碳膜及其形成方法技术

本发明专利技术涉及一种含有碳作为主要成分，形成在软基体材料４上的碳膜Ｃ，其特征在于碳膜Ｃ被Ａ分裂并且分成许多区域Ｂ，被裂缝Ａ围起来的各区域（块）的平均面积为０．１５×１０＃＋［－３］ｍｍ＃＋［２］～２０×１０＃＋［－３］ｍｍ＃＋［２］。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在软基体材料，如橡胶或塑料的表面上形成的碳膜(例如，这样碳膜具有低摩擦系数或低磨损的特点，应用于如机器零件的滑动部分)，以及它的形成方法。
技术介绍
由于碳膜的高硬度，其多被用于涂在要求有高硬度的金属基体材料的表面上，如工具或交通工具零部件要求的。碳膜有时也被涂在如橡胶或塑料的软基体材料的表面上。在这些情况中，如果碳膜涂在软基体材料的表面上，其优点是能够减小该表面的摩擦阻力，并且在保持软基体材料弹性的同时能够提供高硬度。基于此事实，近年来关于将碳膜涂在软基体材料表面的研究和发展取得了迅速的发展。为了将碳膜涂在软基体材料的表面，例如，将软基体材料固定于封闭的成膜容器内，将含碳气体通入该容器，通过使气体成为等离子体的装置将该气体变为等离子体(例如高频放电装置)，并在该等离子体下在软基体材料的表面上形成以碳为主要成分的碳膜。带有这样形成的碳膜的软基体材料常常被用作滑动部件。例如，在压力下，涂有碳膜的软基体材料和其它部件一起滑动。然而，由涂有碳膜的软基体材料构成的滑动部件可在各种情况下使用。例如，在滑动部件里，将预定压力施加在涂有碳膜的软基体材料的表面上，这时，为了保持滑动膜的功能，碳膜的摩擦系数必须很低。例如，在施加于软基体材料上的碳膜表面上的压力低于某特定值时，碳膜的摩擦系数是低的并合乎要求；可是，如果在高于这个值的压力下，因为碳膜的摩擦系数有时是高的，所以不能保持作为滑动部件的功能。此外，即使碳膜经受相同的压力，有些情况下摩擦系数控制得低，有些情况下摩擦系数控制得高。
技术实现思路
因此，专利技术目的之一是提供以碳作为主要成分的碳膜以及形成这种碳膜的方法，该碳膜在软基体材料表面形成，并能够将摩擦系数控制得很低。专利技术另一目的是提供在软基体材料表面形成以碳作为主要成分的碳膜，其中摩擦系数能够控制得很低以相应于施加在碳膜表面的压力。专利技术进一步的目的是提供在软基体材料表面形成以碳作为主要成分的碳膜的形成方法，其中摩擦系数能够控制得很低以相应于施加在碳膜表面的压力。专利技术人为解决这些问题进行了研究，并且取得下面的成果。即在软基体材料表面形成的、以碳作为主要成分的碳膜裂分成许多区域。例如用下列碳膜形成仪器可以生成该碳膜。附图的图3所示的是用等离子体CVD法的现有的碳膜形成仪器，其中甲烷气是原料气。该碳膜形成设备包括成膜容器1，抽真空设备2，簇射板3和使气体成为等离子体的装置(这里，高频电极5通过一个匹配盒7与高频电源8相连)。抽真空设备2能够将成膜容器1内的空气抽空。簇射板3将含碳气体(这里是甲烷气体)引入被抽真空设备2抽成真空的成膜容器1内。使气体成为等离子体的装置将通过簇射板3引入成膜容器1内的气体成为等离子体。附带说一下，高频电极5可安在软基体材料4上。高频电极5施加通过匹配盒7从高频电源8引来的高频电压。由此，引入容器1的气体形成为等离子体，即在图中数字6所示的位置。在图3所示的碳膜形成设备里，软基体材料4位于成膜容器1中的高频电极5上，并且容器1内部是封闭的。虽然封闭的容器1内部被抽真空设备2抽成真空，但从簇射板3引入作为原料气的甲烷(CH4)气体，并使容器1内处在理想的成膜压力状态。通常，真空容器1里的压力是0.1~10Pa。固定在软基体材料4上的高频电极5通以高频电压。然后，在容器1里面形成甲烷气等离子体6，作为甲烷组成元素的碳沉积在软基体材料4上。这样，在软基体材料4上形成了碳膜。顺便说一下，甲烷气体被用作原料气，而在软基体材料上形成碳膜时，通常用苯气体(C6H6)，而不是甲烷气体。图4示意显示用甲烷气体或苯气体形成的碳膜的表面状况放大图。如用电子显微镜观察形成的碳膜表面，如图4所示，可以看到在膜中出现无数裂缝A，由于裂缝A使膜被细分成许多区域B。