專(zhuān)利名稱(chēng)：FeS/MoS₂納米多層膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米多層膜及其制備方法，具體地說(shuō)是一種FeS/MoS2 納米多層膜及其制備方法。
技術(shù)背景固體潤(rùn)滑，是指利用某些具有特殊晶體結(jié)構(gòu)和低剪切強(qiáng)度的固體材料 來(lái)改善摩擦副之間摩擦磨損的潤(rùn)滑方式，它是流體潤(rùn)滑的有力補(bǔ)充，在航 空航天、原子能、軍工以及眾多工業(yè)部門(mén)都有重要應(yīng)用。對(duì)于在高溫、高 壓、高載荷、超低溫、超高真空、強(qiáng)氧化、強(qiáng)輻射等特殊工況下工作的機(jī) 械裝備零部件，固體潤(rùn)滑將發(fā)揮不可替代的潤(rùn)滑作用。固體潤(rùn)滑薄膜，即固體潤(rùn)滑劑沉積而成的薄膜，通過(guò)阻止摩擦副之間 的直接接觸，可以有效避免摩擦副的粘著磨損和應(yīng)變疲勞，因而能夠顯著 提高摩擦副材料的摩擦學(xué)性能。目前，具有層狀結(jié)構(gòu)、低剪切強(qiáng)度特性的 硫化物固體潤(rùn)滑材料，是機(jī)械設(shè)備中摩擦副表面應(yīng)用得最多的固體潤(rùn)滑薄 膜類(lèi)型，在改善摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)方面發(fā)揮了很大作用，例如固體潤(rùn)滑劑 硫化亞鐵(FeS)、 二硫化鉬(MoS2)等。但隨著新形勢(shì)的發(fā)展，現(xiàn)有的單獨(dú)由固體潤(rùn)滑劑硫化亞鐵(FeS)或 二硫化鉬(MoS2)等制成的固體潤(rùn)滑薄膜的潤(rùn)滑效率已不能滿(mǎn)足一些特殊 工況對(duì)固體潤(rùn)滑的需求，如精密零件表面的固體潤(rùn)滑。到目前為止，經(jīng)發(fā) 明人檢索，現(xiàn)有的納米多層膜只有"固體潤(rùn)滑劑/金屬"型，如Hampshire 等通過(guò)磁控濺射制備了 MoS2/Au的微納米復(fù)合膜及多層膜(Surface and Coatings Technology. 2000, 127(1): 24-37.); Da-Yung Wang等通過(guò)同樣的方 法制備了不同調(diào)制波長(zhǎng)的MoS2/Ti納米多層膜(Surface and Coatings Technology. 1999, 120-121(11): 629-635.)。雖然"固體潤(rùn)滑劑/金屬"型納 米多層膜也有較好的固體潤(rùn)滑作用，但由于多層膜中的金屬主要用來(lái)幫助
形成納米多層膜，以及納米多層膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，它本身并不具有固 體潤(rùn)滑性能，它在納米多層膜中妨礙了固體潤(rùn)滑性的發(fā)揮，因此"固體潤(rùn) 滑劑/金屬"型納米多層膜的潤(rùn)滑效率并不理想?，F(xiàn)階段，固體潤(rùn)滑薄膜的潤(rùn)滑效率需要不斷提高，固體潤(rùn)滑 薄膜的種類(lèi)需要不斷拓展，固體潤(rùn)滑薄膜對(duì)苛刻工況的適應(yīng)性需 要不斷加強(qiáng)。在這種背景下，性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有固體潤(rùn)滑薄膜， 且適用于精密摩擦副表面的固體潤(rùn)滑薄膜是材料學(xué)家們研究的 重點(diǎn)內(nèi)容。 發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明提出一種制膜方法新穎簡(jiǎn)便、摩擦學(xué)性能優(yōu)異的固體潤(rùn)滑F(xiàn)eS/MoS2納米多層膜。