本發(fā)明涉及真空鍍膜及薄膜潤滑，尤其涉及一種通過貴金屬微摻雜改善磁控濺射二硫化鉬薄膜質(zhì)量同時提升摩擦性能的方法。

背景技術(shù)：

1、二硫化鉬材料因其獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)（層內(nèi)為s-mo-s共價鍵合，層間為范德華力鍵合）賦予其優(yōu)秀的自潤滑性能，自上世紀五十年代被開發(fā)作為航天專用潤滑材料以來已被拓展用在諸多潤滑領(lǐng)域。其中，工件表面添加二硫化鉬固體潤滑薄膜是一種最常用的減摩降摩手段，其中以磁控濺射沉積為表面處理手段制備二硫化鉬薄膜最為常見，工藝特點是制備薄膜成分均勻可調(diào)節(jié)、結(jié)合力好等。

2、在目前磁控濺射沉積二硫化鉬薄膜的研究中，針對二硫化鉬材料的固有性質(zhì)如質(zhì)軟、不耐濕問題已經(jīng)有了諸多解決方案，并得到了較好的應(yīng)用。但是在薄膜制備工藝調(diào)控及其對薄膜沉積質(zhì)量的把控上仍存在問題，怎樣更好的調(diào)節(jié)薄膜成分如s/mo比、二硫化鉬薄膜的結(jié)晶性并降低其生長缺陷，同時能夠保證薄膜的硬度及耐磨性，并在應(yīng)用端具有可用價值有待進一步開發(fā)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種利用金屬微摻雜改善磁控濺射二硫化鉬薄膜質(zhì)量同時提升摩擦性能的方法。

2、一、貴金屬微摻雜二硫化鉬薄膜的制備

3、本發(fā)明貴金屬微摻雜二硫化鉬薄膜的制備，包括以下步驟：

4、1）靶材制作：將市售二硫化鉬靶打孔后鑲嵌相同尺寸的摻雜元素金屬顆粒（pt、au或cu中的一種）以制作所需靶材，鑲嵌位置在靶面的有效濺射溝道中心處；如對于3?mm直徑金屬顆粒間距可控制在2~3?cm并等距嵌入靶面；

5、2）基底準備：將基材用酒精超聲清洗10~20min以去除表面污染物，吹干后放于磁控濺射腔樣品架上；抽真空至腔內(nèi)壓強小于3×10-3pa后通入高純氬氣，控制腔體內(nèi)壓強為2.0~3.0pa，調(diào)節(jié)偏壓電源至-500~-700?v，對基材表面進行偏壓清洗以去除基材表面雜質(zhì)，處理時長10~15?min；

6、3）薄膜制備：調(diào)節(jié)腔室壓強至0.8~1.5pa，調(diào)節(jié)脈沖偏壓至-50~-80v，利用高功率脈沖技術(shù)濺射沉積金屬微摻雜二硫化鉬薄膜；峰值電流3~5a，靶電壓-600~-700v，占空比10%，脈沖頻率6k~10k?hz，薄膜沉積時長60~120min，通過調(diào)控沉積時長即可獲得所需厚度薄膜。

7、二、貴金屬微摻雜二硫化鉬薄膜的結(jié)構(gòu)表征及性能評價

8、1、貴金屬微摻雜二硫化鉬薄膜的結(jié)構(gòu)

9、圖1為本發(fā)明利用高功率脈沖磁控濺射技術(shù)制備金屬微摻雜二硫化鉬薄膜的微觀結(jié)構(gòu)hrtem圖。其中(a)為未摻雜mos2薄膜微觀結(jié)構(gòu)，(b)為pt摻雜mos2@pt薄膜微觀結(jié)構(gòu)，(c)為au摻雜mos2@au薄膜微觀結(jié)構(gòu)，(d)為cu摻雜mos2@cu薄膜微觀結(jié)構(gòu)。這里我們可以直觀的看到摻雜后薄膜結(jié)晶性的變化，未摻雜二硫化鉬結(jié)構(gòu)為典型的納米晶/非晶結(jié)構(gòu)，且晶化成分較低；而摻雜的二硫化鉬薄膜的結(jié)晶程度明顯提高，且以cu摻雜的二硫化鉬薄膜結(jié)晶度提高最為明顯，其次是au摻雜二硫化鉬薄膜，pt摻雜次之。同時，摻雜元素能夠均勻彌散于二硫化鉬基體中，不會發(fā)生大量的富集，從而保證薄膜性能的均勻性。

10、表1?普通二硫化鉬及其金屬微摻雜二硫化鉬薄膜成分eds能譜分析結(jié)果

11、

12、上述表1為本發(fā)明制備二硫化鉬及其金屬微摻雜薄膜成分eds能譜分析結(jié)果(x代指pt、au、cu)。通過計算我們得到摻雜元素的含量約為4.5at%，并且摻雜后二硫化鉬薄膜的s/mo比有了較大提升，相較于未摻雜薄膜的1.14提升至1.43~1.6，提高了30%左右。

13、2、金屬微摻雜二硫化鉬薄膜的力學(xué)及摩擦學(xué)性能

14、1）硬度和彈性模量

15、采用納米壓痕儀通過連續(xù)壓入法對薄膜的顯微硬度和彈性模量進行測定，設(shè)定最大壓入深度為150?nm（保證測試中壓頭的壓入深度小于薄膜厚度的1/10，以避免基材對硬度測試的影響）；同時為了減少測量誤差，測試時對每個樣品分別選取5個點進行測量，將其平均值作為實驗的最終結(jié)果。

