面硬质薄膜超高载下不会发生机械碎裂而剥离，是实现橡胶表面低摩擦的关键。传统提高承载性的方法是在橡胶表面沉积硬质中间层，但其与橡胶基底之间仍然存在层与层之间的界面，即超高载下仍然存在碎裂剥落风险。因此，如何在橡胶表面原位构筑承载层，是确保碳薄膜超高载下机械碎裂剥离的重中之重。
发明内容
本发明的目的是针对现有橡胶表面碳薄膜超高载下承载性差的缺陷，提供一种通过原位离子共注入构筑高承载低摩擦橡胶表面的方法。
一、高承载低摩擦橡胶表面的构筑
本发明高承载低摩擦橡胶表面的构筑，是将以金属靶材和碳靶材作为离子共注入材料，采用真空电弧离子源，在清洗后的橡胶表面原位共注入金属和碳元素作为承载层，然后采用磁控溅射在承载层上沉积碳薄膜，从而获得高承载低摩擦橡胶表面。
所述橡胶基底为丁腈橡胶、氟橡胶及硅橡胶中的一种，橡胶表面粗糙度≤200nm，橡胶厚度为3~5mm。
所述承载层注入沉积：抽真空至1×10-6Pa；调节碳靶材电流45~60 A，占空比为40~50%，束流密度为0.48~0.64A/100cm2·s，注入时间为480s；同时，调节金属靶电流从0A逐渐增至40A，占空比50%，束流密度从0A逐渐增至0.42A/100cm2·s，注入时间为360s；控制加速电压-20~-30kV，频率1~3 Hz。其中金属靶材采用Ti、Cr、W靶中的一种。碳靶材采用石墨靶。
所述磁控溅射沉积碳薄膜：采用石墨靶，靶基距为8~12cm，靶电流为3A，氩气流量为45~60sccm，Ar/CH4的流量比为1.5:1，基底偏压为-700V，气压为1~1.5Pa，占空比为40~45%，频率为60~70KHz，沉积时间为120~150min。
图1 为本发明构筑的低摩擦橡胶表面的结构示意图。可见，承载层在注入时存在离子浓度的渐变实现了硬度的梯度渐变，进而实现了橡胶软基底到硬质碳薄膜的机械硬度的自然过渡，提高了橡胶表面的高承载特性。其高承载性避免了薄膜摩擦过程中的二次脆断（避免了犁沟摩擦），从而有效降低了薄膜摩擦系数；碳薄膜与承载层表层实现了完美的晶格匹配，从而确保了薄膜的高结合强度。
二、高承载低摩擦橡胶表面的性能
1、高承性能
图2 为没有离子注入的原始橡胶表面碳薄膜磨痕（左）和本发明构筑的高承载低摩擦橡胶表面磨痕的SEM图（右）。通过SEM观察摩擦后其磨痕表面形貌，没有离子注入的橡胶表面碳薄膜摩擦过程中发生了严重的机械脆裂，而本发明设计的结构表面薄膜在30N重载条件下没有发生明显的脆性碎裂，表明其具有高承载特性。
2、结合强度
采用划痕法测试薄膜与橡胶的结合强度，结果显示结合强度达到70~90N，说明了薄膜具有高结合强度。
3、摩擦性能
采用摩擦磨损试验机对本发明的橡胶表面进行摩擦学性能评价。摩擦条件为：球-盘旋转模式，法向载荷30N，摩擦对偶为φ6mm GCr15钢球，测试环境为大气。结果显示：常规的纯碳薄膜摩擦系数较高（约0.40），而本发明碳基复合涂层的摩擦系数显著降低（0.11~0.15）。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用原位离子共注入技术，有效避免了橡胶表面沉积承载层存在的层间剥落的风险；
2、本发明设计的承载层在注入时存在离子浓度的渐变，即存在硬度梯度渐变，成功实现了橡胶软基底到硬质碳薄膜的机械硬度的自然过渡，从而避免了薄膜超高载下碎裂剥离的风险，即实现了其高承载特性；
3、本发明设计的承载层在注入后期停止了金属注入，只注入碳元素，使得其与碳薄膜实现了完美的晶格匹配，从而确保了薄膜的高结合强度；
4、本发明工艺易于控制，可操作性强，获得的橡胶表面具有高承载、高结合及低摩擦等特性，易于实现大面积工业化应用。
附图说明
图1 为本发明构筑的高承载低摩擦橡胶表面的结构示意图。
图2 为没有离子注入的原始橡胶表面碳薄膜磨痕（左）和本发明构筑的高承载低摩擦橡胶表面磨痕的SEM图（右）。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明高承载低摩擦橡胶表面的构筑及性能作进一步说明。
实施例1
（1）将300×300×2mm黑色丁腈橡胶板（表面光洁度Ra＜200nm，厚度为3mm）切割成30×30mm2的橡胶片，浸泡在60℃肥皂水溶液中超声清洗30min，以除去橡胶表面的油脂和污垢；然后取出并浸泡在90~95℃蒸馏水超声清洗30min，以除去可能残留的肥皂水溶液；最后用干燥氮气吹干后放置于干燥箱中120℃下再干燥20min，以蒸发掉橡胶表面残留水分。上述过程反复进行5次；