本發(fā)明的另一目的是提供一種制備上述納米多層膜的制備方法。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種復(fù)合處理技術(shù)制備的FeS/MoS2納米多層膜，其特征在于，其是在 基體上通過(guò)雙靶射頻濺射交替沉積Fe層和Mo層制成Fe/Mo納米 多層膜，然后再通過(guò)離子滲硫處理該Fe/Mo納米多層膜制成的。所述FeS層和MoS2層厚度之比為0.95 1.05，即FeS層禾口 MoS2層厚 度基本相同，可以上下浮動(dòng)稍有誤差；雙子層厚度為5 20nm，納米 多層膜總厚度為1 3um。上述的FeS/MoS2納米多層膜是對(duì)基體層為Mo、最外層為Fe 的Fe/Mo納米多層膜進(jìn)行低溫離子滲硫處理后得到的。由于滲硫 時(shí)硫(S)原子的擴(kuò)散作用，S將Fe/Mo納米多層膜已滲透，因 此納米多層膜中每一個(gè)Fe層和Mo層都與S發(fā)生反應(yīng)，分別生成 FeS和MoS2，因此最終Fe/Mo納米多層膜變成了 FeS/MoS2固體潤(rùn)滑 納米多層膜，其基底層為MoS2，最外層為FeS。本發(fā)明所述的FeS/MoS2納米多層膜多應(yīng)用于機(jī)械性設(shè)備，與 沉積基體間結(jié)合強(qiáng)度強(qiáng)，沉積基體可以為金屬或陶瓷等，最佳沉 積基體為金屬。本發(fā)明所述FeS/MoS2納米多層膜的制備工藝如下首先將基體 加熱至50 150°C，靶材釆用純度為90 99.99%的Fe耙和純 度為90 99. 95%的Mo耙，然后在2 X 10—2 2 X 10GPa的Ar氣氛 中(真空度2X1(T 2X10—2Pa)基體上通過(guò)雙耙射頻濺射交替沉積 Fe層和Mo層制成Fe/Mo納米多層膜，然后對(duì)該Fe/Mo納米多層膜進(jìn) 行離子滲硫處理最終制得FeS/MoS2納米多層膜。上述的FeS/MoS2納米多層膜的制備工藝中射頻濺射釆用的設(shè) 備為射頻濺射爐，如圖1所示，工作時(shí)，將基體置于轉(zhuǎn)架上，兩 靶面分別為射頻鐵靶和射頻鉬耙中的一種，電壓、電流、耙面在 基體上的停留時(shí)間等參數(shù)可調(diào)。工作時(shí)，基體旋轉(zhuǎn)到Mo靶面前 則沉積Mo層，旋轉(zhuǎn)到Fe靶面前則沉積Fe層，從而實(shí)現(xiàn)交替沉 積。本發(fā)明所用鉬靶由粉末冶金高溫加工而成，鐵耙由熔煉燒結(jié) 而成，均屬公知技術(shù)。所述靶材也可根據(jù)實(shí)際需要在北京有色金 屬研究總院進(jìn)行定做。上述FeS/MoS2納米多層膜的制備工藝，其中所述的Fe/Mo納 米多層膜中Fe層和Mo層的厚度由基體在靶前的停留時(shí)間及沉積 速率來(lái)控制，沉積Mo層時(shí)，基體在Mo耙前停留時(shí)間為9 100 秒，沉積速率為6 16 nra/min;沉積Fe層時(shí)，基體在Fe靶前 停留時(shí)間為10 100秒，沉積速率為6 15nm/min。上述FeS/MoS,納米多層膜的制備工藝，其中，所述的射頻濺射交替沉 積時(shí)，其電壓為500 1000V，電流為100 400raA，自偏壓為450 950V， 濺射功率為100 300W，基體與靶材的距離為1 2厘米。上述Fe/Mo納米多層膜的制備工藝，其中，為了提高沉積效 率，射頻濺射交替沉積時(shí)加負(fù)偏壓50 200V。上述負(fù)偏壓是指以地為0，以爐內(nèi)的電壓值為負(fù)，目的是構(gòu)
