一種非晶碳復合涂層及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種非晶碳復合涂層，由依次沉積在基體上的純鈦底層、碳-鈦過渡層和含鈦非晶碳頂層構成，含鈦非晶碳頂層由原子百分比含量90～95%非晶碳和5～10%鈦組成，非晶碳有sp2和sp3兩種形式，含鈦非晶碳頂層中sp3形式的非晶碳原子百分比含量由20%～30%逐漸增加到40%～50%。本發明專利技術還公開了一種非晶碳復合涂層的制備方法，采用閉合場非平衡磁控濺射法，便于連續化工業生產。本發明專利技術非晶碳復合涂層具有高硬度、低應力、較大厚度、低摩擦系數及優異耐磨性等優點，不僅可應用在摩擦學領域，還可以用于生物醫學中，如人工髖關節表面等，大大提高材料的使用壽命，具有廣闊的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及耐磨性涂層領域，具體涉及。
技術介紹
醫用Ti6A14V合金由于其良好的生物相容性，彈性模量最接近人體骨骼，是人工髖關節的最佳材料選擇。然而，隨著該醫用Ti6A14V合金的廣泛應用，人工髖關節的并發癥日益顯露出來，由于其較低的硬度和較差的耐磨性能，導致人工髖關節在摩擦磨損過程中產生大量的磨屑，進入人體引發并發癥，并且引起關節頭與白間匹配變差，容易松動，大大降低人工髖關節的使用壽命。因此，提高鈦合金材料(如醫用Ti6A14V合金)的摩擦學性能是減少人工髖關節摩擦磨損、提高其壽命的重要手段。沉積耐磨性涂層，對材料表面進行改性是改善材料性能的常用方法。非晶碳涂層因其具有較高的硬度、良好的化學穩定性、耐磨性能、生物相容性而被廣泛應用于摩擦、生物等各種領域。但由于非晶碳涂層與鈦合金基體兩者材料的物理性能上存在巨大差異，非晶碳涂層與基體的界面結合強度差，非晶碳涂層與基體之間存在很大的內應力，限制了非晶碳涂層的生長厚度(其沉積厚度一般小于O. 5 μ m)，降低了耐磨薄膜材料的使用壽命。為了提高非晶碳涂層與基體的界面結合強度，可以通過在基體與非晶碳涂層之間設計合適的成分梯度過渡層。同時，加入金屬元素T1、Cr、W、Ta等，形成碳化物鑲嵌于基體上的非晶碳涂層，以進一步降低內應力，Ti元素具有良好的生物相容性，是最佳選擇。但是非晶碳涂層與基體良好的結合力是犧牲其硬度及耐磨性能為代價，為了最大限度消除這一不利因素，非晶碳涂層采用成分梯度的復合膜層，在保證低內應力的前提下，獲得最優硬度及其摩擦性能。公開號為CN 10 1444985A的中國專利技術專利申請公開了一種非晶碳涂層及其制備方法和用途，該非晶碳涂層由打底層、中間過渡層和頂層三層構成，所述打底層為T1、Cr金屬層，中間過渡層為T1、Cr和非晶碳的混合層，頂層為摻雜有少量T1、Cr的非晶碳涂層，其中，過渡層中的Cr元素的含量從打底層到頂層方向呈遞減的趨勢，C元素呈逐漸增加的趨勢，而Ti元素的含量基本保持穩定。雖然該技術方案通過成分梯度的復合膜層來提高非晶碳涂層與基體的界面結合力，并使其保持較好的硬度和摩擦性能，但是從其實施例2的表4可見，硬度最高為15. 3GPa，摩擦因素O. f O. 21，磨損率為1. 23 8. 88 X 10_8，其硬度以及摩擦磨損性能均不理想，有待進一步提高。
技術實現思路
