一种环境湿度自适应润滑复合涂层及其制备方法和应用

本发明涉及摩擦磨损防护，尤其涉及一种环境湿度自适应润滑复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、当代空间涂层技术面临的主要挑战仍然是如何适应工作环境的变化，实现持续的低摩擦、低磨损和强大的承载能力，以达到保护性能。目前的研究大多使用多种元素共沉积的方法制备复合涂层，以此实现涂层在高湿度和低湿度环境下的优异低摩擦性能。然而，它们存在一定的局限性。首先，用于共沉积的各种相的熔点不同，这使得控制每种相的沉积速率具有挑战性。其次，各组分可能缺乏有序性和精细度，因此很难管理材料的结构和性能。此外，在湿度波动的环境中，这些涂层的性能无法得到保证。因此，寻找能够在不同湿度环境中提供出色摩擦性能的涂层至关重要，尤其是在湿度变化较大的环境中。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种环境湿度自适应润滑复合涂层及其制备方法和应用。本发明提供的环境湿度自适应润滑复合涂层在干湿转变环境下具有优异的减摩耐磨效果。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种环境湿度自适应润滑复合涂层，包括沉积在基底上具有微米孔阵列的多孔钛碳氮涂层和填充在所述多孔钛碳氮涂层的微米孔阵列中的二硫化钼润滑相。

4、优选地，所述微米孔阵列的孔径为0.3～1.5微米。

5、优选地，所述基底与多孔钛碳氮涂层之间还包括层叠的钛过渡层和氮化钛过渡层，所述钛过渡层沉积在基底表面；所述钛过渡层和氮化钛过渡层的厚度独立地为200～300nm。

6、本发明提供了以上技术方案所述环境湿度自适应润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

7、在基底上沉积多孔钛碳氮涂层；所述沉积为多弧离子镀沉积，以钛金属靶为靶材，以氮气和乙炔为工作气体，所述沉积的过程中，基底法线与钛金属靶法线的夹角为75～85°；

8、将所述多孔钛碳氮涂层浸泡在四硫代钼酸铵水溶液中进行超声处理，得到复合有二硫化钼前驱体的钛碳氮涂层；

9、将所述复合有二硫化钼前驱体的钛碳氮涂层进行热分解，得到所述环境湿度自适应润滑复合涂层。

10、优选地，所述多弧离子镀沉积的条件包括：靶基距为40～60mm，真空度为0.2～1.0pa，氮气的气流量为120～600sccm，乙炔的气流量为40～200sccm，弧电流为60～80a，沉积时间为40～50min。

11、优选地，所述四硫代钼酸铵水溶液的浓度为5～40mg/ml。

12、优选地，所述超声处理的次数为2～4次，单次超声处理的时间为30～60min。

13、优选地，所述热分解在氮气和氢气的混合气氛中进行，所述混合气氛中氮气的气流量为40～80sccm，氢气的气流量为20～40sccm。

14、优选地，所述热分解的温度为250～450℃，时间为40～60min。

15、本发明提供了以上技术方案所述环境湿度自适应润滑复合涂层或以上技术方案所述制备方法制备得到的环境湿度自适应润滑复合涂层在润滑减摩领域中的应用。

16、本发明提供了一种环境湿度自适应润滑复合涂层，包括沉积在基底上具有微米孔阵列的多孔钛碳氮涂层和填充在所述多孔钛碳氮涂层的微米孔阵列中的二硫化钼润滑相。本发明提供的环境湿度自适应复合涂层为摩擦诱导二硫化钼润滑相释放的钛碳氮基涂层，二硫化钼的填充大大提高了涂层在低相对湿度的减摩耐磨润滑性能，具体地，在低相对湿度环境的滑动摩擦中钛碳氮微米孔中的二硫化钼能够持续供给至摩擦接触面，在高相对湿度环境的滑动摩擦中钛碳氮中的碳能够持续供给至摩擦接触面，从而在干湿环境转变中持续提供减摩润滑效果，维持较低的摩擦系数。

