[发明专利]一种超耐磨的硬质碳基涂层

说明书

基材上镀有多层膜，由以下顺序排列组成：(i)由ta‑C组成的第一功能层；(ii)由ta‑C组成的第二功能层；(iii)(a)由ta‑C组成的第三功能层和包含一种基本元素碳化物的第一过渡层或者(b)由一种基本元素碳化物组成的第一过渡层和由一种基本元素组成的第二过渡层；其中ta‑C涂层中氢含量少于10%并且sp²结构含量少于30%;其中(i)杨氏模量，或(ii)硬度，或(iii)杨氏模量和硬度按照涂层顺序都独立地保持稳定或者增加，比如(iii)(a)从第一过渡层到第一功能层，或者(iii)(b)从第二过渡层到第一功能层。

技术领域

本发明涉及耐磨性优异的硬质碳基涂层，以及提供制备耐磨性好的硬质碳基涂层的制备方法。

背景技术

用于涂覆基底的沉积方法种类多种多样。气相沉积技术是一种用于沉积具有不同功能应用薄膜的常用方法，所制备薄膜的应用领域涉及微电子、重工等领域。该沉积技术可分为两大类。第一类沉积方法是化学气相沉积法(CVD)。CVD通常是指经化学反应沉积在基材上的制备过程。常用的CVD工艺的应用实例有半导体硅(Si)层沉积、外延和热氧化等工艺。

第二类沉积方法通常称为物理气相沉积技术(PVD)。PVD一般是指采用物理方法在基体表面沉积薄膜的方法。PVD工艺的核心是通过直接物质转移将需镀膜的物质沉积在工件表面上形成薄膜的过程。因此，与化学气相沉积过程不同，物理气相沉积技术不发生化学反应，沉积的涂层厚度与化学反应动力学无关。

溅射镀膜作为一种典型的物理气相沉积技术，是指在真空条件下，利用功能粒子轰击靶材(也称为溅射靶)表面，靶材表面原子获得足够的能量而溅射出原子、离子或分子，溅射出来的原子或分子聚集在基材表面形成薄膜的过程。

另一种常见的物理气相沉积技术是阴极气相电弧沉积法。这种方法是采用的冷阴极电弧蒸发，以固体镀料作为阴极，在气体离子或蒸发物质离子的轰击作用下，把蒸发物质蒸镀在工件上。

非晶碳膜是一种无固定形状的、过渡态的碳材料，没有周期性的晶体结构。非晶碳膜形态多样，通常按照涂层中氢含量和sp2：sp3态的碳比例对其进行分类。

参照专业领域的文献，将非晶碳分成7类(见下表摘自弗劳恩霍夫学院Schich-und的“碳涂层名称索引”文献)

四面体无氢非晶碳(ta-C)的典型特征为不含氢或含有极少量的氢(<5％摩尔，通常<2％摩尔)，同时具有高含量的sp3杂化碳原子(通常>80％的sp3状态碳原子)。

虽然“类金刚石碳”(DLC)术语有时是所有形式的非晶碳材料的统称，但在本文中DLC是指除ta-C之外的其他非晶碳材料的称谓。常用的DLC制备方法是采用碳氢化合物(如乙炔)经化学反应沉积而成。因此，与ta-C薄膜(原料通常为无氢高纯石墨)相比，DLC涂层中氢的含量较高。

换句话说，DLC通常是含有>50％的sp2碳和>20％氢含量的非晶碳。DLC可以是无掺杂的非晶碳，也可以是掺杂金属或非金属的非晶碳(见上表)。

常规的DLC涂层硬度最高约2000HV(维氏硬度)，厚度可达3μm左右或更厚。典型的实例为Oerlikon Balzers、HEF USA和IHI Ionbond AG公司用于汽车(如发动机)部件的DLC涂层。然而，它们的DLC涂层的硬度和厚度值变化范围有限，限制其更广泛的应用，尤其是在精密设备领域。

DLC具有合适硬度和摩擦系数可用于刀具和其他磨具的涂层材料。目前市场上的工具用DLC涂层的硬度约为2000HV维氏硬度，厚度约为3微米。这种厚度会限制其在某些特定的精密器件中的应用。因此，急需开发一种更薄但同样耐磨的类金刚石薄膜以满足市场的需求。