專利名稱：在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)dlc薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能表面薄膜的制備方法，尤其是一種在鈦金屬表面 利用物理氣相沉積法形成具有優(yōu)良摩擦特征的DLC(類金剛石)薄膜的方法，具 體地說是一種在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)DLC薄膜的方法。
技術(shù)背景 -眾所周知，鈦金屬具有強(qiáng)度高、比重小、抗腐蝕、耐高溫、耐低溫等許 多優(yōu)良的特性，廣泛用于航空航天、武器裝備、人體內(nèi)植入物等許多領(lǐng)域。 但其摩擦系數(shù)較大、耐磨性能較差，嚴(yán)重地影響著它們的使用性能。DLC (類金剛石)薄膜以其摩擦低、磨損和腐蝕抗力高、生物醫(yī)用性能 好等許多優(yōu)良的性能而成為近年來(lái)金屬表面保護(hù)性、功能性薄膜的研究熱點(diǎn)。 盡管國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者就金屬表面保護(hù)性、功能性DLC薄膜的研究 已取得了很大進(jìn)展并產(chǎn)生了一批相關(guān)專利，但能在高載荷下具有很好摩擦磨 損性能的DLC薄膜仍是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。這一主題的研究對(duì)于承載場(chǎng)合如人 工髖關(guān)節(jié)等具有重要的意義。限制金屬表面DLC薄膜在高載荷下仍具有很好摩擦磨損性能的因素是多 方面的，如界面結(jié)合、薄膜的韌性等。到目前為止，鈦金屬表面尚未有一種 在高載下仍具有很好摩擦學(xué)性能的DLC薄膜可供使用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)DLC (類金剛石)薄膜在高載荷下的摩擦磨損性能 較差的問題，發(fā)明一種在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)DLC薄膜的方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)DLC薄膜的方法，其特征是它包括以 下步驟首先，對(duì)作為基材的鈦金屬和耙材的SiC (碳化硅)進(jìn)行清洗；其次，利用射頻磁控濺射法在基材的表面沉積SiC，形成SiC薄膜中間層；最后，利用直流磁控濺射法在SiC薄膜中間層上形成類DLC薄膜。 所述的對(duì)靶材和基材的清洗時(shí)指先用砂紙、拋光的方法除去基材表面污 物，然后浸入有機(jī)溶劑中用超聲波清洗；把靶材和經(jīng)清洗的基材分別放入主 濺射室和進(jìn)樣室進(jìn)行射頻反濺清洗靶材和基材；旁抽兩室氣壓低于20帕后分 別對(duì)兩室抽真空，當(dāng)主濺射室、進(jìn)樣室氣壓達(dá)到10—5帕后，停止抽真空，通入 氬氣，進(jìn)行射頻反濺清洗；主濺射室清洗靶材的基本工藝參數(shù)為氬氣流量60 sccm、起輝氣壓3~5 Pa、'功率70 W、時(shí)間15~20 min，進(jìn)樣室射頻反濺清洗 基材的工藝參數(shù)為氬氣流量60 sccm、起輝氣壓3~5 Pa、功率100 W、時(shí)間 15 20 min。所述的中間層薄膜沉積是指先用射頻反濺清洗SiC靶材和基材后對(duì)兩 室分別抽真空，當(dāng)進(jìn)樣室氣壓低于104帕、主濺射室氣壓低于10—5帕后，打開 閥使進(jìn)樣室與主濺射室相通，將基材從進(jìn)樣室送入主濺射室；送完樣品后， 關(guān)閉閥，對(duì)主濺射室抽真空，使氣壓低于5xl(T5帕后停止抽真空，通入工作 氣體，調(diào)整參數(shù)進(jìn)行磁控濺射，采用磁控濺射技術(shù)以射頻(RF)方式在基材上沉 積形成中間層SiC薄膜。所述的類金剛石薄膜的沉積是指采用直流(DC)方式在中間層SiC薄膜 上沉積具有高載摩擦學(xué)性能的類金剛石(DLC)薄膜。