專利名稱：一種微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜的制備技術(shù)，特別是利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)、磁控濺射氣相沉積技術(shù)和浸潰-提拉薄膜組裝技術(shù)相結(jié)合，制備出一種具有不同形貌和幾何參數(shù)的微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜的方法，該技術(shù)有望應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境控制、數(shù)字通訊、自動控制、信息儀器傳感技術(shù)、通訊衛(wèi)星和國防軍事等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
表面織構(gòu)，即在表面加工制備出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕、凸包或微小溝槽等圖案陣列?？棙?gòu)化包括圖案化微結(jié)構(gòu)和仿生微結(jié)構(gòu)是高性能摩擦副潤滑表面研究的重要內(nèi)容?？棙?gòu)化可以改變表面形貌，進(jìn)而影響到摩擦副表面的接觸狀態(tài)和潤滑狀態(tài)。因此設(shè)計合適的表面幾何造型可顯著改善摩擦副表面的摩擦磨損性能，延長其使用壽命，對提高摩擦副表面性能和潤滑效果具有較大的工程價值，對節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境有著重要的意義。近年來大量科學(xué)研究和工程實踐表明:表面織構(gòu)在改善材料界面摩擦學(xué)性能方面起到了積極的作用。隨著對織構(gòu)化效應(yīng)的不斷研究，科技工作者普遍認(rèn)為織構(gòu)化表面對機(jī)械零部件摩擦接觸將會產(chǎn)生以下有益效果:(I)產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)以增加承載能力；(2)作為儲油器給接觸表面提供潤滑劑以防止咬合；(3)捕捉和容納摩擦產(chǎn)生的磨屑，從而減少磨損等3方面的作用，由此顯著提高摩擦副的壽命和可靠性。織構(gòu)化技術(shù)已在計算機(jī)硬盤、軸承和密封、內(nèi)燃機(jī)中的汽缸/活塞、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。伴隨著表面織構(gòu)化日益成為研究的熱點，制備織構(gòu)化表面的技術(shù)和方法也日益增多，主要包括:激光熔融燒蝕，化學(xué)刻蝕，軟光刻技術(shù)，溶膠-凝膠法，電化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)沉積，自組裝法，原子力針尖誘導(dǎo)陽極氧化及其它一些方法。但是這些方法應(yīng)用到實際工業(yè)中時都有一些局限性，如:制作成本高，特定的材料限制，制備過程復(fù)雜，不能大面積制備等，所以要根據(jù)具體情況選擇合適的織構(gòu)制備方法。感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)具有刻速快、選擇比高、各向異性高、刻蝕損傷小、大面積均勻性好、刻蝕斷面輪廓可控性高和刻蝕表面平整光滑等優(yōu)點。通過控制工藝參數(shù)可以調(diào)節(jié)ICP刻蝕結(jié)果，包括:刻蝕氣體、氣體流量、工作氣壓、射頻功率和偏壓、電極位置、溫度等。類金剛石(diamond-like carbon,簡稱DLC)薄膜具有許多優(yōu)異的性能,如高硬度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性等。DLC作為新型功能薄膜材料在很多領(lǐng)域如:摩擦學(xué)、真空微電子學(xué)、光電子學(xué)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)材料、M/NEMS等領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景。離子液體是由結(jié)構(gòu)不對稱且體積相對較大的有機(jī)陽離子和體積相對較小的無機(jī)陰離子構(gòu)成的在室溫下呈液態(tài)的化合物。離子液體具有超低揮發(fā)性，高熱穩(wěn)定性，不可燃，熔點低，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性及液相范圍寬等特性，符合高效潤滑劑的要求。劉維民等在國際上率先開展了離子液體作為潛在潤滑劑的應(yīng)用研究并取得了非常滿意的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其對鋼/鋼、鋼/鋁、鋼/銅、鋼/單晶硅、鋼/陶瓷以及陶瓷/陶瓷等摩擦副均具有良好的潤滑作用，減摩抗磨性能優(yōu)于傳統(tǒng)潤滑劑磷嗪和全氟聚醚，是一類極具發(fā)展前途的多功能潤滑劑。