成一個(gè)負(fù)電場(chǎng)，以保證正離子向基體運(yùn)動(dòng)；自偏壓是指靠射頻放 電產(chǎn)生的正負(fù)電子移動(dòng)的速度不一樣，造成一個(gè)正負(fù)電子不對(duì)稱(chēng) 的狀況，形成自偏壓，從而有助于將靶材濺射出來(lái)。上述的一種FeS/MoS2納米多層膜的制備工藝，其中，所述的離子滲硫 處理，其將Fe/Mo納米多層膜接陰極，設(shè)備的爐壁接陽(yáng)極，當(dāng)真空度達(dá)到 1 20Pa時(shí)，給爐內(nèi)通入氨氣，在陰陽(yáng)極之間加高壓直流電，該電壓400 800V，在此電壓作用下，氨離子轟擊陰極，當(dāng)陰極溫度升高至160 260 'C后停止轟擊，在此溫度下固體硫氣化成硫蒸氣滲硫Fe/Mo納米多層膜， 滲硫處理時(shí)間為0.5 3.5小時(shí)，所述的滲硫處理時(shí)間是指固體硫被氣化 后硫原子擴(kuò)滲的時(shí)間。所述的固體硫蒸氣為固體硫氣化后的硫蒸氣，固體硫的加入量為20 30克。本發(fā)明所述的FeS/MoS2固體潤(rùn)滑納米多層膜可用于各類(lèi)裝備零部件摩 擦表面的減摩耐磨，特適用于精密儀器。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效益1、 利用射頻濺射技術(shù)和離子滲硫技術(shù)，通過(guò)兩步法復(fù)合處理，制備 了新型固體潤(rùn)滑薄膜，F(xiàn)eS/MoS2固體潤(rùn)滑納米多層膜；由于對(duì)其沉積時(shí)間 和各工藝參數(shù)的控制使得各子層厚度相同且硫元素在多層膜內(nèi)分布比較 均勻，使本發(fā)明FeS/MoS2納米多層膜在摩擦系數(shù)、磨損量和抗擦傷載荷等 方面，與現(xiàn)有的納米多層膜相比摩擦學(xué)性能優(yōu)異，實(shí)用性更強(qiáng)。2、 FeS/MoS2固體潤(rùn)滑納米多層膜具有極為優(yōu)良的固體潤(rùn)滑性能，即 "超滑性"，比現(xiàn)有多種固體潤(rùn)滑薄膜的摩擦學(xué)性能優(yōu)異，可用于機(jī)械裝備各種摩擦表面，尤其是精密配合表面減輕摩擦，改善潤(rùn)滑條件。下面結(jié)合最佳實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，以使公眾對(duì)
發(fā)明內(nèi)容
有整體和充分的了解，而并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。前述部分己經(jīng)充 分公開(kāi)了本發(fā)明可以實(shí)施的保護(hù)范圍，因此凡依照本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容進(jìn)行的 任何本領(lǐng)域公知的等同替換，均屬于對(duì)本發(fā)明的侵犯。


圖l為射頻濺射設(shè)備示意圖；圖2為離子滲硫設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為離子滲硫設(shè)備中硫容器的主視圖；圖4為離子滲硫設(shè)備中硫容器的俯視圖；圖5為調(diào)制波長(zhǎng)5 nni的FeS/MoS2納米多層膜與現(xiàn)有納米多層膜與45 鋼原始表面的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)；圖6為調(diào)制波長(zhǎng)5 nm的FeS/MoS2納米多層膜與現(xiàn)有納米多層膜與45 鋼原始表面的磨損量隨載荷變化曲線(xiàn)；圖7為調(diào)制波長(zhǎng)5 nm的FeS/MoS2納米多層膜與現(xiàn)有納米多層膜與45 鋼原始表面的擦傷載荷隨速度變化曲線(xiàn)；圖8為調(diào)制波長(zhǎng)10 nm時(shí)FeS/MoS2納米多層膜的俄歇能譜分析示意圖 (滲硫Fe/Mo納米多層膜元素沿深度的分布(AES));圖9(a)為調(diào)制波長(zhǎng)20 nm的FeS/MoS2納米多層膜表面Fe元素化合價(jià) 態(tài)的X射線(xiàn)光電子能譜分析結(jié)果；圖9 (b)為調(diào)制波長(zhǎng)20 nm的FeS/MoS2納米多層膜表面Mo元素化合價(jià) 態(tài)的X射線(xiàn)光電子能譜分析結(jié)果；圖9 (c)為調(diào)制波長(zhǎng)20 nm的FeS/MoS2納米多層膜表面S元素化合價(jià) 態(tài)的X射線(xiàn)光電子能譜分析結(jié)果。