本發(fā)明的有益效果(1) 本發(fā)明為鈦金屬表面提供了一種可工業(yè)化生產(chǎn)的在高載荷下也具有 很好抗摩擦磨損性能的DLC薄膜的制備方法。(2) 通過利用磁控濺射技術(shù)制備薄膜的能量高的特點(diǎn)和鈦金屬、SiC、DLC 之間化學(xué)成分相容性的特點(diǎn)，使得膜-膜-基間發(fā)生了明顯且呈梯度的元素?cái)U(kuò) 散，從而使薄膜和基材的物理及力學(xué)性能處于漸近變化狀態(tài)，導(dǎo)致最終形成 了很好的界面結(jié)合，大大提高了界面的承載能力。(3) 通過控制磁控濺射制備DLC薄膜的工藝參數(shù)，使DLC薄膜具有較 高含量的石墨相，保證了 DLC薄膜自身具有高的韌性，大大提高了DLC薄 膜自身的承載能力。(4) 利用本發(fā)明制得的薄膜具有以下好的物理化學(xué)性能Sp7s^比為0. 2~0.24、納米硬度為6.3-10.5 GPa、彈性模量為86.2 -109.2 GPa，試驗(yàn) 實(shí)測(cè)當(dāng)spVsp2比為0.2時(shí)，在200-500 g載荷、氮化硅球(半徑為2 mm) 為對(duì)摩件、模擬體液或空氣條件下(初始Hertzian接觸應(yīng)力約為685-930 MPa)時(shí)，磨損速率在10—6~10—'mm7Nm級(jí)，摩擦系數(shù)約為O. 1，且都不出現(xiàn)薄 膜的破裂及剝落現(xiàn)象。 '(5) 本發(fā)明的SiC薄膜與基材和DLC薄膜間都具有明顯的且呈梯度的 元素?cái)U(kuò)散，很好地解決了DLC薄膜與鈦金屬間結(jié)合狀況差的技術(shù)難題，大大 提高了界面的承載能力，同時(shí)本發(fā)明很好地解決-了鈦金屬表面高載摩擦學(xué) DLC薄膜的制備難題，并且工藝簡(jiǎn)單，在生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前學(xué)


圖1是利用本發(fā)明的方法制備所得的DLC (類金剛石)薄膜的表面形貌 照片。圖2是本發(fā)明的薄膜、基體的斷面微觀形貌和元素分布的X射線能譜分 析線掃描譜圖。圖3是利用本發(fā)明的方法制備所得的DLC薄膜的拉曼光譜圖。圖4是利用本發(fā)明的方法制備所得的DLC薄膜的納米壓痕載荷-位移曲線圖。圖5是利用本發(fā)明的方法制備所得的DLC薄膜的摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間變 化的曲線。圖6是利用本發(fā)明的方法制備所得的DLC薄膜的磨痕表面的輪廓曲線。 圖7是利用本發(fā)明的方法制備所得的DLC薄膜的摩擦磨損表面形貌照片。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例一。如圖1-7所示。一種在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)DLC (類金剛石)薄膜的方法，它包括5以下步驟首先，對(duì)作為基材的鈦金屬和靶材的SiC (碳化硅)進(jìn)行清洗；其次，利用射頻磁控濺射法在基材的表面沉積SiC，形成SiC薄膜中間層;最后，利用直流磁控濺射法在SiC薄膜中間層上形成DLC薄膜。所述的對(duì)靶材和基材的清洗是指先用砂紙、拋光的方法除去基材表面污物，然后浸入有機(jī)溶劑(如丙酮、無(wú)水乙醇等)中用超聲波清洗；把靶材和 經(jīng)清洗的基材分別放入主濺射室和進(jìn)樣室進(jìn)行射頻反濺清洗耙材和基材；旁 抽兩室氣壓低于20帕后分別對(duì)兩室抽真空，當(dāng)主濺射室、進(jìn)樣室氣壓達(dá)到10—5 帕后，停止抽真空，通入氬氣，進(jìn)行射頻反濺清洗；主濺射室清洗耙材的基 本工藝參數(shù)為氬氣流量60sccm、起輝氣壓3 5Pa、功率70W、時(shí)間15 20min， 進(jìn)樣室射頻反濺清洗基材的工藝參數(shù)為氬氣流量60 sccm、起輝氣壓3~5 Pa、 功率100 W、時(shí)間15 20 min。