基于激光辐照的dlc-纳米金刚石复合涂层制备方法
阅读说明：本技术 基于激光辐照的dlc-纳米金刚石复合涂层制备方法 (DLC-nano diamond composite coating preparation method based on laser irradiation ) 是由 崔雨潇 郭平 马家豪 戚厚军 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：一种基于激光辐照的DLC-纳米金刚石复合涂层制备方法,包括：对纳米金刚石涂层表面进行预处理；将飞秒激光光束聚焦在预处理后的纳米金刚石涂层表面晶粒顶端,进行飞秒激光刻蚀扫描处理,将纳米金刚石涂层表层纳米金刚石团簇原位诱变为类金刚石；3)对类金刚石-纳米金刚石复合涂层进行后处理。本发明不仅能够在纳米金刚石涂层表面制备类金刚石薄膜,同时大幅改善类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面粗糙度,具有显著增益效果。本发明获得的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面粗糙度大幅降低,在摩擦过程中可显著降低摩擦副的摩擦系数和对磨面的磨损量。本发明的制备方法工艺简单,成本低廉,非常适合于干摩擦及水润滑工况。(A DLC-nano diamond composite coating preparation method based on laser irradiation comprises the following steps: pretreating the surface of the nano diamond coating; focusing a femtosecond laser beam on the top end of the crystal grains on the surface of the pretreated nano-diamond coating, performing femtosecond laser etching scanning treatment, and carrying out in-situ mutagenesis on nano-diamond clusters on the surface of the nano-diamond coating to obtain diamond-like carbon; 3) and carrying out post-treatment on the diamond-like carbon-nano diamond composite coating. The invention not only can prepare the diamond-like film on the surface of the nano diamond coating, but also greatly improves the surface roughness of the diamond-like-nano diamond composite coating, and has obvious gain effect. The surface roughness of the diamond-like carbon-nano diamond composite coating obtained by the invention is greatly reduced, and the friction coefficient of a friction pair and the abrasion loss of a grinding surface can be obviously reduced in the friction process. The preparation method has simple process and low cost, and is very suitable for dry friction and water lubrication working conditions.)
技术领域
本发明涉及一种复合涂层的制备方法。特别是涉及一种基于激光辐照的DLC-纳米金刚石复合涂层制备方法。
背景技术
纳米金刚石涂层具有高硬度、高弹性模量、极低摩擦系数和良好的自润滑性能、极高的热导率和化学稳定性、小介电常数、宽带隙等优秀的力学性能和物理性能，在耐磨减摩器件及生物植入器件领域具有广阔的应用前景。然而，通过化学气相沉积工艺制备获得的纳米金刚石涂层的表面粗糙度相对较高，通常无法直接应用于上述领域。不仅如此，纳米金刚石涂层的高表面粗糙度往往在摩擦过程中形成相对较高的摩擦系数，并对对磨表面造成较高的磨损。
