一种抗菌耐磨纳米复合涂层及其制备方法技术

一种抗菌耐磨纳米复合涂层及其制备方法涉及纳米复合涂层制备领域。一种具备自动杀菌功能，硬度高耐磨损的纳米复合涂层MeCuN，采用物理气相沉积技术(包括磁控溅射和电弧离子镀)在要求具备抗菌功能的工件表面沉积MeCuN涂层，该涂层表面分布有纳米尺度的Cu颗粒，利用纳米Cu颗粒表面自由能高，比表面积大的特点，不需杀菌材料及太阳光等额外条件，能够自动杀灭工件表面超过99％以上的细菌。该涂层以硬质氮化物陶瓷涂层为基，因此具有很高的硬度，具有较高的耐磨损性能，可以用在需要长时间杀菌的场合，如手术刀等医疗器械，洗菜盆等厨房用具，不锈钢扶手等公共交通工具。该涂层厚度约几个微米，因此不改变工件的尺寸，可用于精密设备的表面抗菌处理。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】涉及纳米复合涂层制备领域。一种具备自动杀菌功能，硬度高耐磨损的纳米复合涂层MeCuN，采用物理气相沉积技术(包括磁控溅射和电弧离子镀)在要求具备抗菌功能的工件表面沉积MeCuN涂层，该涂层表面分布有纳米尺度的Cu颗粒，利用纳米Cu颗粒表面自由能高，比表面积大的特点，不需杀菌材料及太阳光等额外条件，能够自动杀灭工件表面超过99％以上的细菌。该涂层以硬质氮化物陶瓷涂层为基，因此具有很高的硬度，具有较高的耐磨损性能，可以用在需要长时间杀菌的场合，如手术刀等医疗器械，洗菜盆等厨房用具，不锈钢扶手等公共交通工具。该涂层厚度约几个微米，因此不改变工件的尺寸，可用于精密设备的表面抗菌处理。【专利说明】
本专利技术涉及工件表面处理
，具体地说是一种具有自动杀菌功能的掺铜过渡族金属氮化物(以下简称MeCuN)纳米复合硬质涂层及其制备方法。
技术介绍
生活水平的提高使得人们更加重视日常生活中的安全卫生。而随着城市化的进程发展，城市人口密度越来越高，通过细菌传播病毒的隐患越来越高。公共场合病毒传播的几率更大，为病毒的传播提供了非常有利的温床。公交车，地铁等公共交通工具是人流密集，易于传播病毒的途径，因此现在已需要对上述交通工具进行定期杀毒处理，而人们在乘坐公共交通工具后都会及时清洁手部卫生。家庭生活中的安全卫生也逐渐受到人们的重视。基于病由口入的常识，以洗菜盆为代表的厨房用具卫生更加受到人们的重视，由于洗菜盆接触饭菜材料，同时处于潮湿的环境，易于细菌的滋生，采用杀毒剂进行清除又会导致人们对于杀毒剂是否安全的顾虑。以上原因都促进了抗菌涂层技术的发展。 对工件进行抗菌处理，尤其在工件表面涂覆抗菌涂层是现在使用较多的方法。采用的抗菌涂层方法有很多，比如电镀银(Ag)涂层。Ag具有非常的杀菌功能，在很长的时间里面人们已经广泛的应用Ag的这种功能，由于Ag的成本较高，由此限制了其在日常生活中的广泛应用。电镀Ag可以在金属工件表面获得几十个微米厚的Ag层，物理气相沉积技术的出现，使得人们可以在工件表面沉积一层几个微米薄的Ag层，从而降低了其成本，扩大了Ag的应用范围。但要大规模的应用，其成本仍然相对较高。而Cu同样具有杀菌效果，尤其是纳米尺度的Cu具备非常好的杀菌功能，其成本相比Ag来说很低，结合这两方面的优势，Cu成为非常具有潜力的杀菌材料。 综合来说，目前制备杀菌涂层的上述方法存在诸多不利因素，要么方法本身存在环境污染问题，比如电镀产生大量废水；要么成本比较高，比如Ag涂层；要么某些场合对涂层的要求比较高，一般方法无法使用，比如医疗器械手术刀属于精密设备，对其进行表面处理不能改变其尺寸及锋利程度。 抗菌涂层要获得广泛应用，进入日常生活，需要一种适用性强，成本低，杀菌效率尚的涂层和制备技术。
技术实现思路
本专利技术为了解决工件表面具有高效自动杀菌功能，硬度高耐磨损的涂层问题，提供了一种高效杀菌低成本MeCuN纳米复合涂层及其制备方法。 为此，本专利技术采用如下技术方案: —种MeCuN纳米复合涂层，其特征在于:在基体表面依次金属Me层，氮化物MeN层和MeCuN层。所说的基体指需要进行表面改性的金属材料。 金属Me层指过渡族金属Me金属层，可以选择Ti或Zr，金属Me层一侧与基体连接，另一侧与MeN层连接。金属Me层的厚度约几十到几百纳米(nm)。 氮化物MeN层指由过渡族金属Me与氮(N)反应生成的MeN层。MeN层一侧与金属Me层连接，另一侧与MeCuN层连接。MeN层中的元素Me与金属Me层中的元素相同。