所述的中間層薄膜沉積是指先用射頻反濺清洗SiC靶材和基材后對(duì)兩 室分別抽真空，當(dāng)進(jìn)樣室氣壓低于10—4帕、主濺射室氣壓低于10-5帕后，打開 閥使進(jìn)樣室與主濺射室相通，將基材從進(jìn)樣室送入主濺射室；送完樣品后， 關(guān)閉閥，對(duì)主濺射室抽真空，使氣壓低于5xl(T5帕后停止抽真空，通入工作 氣體，調(diào)整參數(shù)進(jìn)行磁控濺射，采用磁控濺射技術(shù)以射頻(RF)方式在基材上沉 積形成中間層SiC薄膜。所述的DLC薄膜的沉積是指采用直流(DC)方式在中間層SiC薄膜上沉 積具有高載摩擦學(xué)性能的DLC薄膜。實(shí)施例二?；腡i、中間層薄膜SiC、表面薄膜DLC。按實(shí)施例一進(jìn)行時(shí)，采用 JGP560CVI型超高真空多功能磁控濺射儀制備薄膜。制備SiC薄膜和DLC薄 膜時(shí)的背景壓力都為2.5x10—5 Pa、基材溫度都為室溫、耙材-基材距離都為 70 mm。沉積SiC薄膜時(shí)所用的技術(shù)為射頻(RF)磁控濺射技術(shù)，耙材為SiC， 工作氣體(氬氣)的壓力2. 1Pa，氬氣氣流量為55 sccm，濺射功率為200 W， 濺射時(shí)間為120min。制備DLC薄膜時(shí)所用的技術(shù)為直流(DC)磁控濺射技術(shù)， 靶材為石墨(Gr),工作氣體(氬氣)的壓力1.1Pa，氬氣氣流量為65 sccm，6濺射功率為100 W，濺射時(shí)間為120 min。
采用上述工藝制備的DLC薄膜具有"亞微米尺度疇"表面形貌特征， "疇"間結(jié)合緊密，沒有孔洞等缺陷(圖l);基材、中間層薄膜、表面薄膜 間有明顯且呈梯度的元素?cái)U(kuò)散，其界面結(jié)合很好(圖2); DLC薄膜的G峰和D峰 的積分面積的比值(Ic/Id)即sp7s^比較低，約為0.2，即薄膜的石墨含量較 高(圖3); DLC薄膜具有低的硬度(6.3GPa)、低的彈性模量(86.2GPa)(圖 4);在200 500g載荷、氮化硅球(半徑為2 mm)為對(duì)摩件、Kokubo人體模擬 體液或空氣條件下時(shí)，此DLC薄膜的磨損速率在10—6~10—7 mm7Nm級(jí)(見表l ， DLC薄膜的平均摩擦系數(shù)和磨損速率)，-摩擦系數(shù)約為O. 1 (圖5)，最大磨痕 深度小于0.5微米(圖6)，磨損表面都不出現(xiàn)薄膜的破裂及剝落現(xiàn)象(圖7)。
表1 DLC薄膜的平均摩擦系數(shù)和磨損速率 (半徑為2 mm的氮化硅球?yàn)閷?duì)摩件)
載荷 時(shí)間
環(huán)境
平均摩擦系
、一6
2001.0Kokubo液0.1142.35
5000.5Kokubo液0.1001.72
5001.0Kokubo液0.0871.13
3.0Kokubo液0.1050.39
2000.5空氣0.1242.61
5000.5空氣0.1132.52
實(shí)施例三。
基材Ti、中間層薄膜SiC、表面薄膜DLC。按實(shí)施例一所述的步驟進(jìn)行 時(shí)，采用JGP560CVI型超高真空多功能磁控濺射儀制備薄膜。制備SiC膜和 DLC薄膜時(shí)的背景壓力都為2.5x10—5 Pa、基材溫度都為室溫、靶材-基材距離 都為70 mm。沉積SiC薄膜時(shí)所用的技術(shù)為射頻(RF)磁控濺射技術(shù)，耙材為 SiC，工作氣體(氬氣)的壓力2.0Pa，氬氣氣流量為65 sccm，濺射功率為 200 W，濺射時(shí)間為120 min。制備DLC薄膜時(shí)所用的技術(shù)為直流(DC)磁控 濺射技術(shù)，靶材為石墨(Gr)，工作氣體(氬氣)的壓力1.0 Pa，氬氣氣流 量為65 sccm，濺射功率為100 W，濺射時(shí)間為120 min。