具體實(shí)施方式
如圖l所示，以下實(shí)施例所述的FeS/MoS2納米多層膜的制備 工藝中射頻濺射交替沉積Fe/Mo納米多層膜采用的設(shè)備為 MIP-800型射頻濺射爐，工作時(shí)，將基體1置于轉(zhuǎn)架2上，兩靶 面3分別為射頻鐵靶和射頻鉬靶中的任意一種，電壓、電流、靶 面在基體上的停留時(shí)間等參數(shù)可調(diào)。工作時(shí)，基體旋轉(zhuǎn)到Mo靶 面前則沉積Mo層，旋轉(zhuǎn)到Fe靶面前則沉積Fe層，從而實(shí)現(xiàn)交 替沉積，具體工藝參數(shù)見(jiàn)實(shí)施例。其他廠(chǎng)家生產(chǎn)的用于射頻濺射
多層膜的不同型號(hào)的射頻濺射設(shè)備也可以應(yīng)用于本發(fā)明。如圖2所示，以下實(shí)施例所述的FeS/MoS2納米多層膜的制備 工藝中離子滲硫處理采用的設(shè)備為世紀(jì)達(dá)威有限公司生產(chǎn)的離子滲 硫設(shè)備；離子滲流技術(shù)也叫低溫離子滲流技術(shù)，因?yàn)槠錅囟瓤刂?在16(TC 26(TC較之普通滲流技術(shù)所用600'C 70(TC溫度低很 多。如圖所示，控制柜4用來(lái)控制滲硫過(guò)程中的電壓等；氣瓶5 中氨氣通過(guò)導(dǎo)入管9導(dǎo)入真空爐10中，氣流閥6和節(jié)流闊7可 以控制氨氣的流出和流量；裝有固體硫粉末的硫容器8和工件12， 即本發(fā)明中沉積有Fe/Mo納米多層膜，置于陰極托盤(pán)13上，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)14 可以控制陰極托盤(pán)13的轉(zhuǎn)動(dòng)；真空爐壁爐接陽(yáng)極ll，真空泵15用于抽 真空。如圖3、圖4所示，為硫容器8的主視圖和俯視圖，其上有六個(gè)通 孔81，在滲硫之前，粉末態(tài)的固體硫加于硫容器8中，當(dāng)溫度 達(dá)到設(shè)定值時(shí)，粉末態(tài)的硫就氣化為硫蒸氣，硫蒸氣中富含硫原 子，當(dāng)硫原子與鐵原子及鉬原子在溫度、壓力、磁場(chǎng)等作用下發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)，從而生成FeS、 MoS2。本實(shí)施例所用硫粉末是為北京 益利精細(xì)化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的"分析純升華硫"。上述設(shè)備均可做等 同替換，只要依據(jù)本發(fā)明限定的工藝參數(shù)進(jìn)行操作，均可得到本 發(fā)明所述產(chǎn)品。以下實(shí)施例均以45#鋼作為成膜基體，基體與靶材的距離為 1 2厘米，具體工藝參數(shù)如下 實(shí)施例11、射頻濺射Fe/Mo納米多層膜在兩個(gè)靶源位置分別放置Mo靶和Fe靶；采用靶材的純度為Fe靶90 99. 99%; Mo靶90 99. 95%;鍍膜前基片加熱至50°C; 工作氣體為99. 999%的高純Ar氣；
