[发明专利]一种通过自组装黑磷纳米片制备超滑含氢碳薄膜的方法

说明书

本发明涉及一种通过自组装黑磷纳米片制备超滑含氢碳薄膜的方法，通过在氢含量20~30%的含氢碳薄膜表面自组装少层黑磷纳米片纳米片，由于少层黑磷纳米片的层间弱作用力和与非晶碳网络的非公度接触协同，实现了含氢碳薄膜的超滑。实验表明，以钢球为摩擦副，再载荷2~10N条件下，干燥、湿润的大气环境及惰性气氛下，本发明制备的黑磷纳米片自组装含氢碳薄膜的摩擦系数可低至0.002，完全实现了在宏观尺度大气环境下的超滑性能。

技术领域

本发明涉及一种超滑氢碳薄膜的制备方法，尤其涉及一种通过自组装黑磷纳米片制备超滑含氢碳薄膜的方法，属于摩擦学技术领域领域和复合材料技术领域。

背景技术

超滑特指摩擦系数低于0.01，处于0.001甚至更低的状态，被认为是解决摩擦磨损问题的必由之路，又称之为超低摩擦。对于运动的机械系统来说，实现超滑的工程应用，不仅降低摩擦磨损，实现节能减排和延长机械系统的使用寿命，更能促进机械系统的技术革新，尤其是微机械系统的真正工程化应用。

二维材料，如石墨烯、二硫化钼、黑磷纳米片、六方氮化硼等均在不同程度上可以实现超滑，但是，由于二维材料仅能在微观尺度上实现超滑，不能满足实际工程应用的需求。如何制备大面积的完美二维材料并实现超滑是一项技术挑战。CN 201710403632.6提供了一种摩擦表面生长石墨烯的宏观超滑方法，但是其在600℃以上制备，会导致金属基底机械性能丧失，根本不能满足大多数工程金属表面制备的要求。CN 201910336890.6提供了一种超滑二维复合材料及其制备方法，该方法制备的超滑二维复合材料具有优异的润滑性能，经过空气中的摩擦磨损测试后，摩擦系数达到0.02。CN 201910675966.8提供了一种表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法，使用电泳的方法在金属表面制备石墨烯，这种方法只能在平面样品中获得均匀厚度的薄膜，且结合力差，不利于在复杂表面制备，难以工业化应用。

黑磷纳米片作为一种新型的二维材料，近年来其摩擦性能一直备受关注。王伟等人报道了一种NaOH修饰的多层黑磷纳米片，在水溶液下可以实现超滑（ACS Appl. Mater.Interfaces 2018, 10, 43203−43210），但是如何实现其工程应用仍旧是挑战。另一方面，类金刚石仅在真空和惰性气氛下可以实现超滑，而类富勒烯碳薄膜制备条件又比较苛刻。因此，需要提供一种新的方法，使碳基薄膜在大气环境下具有稳定的超滑性能，以满足机械系统节能、降耗、延长使用寿命的润滑需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种通过自组装黑磷纳米片制备超滑含氢碳薄膜的方法。

本发明通过自组装黑磷纳米片制备超滑含氢碳薄膜的方法，是在氢含量20~30%的含氢碳薄膜表面自组装少层黑磷纳米片，由于少层黑磷纳米片的层间弱作用力和与非晶碳网络的非公度接触，可以实现协同超滑。具体步骤如下：

（1）金属基底的清洗：将金属基底依次用水基清洗液、碳氢清洗液进行超声清洗，去除油污、锈点和污染物后用氮气吹干。金属基底为404不锈钢，轴承钢、硬质合金等。

（2）含氢碳薄膜的制备：将清洗吹干后的金属基底置入镀膜真空室，真空抽至1.0×10^-3 Pa；先利用电弧激发气体离子源进行高强度的气体离子轰击清洗以进一步去除表面污染物；再采用磁过滤电弧技术沉积CrMo结合层，然后采用阳极层离子源沉积含氢碳薄膜；完成镀膜后，将含氢碳薄膜取出，进行表面纳米滑石粉自组装。

电弧激发气体离子源进行高强度的气体离子轰击清洗参数：电流300A，气压1Pa，偏压600V。

磁过滤电弧技术沉积CrMo结合层的工艺：以Cr、Mo依次为阴极电弧靶，电流100A，偏压-20000V，氩气0.2Pa，向基底注入50nm深度的双金属层，深度20分钟；此后，电流调整到200A，高功率脉冲偏压-1000V，占空比5%，交替沉积Cr、Mo多层结构，单层10nm，沉积厚度200nm。