这里，碳膜中被裂缝A围起来的区域B将称为“块”。当在软基体材料上形成碳膜时，传统的碳膜成膜方法中利用甲烷气体或苯气体作为原料气，如果改变条件，如改变生成的碳膜上的电力时，块B的平均面积可能会改变。用甲烷气体作为原料气时，块B的平均面积约为0.01×10-3mm2～0.1×10-3mm2，而用苯气体作为原料气时，块B的平均面积约为0.06×10-3mm2～0.12×10-3mm2。根据专利技术者的研究，已经明确，如果用含碳气体作为原料气引入成膜室，并且该气体的分子量比苯的更高(例如，比苯的分子量更高的烃)，另外如果用含氧原子并含碳的气体，或者用混到含碳的气体中的含氧原子的气体，都可以控制块B的平均面积，以便可以得到块B平均面积更大的碳膜。专利技术者对块B的平均面积和碳膜摩擦系数之间的关系做了进一步的研究。发现它们之间存在密切相关。那就是，当块B的平均面积小于约0.15×10-3mm2时，碳膜表面的粗糙度大。当它大于约20×10-3mm2时，碳膜在压力下被细分成各个块B，导致碳膜表面的粗糙度。在其中任何一种情况下，碳膜的摩擦系数将变大。但是，如果块B的平均面积约为0.15×10-3～20×10-3mm2，就可以控制低的碳膜摩擦系数。换句话说，已经发现，相应于加到碳膜的压力将块B的平均面积选择为约0.15×10-3～20×10-3mm2，就可将碳膜的摩擦系数控制得很低。在传统的碳膜生成方法中用甲烷气体或苯气体作为原料气，因为块B的平均面积的控制范围很窄，在用甲烷气的情况下为0.01×10-3mm2～0.1×10-3mm2，而在苯气体的情况下为0.06×10-3mm2～0.12×10-3mm2，因此不可能取得将碳膜的摩擦系数控制得很低的效果。可是，如果用含碳气体作为原料气引入成膜室，该气体的分子量比苯的更高(例如，比苯的分子量更高的烃)，另外如果用含氧原子并含碳的气体，或者用混到含碳原子的气体中的含氧原子的气体，都可以获得块B的平均面积更大的碳膜(即平均面积约为0.15×10-3～20×10-3mm2)。因此，可以获得这样一种摩擦系数控制得很低的碳膜。基于上述发现，专利技术将提供下面的碳膜和形成该碳膜的方法。(1)碳膜碳作为主要成分的碳膜，形成于软基体材料的表面上，其中该膜分裂并分成许多区域，并且被裂缝围起来的各区域的平均面积为0.15×10-3～20×10-3mm2。(2)形成碳膜的方法形成碳膜的方法，其中软基体材料位于封闭的成膜容器里，将含碳气体引入该容器里，通过用使气体成为等离子体的装置将该气体变为等离子体，在该等离子体下，碳作为主要成分的碳膜形成于软基体材料的表面上，所述膜分裂并被分成许多区域，并且被裂缝围起来的各区域的平均面积为0.15×10-3～20×10-3mm2。本专利技术的中，被裂缝围起来的各区域(块)的平均面积如下获得。即对于在碳膜上是任意选择的每五个相同面积(500μm×500μm＝0.25mm2)的部分，用放大倍数为250倍的扫描式电子显微镜(SEM)进行放大观察以计算该区域中的块数，每部分的面积(0.25mm2)除以块数得到块的面积，同样测定这五部分，就可以获得块面积的平均值，即块的平均面积。根据本专利技术的碳膜，因为被裂缝包起来的各区域的平均面积是0.15×10-3～20×10-3mm2，碳膜的摩擦系数可以控制得很低。进一步说，在碳膜和其它部件之间的共同干-滑动的摩擦系数也可以控制得很低，而不必用如油等润滑剂。软基体材料是这样一些材料，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在软基体材料表面上形成的碳作为主要成分的碳膜，其中该碳膜被分裂并被分成许多区域，并且被裂缝围起来的各区域的平均面积为０．１５×１０↑［－３］ｍｍ↑［２］～２０×１０↑［－３］ｍｍ↑［２］。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：三宅浩二，村上泰夫，竹内上，中东孝浩，绪方洁，
申请(专利权)人：日新电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]