本專利技術提供了一種摩擦系數小、耐磨性能優異、且與基體結合力好的非晶碳復合涂層。—種非晶碳復合涂層，由依次沉積在基體上的純鈦底層、碳-鈦過渡層和含鈦非晶碳頂層構成，所述含鈦非晶碳頂層由原子百分比含量90% 95%非晶碳和5% 10%鈦組成，非晶碳有sp2和sp3兩種形式，所述含鈦非晶碳頂層中sp3形式的非晶碳原子百分比含量從含鈦非晶碳頂層靠近碳-鈦過渡層的一側到另一側由20% 30%逐漸增加到40% 50%。本專利技術中，所述含鈦非晶碳頂層中非晶碳有sp2和sp3兩種形式，并且，所述含鈦非晶碳頂層中sp3形式的非晶碳原子百分比含量和sp2形式的非晶碳原子百分比含量從含鈦非晶碳頂層靠近碳-鈦過渡層的一側到另一側呈梯度變化，sp3逐漸增加，sp2逐漸減少，以使含鈦非晶碳頂層由軟質層逐漸向硬質層過渡，從而使得本專利技術非晶碳復合涂層摩擦系數小，耐磨性能優異。純鈦底層和碳-鈦過渡層可以提高本專利技術非晶碳復合涂層與基體的結合力。作為優選，所述含鈦非晶碳頂層中垂直于該含鈦非晶碳頂層厚度方向的各截面成分相同，均由原子百分比含量90% 95%非晶碳和5% 10%鈦組成。每個截面中，原子百分比含量90% 95%非晶碳由sp2形式的非晶碳和sp3形式的非晶碳組成，所述含鈦非晶碳頂層中sp3形式的非晶碳原子百分比含量從含鈦非晶碳頂層靠近碳-鈦過渡層的一側到另一側由20% 30%逐漸增加到40% 50%，則所述含鈦非晶碳頂層中sp2形式的非晶碳原子百分比含量從含鈦非晶碳頂層靠近碳-鈦過渡層的一側到另一側逐漸減少，呈均勻梯度分布，有利于提高本專利技術非晶碳復合涂層的耐磨性能。為了進一步提高本專利技術非晶碳復合涂層的結合力，作為優選，所述碳-鈦過渡層由碳和鈦組成，其中，所述碳-鈦過渡層中碳含量從碳-鈦過渡層靠近純鈦底層的一側至碳-鈦過渡層靠近含鈦非晶碳頂層的一側由O逐漸增加，所述碳-鈦過渡層中鈦含量從碳-鈦過渡層靠近純鈦底層的一側至碳-鈦過渡層靠·近含鈦非晶碳頂層的一側由100%逐漸減小，所述碳-鈦過渡層靠近含鈦非晶碳頂層一側的碳含量和鈦含量分別與所述含鈦非晶碳頂層中非晶碳含量和鈦含量對應相等，為方便理解，該含量可視為原子百分比含量。上述碳-鈦過渡層中，碳含量和鈦含量呈均勻梯度分布，能夠顯著降低本專利技術非晶碳復合涂層的內應力，進一步提高本專利技術非晶碳復合涂層與基體的界面結合力。作為優選，所述純鈦底層的厚度為IOOnm 200nm，所述碳-鈦過渡層的厚度為250nm 350nm,所述含鈦非晶碳頂層的厚度為1. 05 μ m 1. 55 μ m。上述厚度形成的本專利技術非晶碳復合涂層，具有高硬度、低應力、較大厚度、低摩擦系數及優異耐磨性等優點。本專利技術還提供了一種非晶碳復合涂層的制備方法，采用閉合場非平衡磁控濺射法，非晶碳復合涂層與基體結合良好，同時便于連續化工業生產。一種非晶碳復合涂層的制備方法，包括以下步驟I)將基體置放于旋轉工作臺上，在旋轉工作臺的外圍放有兩個碳靶和一個鈦靶，將腔體預抽真空，通入氬氣，進行預濺射；2)用3 5A的鈦靶電流、-100 -200V的偏壓在基體上沉積純鈦底層，氬氣流量控制在20 30sccm,沉積時間為3 5min ；3)鈦靶電流從3 5A逐漸減少至O. 5 1A，兩個碳靶電流從OA逐漸增至2. 5 3. 5A, IS氣流量由20 30sccm逐漸增至40 45sccm,沉積時間為O. 8 1. 5h,形成碳-鈦過渡層；4)鈦靶電流保持為O. 5 1A，兩個碳靶電流保持為2. 5 3. 5A，氬氣流量保持在40 45sccm，由O -50V的低偏壓逐漸增至-100 -150V的高偏壓，偏壓調節頻率為O. 5 lV/min,沉積時間為2. 5 3. 5h,形成含鈦非晶碳頂層,得到非晶碳復合涂層。