真空度2X10 Pa; 工作氣壓為2Xl(T2Pa; 為提高沉積效率加負(fù)偏壓50V;設(shè)定電壓500V，電流lOOmA，自偏壓450V，濺射功率100W; 沉積Mo層時(shí)，基體在Mo靶前停留時(shí)間為9.37秒，沉積 速率16nm/min;沉積Fe層時(shí)，基體在Fe靶前停留時(shí)間為10秒，沉積速 率15nm/min;制成的Fe/Mo納米多層膜雙子層厚度為5nm; 2、將已制備好的Fe/Mo納米多層膜放入離子滲硫設(shè)備內(nèi)的陰極托盤(pán) 上進(jìn)行離子滲硫處理如圖2所示離子滲硫在滲硫爐內(nèi)進(jìn)行，具體工藝參數(shù)如下 反應(yīng)氣體為固體硫氣化后的硫蒸氣；將Fe/Mo納米多層膜接陰極，爐壁接陽(yáng)極，當(dāng)真空度達(dá)到2Pa時(shí)，給 爐內(nèi)通入氨氣，當(dāng)氨氣通入15分鐘后，通過(guò)控制按鈕對(duì)陰陽(yáng)極之間加高 壓直流電，電壓為600 V，在此電壓作用下，氨被電離成離子，在陰極附 近受到陰極壓降的作用而被加速，以一定的能量轟擊陰極，從而使陰極溫 度不斷升高至設(shè)定的20(TC后停止轟擊，在此溫度下固體硫被氣化，硫氣 氛彌漫于整個(gè)爐內(nèi)，硫原子將沿著納米多層膜的晶體缺陷及晶界向內(nèi)擴(kuò)散 并分別與Fe、 Mo作用生成FeS和MoS2，固體硫的加入量為2C) 25g，滲硫 處理時(shí)間為2小時(shí)，最終制備成雙子層厚度為5nm的FeS/MoS2納米多 層膜。實(shí)施例21、射頻濺射Fe/Mo納米多層膜 在兩個(gè)耙源位置分別放置Mo耙和Fe耙； 采用靶材的純度為Fe耙90 99. 99%; Mo靶90 99. 95%;
鍍膜前基片加熱至IO(TC;工作氣體為99.999%的高純Ar氣；真空度1X10 —2Pa; 工作氣壓為5X10 —亍a; 為提高沉積效率加負(fù)偏壓120V;設(shè)定電壓800V，電流220mA，自偏壓750V,濺射功率200W; 沉積Mo層時(shí)，基體在Mo靶前停留時(shí)間為25秒，沉積速 率12nm/min;沉積Fe層時(shí)，基體在Fe靶前停留時(shí)間為40秒，沉積速 率7. 5nm/min;制成的Fe/Mo納米多層膜雙子層厚度為10nra; 2、將已制備好的Fe/Mo納米多層膜放入離子滲硫設(shè)備內(nèi)的陰極托盤(pán)上進(jìn)行離子滲硫處理如圖2所示離子滲硫在滲硫爐內(nèi)進(jìn)行，具體工藝參數(shù)如下反應(yīng)氣體為固體硫氣化后的硫蒸氣；將Fe/Mo納米多層膜接陰極，爐壁接陽(yáng)極，當(dāng)真空度達(dá)到10Pa時(shí)，給 爐內(nèi)通入氨氣，當(dāng)氨氣通入15分鐘后，通過(guò)控制按鈕對(duì)陰陽(yáng)極之間加高 壓直流電，電壓為400 V，在此電壓作用下，氨被電離成離子，在陰極附 近受到陰極壓降的作用而被加速，以一定的能量轟擊陰極，從而使陰極溫 度不斷升高至設(shè)定的26(TC后停止轟擊，在此溫度下固體硫被氣化，硫氣 氛彌漫于整個(gè)爐內(nèi)，硫原子將沿著納米多層膜的晶體缺陷及晶界向內(nèi)擴(kuò)散 并分別與Fe、 Mo作用生成FeS和MoS2，固體硫的加入量為25 30g，滲硫 處理時(shí)間為0.5小時(shí)，最終制備成雙子層厚度為10nm的FeS/MoS2納 米多層膜。實(shí)施例31、射頻濺射Fe/Mo納米多層膜在兩個(gè)靶源位置分別放置Mo耙和Fe耙； 采用靶材的純度為Fe耙90 99. 99%; Mo耙90 99. 95%;鍍膜前基片加熱至150°C;工作氣體為99. 999%的高純Ar氣；真空度2X10—2Pa; 工作氣壓為2X10°Pa; 為提高沉積效率加負(fù)偏壓200V;設(shè)定電壓IOOOV，電流400mA,自偏壓950V，濺射功率300W; 沉積Mo層時(shí)，基體在Mo靶前停留時(shí)間為100秒，沉積速 率6nm/min;沉積Fe層時(shí)，基體在Fe耙前停留時(shí)間為100秒，沉積速 率6nm/min;最終得到的Fe/Mo納米多層膜雙子層厚度為20nm。 