16、測得的金屬微摻雜二硫化鉬薄膜硬度在3.23~4.31gpa之間，彈性模量在64.93~75.39?gpa之間。

17、2）摩擦學(xué)性能

18、采用球-盤摩擦機對金屬微摻雜二硫化鉬薄膜在干燥大氣環(huán)境下的摩擦磨損性能進行測定。選取的摩擦負載為10?n，往復(fù)頻率5?hz，摩擦對偶副為φ3?mm的440c不銹鋼球，往復(fù)行程5?mm；采用micro?xam型非接觸式三維表面輪廓儀測試摩擦試驗后獲得磨痕的磨損體積，并利用公式k=v/fs計算磨損率，其中k為磨損率，v為磨損體積，f為摩擦負載，s是總行程。

19、通過以上摩擦試驗參數(shù)，獲得貴金屬微摻雜二硫化鉬薄膜的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.013~0.019之間，計算得到的磨損率在3.3×10-8mm-3/n·m~5.5?×10-8mm-3/n·m之間，如圖2所示。相較于未摻雜mos2，金屬微摻雜二硫化鉬薄膜的潤滑性能及耐磨性得到顯著改善。

20、同時，針對摻雜薄膜摩擦界面變化對二硫化鉬及其金屬微摻雜薄膜磨痕界面處進行了hrtem觀測，結(jié)果如圖3所示。未摻雜二硫化鉬薄膜在磨痕表層存在5-10層的平行于基底方向的mos2(002)晶面起到潤滑作用；但同時也存在非晶相mos2暴露出來的位置，這種位置的存在提高了薄膜的摩擦系數(shù)，平行層下部的薄膜依舊保持非晶/納米晶形態(tài)；pt摻雜薄膜磨痕表層除平行于基底方向的多層mos2(002)晶面外，在平行層下可以看到大量有序度高的二硫化鉬相，且相比較薄膜本身結(jié)晶度更高，這種改變說明在摩擦過程中壓力誘導(dǎo)非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榫?，并發(fā)生在一定深度內(nèi)，可以認為是pt摻雜薄膜摩擦系數(shù)降低且穩(wěn)定的一主要原因，而在au、cu摻雜薄膜內(nèi)也能夠發(fā)現(xiàn)這一變化。

21、圖4為二硫化鉬及其貴金屬微摻雜薄膜對磨副表面轉(zhuǎn)移膜的tem暗場像圖。明顯看到摻雜后轉(zhuǎn)移膜上存在貴金屬的白色富集區(qū)，集中在轉(zhuǎn)移膜界面下方；結(jié)合圖5通過第一性原理計算得到的摻雜貴金屬元素后二硫化鉬薄膜的高吸附能可知，在摩擦過程中轉(zhuǎn)移膜表面下富集的貴金屬對表面二硫化鉬有序潤滑層起到了穩(wěn)定和支撐作用，同時磨痕表面二硫化鉬潤滑層厚度明顯提高，這降低了摩擦系數(shù)和磨損率，提升了薄膜的摩擦學(xué)性能。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

23、采用本發(fā)明方法獲得的微摻雜二硫化鉬薄膜s/mo比明顯提高，薄膜內(nèi)部晶化二硫化鉬成分增加，同時也保持了薄膜自身的致密度和硬度；高功率脈沖技術(shù)使摻雜元素均勻彌散在薄膜內(nèi)部，從而保證少量摻雜元素便能夠獲得薄膜性能提升；薄膜在摩擦過程中摩擦界面的有序度明顯提高，具有低摩擦系數(shù)和低磨損率，提升了薄膜的摩擦學(xué)性能。這種特殊金屬微摻雜二硫化鉬薄膜方法能夠明顯改善二硫化鉬薄膜沉積質(zhì)量，方法簡便，成本可控，對工業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

技術(shù)特征：

1.一種利用貴金屬微摻雜改善磁控濺射二硫化鉬薄膜質(zhì)量同時提升摩擦性能的方法，其特征在于，包括以下步驟：1）靶材制作：將市售二硫化鉬靶打孔后鑲嵌相同尺寸的摻雜元素金屬顆粒以制作所需靶材，鑲嵌位置在靶面的有效濺射溝道中心處；

2.如權(quán)利要求1所述一種利用貴金屬微摻雜改善磁控濺射二硫化鉬薄膜質(zhì)量同時提升摩擦性能的方法，其特征在于，步驟1）中摻雜元素金屬顆粒為pt、au或cu金屬顆粒中的一種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種貴金屬微摻雜改善磁控濺射二硫化鉬薄膜質(zhì)量同時提升摩擦性能的方法，先將基底清洗吹干后放入磁控濺射腔體，抽至高真空條件下后通入Ar氣體清洗基底；再采用高功率脈沖磁控濺射技術(shù)濺射鑲嵌有摻雜金屬元素顆粒的二硫化鉬靶材，得到改性的金屬微摻雜二硫化鉬薄膜。獲得的微摻雜二硫化鉬薄膜S/Mo比明顯提高，薄膜內(nèi)部晶化二硫化鉬成分增加，同時也保持了薄膜自身的致密度和硬度；高功率脈沖技術(shù)使摻雜元素均勻彌散在薄膜內(nèi)部，從而保證少量摻雜元素便能夠獲得薄膜性能提升；薄膜在摩擦過程中摩擦界面的有序度明顯提高，具有低摩擦系數(shù)和低磨損率，提升了薄膜的摩擦學(xué)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：張斌,高海洋,張俊彥,高凱雄
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15