CN110117777A - 一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涂层制备工艺技术领域，具体公开了一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：将工件经清洗干净并干燥后，放入真空室内的工件架中，然后用机械泵和涡轮分子泵把真空腔室抽至高真空；在真空室外壁装六个矩形磁控靶，三个所述磁控靶采用石墨，两个所述磁控靶采用铬或钛，一个所述磁控靶采用银；利用高纯氩气作为工作气体进行溅射过程，利用射频电极离化高纯氩气，在基材的表面最终形成类金刚石涂层，其中掺杂有银的纳米颗粒。该具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，利用溅射工艺在金属基材上制备出具有高附着力和高耐磨性的类金刚石涂层，并掺杂有银纳米颗粒，具有抗菌功能。

Description

一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及涂层制备工艺技术领域，具体是一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法。
背景技术
类金刚石涂层由于具有高硬度和弹性模量、光学透明性、良好的导热性、化学惰性、优异的摩擦学性能以及生物相容性等特性而受到广泛的关注。通常DLC涂层具有无定形结构，构成类金刚石的主要元素是碳，其涂层结构由碳的sp3和sp2形态混合而成，类金刚石涂层的性能很大程度上取决于膜层中sp3/sp2的比例。
但是，类金刚石材料本身具有脆性和高应力，因此极大的限制了类金刚石的实际应用，并且类金刚石涂层在许多金属基材上的附着强度不足，类金刚石涂层不具备抗菌特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗干净并干燥后，放入真空室内的工件架中，然后用机械泵和涡轮分子泵把真空腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室外壁装六个矩形磁控靶，对称排列，用水冷方式进行循环冷却，相邻磁控靶的磁极相反，三个所述磁控靶采用石墨，两个所述磁控靶采用铬或钛，一个所述磁控靶采用银，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：利用高纯氩气作为工作气体进行溅射过程，利用射频电极离化高纯氩气，在基材的表面最终形成类金刚石涂层，其中掺杂有银的纳米颗粒。
作为本发明进一步的方案：步骤二中，所述石墨作为碳源，用来沉积类金刚石涂层，所述铬或钛作为金属过渡层。
作为本发明进一步的方案：步骤二中，所述偏压的频率50-300kHz。
作为本发明进一步的方案：步骤三中，所述高纯氩气的压强为0.2-0.6Pa，用质量流量计来控制流量。
作为本发明进一步的方案：步骤三中，所述类金刚石涂层的沉积过程包括等离子体辉光清洗、金属过渡层、成分梯度层以及类金刚石顶层四个阶段。
作为本发明进一步的方案：所述类金刚石涂层的总厚度为1-5μm。
作为本发明进一步的方案：所述银的纳米颗粒通过共溅的方法复合到类金刚石涂层中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，利用溅射工艺在金属基材上制备出具有高附着力和高耐磨性的类金刚石涂层，膜厚可达数微米，能承受高的接触应力而不脱落，在无润滑情况下摩擦系数低于0.1，磨损率小于5×10-17m3/Nm，具有生物相容性和固体润滑功能，耐磨、耐腐蚀性能优良；
2、通过采用银作为一个磁控靶，在镀膜过程中，能作为纳米颗粒掺杂在类金刚石涂层中形成复合涂层，可降低类金刚石涂层的内应力，基本保持原有的优良的力学和摩擦学性能，并且具有抗菌功能，同时类金刚石涂层起到承载并保护银纳米颗粒的作用，并控制金属杀菌离子向薄膜表面的释放速率，维持杀菌的长效性，在食品、饮料和医疗等方面将有着广阔的应用前景。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
该具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，在溅射过程中，两个铬靶或钛靶可以用来做金属过渡层，提高附着力，三个石墨靶作为碳源，用来沉积类金刚石涂层，剩余的一个靶用银共溅时产生掺杂，形成复合涂层，给类金刚石材质提供抗菌元素。
在涂层沉积四个阶段中，等离子体辉光清洗对基体的等离子体蚀刻，有利于去除基体表面的污染物和氧化层，保证涂层的附着力；铬或钛金属过渡层有利于提高附着强度，碳化铬或碳化钛的成分梯度层使薄膜成分和结构产生渐变，从金属过渡到金属碳化物，避免应力集中，提高承载能力；类金刚石顶层沉积时，可控制银元素的加入量；
不含氢的类金刚石顶层可通过溅射纯石墨靶来实现；此外，还可用同样的溅射设备制作含氢的类金刚石涂层，在溅射沉积金属过渡层后，逐步通入碳氢化合物气体，例如甲烷、乙炔或丁烷等，形成碳化铬或碳化钛成分梯度层，碳氢化合物气体分子可以被射频电极激发、分解甚至离化，作为类金刚石沉积的前驱体；同时，通过质量流量计加入适量四甲基硅烷或四氟化碳气体，可形成含硅或含氟的类金刚石涂层。
实施例1