2、將已制備好的Fe/Mo納米多層膜放入離子滲硫設(shè)備內(nèi)的陰極托盤(pán)上 進(jìn)行離子滲硫處理如圖2所示離子滲硫在滲硫爐內(nèi)進(jìn)行，具體工藝參數(shù) 如下-反應(yīng)氣體為固體硫氣化后的硫蒸氣；將Fe/Mo納米多層膜接陰極，爐壁接陽(yáng)極，當(dāng)真空度達(dá)到20Pa時(shí)，給 爐內(nèi)通入氨氣，當(dāng)氨氣通入15分鐘后，通過(guò)控制按鈕對(duì)陰陽(yáng)極之間加高 壓直流電，電壓為800 V，在此電壓作用下，氨被電離成離子，在陰極附 近受到陰極壓降的作用而被加速，以一定的能量轟擊陰極，從而使陰極溫 度不斷升高至設(shè)定的16(TC后停止轟擊，在此溫度下固體硫被氣化，硫氣 氛彌漫于整個(gè)爐內(nèi)，硫原子將沿著納米多層膜的晶體缺陷及晶界向內(nèi)擴(kuò)散 并分別與Fe、 Mo作用生成FeS和MoS2，固體硫的加入量為25 30g，滲硫 處理時(shí)間為3.5小時(shí)，最終制備成雙子層厚度為20nm的FeS/MoS2納 米多層膜。 實(shí)施例l、 2、 3所得到的FeS/MoS2納米多層膜性能檢測(cè)1、 摩擦學(xué)性能分析干摩擦條件下的摩擦學(xué)性能試驗(yàn)在DD — 92球盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上 進(jìn)行。參加試驗(yàn)的樣品分別是四類(lèi)固體潤(rùn)滑薄膜和45共鋼原始表面，四類(lèi) 固體潤(rùn)滑薄膜分別是實(shí)施例1復(fù)合處理(射頻濺射Fe/Mo +離子滲硫) 得到的5nmFeS/MoS2固體潤(rùn)滑納米多層膜、(射頻濺射Mo +離子滲硫)MoS2 固體潤(rùn)滑薄膜、(射頻濺射Fe +離子滲硫)FeS固體潤(rùn)滑薄膜和直接利用 離子滲硫得到的FeS固體潤(rùn)滑薄膜。如圖5、圖6、圖7所示，分別為四類(lèi)固體潤(rùn)滑薄膜與45#鋼原始表面 的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化、磨損量隨載荷變化和擦傷載荷隨速度變化曲線(xiàn)， 可見(jiàn)三條曲線(xiàn)圖具有相似的變化規(guī)律，即各類(lèi)膜層的摩擦系數(shù)和磨損量均 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于、擦傷載荷均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于45tt鋼原始表面。四類(lèi)膜層中，5rnn FeS/MoS2 固體潤(rùn)滑納米多層膜以最低的摩擦系數(shù)、磨損量、最高的抗擦傷載荷，成為四類(lèi)固體潤(rùn)滑薄膜中摩擦學(xué)性能最優(yōu)異的固體潤(rùn)滑薄膜。2、 俄歇能譜分析圖8為實(shí)施例2調(diào)制波長(zhǎng)10 nm時(shí)FeS/MoS2固體潤(rùn)滑納米多層膜的俄歇能譜分析結(jié)果，本發(fā)明其它調(diào)制波長(zhǎng)下的俄歇能譜分析也具有相似的結(jié) 果?？梢?jiàn)Fe與Mo元素具有規(guī)則的周期重復(fù)性，說(shuō)明沉積多層膜時(shí)沉積時(shí) 間控制得很好，各子層厚度幾乎相同；硫元素在多層膜內(nèi)分布比較均勻， 說(shuō)明經(jīng)滲硫處理后硫元素已將多層膜滲透，形成了所需要的固體潤(rùn)滑劑硫 化亞鐵(FeS)和二硫化鉬(MoS2)，從而對(duì)減輕摩擦、改善摩擦學(xué)性能非 常有益。觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，硫元素在Fe與Mo子層的界面上有比較明顯的集中。 分析認(rèn)為，這是由滲硫自身特點(diǎn)所決定的。