在钛金属表面制备高载摩擦学DLC薄膜的方法

摘要

一种在钛金属表面制备高载摩擦学DLC(类金刚石)薄膜的方法，其特征是它包括以下步骤：首先，对作为基材的钛金属和靶材的SiC(碳化硅)进行清洗；其次，利用射频磁控溅射法在基材的表面沉积SiC，形成SiC薄膜中间层；最后，利用直流磁控溅射法在SiC薄膜中间层上形成DLC薄膜。本发明的SiC薄膜与基材和DLC薄膜间都具有明显的且呈梯度的元素扩散，很好地解决了DLC薄膜与钛金属间结合状况差的技术难题，大大提高了界面的承载能力；同时本发明通过优化制备工艺使DLC薄膜具有高质量分数的石墨相，大大提高了DLC薄膜自身的承载能力。本发明很好地解决了钛金属表面高载摩擦学DLC薄膜的制备难题，并且工艺简单，在生物医用等领域具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能表面薄膜的制备方法，尤其是一种在钛金属表面利用物理气相沉积法形成具有优良摩擦特征的DLC(类金刚石)薄膜的方法，具体地说是一种在钛金属表面制备高载摩擦学DLC薄膜的方法。

背景技术

众所周知，钛金属具有强度高、比重小、抗腐蚀、耐高温、耐低温等许多优良的特性，广泛用于航空航天、武器装备、人体内植入物等许多领域。但其摩擦系数较大、耐磨性能较差，严重地影响着它们的使用性能。

DLC(类金刚石)薄膜以其摩擦低、磨损和腐蚀抗力高、生物医用性能好等许多优良的性能而成为近年来金属表面保护性、功能性薄膜的研究热点。尽管国内外许多研究机构和学者就金属表面保护性、功能性DLC薄膜的研究已取得了很大进展并产生了一批相关专利，但能在高载荷下具有很好摩擦磨损性能的DLC薄膜仍是一个很大的挑战。这一主题的研究对于承载场合如人工髋关节等具有重要的意义。

限制金属表面DLC薄膜在高载荷下仍具有很好摩擦磨损性能的因素是多方面的，如界面结合、薄膜的韧性等。到目前为止，钛金属表面尚未有一种在高载下仍具有很好摩擦学性能的DLC薄膜可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对DLC(类金刚石)薄膜在高载荷下的摩擦磨损性能较差的问题，发明一种在钛金属表面制备高载摩擦学DLC薄膜的方法。

本发明的技术方案是：

一种在钛金属表面制备高载摩擦学DLC薄膜的方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对作为基材的钛金属和靶材的SiC(碳化硅)进行清洗；

其次，利用射频磁控溅射法在基材的表面沉积SiC，形成SiC薄膜中间层；

最后，利用直流磁控溅射法在SiC薄膜中间层上形成类DLC薄膜。

所述的对靶材和基材的清洗时指先用砂纸、抛光的方法除去基材表面污物，然后浸入有机溶剂中用超声波清洗；把靶材和经清洗的基材分别放入主溅射室和进样室进行射频反溅清洗靶材和基材；旁抽两室气压低于20帕后分别对两室抽真空，当主溅射室、进样室气压达到10^-5帕后，停止抽真空，通入氩气，进行射频反溅清洗；主溅射室清洗靶材的基本工艺参数为氩气流量60sccm、起辉气压3～5Pa、功率70W、时间15～20min，进样室射频反溅清洗基材的工艺参数为氩气流量60sccm、起辉气压3～5Pa、功率100W、时间15～20min。

所述的中间层薄膜沉积是指：先用射频反溅清洗SiC靶材和基材后对两室分别抽真空，当进样室气压低于10^-4帕、主溅射室气压低于10^-5帕后，打开阀使进样室与主溅射室相通，将基材从进样室送入主溅射室；送完样品后，关闭阀，对主溅射室抽真空，使气压低于5×10^-5帕后停止抽真空，通入工作气体，调整参数进行磁控溅射，采用磁控溅射技术以射频(RF)方式在基材上沉积形成中间层SiC薄膜。