大量的研究表明:離子液體作為潤滑劑具有優(yōu)異的抗磨減摩作用和較高的承載能力。國際納米摩擦學(xué)知名專家B.Bhushan教授課題組的研究結(jié)果表明:離子液體超薄膜可以顯著改善硅片表面的微/納摩擦學(xué)性能，是一類在M/NEMS系統(tǒng)中非常有前景的潤滑薄膜材料。因此，將表面織構(gòu)化處理與碳基固體潤滑薄膜、離子液體有機(jī)薄膜結(jié)合制備具有微/納織構(gòu)的DLC-離子液體復(fù)合薄膜，將碳基固體潤滑薄膜的抗磨與離子液體薄膜的減摩作用有效結(jié)合起來，發(fā)揮兩種類型薄膜在改善材料摩擦學(xué)性能的協(xié)同作用。本專利將感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)、磁控濺射氣相沉積技術(shù)與浸潰-提拉液相組裝技術(shù)巧妙結(jié)合起來。目前這方面的技術(shù)開發(fā)尚未見有專利報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜的表面均勻分布著不同類型形貌和幾何尺寸的微/納織構(gòu)，具有優(yōu)異的摩擦性能。本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜的制備方法，利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)、磁控濺射氣相沉積技術(shù)和浸潰-提拉薄膜組裝技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行制備，制得的DLC-離子液體復(fù)合薄膜具有多種形貌和不同幾何參數(shù)的微/納織構(gòu)和優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。本發(fā)明解決上述第一個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜，其特征在于該微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜是以硅片為基材，從內(nèi)至外依次包覆有類金剛石薄膜和離子液體薄膜的復(fù)合薄膜，在復(fù)合薄膜的表面均勻分布有微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌，其中類金剛石薄膜的厚度為0.5-2 μ m。所述復(fù)合薄 膜的表面上的微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌為凹坑、柱狀凸起或平行溝槽，并且凹坑、柱狀凸起或平行溝槽的直徑或?qū)挾瘸叽缭?-2 μ m，高度或深度在100nm-2ym，相鄰特征織構(gòu)的間距尺寸在1-10 μ m之間。本發(fā)明解決上述第二個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟:I)以硅片作為基底材料，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，在硅片表面獲得具有多種類型不同幾何參數(shù)的微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌；2)以Ti或者Cr為過渡層，采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在步驟I)制得的微/納織構(gòu)化硅片表面依次沉積過渡層和類金剛石薄膜；3)將步驟2)中得到的微/納織構(gòu)化類金剛石薄膜浸潰在離子液體溶液中，采用浸潰-提拉的方法在織構(gòu)化類金剛石薄膜表面組裝一層離子液體有機(jī)潤滑薄膜。作為改進(jìn)，所述步驟I)制得的微/納織構(gòu)化硅片的表面微凹坑、微凸起或微溝槽的半徑或?qū)挾仍?-3 μ m,深度或者高度為20nm-2 μ m,相鄰特征織構(gòu)的間距為2-10 μ m。再改進(jìn)，所述步驟2)的反應(yīng)磁控濺射技術(shù)是采用中頻反應(yīng)磁控濺射設(shè)備進(jìn)行，沉積的類金剛石薄膜厚度為0.5-2 μ m，沉積過程參數(shù)依次為:Ar氣流量140 160sCCm，真空度0.9 1.!Pa,負(fù)偏壓900 1100V，激發(fā)Ar離子刻蝕清洗基底表面；Ar氣流量140 160sCCm，真空度0.9 1.1Pa，中頻電源電流1.8 2.2A，激發(fā)Ar離子清洗濺射靶表面；Ar氣流量110 130sccm，真空度0.7 0.9Pa，中頻電源電流1.8 2.2A，負(fù)偏壓450 550V，在基底表面構(gòu)筑Cr過渡層10 20min ；Ar氣流量110 130sccm, CH4流量35 45sccm,真空度0.7 0.9Pa，中頻電源電流1.8 2.2A，負(fù)偏壓450 550V，在過渡層表面構(gòu)筑DLC薄膜90 I IOmin。