[發明專利]在鈦金屬表面制備高載摩擦學DLC薄膜的方法

有效

• 申請號: 200910036095.1
• 申請日: 2009-10-16
• 公開（公告）號: CN101671811A
• 公開（公告）日: 2010-03-17
• 發明（設計）人: 許曉靜;郝欣妮;陳丹;于春航;邵紅紅;付明喜;宗亮;王宏宇;程曉農
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06;A61L27/06;A61L27/30
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司
• 代理人: 瞿網蘭

技術領域

本發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DLC薄膜的方法。

背景技術

眾所周知，鈦金屬具有強度高、比重小、抗腐蝕、耐高溫、耐低溫等許多優良的特性，廣泛用于航空航天、武器裝備、人體內植入物等許多領域。但其摩擦系數較大、耐磨性能較差，嚴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、生物醫用性能好等許多優良的性能而成為近年來金屬表面保護性、功能性薄膜的研究熱點。盡管國內外許多研究機構和學者就金屬表面保護性、功能性DLC薄膜的研究已取得了很大進展并產生了一批相關專利，但能在高載荷下具有很好摩擦磨損性能的DLC薄膜仍是一個很大的挑戰。這一主題的研究對于承載場合如人工髖關節等具有重要的意義。

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性能的DLC薄膜可供使用。

發明內容

本發明的目的是針對DLC(類金剛石)薄膜在高載荷下的摩擦磨損性能較差的問題，發明一種在鈦金屬表面制備高載摩擦學DLC薄膜的方法。

本發明的技術方案是：

一種在鈦金屬表面制備高載摩擦學DLC薄膜的方法，其特征是它包括以下步驟：

首先，對作為基材的鈦金屬和靶材的SiC(碳化硅)進行清洗；

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。

所述的對靶材和基材的清洗時指先用砂紙、拋光的方法除去基材表面污物，然后浸入有機溶劑中用超聲波清洗；把靶材和經清洗的基材分別放入主濺射室和進樣室進行射頻反濺清洗靶材和基材；旁抽兩室氣壓低于20帕后分別對兩室抽真空，當主濺射室、進樣室氣壓達到10^-5帕后，停止抽真空，通入氬氣，進行射頻反濺清洗；主濺射室清洗靶材的基本工藝參數為氬氣流量60sccm、起輝氣壓3～5Pa、功率70W、時間15～20min，進樣室射頻反濺清洗基材的工藝參數為氬氣流量60sccm、起輝氣壓3～5Pa、功率100W、時間15～20min。

所述的中間層薄膜沉積是指：先用射頻反濺清洗SiC靶材和基材后對兩室分別抽真空，當進樣室氣壓低于10^-4帕、主濺射室氣壓低于10^-5帕后，打開閥使進樣室與主濺射室相通，將基材從進樣室送入主濺射室；送完樣品后，關閉閥，對主濺射室抽真空，使氣壓低于5×10^-5帕后停止抽真空，通入工作氣體，調整參數進行磁控濺射，采用磁控濺射技術以射頻(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性能的類金剛石(DLC)薄膜。

本發明的有益效果：

(1)本發明為鈦金屬表面提供了一種可工業化生產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制備薄膜的能量高的特點和鈦金屬、SiC、DLC之間化學成分相容性的特點，使得膜-膜-基間發生了明顯且呈梯度的元素擴散，從而使薄膜和基材的物理及力學性能處于漸近變化狀態，導致最終形成了很好的界面結合，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，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)利用本發明制得的薄膜具有以下好的物理化學性能：sp³/sp²比為0.2～0.24、納米硬度為6.3～10.5GPa、彈性模量為86.2～109.2GPa，試驗實測：當sp³/sp²比為0.2時，在200～500g載荷、氮化硅球(半徑為2mm)為對摩件、模擬體液或空氣條件下(初始Hertzian接觸應力約為685～930MPa)時，磨損速率在10^-6～10^-7mm³/Nm級，摩擦系數約為0.1，且都不出現薄膜的破裂及剝落現象。