[发明专利]一种三元掺杂纳米复合多层类金刚石涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于表面防护技术及相关涂层材料技术领域，公开了一种三元掺杂纳米复合多层类金刚石涂层及其制备方法和应用。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和非金属元素组成。涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成无定形碳网络结构；碳化物形成金属元素与碳元素结合形成碳化物相；弱碳化物形成金属元素以固溶体状态存在；非金属元素原子取代无定形碳网络结构中的碳原子位置，参与构建网络结构；利用掺杂元素自身的扩散能力，通过调节支架旋转速度，控制涂层在每一个旋转生长周期内的掺杂量，在涂层中形成掺杂量高的类金刚石层(富掺杂层)与掺杂量低的类金刚石层(贫掺杂层)交替多层结构。

技术领域

本发明属于表面防护技术及相关涂层材料技术领域，特别涉及一种三元掺杂纳米多层类金刚石涂层及其制备方法和应用。

背景技术

类金刚石(Diamond-like carbon，DLC)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，如极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数和热膨胀系数、高弹性模量、良好的化学稳定性以及与非铁族亲和弱等优异性能，被广泛应用于刀具、模具、精密零部件、微电子等领域。然而，类金刚石涂层存在诸如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，仍然是制约该类涂层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。

向DLC涂层中掺杂元素，实现纳米复合是改善涂层特性的一种重要技术途径。纳米复合不仅在降低残余应力，提高结合力方面功效显著，且因具有的独特纳米尺寸效应，在提高韧性、改善不同环境下涂层摩擦学不稳定性也具有突出的作用。元素掺入到DLC碳矩阵中形成的纳米复合结构与掺杂元素的种类、掺杂含量有关。而不同的掺杂元素(如金属和非金属、贵金属和过渡金属等)所形成的化学键(共价键、离子键等)和纳米复合结构(包括纳米结构的形状、尺寸、化学键态、晶体结构、分布等)对涂层的各性能贡献大小不同。因而，单一元素的掺杂虽然在一定程度上能改善DLC涂层的性能(降低应力)，但往往伴随牺牲另一部分性能(如硬度)，不能对涂层的性能整体提高。到目前为止，绝大部分研究只集中在利用单一纳米复合对涂层进行改性。

此外，多层结构设计可提高涂层与基体的结合力、涂层界面韧性和抗裂纹扩展能力，同时降低了脆性，提高了柔韧性和承载力。然而目前多层涂层的构造通常为几层单独涂层复合，造成层与层之间的结构和性能不连续。

发明内容

为了解决现有技术中的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种低应力、高柔韧性、摩擦稳定、高温稳定性好、膜基结合强等综合特性优异，能应用于机械零部件、刀模具等产品表面的三元掺杂纳米多层类金刚石涂层；

本发明的另一目的在于提供一种上述三元掺杂纳米多层类金刚石涂层的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述三元掺杂纳米多层类金刚石涂层的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种三元掺杂纳米复合多层类金刚(DLC)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和非金属元素组成；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10～15％，非金属元素的原子百分比含量为2％～10％，余量为碳元素；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成无定形碳网络结构；碳化物形成金属元素与碳元素结合形成碳化物相；弱碳化物形成金属元素以固溶体状态存在；非金属元素原子取代无定形碳网络结构中的碳原子位置，参与构建网络结构；利用掺杂元素自身的扩散能力，通过调节支架旋转速度，控制涂层在每一个旋转生长周期内的掺杂量，在涂层中形成弱碳化物形成金属元素原子百分比含量大于15％的类金刚石层(富掺杂层)与弱碳化物形成金属元素原子百分比含量低于10％的类金刚石层(贫掺杂层)交替多层结构。