然而金刚石材料具有极高的硬度，传统的机械抛光工艺效率较低，并且抛光曲面困难，容易在金刚石涂层表面产生划痕，影响金刚石涂层在上述领域的应用，因此难以直接应用于CVD金刚石涂层的精密抛光。一些研究人员利用金刚石一定条件下转化为石墨的特点，提出对金刚石涂层进行化学抛光，但是这些抛光方法常常需要使用特殊的抛光液，并最终带来环境污染问题。
除抛光外，在金刚石涂层表面施加固体润滑剂是降低金刚石涂层摩擦系数及其对对磨表面磨损量的另一种思路。类金刚石(diamond-like carbon,DLC)薄膜是一种具有sp2和sp3成分的非晶碳膜，具有优秀的自润滑性能。对纳米金刚石薄膜同时施加抛光和类金刚石薄膜可望进一步改善纳米金刚石涂层的摩擦磨损性能，然而常规的抛光和类金刚石薄膜制备的复合工艺非常复杂，且成本高昂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种大幅改善类金刚石-纳米金刚石复合涂层表面粗糙度的基于激光辐照的DLC-纳米金刚石复合涂层制备方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于激光辐照的DLC-纳米金刚石复合涂层制备方法，包括如下步骤：
1)对纳米金刚石涂层表面进行预处理；
2)将飞秒激光光束聚焦在预处理后的纳米金刚石涂层表面晶粒顶端，进行飞秒激光刻蚀扫描处理，将纳米金刚石涂层表层纳米金刚石团簇原位诱变为类金刚石；
3)对类金刚石-纳米金刚石复合涂层进行后处理。
步骤1)所述的纳米金刚石涂层表面的纳米金刚石涂层晶粒的粒径为50～100nm。
步骤1)所述的纳米金刚石涂层的表面粗糙度为Ra 70～100nm。
步骤1)所述的预处理，是将纳米金刚石涂层浸入由金刚石微粉和甘油配制的悬浊液中超声研磨5min，其中金刚石微粉的粒径为2～5μm，随后浸入无水乙醇中超声清洗5min，然后烘干。
所述的由金刚石微粉和甘油配制的悬浊液中所述金刚石微粉与所述甘油的配比为1:1。
步骤2)所述的飞秒激光的能量密度为0.34～0.68J/cm2，脉冲宽度为200fs，重复频率为50MHz，光斑直径为10μm。
步骤2)所述的飞秒激光的刻蚀扫描间距为3～5μm。
步骤3)所述的后处理，是将类金刚石-纳米金刚石涂层置于无水乙醇中进行超声处理5min，去除飞秒激光辐照后残留在类金刚石-纳米金刚石复合涂层表面的杂质。
步骤3)进行后处理后，完成的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面粗糙度为Ra15～30nm，表层类金刚石薄膜的厚度为50～100nm。
本发明的基于激光辐照的DLC-纳米金刚石复合涂层制备方法，不仅能够在纳米金刚石涂层表面制备类金刚石薄膜，同时大幅改善类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面粗糙度，具有显著增益效果。本发明采用飞秒激光辐照方法，将纳米金刚石涂层表层金刚石成分原位诱变为类金刚石成分，获得的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面粗糙度相较未经过飞秒激光辐照的纳米金刚石涂层大幅降低，在摩擦过程中可显著降低摩擦副的摩擦系数和对磨面的磨损量。本发明的制备方法工艺简单，成本低廉，非常适合于干摩擦及水润滑工况。
附图说明
图1是本发明基于激光辐照的DLC-纳米金刚石复合涂层制备方法的抛光流程图；
图2是例制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面形貌的SEM图片；
图3是实例1制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的截面形貌的SEM图片；
图4是实例1制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的XPS图谱；
图5是实例2制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面形貌的SEM图片；
图6是实例2制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的截面形貌的SEM图片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于激光辐照的DLC-纳米金刚石复合涂层制备方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于激光辐照的DLC-纳米金刚石复合涂层制备方法，包括如下步骤：
1)对纳米金刚石涂层表面进行预处理；其中，
所述的纳米金刚石涂层表面的纳米金刚石涂层晶粒的粒径为50～100nm。所述的纳米金刚石涂层的表面粗糙度为Ra 70～100nm。