滲硫時(shí)硫原子首先沿著Fe/Mo 納米多層膜的首層(即Fe層)材料的晶界、缺陷等向內(nèi)擴(kuò)滲，當(dāng)?shù)竭_(dá)Fe、 Mo子層結(jié)合界面時(shí)，由于界面處的間隙大于晶體內(nèi)部，結(jié)合力小于晶體內(nèi) 部，故界面處對(duì)硫原子的擴(kuò)散阻力小，使得更多的硫原子能停留、擴(kuò)散于 界面處，并與界面附近的Fe、 Mo原子發(fā)生作用。隨著滲硫的繼續(xù)，硫原 子滲入到其后的Fe、 Mo子層結(jié)合界面，由于相同的原因，它們較集中于 各個(gè)界面間。3、 X射線(xiàn)光電子能譜分析圖9(a)、圖9(b)和圖9(c)分別為實(shí)施例3制備的調(diào)制波長(zhǎng)20咖的 FeS/MoS2納米多層膜表面Fe、Mo及S元素化合價(jià)態(tài)的X射線(xiàn)光電子能譜分 析結(jié)果(先對(duì)表面濺射3min)，本發(fā)明其他調(diào)制波長(zhǎng)下的能譜分析具有類(lèi) 似的結(jié)果。可見(jiàn)Fe元素在707. 20 eV和712. 10 eV處出現(xiàn)衍射強(qiáng)峰，Mo 元素在227. 72 eV和229. 62 eV處出現(xiàn)了強(qiáng)峰，S元素的強(qiáng)峰出現(xiàn)在162. 25 eV處。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)譜圖可知，對(duì)于Fe，結(jié)合能在706. 72 707. 18 eV之間 時(shí)為單質(zhì)鐵(Fe)，結(jié)合能在711. 65 712. 35 eV之間時(shí)為正二價(jià)鐵(Fe"; 對(duì)于Mo，結(jié)合能在227.65 228.20 eV之間時(shí)，為單質(zhì)鉬(Mo);結(jié)合能 在229. 0 229. 85 eV之間時(shí)，為正四價(jià)鉬^04+);對(duì)于S，結(jié)合能在160. 3 163.9 eV之間時(shí)，為負(fù)二價(jià)硫(S2—)。因此可以確定，離子滲硫Fe/ Mo 納米多層膜中既有未發(fā)生轉(zhuǎn)變的單質(zhì)Fe與單質(zhì)Mo，又有固體潤(rùn)滑劑FeS 與MoS2。這種既有未發(fā)生轉(zhuǎn)變的單質(zhì)Fe與單質(zhì)Mo (即保留著Fe/Mo納米多層 膜的高的納米硬度)，又有固體潤(rùn)滑劑FeS與MoS2 (即具有優(yōu)良固體潤(rùn)滑 性能)的結(jié)構(gòu)，是FeS/MoS2納米多層膜性能優(yōu)于其它固體潤(rùn)滑薄膜的又一 關(guān)鍵，因?yàn)楦哂捕鹊腇e/Mo納米多層膜可以給軟的固體潤(rùn)滑劑FeS和MoS2 膜提供有利的支撐，不易被摩偶件破壞，這種"軟硬相"相互支持配合的 結(jié)果，使得FeS/MoS2納米多層膜能夠長(zhǎng)時(shí)間、高質(zhì)量地發(fā)揮固體潤(rùn)滑作 用。
權(quán)利要求
1、一種復(fù)合處理技術(shù)制備的FeS/MoS2納米多層膜，其特征在于，其是在基體上通過(guò)雙靶射頻濺射交替沉積Fe層和Mo層制成Fe/Mo納米多層膜，然后再通過(guò)離子滲硫處理該Fe/Mo納米多層膜制成的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種FeS/MoS2納米多層膜，其特征 在于，所述FeS層和MoS2層厚度之比為0.95 1.05，雙子層厚度為5 20nm，納米多層膜總厚度為1 3um。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種FeS/MoS2納米多層膜，其特征 在于，所述的Fe/Mo納米多層膜在基體上的基底層為Mo層，最 外層為Fe層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種FeS/MoS2納米多層膜，其特征 在于，所述的基體為金屬或陶瓷。
