[发明专利]用于摩擦学应用的掺杂DLC

说明书

本发明涉及一种非氢化过渡金属掺杂类金刚石碳(DLC)，其中非氢化DLC包括选自元素周期表的4d族、5d族和6d族的至少一种过渡金属。至少一种过渡金属的一部分以至少一种过渡金属的碳化物的形式存在于作为基质的非氢化DLC中，并且另一部分作为金属液滴存在。非氢化过渡金属掺杂DLC具有≥35GPa、优选≥40GPa的压痕硬度。由于金属液滴的存在，当在表面上施加材料的涂层时，掺杂DLC非常有效地改善表面的耐磨性和/或降低表面的摩擦。进一步地，本发明提供了一种用于沉积根据本发明的非氢化过渡金属掺杂DLC涂层的阴极电弧放电沉积方法。

技术领域

本发明涉及非氢化过渡金属掺杂类金刚石碳(diamond-like carbon，DLC)、其用于减小表面摩擦的用途、以及包括其设置在基板上的涂层的层系统。此外，本发明涉及一种沉积根据本发明的非氢化过渡金属掺杂DLC涂层的方法，该方法是阴极电弧放电沉积方法。

背景技术

类金刚石碳(diamond-like carbon，DLC)是一种亚稳态形式的无定形碳。已经发现DLC膜在科学和技术中的广泛应用。J.Robertson在Materials Science andEngineering R 37,2002,129-281提供了材料及其应用的全面概述。如Robertson所报道的，需要在DLC的氢化与非氢化形式之间进行区分。用于DLC分类的另一标准是sp³键合分数(fraction of sp³ bonding)。如果对于非氢化材料，sp³键合分数达到高程度，则材料通常表示为四面体无定形碳，缩写为ta-C。

S.Xu等人在Philosophical Magazine Part B,76:3,351-361中报道了通过在室温下通过过滤阴极真空电弧技术在硅上沉积ta-C膜。获得了高sp³键合分数(约80％或更高)。发现在7.5GPa至12GPa范围内的压缩应力、以及20GPa至55GPa的硬度。发现了最大硬度与通过电子能量损失光谱(electron-energy-loss spectroscopy，EELS)测定的最高sp³分数一致。

还开发了掺杂的碳涂层。A.Deu Gharam等人在Surface and CoatingsTechnology 206(2011),1905-1912中研究了W-DLC对铝的高温摩擦学性能。使用物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)系统沉积W-DLC涂层。向氢化的DLC添加W导致摩擦系数在400℃至500℃的温度范围内的降低。问题是氢化DLC的掺杂(例如用W)通过溅射在原子水平发生的。非氢化DLC(ta-C)对许多润滑剂具有更好的润湿性，并且具有比氢化DLC更好的温度稳定性。

Z.Wang等人的International Journal of Hydrogen Energy 42(2016),5783-5792在不锈钢基板上沉积了W掺杂碳。它们使用具有-60V的偏置电压的闭合场非平衡磁控溅射离子镀(close-field unbalanced magnetron sputtering ion plating，CFUBMSIP)系统。CFUBMSIP系统配备有一个钨(W)靶、两个石墨靶，并且针对薄Cr晶种层和薄中间MC_x层(M为Cr和W)的沉积，配备有一个铬(Cr)靶。