17、本发明提供了以上技术方案所述环境湿度自适应润滑复合涂层的制备方法，本发明采用斜角沉积(基底法线与钛金属靶法线的夹角为75～85°)，通过在涂层沉积过程中加强自阴影效应的影响，使钛碳氮在表面大颗粒阴影的影响下获得多孔的钛碳氮硬质耐磨涂层；通过对多孔结构的钛碳氮涂层进行沉积填充四硫代钼酸铵，将二硫化钼前驱体填充到钛碳氮涂层微米尺度的孔隙中；再通过热分解还原处理，将二硫化钼前驱体转化为二硫化钼润滑相，实现二硫化钼润滑相在钛碳氮涂层中的储存。本发明将斜角沉积、多弧离子镀技术和原位生成二硫化钼相结合制备出环境湿度自适应复合涂层，其在干湿环境转变中持续提供减摩润滑效果；并且，本发明采用多弧离子镀沉积法制备钛碳氮基硬质涂层，结合力好，耐磨性强，能够保护二硫化钼润滑相免受不同形式的失效，提高复合涂层的摩擦寿命。进一步地，本发明可以通过调整钛靶电流，对钛碳氮涂层的孔隙大小进行调控，实现二硫化钼填充量的可控制备，进而实现对复合涂层寿命的控制。

技术特征：

1.一种环境湿度自适应润滑复合涂层，其特征在于，包括沉积在基底上具有微米孔阵列的多孔钛碳氮涂层和填充在所述多孔钛碳氮涂层的微米孔阵列中的二硫化钼润滑相。

2.根据权利要求1所述的环境湿度自适应润滑复合涂层，其特征在于，所述微米孔阵列的孔径为0.3～1.5微米。

3.根据权利要求1所述的环境湿度自适应润滑复合涂层，其特征在于，所述基底与多孔钛碳氮涂层之间还包括层叠的钛过渡层和氮化钛过渡层，所述钛过渡层沉积在基底表面；所述钛过渡层和氮化钛过渡层的厚度独立地为200～300nm。

4.权利要求1～3任意一项所述环境湿度自适应润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述多弧离子镀沉积的条件包括：靶基距为40～60mm，真空度为0.2～1.0pa，氮气的气流量为120～600sccm，乙炔的气流量为40～200sccm，弧电流为60～80a，沉积时间为40～50min。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述四硫代钼酸铵水溶液的浓度为5～40mg/ml。

7.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征在于，所述超声处理的次数为2～4次，单次超声处理的时间为30～60min。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热分解在氮气和氢气的混合气氛中进行，所述混合气氛中氮气的气流量为40～80sccm，氢气的气流量为20～40sccm。

9.根据权利要求4或8所述的制备方法，其特征在于，所述热分解的温度为250～450℃，时间为40～60min。

10.权利要求1～3任意一项所述环境湿度自适应润滑复合涂层或权利要求4～9任意一项所述制备方法制备得到的环境湿度自适应润滑复合涂层在润滑减摩领域中的应用。

技术总结本发明提供了一种环境湿度自适应润滑复合涂层及其制备方法和应用，涉及摩擦磨损防护技术领域。本发明提供的环境湿度自适应润滑复合涂层，包括沉积在基底上具有微米孔阵列的多孔钛碳氮涂层和填充在所述多孔钛碳氮涂层的微米孔阵列中的二硫化钼润滑相。本发明提供的环境湿度自适应复合涂层为摩擦诱导二硫化钼润滑相释放的钛碳氮基涂层，二硫化钼的填充大大提高了涂层在低相对湿度的减摩耐磨润滑性能，具体地，在低相对湿度环境的滑动摩擦中钛碳氮微米孔中的二硫化钼能够持续供给至摩擦接触面，在高相对湿度环境的滑动摩擦中钛碳氮中的碳能够持续供给至摩擦接触面，从而在干湿环境转变中持续提供减摩润滑效果，维持较低的摩擦系数。技术研发人员：徐书生,乐凯,梁津瑞,柳宇震,郑力玮,刘维民受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/5