所述的预处理，是将纳米金刚石涂层浸入由金刚石微粉和甘油配制的悬浊液中超声研磨5min，其中金刚石微粉的粒径为2～5μm，随后浸入无水乙醇中超声清洗5min，然后烘干。所述的由金刚石微粉和甘油配制的悬浊液中所述金刚石微粉与所述甘油的配比为1:1。
2)将飞秒激光光束聚焦在预处理后的纳米金刚石涂层表面晶粒顶端，进行飞秒激光刻蚀扫描处理，将纳米金刚石涂层表层纳米金刚石团簇原位诱变为类金刚石(diamond-like carbon,DLC)；其中，
所述的飞秒激光的能量密度为0.34～0.68J/cm2，脉冲宽度为200fs，重复频率为50MHz，光斑直径为10μm。所述的飞秒激光的刻蚀扫描间距为3～5μm。
3)对类金刚石-纳米金刚石复合涂层进行后处理；其中，
所述的后处理，是将类金刚石-纳米金刚石涂层置于无水乙醇中进行超声处理5min，去除飞秒激光辐照后残留在类金刚石-纳米金刚石复合涂层表面的杂质。
进行后处理后，完成的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面粗糙度为Ra 15～30nm，表层类金刚石薄膜的厚度为50～100nm。
下面结合具体实施例对本发明的基于激光辐照的DLC-纳米金刚石复合涂层制备方法进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实例1：
以晶粒尺寸50nm，表面粗糙度Ra 70nm的纳米金刚石涂层为对象，进行飞秒激光辐照。首先对纳米金刚石涂层表面进行预处理，将其浸入由金刚石微粉和甘油配制的悬浊液中超声研磨5min，其中金刚石微粉的粒径为2μm，随后浸入无水乙醇中进行超声清洗5min，然后烘干。
采用脉冲宽度为200fs、能量密度0.34J/cm2、重复频率50MHz、光斑直径为10μm的飞秒激光，将飞秒激光光束聚焦于微米金刚石涂层表面，进行飞秒激光辐照扫描处理，扫描间距为3μm。飞秒激光辐照将纳米金刚石表层纳米金刚石成分原位诱变为类金刚石成分。
将类金刚石-纳米金刚石复合涂层置于无水乙醇中进行超声处理5min，去除飞秒激光辐照后残留在类金刚石-纳米金刚石复合涂层表面的杂质。
制备获得的类金刚石-纳米金刚石复合涂层，表层类金刚石薄膜的厚度为50nm，表面粗糙度由Ra 70nm降至30nm。
图2为本实施例制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面形貌的SEM图片。图3为本实施例制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的截面形貌的SEM图片。图4为本实施例制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的XPS图谱。
实例2：
以晶粒尺寸100nm，表面粗糙度Ra 100nm的纳米金刚石涂层为对象，进行飞秒激光辐照。首先对纳米金刚石涂层表面进行预处理，将其浸入由金刚石微粉和甘油配制的悬浊液中超声研磨5min，其中金刚石微粉的粒径为5μm，随后浸入无水乙醇中进行超声清洗5min，然后烘干。
采用脉冲宽度为200fs、能量密度0.68J/cm2、重复频率50MHz、光斑直径为10μm的飞秒激光，将飞秒激光光束聚焦于微米金刚石涂层表面，进行飞秒激光辐照扫描处理，扫描间距为5μm。飞秒激光辐照将纳米金刚石表层纳米金刚石成分原位诱变为类金刚石成分。
将类金刚石-纳米金刚石复合涂层置于无水乙醇中进行超声处理5min，去除飞秒激光辐照后残留在类金刚石-纳米金刚石复合涂层表面的杂质。
制备获得的类金刚石-纳米金刚石复合涂层，表层类金刚石薄膜的厚度为100nm，表面粗糙度由Ra 100nm降至15nm。
图5为本实施例制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的表面形貌的SEM图片。图6为本实施例制备的类金刚石-纳米金刚石复合涂层的截面形貌的SEM图片。
实例3：
以晶粒尺寸50nm，表面粗糙度Ra 80nm的纳米金刚石涂层为对象，进行飞秒激光辐照。首先对纳米金刚石涂层表面进行预处理，将其浸入由金刚石微粉和甘油配制的悬浊液中超声研磨5min，其中金刚石微粉的粒径为3.5μm，随后浸入无水乙醇中进行超声清洗5min，然后烘干。
采用脉冲宽度为200fs、能量密度0.5J/cm2、重复频率50MHz、光斑直径为10μm的飞秒激光，将飞秒激光光束聚焦于微米金刚石涂层表面，进行飞秒激光辐照扫描处理，扫描间距为4μm。飞秒激光辐照将纳米金刚石表层纳米金刚石成分原位诱变为类金刚石成分。
将类金刚石-纳米金刚石复合涂层置于无水乙醇中进行超声处理5min，去除飞秒激光辐照后残留在类金刚石-纳米金刚石复合涂层表面的杂质。
制备获得的类金刚石-纳米金刚石复合涂层，表层类金刚石薄膜的厚度为100nm，表面粗糙度由Ra 80nm降至30nm。
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