一种超强韧碳基表面防护涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超强韧碳基表面防护涂层，该涂层是由碳元素、碳化物形成金属元素、弱碳化物形成金属元素组成，涂层中，碳元素以无定形形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离；在制备时，通过在碳基涂层中同时引入碳化物金属元素和弱碳化物金属元素，可在提高涂层硬度、降低应力的同时，增强涂层的柔韧性和附着力，改善涂层抗摩擦磨损性能和热稳定性能，使得涂层更适用于更苛刻的应用环境，实现更佳的表面防护效果。

【技术实现步骤摘要】
一种超强韧碳基表面防护涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种碳基涂层及其制备方法，属于表面防护技术及相关涂层材料

技术介绍
随着工业领域对节能减排、环境保护等方面的要求，以及不断提升的高精度、高可靠性和长寿命等方面的高标准要求，新一代节能、降耗、低碳型的汽车发动机、核电机械密封系统、压缩机无油润滑系统、纺织机械系统、精密模具、精密传动系统、轴承系统、机械制造等行业领域，无不体现出对新型强化与润滑一体化表面防护技术的迫切需求。基涂层（如类金刚石涂层、非晶碳涂层、类石墨涂层）是一类定义广泛的无定形碳材料，主要由含金刚石相的sp3杂化键和sp2键的石墨团簇的三维交叉网络结构形成，具有类似于金刚石的许多优异特性，如高硬度、低摩擦系数、高耐磨耐蚀性，宽透光范围，优异生物兼容性等，一直是低摩擦表面
研究的热点之一。然而，碳基涂层存在诸如①韧性低、脆性强以及热稳定性差；②高应力和膜基结合弱；③摩擦学行为受环境影响很大等问题，仍然是制约该类薄膜寿命和可靠性的关键瓶颈。如何在复杂多变的环境条件及特殊工况下发挥该类薄膜材料的优势，已成为急需解决的关键技术问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对上述现有技术的不足提供一种低应力、高强韧性、摩擦稳定、膜基结合强，能应用于机械零部件、刀模具等产品表面的碳基防护涂层。本专利技术另一个目的在于提供上述一种碳基防护涂层的制备方法。本专利技术所采用的技术方案为：一种超强硬碳基表面防护涂层，该涂层由碳元素、碳化物形成金属元素、弱碳化物形成金属元素组成，涂层中，碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%、弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%，余量为碳元素；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为10~20nm。所述碳化物形成金属元素为钛或铬或钨。所述弱碳化物形成金属元素为铜或钴或镍。本专利技术的超强韧碳基涂层的制备，是采用离子束复合磁控溅射镀膜机进行，所述离子束复合磁控溅射镀膜机由一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和能同时旋转的工件支架组成，工件支架安装在真空室内部，所述两个磁控溅射源均能装载不同的金属靶材，所述碳基涂层制备的具体步骤如下：（1）离子束刻蚀：将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空，至真空度5.0×10-3Pa以下，开启离子源，向离子源通入50~100sccm氩气，设置离子源功率0.6~0.8kW，设置工件支架偏压500~800V，工作时间为30分钟；（2）沉积超强韧碳基涂层：同时开启离子源、两个磁控溅射源，两个磁控溅射源分别装载不同的、纯度大于99.99%的单质金属靶材；同时向真空室通入气态烃和氩气，控制真空室整体气压0.8~2Pa；设置离子源功率为0.8~1kW，磁控溅射功率1~2kW；同时将基体的偏压设置为100~300V，沉积时间为2~3小时；（3）关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层即为所述超强韧碳基涂层；其中，步骤（2）所述单质金属靶材为：单质钛靶或单质铬靶或单质钨靶或单质铜靶或单质钴靶或单质镍靶；所述气态烃为乙炔或甲烷气体。优选的所述步骤（2）中，两个磁控溅射源分别装载不同的、纯度大于99.99%的单质金属靶材的方式是：一个磁控溅射源装载纯度大于99.99%的单质钛靶或纯度大于99.99%的单质铬靶或纯度大于99.99%的单质钨靶，另一个磁控溅射源装载纯度大于99.99%的单质铜靶或纯度大于99.99%的单质钴靶或纯度大于99.99%的单质镍靶。进一步优选的，所述气态烃与氩气的体积比例为1~4：9~6，即气态烃占通入真空室气体总体积的10%~40%。本专利技术的碳基涂层的制备方法还包括如下预处理步骤：在离子束刻蚀步骤前，利用酒精超声波清洗基体，然后用去离子水漂洗，再用干燥压缩空气吹干。本专利技术技术方案所述基体是指待镀膜的样品，即本专利技术的方法可适用但不限于如：金属机械零部件、精密模具、精密传动机械设备、轴承、电子产品、装饰产品及材料的表面防护。现有技术相比，本专利技术的优点在于：在碳基涂层中同时引入碳化物金属元素和弱碳化物金属元素，在提高涂层硬度、降低应力的同时，增强涂层的柔韧性和附着力，改善涂层抗摩擦磨损性能和热稳定性能，使得涂层更适用于更苛刻的应用环境，如机械零部件、刀模具等产品表面的防护。