步驟I)中，作為優選，兩個碳靶以旋轉工作臺為中心對稱放置，鈦靶位于兩個碳靶的連線的中垂線上，碳靶與基體的距離和鈦靶與基體的距離相等，為5 15cm，旋轉工作臺的轉速為3 5rpm (轉/分鐘)。上述的設置有利于純鈦底層、碳-鈦過渡層以及含鈦非晶碳頂層的沉積，得到摩擦系數小、耐磨性能優異且與基體結合力好的非晶碳復合涂層。將腔體預抽真空至10_4 10_3Pa，通入氬氣，氬氣流量控制在25 35sccm，在-45(T-550V的偏壓以及O. 2 O. 5Α的鈦靶電流和O. 2 O. 5Α的碳靶電流下預濺射20 30min, 一方面清除基體表面氧化物等雜質，有利于提聞基體與本專利技術非晶碳復合涂層的結合力，另一方面去除靶材表面成分，以達到所需元素成分，并且防止靶材中毒。作為優選，所述碳靶為石墨靶，有利于濺射沉積非晶碳。步驟2)中，氬氣流量控制在25 35SCCm，為了保證提供足夠的氬離子，最大限度減少對靶原子的碰撞，工作氣壓由氬氣流量控制，其值為O. 2 O. 3Pa，有利于純鈦底層的沉積。步驟3)中，鈦本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非晶碳復合涂層，其特征在于，由依次沉積在基體上的純鈦底層、碳?鈦過渡層和含鈦非晶碳頂層構成，所述含鈦非晶碳頂層由原子百分比含量90%～95%非晶碳和5%～10%鈦組成，非晶碳有sp2和sp3兩種形式，所述含鈦非晶碳頂層中sp3形式的非晶碳原子百分比含量從含鈦非晶碳頂層靠近碳?鈦過渡層的一側到另一側由20%～30%逐漸增加到40%～50%。

【技術特征摘要】
1.一種非晶碳復合涂層，其特征在于，由依次沉積在基體上的純鈦底層、碳-鈦過渡層和含鈦非晶碳頂層構成，所述含鈦非晶碳頂層由原子百分比含量90% 95%非晶碳和5% 10%鈦組成，非晶碳有sp2和sp3兩種形式，所述含鈦非晶碳頂層中sp3形式的非晶碳原子百分比含量從含鈦非晶碳頂層靠近碳-鈦過渡層的一側到另一側由20% 30%逐漸增加到40% 50%ο2.根據權利要求1所述的非晶碳復合涂層，其特征在于，所述含鈦非晶碳頂層中垂直于該含鈦非晶碳頂層厚度方向的各截面成分相同，均由原子百分比含量90% 95%非晶碳和5% 10%鈦組成。3.根據權利要求1所述的非晶碳復合涂層，其特征在于，所述碳-鈦過渡層由碳和鈦組成，其中，所述碳-鈦過渡層中碳含量從碳-鈦過渡層靠近純鈦底層的一側至碳-鈦過渡層靠近含鈦非晶碳頂層的一側由O逐漸增加，所述碳-鈦過渡層中鈦含量從碳-鈦過渡層靠近純鈦底層的一側至碳-鈦過渡層靠近含鈦非晶碳頂層的一側由100%逐漸減小，所述碳-鈦過渡層靠近含鈦非晶碳頂層一側的碳含量和鈦含量分別與所述含鈦非晶碳頂層中非晶碳含量和鈦含量對應相等。4.根據權利要求1所述的非晶碳復合涂層，其特征在于，所述純鈦底層的厚度為 IOOnm 200nm。5.根據權利要求1所述的非晶碳復合涂層，其特征在于，所述碳-鈦過渡層的厚度為 250nm 350nmo6.根據權利要求1所述的非晶碳復合涂層，其特征在于，所述含鈦非晶碳頂層的厚度為1. 05 μ m L 55 μ m。7.根據權利要求1飛任一項所述的非晶碳復合涂層的制備方法，其特征在于，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王秀麗，蔡建賓，谷長棟，涂江平，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：