所述的类金刚石薄膜的沉积是指采用直流(DC)方式在中间层SiC薄膜上沉积具有高载摩擦学性能的类金刚石(DLC)薄膜。

本发明的有益效果：

(1)本发明为钛金属表面提供了一种可工业化生产的在高载荷下也具有很好抗摩擦磨损性能的DLC薄膜的制备方法。

(2)通过利用磁控溅射技术制备薄膜的能量高的特点和钛金属、SiC、DLC之间化学成分相容性的特点，使得膜-膜-基间发生了明显且呈梯度的元素扩散，从而使薄膜和基材的物理及力学性能处于渐近变化状态，导致最终形成了很好的界面结合，大大提高了界面的承载能力。

(3)通过控制磁控溅射制备DLC薄膜的工艺参数，使DLC薄膜具有较高含量的石墨相，保证了DLC薄膜自身具有高的韧性，大大提高了DLC薄膜自身的承载能力。

(4)利用本发明制得的薄膜具有以下好的物理化学性能：sp³/sp²比为0.2～0.24、纳米硬度为6.3～10.5GPa、弹性模量为86.2～109.2GPa，试验实测：当sp³/sp²比为0.2时，在200～500g载荷、氮化硅球(半径为2mm)为对摩件、模拟体液或空气条件下(初始Hertzian接触应力约为685～930MPa)时，磨损速率在10^-6～10^-7mm³/Nm级，摩擦系数约为0.1，且都不出现薄膜的破裂及剥落现象。

(5)本发明的SiC薄膜与基材和DLC薄膜间都具有明显的且呈梯度的元素扩散，很好地解决了DLC薄膜与钛金属间结合状况差的技术难题，大大提高了界面的承载能力，同时本发明很好地解决了钛金属表面高载摩擦学DLC薄膜的制备难题，并且工艺简单，在生物医用等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是利用本发明的方法制备所得的DLC(类金刚石)薄膜的表面形貌照片。

图2是本发明的薄膜、基体的断面微观形貌和元素分布的X射线能谱分析线扫描谱图。

图3是利用本发明的方法制备所得的DLC薄膜的拉曼光谱图。

图4是利用本发明的方法制备所得的DLC薄膜的纳米压痕载荷-位移曲线图。

图5是利用本发明的方法制备所得的DLC薄膜的摩擦系数随磨损时间变化的曲线。

图6是利用本发明的方法制备所得的DLC薄膜的磨痕表面的轮廓曲线。

图7是利用本发明的方法制备所得的DLC薄膜的摩擦磨损表面形貌照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-7所示。

一种在钛金属表面制备高载摩擦学DLC(类金刚石)薄膜的方法，它包括以下步骤：

首先，对作为基材的钛金属和靶材的SiC(碳化硅)进行清洗；

其次，利用射频磁控溅射法在基材的表面沉积SiC，形成SiC薄膜中间层；

最后，利用直流磁控溅射法在SiC薄膜中间层上形成DLC薄膜。

所述的对靶材和基材的清洗是指先用砂纸、抛光的方法除去基材表面污物，然后浸入有机溶剂(如丙酮、无水乙醇等)中用超声波清洗；把靶材和经清洗的基材分别放入主溅射室和进样室进行射频反溅清洗靶材和基材；旁抽两室气压低于20帕后分别对两室抽真空，当主溅射室、进样室气压达到10^-5帕后，停止抽真空，通入氩气，进行射频反溅清洗；主溅射室清洗靶材的基本工艺参数为氩气流量60sccm、起辉气压3～5Pa、功率70W、时间15～20min，进样室射频反溅清洗基材的工艺参数为氩气流量60sccm、起辉气压3～5Pa、功率100W、时间15～20min。

