一种非晶碳复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种非晶碳复合涂层，由依次沉积在基体上的纯钛底层、碳-钛过渡层和含钛非晶碳顶层构成，含钛非晶碳顶层由原子百分比含量90～95%非晶碳和5～10%钛组成，非晶碳有sp2和sp3两种形式，含钛非晶碳顶层中sp3形式的非晶碳原子百分比含量由20%～30%逐渐增加到40%～50%。本发明专利技术还公开了一种非晶碳复合涂层的制备方法，采用闭合场非平衡磁控溅射法，便于连续化工业生产。本发明专利技术非晶碳复合涂层具有高硬度、低应力、较大厚度、低摩擦系数及优异耐磨性等优点，不仅可应用在摩擦学领域，还可以用于生物医学中，如人工髋关节表面等，大大提高材料的使用寿命，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及耐磨性涂层领域，具体涉及。
技术介绍
医用Ti6A14V合金由于其良好的生物相容性，弹性模量最接近人体骨骼，是人工髋关节的最佳材料选择。然而，随着该医用Ti6A14V合金的广泛应用，人工髋关节的并发症日益显露出来，由于其较低的硬度和较差的耐磨性能，导致人工髋关节在摩擦磨损过程中产生大量的磨屑，进入人体引发并发症，并且引起关节头与白间匹配变差，容易松动，大大降低人工髋关节的使用寿命。因此，提高钛合金材料(如医用Ti6A14V合金)的摩擦学性能是减少人工髋关节摩擦磨损、提高其寿命的重要手段。沉积耐磨性涂层，对材料表面进行改性是改善材料性能的常用方法。非晶碳涂层因其具有较高的硬度、良好的化学稳定性、耐磨性能、生物相容性而被广泛应用于摩擦、生物等各种领域。但由于非晶碳涂层与钛合金基体两者材料的物理性能上存在巨大差异，非晶碳涂层与基体的界面结合强度差，非晶碳涂层与基体之间存在很大的内应力，限制了非晶碳涂层的生长厚度(其沉积厚度一般小于O. 5 μ m)，降低了耐磨薄膜材料的使用寿命。为了提高非晶碳涂层与基体的界面结合强度，可以通过在基体与非晶碳涂层之间设计合适的成分梯度过渡层。同时，加入金属元素T1、Cr、W、Ta等，形成碳化物镶嵌于基体上的非晶碳涂层，以进一步降低内应力，Ti元素具有良好的生物相容性，是最佳选择。但是非晶碳涂层与基体良好的结合力是牺牲其硬度及耐磨性能为代价，为了最大限度消除这一不利因素，非晶碳涂层采用成分梯度的复合膜层，在保证低内应力的前提下，获得最优硬度及其摩擦性能。公开号为CN 10 1444985A的中国专利技术专利申请公开了一种非晶碳涂层及其制备方法和用途，该非晶碳涂层由打底层、中间过渡层和顶层三层构成，所述打底层为T1、Cr金属层，中间过渡层为T1、Cr和非晶碳的混合层，顶层为掺杂有少量T1、Cr的非晶碳涂层，其中，过渡层中的Cr元素的含量从打底层到顶层方向呈递减的趋势，C元素呈逐渐增加的趋势，而Ti元素的含量基本保持稳定。虽然该技术方案通过成分梯度的复合膜层来提高非晶碳涂层与基体的界面结合力，并使其保持较好的硬度和摩擦性能，但是从其实施例2的表4可见，硬度最高为15. 3GPa，摩擦因素O. f O. 21，磨损率为1. 23 8. 88 X 10_8，其硬度以及摩擦磨损性能均不理想，有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种摩擦系数小、耐磨性能优异、且与基体结合力好的非晶碳复合涂层。—种非晶碳复合涂层，由依次沉积在基体上的纯钛底层、碳-钛过渡层和含钛非晶碳顶层构成，所述含钛非晶碳顶层由原子百分比含量90% 95%非晶碳和5% 10%钛组成，非晶碳有sp2和sp3两种形式，所述含钛非晶碳顶层中sp3形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳-钛过渡层的一侧到另一侧由20% 30%逐渐增加到40% 50%。