最后，所述步驟3)的離子液體溶液的溶劑為乙醇或丙酮，陰離子為六氟磷酸鹽或CF3SO2-,陽離子為烷基咪唑環(huán)類，離子液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% -2.5%，控制浸潰時間為1-5分鐘，提拉速度為10-60mm/s。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明將ICP技術(shù)、磁控濺射沉積技術(shù)和浸潰-提拉組裝技術(shù)相結(jié)合來制備微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜，不僅制備工藝簡單，而且制備時間短、大大提高了效率，制得的微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜將碳基固體潤滑薄膜的抗磨與離子液體薄膜的減摩作用有效結(jié)合起來，大大提高了常規(guī)類金剛石薄膜的穩(wěn)定性和減摩抗磨性能，摩擦系數(shù)大幅度降低，耐磨性能顯著提高，有望應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境控制、數(shù)字通訊、自動控制、信息儀器傳感技術(shù)、通訊衛(wèi)星和國防軍事等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的制備微/納織構(gòu)化DLC-1L復(fù)合薄膜的流程圖；圖2a_c是本發(fā)明所制備的不同類型織構(gòu)化DLC-1L復(fù)合薄膜的表面微觀形貌圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本發(fā)明的一種微/納織構(gòu)化DLC-1L復(fù)合薄膜的制備方法的工藝流程圖見圖1所
/Jn ο實施例1:圓柱微突起狀類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜的制備，依次按照以下步驟進(jìn)行:(I)表面圓柱凸起微織構(gòu):采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)，在硅片表面獲得具有多種類型不同幾何參數(shù)的圓柱凸起微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌。(2)磁控濺射沉積微/納織構(gòu)化含氫類金剛石薄膜:將得到的微織構(gòu)化硅片表面依次用丙酮、乙醇超聲清洗，采用中頻磁控濺射沉積系統(tǒng)在樣品表面依次沉積Cr過渡層和類金剛石薄膜；沉積過程參數(shù)依次為:Ar氣流量150SCCm，真空度1.0Pa，負(fù)偏壓1000V (占空比50% )，激發(fā)Ar離子刻蝕清洗基底表面；Ar氣流量150sCCm，真空度l.0Pa，中頻電源電流2.0A，激發(fā)Ar離子清洗濺射靶表面；Ar氣流量120sCCm，真空度0.8Pa，中頻電源電流2.0A,負(fù)偏壓500V(占空比50% )，在基底表面構(gòu)筑Cr過渡層15min ；Ar氣流量120sccm,CH4流量40sccm，真空度0.8Pa，中頻電源電流2.0A,負(fù)偏壓500V(占空比50% )，在過渡層表面構(gòu)筑DLC薄膜lOOmin。(3)浸潰-提拉技術(shù)在織構(gòu)化DLC薄膜表面組裝一層離子液體有機(jī)潤滑薄膜將⑵中得到的微/納織構(gòu)化DLC薄膜浸潰在離子液體的乙醇溶液中，離子液體溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% -2.5%，控制浸潰時間為1-5分鐘，提拉速度為10-60mm/s ;得到微/納織構(gòu)化DLC-離子液體復(fù)和薄膜。其中離子液體為可溶于乙醇或丙酮，陰離子優(yōu)選六氟磷酸鹽和(CF3SO2-),陽離子優(yōu)選咪唑環(huán)類。實施例2:圓柱微凹坑狀類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜的制備，依次按照以下步驟進(jìn)行:(I)表面圓柱微坑微織構(gòu):采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)，在硅片表面獲得具有多種類型不同幾何參數(shù)的凹坑微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌。(2)磁控濺射沉積微/納織構(gòu)化含氫類金剛石薄膜:將得到的微織構(gòu)化硅片表面依次用丙酮、乙醇超聲清洗，采用中頻磁控濺射沉積系統(tǒng)在樣品表面依次沉積Cr過渡層和類金剛石薄膜；沉積過程中參數(shù)為:Ar氣流量150SCCm，真空度1.0Pa，負(fù)偏壓1000V(占空比50% )，激發(fā)Ar離子刻蝕清洗基底表面；Ar氣流量150sCCm，真空度1.0Pa,中頻電源電流2.0A,激發(fā)Ar離子清洗濺射靶表面；Ar氣流量120sCCm，真空度0.8Pa，中頻電源電流2.0A,負(fù)偏壓500V(占空比50% )，在基底表面構(gòu)筑Cr過渡層15min ；Ar氣流量120sccm，CH4流量40sccm，真空度0.8Pa，中頻電源電流2.0A,負(fù)偏壓500V (占空比50 % )，在過渡層表面構(gòu)筑 DLC 薄膜 lOOmin。(3)浸潰-提拉技術(shù)在織構(gòu)化DLC薄膜表面組裝一層離子液體有機(jī)潤滑薄膜將⑵中得到的微/納織構(gòu)化DLC薄膜浸潰在離子液體的乙醇溶液中，離子液體溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% -2.5%，控制浸潰時間為1-5分鐘，提拉速度為10-60mm/s ;得到微/納織構(gòu)化DLC-離子液體復(fù)和薄膜。其中離子液體為可溶于乙醇或丙酮，陰離子優(yōu)選六氟磷酸鹽和(CF3SO2-)，陽離子優(yōu)選烷基咪唑環(huán)類。實施例3:平行微溝槽狀類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜的制備，依次按照以下步驟進(jìn)行:(I)表面平行微溝槽織構(gòu):采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)，在硅片表面獲得具有多種類型不同幾何參數(shù)的平行微溝槽微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌。(2)磁控濺射沉積微/納織構(gòu)化含氫類金剛石薄膜:將得到的微織構(gòu)化硅片表面依次用丙酮、乙醇超聲清洗，采用中頻磁控濺射沉積系統(tǒng)在樣品表面依次沉積Cr過渡層和類金剛石薄膜；沉積過程中參數(shù)為:Ar氣流量150SCCm，真空度1.0Pa，負(fù)偏壓1000V(占空比50% )，激發(fā)Ar離子刻蝕清洗基底表面；Ar氣流量150sCCm，真空度1.0Pa,中頻電源電流
2.0A,激發(fā)Ar離子清洗濺射靶表面；Ar氣流量120sCCm，真空度0.8Pa，中頻電源電流2.0A,負(fù)偏壓500V(占空比50% )，在基底表面構(gòu)筑Cr過渡層15min ；Ar氣流量120sccm，CH4流量40sccm，真空度0.8Pa，中頻電源電流2.0A,負(fù)偏壓500V (占空比50 % )，在過渡層表面構(gòu)筑 DLC 薄膜 lOOmin。(3)浸潰-提拉技術(shù)在織構(gòu)化DLC薄膜表面組裝一層離子液體有機(jī)潤滑薄膜將⑵中得到的微/納織構(gòu)化DLC薄膜浸潰在離子液體的乙醇溶液中，離子液體溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% -2.5%，控制浸潰時間為1-5分鐘，提拉速度為10-60mm/s ;得到微/納織構(gòu)化DLC-離子液體復(fù)和薄膜。其中離子液體為可溶于乙醇或丙酮，陰離子優(yōu)選六氟磷酸鹽和(CF3SO2-),陽離子優(yōu)選咪唑環(huán)類。將三個實施例所制備的復(fù)合薄膜采用原子力顯微鏡考察了復(fù)合薄膜表面結(jié)構(gòu)形貌，如圖2所示。同時利用Raman和XPS表征了復(fù)合薄膜的表面化學(xué)組分。利用納米壓痕儀測定了薄膜的納米硬度，利用球-盤往復(fù)式摩擦試驗機(jī)考察了薄膜的摩擦磨損性能。分析測試結(jié)果表明，利用本發(fā)明得到的薄膜表面均勻分布著不同類型形貌和幾何尺寸的微/納織構(gòu)，相對于常規(guī)未織構(gòu)化DLC薄膜，復(fù)合薄膜的摩擦學(xué)性能得到了極大提高。采用鋼球(440-C，直徑為4.0mm，硬度為)作為對偶材料，在載荷為100-500mN時，相對于常規(guī)的未織構(gòu)化DLC薄膜，織構(gòu)化復(fù)合薄膜的摩擦系數(shù)約降低高達(dá)20-60% ;在同樣摩擦測試條件下，常規(guī)的未織構(gòu)化DLC薄膜寬且深，織構(gòu)化DLC-1L復(fù)合薄膜的磨痕淺且窄，耐磨性能大幅度提高。
權(quán)利要求
