[发明专利]用包含四面体碳层和较软外层的多层结构涂覆的基底

说明书

技术领域

本发明涉及用包含沉积于基底上的中间层和沉积于中间层上的无定形碳层 的多层结构涂覆的金属基底。该中间层包括四面体碳层。

背景技术

术语类金刚石碳(DLC)描述了包含具有类似于金刚石的结构和性能的碳的 一组材料。类金刚石碳涂层的一些例子为a-C、a-C:H、i-C、ta-C和ta-C:H涂 层。

由于DLC具有许多吸引人的性能，包括高硬度、化学惰性、高热导性、良 好的电和光性能、生物相容性以及优异的摩擦学行为，DLC作为涂层材料已经吸 引了人们的相当大的兴趣。

通过sp³键合的分数给出了DLC涂层的大致分类。四面体碳涂层具有高的 sp³键合碳分数，而诸如a-C或a-C:H的无定形碳涂层具有较低的sp³键合分数 以及较高的sp²键合分数。

氢含量给出了第二分类。DLC涂层可以分为非氢化涂层(ta-C和a-C)以 及氢化涂层(ta-C:H和a-C:H)。

四面体碳涂层的组显示了许多令人感兴趣的性能，例如高硬度(类似于金 刚石的硬度)和高杨氏模量。这些性能使得四面体碳涂层适于许多需要耐磨的 应用。

四面体碳涂层的劣势是它们的高粗糙度。在四面体碳涂层用作摩擦涂层的 情况下，相对物体上的磨损可能是无法接受的高程度。

发明概要

本发明的一个目的是提供涂覆有包含四面体碳的多层结构的金属基底，其 避免了现有技术的缺陷。

本发明的另一个目的是提供涂覆有包含硬的四面体碳层和较软外层的多层 结构的金属基底。

本发明的再一个目的是提供一种避免涂覆有四面体碳涂层的金属基底的相 对物体上的磨损的方法。

根据本发明的第一部分，提供了至少部分涂覆有多层结构的金属基底。多 层结构包括沉积于金属基底上的中间层和沉积于中间层上的无定形碳层。无定 形碳层具有优选低于200GPa的杨氏模量。中间层包括杨氏模量高于200GPa的 四面体碳层。

多层结构可以包括多个周期，每一周期包括包含至少一层杨氏模量高于 200GPa的四面体碳层的中间层和杨氏模量低于200GPa的无定形碳层。周期的数 目可以在2和100之间，例如在2和30之间，比如10或15。

四面体碳层

四面体碳层具有高于200GPa的杨氏模量。优选地，杨氏模量范围在200 和800GPa之间。更优选，四面体碳层具有至少300GPa，例如400GPa、500GPa 或600GPa的杨氏模量。

四面体碳层的硬度优选高于20GPa。四面体碳层的硬度的优选范围在20 GPa和80GPa之间。更优选四面体碳层的硬度为至少30GPa，例如40GPa、50 GPa或60GPa。

四面体碳的sp³键合碳的分数优选高于50％，例如在50％和90％之间，比如 80％。

四面体碳层可以包括非氢化四面体碳(ta-C)或氢化四面体碳(ta-C:H)。 在氢化四面体碳的情况下，氢浓度优选在低于20at％的范围，例如10at％。

优选的四面体碳层包括具有高的sp³键合碳分数的非氢化四面体碳(ta-C)， 例如80％的sp³键合碳分数。

可以通过许多不同技术沉积四面体碳层。

优选的沉积技术包括离子束沉积、脉冲激光沉积、诸如过滤的或未过滤的 电弧沉积的电弧沉积、诸如增强等离子体辅助化学气相沉积的化学气相沉积以 及激光电弧沉积。

为了影响根据本发明的多层结构的诸如电导性的性能，可以用金属掺杂四 面体碳层。原则上任何金属都可用作掺杂剂。

优选掺杂剂包含一种或多种过渡金属，例如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、 Mo、W、Mn、Re、Fe、Co、Ir、Ni、Pd和Pt。其它的掺杂剂可以包含B、Li、Na、 Si、Ge、Te、O、Mg、Cu、Al、Ag和Au。

优选的掺杂剂是W、Zr和Ti。

四面体碳层优选具有高于0.5μm，例如高于1μm的厚度。

无定形碳层

无定形碳层具有低于200GPa的杨氏模量。