本专利技术中，所述含钛非晶碳顶层中非晶碳有sp2和sp3两种形式，并且，所述含钛非晶碳顶层中sp3形式的非晶碳原子百分比含量和sp2形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳-钛过渡层的一侧到另一侧呈梯度变化，sp3逐渐增加，sp2逐渐减少，以使含钛非晶碳顶层由软质层逐渐向硬质层过渡，从而使得本专利技术非晶碳复合涂层摩擦系数小，耐磨性能优异。纯钛底层和碳-钛过渡层可以提高本专利技术非晶碳复合涂层与基体的结合力。作为优选，所述含钛非晶碳顶层中垂直于该含钛非晶碳顶层厚度方向的各截面成分相同，均由原子百分比含量90% 95%非晶碳和5% 10%钛组成。每个截面中，原子百分比含量90% 95%非晶碳由sp2形式的非晶碳和sp3形式的非晶碳组成，所述含钛非晶碳顶层中sp3形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳-钛过渡层的一侧到另一侧由20% 30%逐渐增加到40% 50%，则所述含钛非晶碳顶层中sp2形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳-钛过渡层的一侧到另一侧逐渐减少，呈均匀梯度分布，有利于提高本专利技术非晶碳复合涂层的耐磨性能。为了进一步提高本专利技术非晶碳复合涂层的结合力，作为优选，所述碳-钛过渡层由碳和钛组成，其中，所述碳-钛过渡层中碳含量从碳-钛过渡层靠近纯钛底层的一侧至碳-钛过渡层靠近含钛非晶碳顶层的一侧由O逐渐增加，所述碳-钛过渡层中钛含量从碳-钛过渡层靠近纯钛底层的一侧至碳-钛过渡层靠·近含钛非晶碳顶层的一侧由100%逐渐减小，所述碳-钛过渡层靠近含钛非晶碳顶层一侧的碳含量和钛含量分别与所述含钛非晶碳顶层中非晶碳含量和钛含量对应相等，为方便理解，该含量可视为原子百分比含量。上述碳-钛过渡层中，碳含量和钛含量呈均匀梯度分布，能够显著降低本专利技术非晶碳复合涂层的内应力，进一步提高本专利技术非晶碳复合涂层与基体的界面结合力。作为优选，所述纯钛底层的厚度为IOOnm 200nm，所述碳-钛过渡层的厚度为250nm 350nm,所述含钛非晶碳顶层的厚度为1. 05 μ m 1. 55 μ m。上述厚度形成的本专利技术非晶碳复合涂层，具有高硬度、低应力、较大厚度、低摩擦系数及优异耐磨性等优点。本专利技术还提供了一种非晶碳复合涂层的制备方法，采用闭合场非平衡磁控溅射法，非晶碳复合涂层与基体结合良好，同时便于连续化工业生产。一种非晶碳复合涂层的制备方法，包括以下步骤I)将基体置放于旋转工作台上，在旋转工作台的外围放有两个碳靶和一个钛靶，将腔体预抽真空，通入氩气，进行预溅射；2)用3 5A的钛靶电流、-100 -200V的偏压在基体上沉积纯钛底层，氩气流量控制在20 30sccm,沉积时间为3 5min ；3)钛靶电流从3 5A逐渐减少至O. 5 1A，两个碳靶电流从OA逐渐增至2. 5 3. 5A, IS气流量由20 30sccm逐渐增至40 45sccm,沉积时间为O. 8 1. 5h,形成碳-钛过渡层；4)钛靶电流保持为O. 5 1A，两个碳靶电流保持为2. 5 3. 5A，氩气流量保持在40 45sccm，由O -50V的低偏压逐渐增至-100 -150V的高偏压，偏压调节频率为O. 5 lV/min,沉积时间为2. 5 3. 