所述的中间层薄膜沉积是指：先用射频反溅清洗SiC靶材和基材后对两室分别抽真空，当进样室气压低于10^-4帕、主溅射室气压低于10^-5帕后，打开阀使进样室与主溅射室相通，将基材从进样室送入主溅射室；送完样品后，关闭阀，对主溅射室抽真空，使气压低于5×10^-5帕后停止抽真空，通入工作气体，调整参数进行磁控溅射，采用磁控溅射技术以射频(RF)方式在基材上沉积形成中间层SiC薄膜。

所述的DLC薄膜的沉积是指采用直流(DC)方式在中间层SiC薄膜上沉积具有高载摩擦学性能的DLC薄膜。

实施例二。

基材Ti、中间层薄膜SiC、表面薄膜DLC。按实施例一进行时，采用JGP560CVI型超高真空多功能磁控溅射仪制备薄膜。制备SiC薄膜和DLC薄膜时的背景压力都为2.5×10^-5Pa、基材温度都为室温、靶材-基材距离都为70mm。沉积SiC薄膜时所用的技术为射频(RF)磁控溅射技术，靶材为SiC，工作气体(氩气)的压力2.1Pa，氩气气流量为55sccm，溅射功率为200W，溅射时间为120min。制备DLC薄膜时所用的技术为直流(DC)磁控溅射技术，靶材为石墨(Gr)，工作气体(氩气)的压力1.1Pa，氩气气流量为65sccm，溅射功率为100W，溅射时间为120min。

采用上述工艺制备的DLC薄膜：具有“亚微米尺度畴”表面形貌特征，“畴”间结合紧密，没有孔洞等缺陷(图1)；基材、中间层薄膜、表面薄膜间有明显且呈梯度的元素扩散，其界面结合很好(图2)；DLC薄膜的G峰和D峰的积分面积的比值(I_G/I_D)即sp³/sp²比较低，约为0.2，即薄膜的石墨含量较高(图3)；DLC薄膜具有低的硬度(6.3GPa)、低的弹性模量(86.2GPa)(图4)；在200～500g载荷、氮化硅球(半径为2mm)为对摩件、Kokubo人体模拟体液或空气条件下时，此DLC薄膜的磨损速率在10^-6～10^-7mm³/Nm级(见表1，DLC薄膜的平均摩擦系数和磨损速率)，摩擦系数约为0.1(图5)，最大磨痕深度小于0.5微米(图6)，磨损表面都不出现薄膜的破裂及剥落现象(图7)。

表1DLC薄膜的平均摩擦系数和磨损速率

(半径为2mm的氮化硅球为对摩件)

实施例三。

基材Ti、中间层薄膜SiC、表面薄膜DLC。按实施例一所述的步骤进行时，采用JGP560CVI型超高真空多功能磁控溅射仪制备薄膜。制备SiC膜和DLC薄膜时的背景压力都为2.5×10^-5Pa、基材温度都为室温、靶材-基材距离都为70mm。沉积SiC薄膜时所用的技术为射频(RF)磁控溅射技术，靶材为SiC，工作气体(氩气)的压力2.0Pa，氩气气流量为65sccm，溅射功率为200W，溅射时间为120min。制备DLC薄膜时所用的技术为直流(DC)磁控溅射技术，靶材为石墨(Gr)，工作气体(氩气)的压力1.0Pa，氩气气流量为65sccm，溅射功率为100W，溅射时间为120min。

采用上述工艺制备的DLC薄膜：具有“纳米尺度畴”表面形貌特征，“畴”间结合紧密，没有孔洞等缺陷；基材、中间层薄膜、表面薄膜间有明显且呈梯度的元素扩散，界面其结合很好；DLC薄膜具有低的G峰和D峰的积分面积的比值(I_G/I_D)约为0.24；DLC薄膜的硬度为10.5GPa、弹性模量为109.2GPa；在200g载荷、氮化硅球(半径为2mm)为对摩件、Kokubo人体模拟体液下时，此DLC薄膜磨损速率在5.19×10^-6mm³/Nm级，摩擦系数约为0.108，最大磨痕深度1.3微米，磨损表面不出现明显薄膜的破裂及剥落现象。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。