（2）待橡胶基底冷却至室温后，将其置于集成有Mevva-V.Ru真空电弧离子源的磁控溅射真空腔内（真空腔中预先安置了Ti靶和碳靶作为离子共注入材料），关闭真空腔门，真空抽至≤1.0×10–6Pa；打开直流脉冲电弧电源，调节碳靶材电流45A，占空比为40%，束流密度为0.48A/100cm2·s，注入时间为480s。同时，调节金属靶电流从0A逐渐增至40A，占空比50%，束流密度从0A逐渐增至0.42A/100cm2·s，注入时间为360s；控制加速电压-20kV，频率1Hz；
（3）关闭电弧电源，立即通入氩气和甲烷，打开石墨靶溅射电源，调整靶基距为10cm，靶电流为3A，氩气流量为45sccm，Ar/CH4的流量比为1.5:1，基底偏压为-700V，气压为1.0Pa，占空比为40%，频率为60KHz，沉积时间为120min；沉积结束后待真空腔内温度冷却至室温后取出样品，即可得到高承载低摩擦丁腈橡胶表面。该丁腈橡胶表面在30N重载摩擦条件下并没有发生明显的脆性碎裂，且其摩擦系数较低（0.11）。
实施例2
（1）硅橡胶预清洗步骤同实施例1。其中：硅橡胶表面光洁度Ra＜200 nm，厚度为3mm；（2）待橡胶基底冷却至室温后，将其置于集成有Mevva-V.Ru真空电弧离子源的磁控溅射真空腔内（真空腔中预先安置了Cr靶和碳靶作为离子共注入材料）。关闭真空腔门，真空抽至≤1.0×10–6Pa；打开直流脉冲电弧电源，调节碳靶材电流60A，占空比为50%，束流密度为0.64A/100cm2·s，注入时间为480s。同时，调节金属靶电流从0A逐渐增至40A，占空比50%，束流密度从0A逐渐增至0.42A/100cm2·s，注入时间为360s；控制加速电压-30kV，频率3Hz；
（3）同实施例1。得到高承载低摩擦硅橡胶表面。该硅橡胶表面在30N重载摩擦条件下并没有发生明显的脆性碎裂，且其摩擦系数较低（0.12）。
实施例3
（1）氟橡胶预清洗步骤同实施例1。其中：氟橡胶表面光洁度Ra＜200nm，厚度为5mm；
（2）待橡胶基底冷却至室温后，将其置于集成有Mevva-V.Ru真空电弧离子源的磁控溅射真空腔内（真空腔中预先安置了W靶和碳靶作为离子共注入材料）。关闭真空腔门，真空抽至≤1.0×10–6Pa；打开直流脉冲电弧电源，调节碳靶材电流60A，占空比为50%，束流密度为0.64A/100cm2·s，注入时间为480s。同时，调节金属靶电流从0A逐渐增至40A，占空比50%，束流密度从0A逐渐增至0.42A/100cm2·s，注入时间为360s；控制加速电压-30kV，频率3Hz；
（3）关闭电弧电源，立即通入氩气和甲烷，打开石墨靶溅射电源，调整靶基距为12cm，靶电流为3A，氩气流量为60sccm，Ar/CH4的流量比为1.5:1，基底偏压为-700V，气压为1.5Pa，占空比为45%，频率为70KHz，沉积时间为150min；沉积结束后待真空腔内温度冷却至室温后取出样品，即可得到本发明的高承载低摩擦氟橡胶表面。该氟橡胶表面在30N重载摩擦条件下并没有发生明显的脆性碎裂，且其摩擦系数较低（0.15）。

Claims (2)

1.一种通过原位离子共注入构筑高承载低摩擦橡胶表面的方法，是将以金属靶材和碳靶材作为离子共注入材料，采用真空电弧离子源，在清洗后的橡胶表面原位共注入金属和碳元素作为承载层，然后采用磁控溅射在承载层上沉积碳薄膜，从而获得高承载高结合低摩擦橡胶表面；
承载层的注入沉积：抽真空至1×10-6Pa；调节碳靶材电流45~60 A，占空比为40~50%，束流密度为0.48~0.64A/100cm2·s，注入时间为480s；同时，调节金属靶电流从0A逐渐增至40A，占空比50%，束流密度从0A逐渐增至0.42A/100cm2·s，注入时间为360s；控制加速电压-20~-30kV，频率1~3 Hz；
所述金属靶材采用Ti、Cr、W靶中的一种；
所述磁控溅射沉积碳薄膜：采用石墨靶，靶基距为8~12cm，靶电流为3A，氩气流量为45~60sccm，Ar/CH4的流量比为1.5:1，基底偏压为-700V，气压为1~1.5Pa，占空比为40~45%，频率为60~70KHz，沉积时间为120~150min。
2.如权利要求1所述一种通过原位离子共注入构筑高承载低摩擦橡胶表面的方法，其特征在于：橡胶基底为丁腈橡胶、氟橡胶及硅橡胶中的一种，橡胶表面粗糙度≤200nm，橡胶厚度为3~5mm。
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