5h,形成含钛非晶碳顶层,得到非晶碳复合涂层。步骤I)中，作为优选，两个碳靶以旋转工作台为中心对称放置，钛靶位于两个碳靶的连线的中垂线上，碳靶与基体的距离和钛靶与基体的距离相等，为5 15cm，旋转工作台的转速为3 5rpm (转/分钟)。上述的设置有利于纯钛底层、碳-钛过渡层以及含钛非晶碳顶层的沉积，得到摩擦系数小、耐磨性能优异且与基体结合力好的非晶碳复合涂层。将腔体预抽真空至10_4 10_3Pa，通入氩气，氩气流量控制在25 35sccm，在-45(T-550V的偏压以及O. 2 O. 5Α的钛靶电流和O. 2 O. 5Α的碳靶电流下预溅射20 30min, 一方面清除基体表面氧化物等杂质，有利于提闻基体与本专利技术非晶碳复合涂层的结合力，另一方面去除靶材表面成分，以达到所需元素成分，并且防止靶材中毒。作为优选，所述碳靶为石墨靶，有利于溅射沉积非晶碳。步骤2)中，氩气流量控制在25 35SCCm，为了保证提供足够的氩离子，最大限度减少对靶原子的碰撞，工作气压由氩气流量控制，其值为O. 2 O. 3Pa，有利于纯钛底层的沉积。步骤3)中，钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非晶碳复合涂层，其特征在于，由依次沉积在基体上的纯钛底层、碳?钛过渡层和含钛非晶碳顶层构成，所述含钛非晶碳顶层由原子百分比含量90%～95%非晶碳和5%～10%钛组成，非晶碳有sp2和sp3两种形式，所述含钛非晶碳顶层中sp3形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳?钛过渡层的一侧到另一侧由20%～30%逐渐增加到40%～50%。

【技术特征摘要】
1.一种非晶碳复合涂层，其特征在于，由依次沉积在基体上的纯钛底层、碳-钛过渡层和含钛非晶碳顶层构成，所述含钛非晶碳顶层由原子百分比含量90% 95%非晶碳和5% 10%钛组成，非晶碳有sp2和sp3两种形式，所述含钛非晶碳顶层中sp3形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳-钛过渡层的一侧到另一侧由20% 30%逐渐增加到40% 50%ο2.根据权利要求1所述的非晶碳复合涂层，其特征在于，所述含钛非晶碳顶层中垂直于该含钛非晶碳顶层厚度方向的各截面成分相同，均由原子百分比含量90% 95%非晶碳和5% 10%钛组成。3.根据权利要求1所述的非晶碳复合涂层，其特征在于，所述碳-钛过渡层由碳和钛组成，其中，所述碳-钛过渡层中碳含量从碳-钛过渡层靠近纯钛底层的一侧至碳-钛过渡层靠近含钛非晶碳顶层的一侧由O逐渐增加，所述碳-钛过渡层中钛含量从碳-钛过渡层靠近纯钛底层的一侧至碳-钛过渡层靠近含钛非晶碳顶层的一侧由100%逐渐减小，所述碳-钛过渡层靠近含钛非晶碳顶层一侧的碳含量和钛含量分别与所述含钛非晶碳顶层中非晶碳含量和钛含量对应相等。4.根据权利要求1所述的非晶碳复合涂层，其特征在于，所述纯钛底层的厚度为 IOOnm 200nm。5.根据权利要求1所述的非晶碳复合涂层，其特征在于，所述碳-钛过渡层的厚度为 250nm 350nmo6.根据权利要求1所述的非晶碳复合涂层，其特征在于，所述含钛非晶碳顶层的厚度为1. 05 μ m L 55 μ m。7.根据权利要求1飞任一项所述的非晶碳复合涂层的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秀丽，蔡建宾，谷长栋，涂江平，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：