氮化物MeN层的厚度约几十到几百纳米。 MeCuN层指由氮化物MeN与金属Cu形成的复合涂层。MeCuN层一侧与MeN层连接，另一侧是具有杀菌功能的工作面。MeCuN中的元素Me与金属Me层和氮化物MeN层中元素相同。MeCuN层的厚度约几百纳米到若干微米。 铜(Cu)既可以是纯Cu，也可以掺杂I?5%的银(Ag)。含有Ag的纳米复合涂层用 MeCu (Ag) N 表示。 MeCuN层的微观组织结构是由纳米尺度的MeN晶粒(以后简称MeN纳米晶)和金属Cu组成的纳米复合结构。 MeCuN层中MeN纳米晶成柱状，金属Cu位于纳米晶粒间的晶界。 MeCuN层中MeN纳米晶长度方向尺寸介于几十纳米到几百纳米之间，侧向方向尺寸在若干纳米到几十纳米之间。 MeCuN层中，金属Cu在MeCuN中的原子百分比在10%?25%之间。 MeCuN层中，采用X射线衍射(以后简称XRD)测试MeCuN相组成，可以检测到MeN与Cu相存在。 采用纳米压入法测试MeCuN涂层的硬度，在1mN载荷下，MeCuN纳米硬度在不小于 15GPa。 MeN层中Me原子百分比在50?75%之间，其余为N。 所说的MeCuN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于: (I)基材清洗，去除基材表面的油污。 (2)真空室内氩离子溅射清洗:向真空室内通入氩气，开启偏压电源，氩气电离，在偏压的作用下轰击基体。 (3)离子源清洗。通入氩气，开启离子源产生辉光放电进行清洗。 (4)制备金属Me层。开启Me派射革E，派射金属Me在基体表面形成金属层。 (5)制备氮化物MeN层。开启Me溅射靶的同时，通入氮气N2，在金属Me层上沉积得到MeN层。 (6)制备MeCuN层或MeCu(Ag)N层。开启Me溅射靶并且通入氮气(N2)的同时，开启Cu、或者还开启Ag派射革E，在氮化物MeN层上沉积得到MeCu(Ag)N陶瓷层。 (7)冷却和出炉:镀膜完毕后让工件在真空室内冷却到100°C以下，取出工件。 (8)真空退火。将已沉积涂层的工件放入真空热处理炉中，在300?450°C保温I?2h，随炉冷却到室温，取出工件，即得。 进一步，制备所述MeCuN层或MeCu (Ag) N层时，所述派射革E原子百分比纯度不低于99. 进一步，在真空室内氩离子溅射清洗时，真空度在I?3Pa之间，偏压电源1000V ?1200V 之间。 进一步，在离子源溅射清洗时，真空度在0.3?0.6Pa之间，离子源功率200W?400W之间。 在沉积金属Me层，氮化物MeN层和MeCuN工作层的过程中，磁控溅射源选择脉冲电源，脉冲电压300?1000V，脉冲频率20Hz?300Hz ； 在沉积金属Me层时，真空度在0.3?0.7Pa之间，时间10?15min。 在沉积氮化物MeN层时，真空度在0.3?0.7Pa之间，氮气分压0.01?0.03Pa，负偏压在100V?500V之间。时间5?lOmin。 在沉积MeCuN层或MeCu (Ag) N时，真空度在0.3?0.7Pa之间，氮气分压0.01? 0.03Pa，负偏压在10V?500V之间，离子源功率200W?500W之间，沉积时间60?120min。综上所述，本专利技术利用磁控溅射技术，通过调控涂层成分，优化工艺参数，沉积得到了 MeCuN自动杀菌纳米复合硬质涂层，与现有抗菌涂层相比，具有如下优点: ①与采用电镀或者物理气相沉积Ag涂层相比，涂层的硬度显著提高，由此可将其用于需要耐磨损的场合。MeCuN涂层以氮化物MeN为基，MeN属于氮化物陶瓷材料，陶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗菌耐磨纳米复合涂层，其特征在于：在基体表面依次金属Me层，氮化物MeN层和MeCuN层；所说的基体为金属材料；金属Me层指过渡族金属；MeCuN中的元素Me与金属Me层和氮化物MeN层中元素相同；MeCuN层中，金属Cu在MeCuN中的原子百分比在10％～25％之间；Me原子百分比在52％～57％，其余为N；MeN层中Me原子百分比在50～75％之间，其余为N。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜军，王红美，史佩京，谭俊，朱晓莹，
申请(专利权)人：中国人民解放军装甲兵工程学院，
类型：发明
国别省市：北京;11