采用上述工藝制備的DLC薄膜具有"納米尺度疇"表面形貌特征，"疇"間結(jié)合緊密，沒有孔洞等缺陷；基材、中間層薄膜、表面薄膜間有明 顯且呈梯度的元素?cái)U(kuò)散，界面其結(jié)合很好；DLC薄膜具有低的G峰和D峰的積分 面積的比值(Ig/Id)約為0.24; DLC薄膜的硬度為10.5 GPa、彈性模量為109.2 GPa;在200 g載荷、氮化硅球(半徑為2 ram)為對(duì)摩件、Kokubo人體模擬體 液下時(shí)，此DLC薄膜磨損速率在5. 19x10—6 mm3/Nm級(jí)，摩擦系數(shù)約為O. 108，最 大磨痕深度l. 3微米，磨損表面不出現(xiàn)明顯薄膜的破裂及剝落現(xiàn)象。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)DLC薄膜的方法，其特征是它包括以下步驟首先，對(duì)作為基材的鈦金屬和靶材的碳化硅(SiC)進(jìn)行清洗；其次，利用射頻磁控濺射法在基材的表面沉積SiC，形成SiC薄膜中間層；最后，利用直流磁控濺射法在SiC薄膜中間層上形成類金剛石(DLC)薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述-的在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)DLC薄膜的方法，其特征是所述的對(duì)靶材和基材的清洗時(shí)指先用砂紙、拋光的方法除去基材表面污物，然后浸入有機(jī)溶劑中用超聲波清洗；把靶材和經(jīng)清洗的基材分別放入主濺射室和進(jìn)樣室進(jìn)行射頻反濺清洗耙材和基材；旁抽兩室氣壓低于20帕后分別對(duì)兩室抽真空，當(dāng)主濺射室、進(jìn)樣室氣壓達(dá)到10—5帕后，停止抽真空，通入氬氣，進(jìn)行射頻反濺清洗；主濺射室清洗靶材的基本工藝參數(shù)為氬氣流量60 sccm、起輝氣壓3~5 Pa、功率70 W、時(shí)間15 20 min，進(jìn)樣室射頻反濺清洗基材的工藝參數(shù)為氬氣流量60 sccm、起輝氣壓3 5 Pa、功率100 W、時(shí)間15~20 min。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)DLC薄膜的方法，其特征是所述的中間層薄膜沉積是指先用射頻反濺清洗SiC靶材和基材后對(duì)兩室分別抽真空，當(dāng)進(jìn)樣室氣壓低于10—4帕、主濺射室氣壓低于10—5帕后，打開閥使進(jìn)樣室與主濺射室相通，將基材從進(jìn)樣室送入主濺射室；送完樣品后，關(guān)閉閥，對(duì)主濺射室抽真空，使氣壓低于5xlO'5帕后停止抽真空，通入工作氣體，調(diào)整參數(shù)進(jìn)行磁控濺射，采用磁控濺射技術(shù)以射頻(RF)方式在基材上沉積形成中間層SiC薄膜。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)DLC)薄膜的方法，其特征是所述的DLC薄膜的沉積是指采用直流(DC)方式在中間層SiC薄膜上沉積具有高載摩擦學(xué)性能的DLC薄膜。
全文摘要
一種在鈦金屬表面制備高載摩擦學(xué)DLC(類金剛石)薄膜的方法，其特征是它包括以下步驟首先，對(duì)作為基材的鈦金屬和靶材的SiC(碳化硅)進(jìn)行清洗；其次，利用射頻磁控濺射法在基材的表面沉積SiC，形成SiC薄膜中間層；最后，利用直流磁控濺射法在SiC薄膜中間層上形成DLC薄膜。本發(fā)明的SiC薄膜與基材和DLC薄膜間都具有明顯的且呈梯度的元素?cái)U(kuò)散，很好地解決了DLC薄膜與鈦金屬間結(jié)合狀況差的技術(shù)難題，大大提高了界面的承載能力；同時(shí)本發(fā)明通過優(yōu)化制備工藝使DLC薄膜具有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨相，大大提高了DLC薄膜自身的承載能力。本發(fā)明很好地解決了鈦金屬表面高載摩擦學(xué)DLC薄膜的制備難題，并且工藝簡(jiǎn)單，在生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C14/06GK101671811SQ20091003609
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者于春航, 付明喜, 亮 宗, 王宏宇, 程曉農(nóng), 許曉靜, 邵紅紅, 郝欣妮, 丹 陳 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)