1.一種微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜，其特征在于該微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜是以硅片為基材，從內(nèi)至外依次包覆有類金剛石薄膜和離子液體薄膜的復(fù)合薄膜材料，在復(fù)合薄膜的表面均勻分布有微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌，其中類金剛石薄膜的厚度為0.5-2 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜，其特征在于所述復(fù)合薄膜的表面上的微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌為凹坑、柱狀凸起或平行溝槽，并且凹坑、柱狀凸起或平行溝槽的直徑或?qū)挾瘸叽缭?-2 μ m，高度或深度在100nm-2 μ m，相鄰特征織構(gòu)的間距尺寸在1-10 μ m之間。
3.一種微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)以硅片作為基底材料，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，在硅片表面獲得具有多種類型不同幾何參數(shù)的微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌； 2)以Ti或者Cr為過渡層，采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在步驟I)制得的微/納織構(gòu)化硅片表面依次沉積過渡層和類金剛石薄膜； 3)將步驟2) 中得到的微/納織構(gòu)化類金剛石薄膜浸潰在離子液體溶液中，采用浸潰-提拉的方法在織構(gòu)化類金剛石薄膜表面組裝一層離子液體有機(jī)潤滑薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述步驟I)制得的微/納織構(gòu)化硅片的表面凹坑、凸起或溝槽的半徑或?qū)挾仍?-3 μ m,深度或者高度為20nm-2 μ m,相鄰特征織構(gòu)的間距為2-10 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述步驟2)的反應(yīng)磁控濺射技術(shù)是采用中頻反應(yīng)磁控濺射設(shè)備進(jìn)行，沉積的類金剛石薄膜厚度為0.5-2 μ m，沉積過程參數(shù)依次為:Ar氣流量140 160sccm，真空度0.9 1.1Pa,負(fù)偏壓900 1100V，激發(fā)Ar離子刻蝕清洗基底表面；Ar氣流量140 160SCCm，真空度0.9 1.1Pa,中頻電源電流1.8 2.2A，激發(fā)Ar離子清洗濺射靶表面；Ar氣流量110 130sCCm，真空度0.7 0.9Pa，中頻電源電流1.8 2.2A，負(fù)偏壓450 550V，在基底表面構(gòu)筑Cr過渡層10 20min ；Ar氣流量110 1308(3011，(:!14流量35 45sccm，真空度0.7 0.9Pa,中頻電源電流1.8 2.2A,負(fù)偏壓450 550V，在過渡層表面構(gòu)筑DLC薄膜90 llOmin。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述步驟3)的離子液體溶液的溶劑為乙醇或丙酮，陰離子為六氟磷酸鹽或CF3SO2-,陽離子為烷基咪唑環(huán)類，離子液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% -2.5%，控制浸潰時間為1-5分鐘，提拉速度為10-60mm/s。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微/納織構(gòu)化類金剛石-離子液體復(fù)合薄膜及其制備方法，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，在硅片表面獲得具有多種形貌不同幾何參數(shù)的微/納織構(gòu)化規(guī)則形貌，然后通過磁控濺射氣相沉積技術(shù)，在硅片表面獲得織構(gòu)化類金剛石薄膜，最后通過浸漬-提拉技術(shù)在織構(gòu)化類金剛石薄膜表面組裝一層離子液體有機(jī)潤滑薄膜。本發(fā)明所制備的復(fù)合薄膜具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，大大提高了常規(guī)類金剛石薄膜的穩(wěn)定性和減摩抗磨性能，摩擦系數(shù)大幅度降低，耐磨性顯著提高。該技術(shù)有望應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境控制、數(shù)字通訊、自動控制、信息儀器傳感技術(shù)、通訊衛(wèi)星和國防軍事等領(lǐng)域。
文檔編號B32B38/18GK103192561SQ2012100058
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者趙文杰, 烏學(xué)東, 王永欣, 曾志翔, 薛群基, 陳建敏 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所