5、 一種FeS/MoS2納米多層膜的制備工藝，其特征在于，首先 將基體加熱至50 150°C，靶材采用純度為90 99.99%的Fe 靶和純度為90 99.95%的Mo靶，然后在2 X 10—2 2 X 10°Pa的 Ar氣氛中基體上通過(guò)雙靶射頻濺射交替沉積Fe層和Mo層制成 Fe/Mo納米多層膜，然后對(duì)該Fe/Mo納米多層膜進(jìn)行離子滲硫處理最終 制得FeS/MoS2納米多層膜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種FeS/MoS2納米多層膜的制備工 藝，其特征在于，所述的Fe/Mo納米多層膜中Fe層和Mo層的厚 度由雙靶射頻濺射交替沉積步驟中基體在靶前的停留時(shí)間及沉 積速率來(lái)控制，沉積Mo層時(shí)，基體在Mo靶前停留時(shí)間為9 100秒，沉積速率為6 16 nm/min;沉積Fe層時(shí)，基體在Fe靶 前停留時(shí)間為10 100秒，沉積速率為6 15nm/rain。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種FeS/MoS2納米多層膜的制備工藝，其 特征在于，所述的雙靶射頻濺射，其自偏壓為450 950V，濺射功率為100 300W，基體與靶材的距離為1 2厘米。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種FeS/MoS2納米多層膜的制備工藝，其 特征在于，所述雙靶射頻濺射時(shí)加負(fù)偏壓50 200V。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種FeS/MoS2納米多層膜的制備工藝，其 特征在于，所述的離子滲硫處理在離子滲硫設(shè)備中進(jìn)行，其是將Fe/Mo納 米多層膜接陰極，設(shè)備的爐壁接陽(yáng)極并對(duì)爐內(nèi)抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到l 20Pa時(shí)，給爐內(nèi)通入氨氣，氨氣通入15分鐘后，在陰陽(yáng)極之間加高壓直 流電，該電壓400 800V，在此電壓作用下，氨離子轟擊陰極，當(dāng)陰極溫 度升高至160 26(TC后停止轟擊，在此溫度下用固體硫蒸氣滲硫所述 Fe/Mo納米多層膜，滲硫處理時(shí)間為0.5 3.5小時(shí)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種FeS/MoS2納米多層膜的制備工藝，其 特征在于，所述的固體硫蒸氣為固體硫氣化后的硫蒸氣，固體硫的加入量 為20 30克。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種復(fù)合處理技術(shù)制備的FeS/MoS₂納米多層膜，其是由Fe層和Mo層交替沉積在基體上，然后再通過(guò)離子滲硫處理制成的；所述FeS層和MoS₂層厚度之比為0.95～1.05，雙子層厚度為5～20nm，納米多層膜總厚度為1～3μm。本發(fā)明所述FeS/MoS₂納米多層膜在摩擦系數(shù)、磨損量和抗擦傷載荷等方面，與現(xiàn)有的納米多層膜相比摩擦學(xué)性能優(yōu)異，實(shí)用性更強(qiáng)，而且具有極為優(yōu)良的固體潤(rùn)滑性能，即“超滑性”，可用于機(jī)械裝備各種摩擦表面，尤其是精密配合表面減輕摩擦，改善潤(rùn)滑條件。
文檔編號(hào)C23C28/00GK101148761SQ200610113330
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者劉家浚, 徐濱士, 王海斗 申請(qǐng)人:王海斗;劉家浚;徐濱士