[發明專利]一種低摩擦納米TaC增強炭基復相薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201610062798.1
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105839070B
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 陳招科;熊翔;呂東澤;孫威;王雅雷;黃杰;王馨爽
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/32
• 代理公司: 中南大學專利中心43200
• 代理人: 胡燕瑜

技術領域

本發明涉及一種低摩擦系數納米TaC顆粒彌散增強C基復相薄膜的制備工藝方法，主要用于需要輕質、摩擦系數小、摩擦熱少、強度高、導熱性好、抗沖擊、抗振動、抗打滑、自潤滑性等特性的服役環境，適合于制作刀具、模具的表面鍍層材料，也非常適合于有特殊要求的齒輪、軸承及活塞等易磨損件的表面，以滿足上述構件在苛刻環境下服役要求。

背景技術

類金剛石無定形炭（DLC）薄膜是一系列含有 sp²和 sp³鍵的非晶炭膜的總稱，具有類似金剛石的性質，這些性質包括：優異的物理、化學性能，如高硬度、高介電常數、高彈性模量、低摩擦系數、優良的耐磨性和在紅外波段的透明性、化學惰性和生物相容性等，使它們在諸如真空微電子學、摩擦學、光學、電學、聲學、熱學、醫學材料，直至工業包裝、裝演裝飾業等領域有巨大的應用潛力。由于在摩擦過程中還具有自潤滑性，無定形炭薄膜作為固體潤滑膜在航天微型電子機器等領域越來越受到重視。自上世紀70年代類金剛石膜問世以來，就引起了各國科學家的極大重視。并在許多領域已進入實用和工業化生產階段，如作為磁記錄系統的保護兼潤滑膜層，工業切削刀具、模具的保護涂層，鍺光學器件的抗反射膜，紅外光學器件的窗口，人造器官的保護膜等等。然而，由于非晶炭薄膜硬度較高，與基體的熱膨脹系數不同，發生變形時引起的變形量差異大；易形成較大的內應力，使膜基結合強度較差，容易崩膜，嚴重影響了薄膜的實用化； 因此，如何改善膜基結合力是人們目前所關注的焦點之一。

過渡金屬碳化物中的TaC具有高熔點（3880℃），高化學穩定性，高韌性以及高硬度（莫氏硬度9-10），可以被應用于各種極端條件。TaC與碳結合形成的C-TaC納米復合涂層，具有低的內應力、優異的機械性能及摩擦學性能，并與C/C復合材料具有良好的化學相容性及物理相容性，是一種理想的耐摩減磨涂層材料。

將C-TaC添加到C/C復合材料的方法主要是涂層技術。

離子束沉積(IBD)、濺射沉積等是制備非晶炭薄膜最先使用的方法，但這些物理氣相沉積技術沉積的薄膜面積非常有限，并且薄膜生長的非常慢，不適用于工業上的大批量制備；而脈沖激光沉積(PLD)技術也因其薄膜沉積面積小而不適合工業應用。利用化學氣相沉積（CVD）技術合成的薄膜具有膜基結合力強、膜層質量穩定、膜層厚度均勻和薄膜致密度高的優點。但目前，非晶炭膜或摻雜的非晶炭膜用普通的CVD法制備困難，其金屬離子很難通過純氣相沉積方法得到；而國內外現行使用的特種化學氣相沉積方法則存在實驗設備費用高，能耗大，且最重要的是沉積速率低，這些缺點嚴重限制了該方法在工業上的大規模應用。除膜基結合力差、容易崩膜的問題外，目前制備的非晶炭膜還存在熱穩定性和抗氧化能力較差以及膜厚度受到限制等問題，因此，嚴重限制了非晶炭膜的應用。

Hainsworthl等研究發現，在非晶炭薄膜沉積的過程中摻雜N、H、Si及金屬元素可很大程度上影響薄膜的硬度、結合強度及摩擦學性能，并還可以同時改善非晶炭薄膜的力學、電學等性能。為釋放內應力，提高非晶炭的性能，除了摻雜金屬單質或非金屬單質外，Singh研究發現，如果將碳化物摻雜到碳的網格中，同樣也可以釋放內應力，穩定薄膜的結構，提高薄膜的性能。試驗證明，當Cr含量在5-12at.%范圍內時，可形成亞穩態的面心立方結構的CrC納米顆粒。但是若Cr含量繼續增加，則形成的CrC顆粒較大，在摩擦過程中阻礙了類石墨過渡層的形成，因而又在一定程度上降低了薄膜的摩擦學性能。

從2002年開始，國內就有利用熱壁化學氣相沉積技術在炭基材料表面開展了TaC單涂層、SiC單涂層、SiC/TaC多層復合涂層、SiC-TaC共沉積涂層以及多種含C相陶瓷相涂層的研制和開發。與國外Ultramet公司報道的多層SiC/HfC涂層相比，國內所研制的復合涂層更具有特色，其中，SiC-TaC共沉積涂層具有結構與成分周期性變化、SiC/TaC雙梯度涂層具有局部成分梯度和整體成分梯度等特點。在此基礎上，通過設計陶瓷相先驅體的送粉方式，還研制了碳化物在炭薄膜中呈彌散分布的納米級碳化物增強炭基復相薄膜。但前期研究所制備的陶瓷相涂層主要應用于防氧化抗燒蝕領域，尚未開展在自潤滑領域的研究應用。

發明內容

本發明提出一種化學氣相沉積法制備納米TaC晶粒彌散增強炭基（C-TaC）復相薄膜的工藝方法，降低摩擦系數，從而對基體形成有效的保護，具體過程為：