附图说明图1为本专利技术涂层结构示意图，其中，五边形代表金属纳米颗粒1，六边形代表碳化物纳米颗粒2，其余部分为无定形碳结构区域3。图2为本专利技术实施例1中所制备的碳基涂层纳米压痕试验图。具体实施方式以下结合附图和实施案例对本专利技术作进一步详细描述。实施例1按下列步骤实现本专利技术：1、复合镀膜机准备：本实施选择采用离子束复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在两个磁控溅射源分别装载纯度为99.99%的钛靶和纯度为99.99%的铜靶；2、样品（基体）预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀膜样品（基体），然后用去离子水漂洗，用干燥压缩空气吹干；3、在真空室中利用离子束刻蚀清洗样品表面：将基体置于真空室的工件支架上，将真空室抽真空至5.0×10-3Pa以下，开启离子源，向离子源通入100sccm氩气，设置离子源功率0.6kW，设置工件支架偏压800V，工作时间为30分钟；4、Cu和Ti金属掺杂超强韧碳基涂层制备：同时开启离子源、装备有单质钛靶的磁控溅射、装备有单质铜靶的磁控溅射，同时向真空室通入乙炔和氩气（乙炔与氩气的体积比例为1：9），乙炔占气体总体积的10%，控制整体气压1Pa；设置离子源功率为1kW，磁控溅射功率2kW；将基体的偏压设置为300V，沉积时间为2小时；5、关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，该基体表面形成超强韧碳基涂层。所形成的涂层中，碳化物形成金属元素钛的原子百分比含量为20%、弱碳化物形成金属元素铜的原子百分比含量为20%，碳元素的原子百分比含量为60%；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为10nm。经过残余应力、划痕仪测试、纳米压痕测试（如图2所示），所制备的Ti和Cu掺杂碳基涂层的残余应力为0.3GPa，涂层附着性能优异，膜/基临界载荷达10GPa，硬度为30GPa，同时涂层表现出优异的柔韧性，弹性回复能力达50%。实施例2按下列步骤实现本专利技术：1、复合镀膜机准备：本实施选择采用的离子束复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在两个磁控溅射源分别装载纯度为99.99%的铬靶和纯度为99.99%的钴靶；2、样品（基体）预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超强韧碳基涂层，其特征在于：该涂层由碳元素、碳化物形成金属元素、弱碳化物形成金属元素组成，涂层中，碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%、弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%，余量为碳元素；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为10~20nm；所述碳化物形成金属元素为钛或铬或钨；所述弱碳化物形成金属元素为铜或钴或镍；所述的超强韧碳基涂层的制备，采用离子束复合磁控溅射镀膜机进行，所述离子束复合磁控溅射镀膜机由一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和能同时旋转的工件支架组成，工件支架安装在真空室内部，所述两个磁控溅射源均能装载不同的金属靶材，所述碳基涂层制备的具体步骤如下：（1）离子束刻蚀：将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空至真空度5.0×10

【技术特征摘要】
1.一种超强韧碳基涂层，其特征在于：该涂层由碳元素、碳化物形成金属元素、弱碳化物形成金属元素组成，涂层中，碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%、弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%，余量为碳元素；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为10~20nm；所述碳化物形成金属元素为钛或铬或钨；所述弱碳化物形成金属元素为铜或钴或镍；所述的超强韧碳基涂层的制备，采用离子束复合磁控溅射镀膜机进行，所述离子束复合磁控溅射镀膜机由一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和能同时旋转的工件支架组成，工件支架安装在真空室内部，所述两个磁控溅射源均能装载不同的金属靶材，所述碳基涂层制备的具体步骤如下：（1）离子束刻蚀：将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空至真空度5.0×10-3Pa以下，开启离子源，向离子源通入50~100sccm氩气，设置离子源功率0.6~0.8kW，设置工件支架偏压500~800V，工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：代伟，王启民，刘景茂，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44