一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗干净并干燥后，放入真空室内的工件架中，然后用机械泵和涡轮分子泵把真空腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室外壁装六个矩形磁控靶，对称排列，用水冷方式进行循环冷却，相邻磁控靶的磁极相反，三个所述磁控靶采用石墨，两个所述磁控靶采用铬，一个所述磁控靶采用银，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：利用高纯氩气作为工作气体进行溅射过程，利用射频电极离化高纯氩气，在基材的表面最终形成类金刚石涂层，其中掺杂有银的纳米颗粒。
其中，所述石墨作为碳源，用来沉积类金刚石涂层，所述铬作为金属过渡层。
所述偏压的频率50kHz。
所述高纯氩气的压强为0.2Pa，用质量流量计来控制流量。
所述类金刚石涂层的沉积过程包括等离子体辉光清洗、金属过渡层、成分梯度层以及类金刚石顶层四个阶段。
所述类金刚石涂层的总厚度为1μm。
所述银的纳米颗粒通过共溅的方法复合到类金刚石涂层中。
实施例2
一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗干净并干燥后，放入真空室内的工件架中，然后用机械泵和涡轮分子泵把真空腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室外壁装六个矩形磁控靶，对称排列，用水冷方式进行循环冷却，相邻磁控靶的磁极相反，三个所述磁控靶采用石墨，两个所述磁控靶采用钛，一个所述磁控靶采用银，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：利用高纯氩气作为工作气体进行溅射过程，利用射频电极离化高纯氩气，在基材的表面最终形成类金刚石涂层，其中掺杂有银的纳米颗粒。
其中，所述石墨作为碳源，用来沉积类金刚石涂层，所述钛作为金属过渡层。
所述偏压的频率100kHz。
所述高纯氩气的压强为0.3Pa，用质量流量计来控制流量。
所述类金刚石涂层的沉积过程包括等离子体辉光清洗、金属过渡层、成分梯度层以及类金刚石顶层四个阶段。
所述类金刚石涂层的总厚度为2μm。
所述银的纳米颗粒通过共溅的方法复合到类金刚石涂层中。
实施例3
一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗干净并干燥后，放入真空室内的工件架中，然后用机械泵和涡轮分子泵把真空腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室外壁装六个矩形磁控靶，对称排列，用水冷方式进行循环冷却，相邻磁控靶的磁极相反，三个所述磁控靶采用石墨，两个所述磁控靶采用铬，一个所述磁控靶采用银，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：利用高纯氩气作为工作气体进行溅射过程，利用射频电极离化高纯氩气，在基材的表面最终形成类金刚石涂层，其中掺杂有银的纳米颗粒。
其中，所述石墨作为碳源，用来沉积类金刚石涂层，所述铬作为金属过渡层。
所述偏压的频率150kHz。
所述高纯氩气的压强为0.4Pa，用质量流量计来控制流量。
所述类金刚石涂层的沉积过程包括等离子体辉光清洗、金属过渡层、成分梯度层以及类金刚石顶层四个阶段。
所述类金刚石涂层的总厚度为3μm。
所述银的纳米颗粒通过共溅的方法复合到类金刚石涂层中。
实施例4
一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗干净并干燥后，放入真空室内的工件架中，然后用机械泵和涡轮分子泵把真空腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室外壁装六个矩形磁控靶，对称排列，用水冷方式进行循环冷却，相邻磁控靶的磁极相反，三个所述磁控靶采用石墨，两个所述磁控靶采用钛，一个所述磁控靶采用银，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：利用高纯氩气作为工作气体进行溅射过程，利用射频电极离化高纯氩气，在基材的表面最终形成类金刚石涂层，其中掺杂有银的纳米颗粒。
其中，所述石墨作为碳源，用来沉积类金刚石涂层，所述钛作为金属过渡层。
所述偏压的频率200kHz。
所述高纯氩气的压强为0.5Pa，用质量流量计来控制流量。
所述类金刚石涂层的沉积过程包括等离子体辉光清洗、金属过渡层、成分梯度层以及类金刚石顶层四个阶段。
所述类金刚石涂层的总厚度为4μm。
所述银的纳米颗粒通过共溅的方法复合到类金刚石涂层中。
实施例5
一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗干净并干燥后，放入真空室内的工件架中，然后用机械泵和涡轮分子泵把真空腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室外壁装六个矩形磁控靶，对称排列，用水冷方式进行循环冷却，相邻磁控靶的磁极相反，三个所述磁控靶采用石墨，两个所述磁控靶采用铬，一个所述磁控靶采用银，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：利用高纯氩气作为工作气体进行溅射过程，利用射频电极离化高纯氩气，在基材的表面最终形成类金刚石涂层，其中掺杂有银的纳米颗粒。
其中，所述石墨作为碳源，用来沉积类金刚石涂层，所述铬作为金属过渡层。
所述偏压的频率300kHz。
所述高纯氩气的压强为0.6Pa，用质量流量计来控制流量。
所述类金刚石涂层的沉积过程包括等离子体辉光清洗、金属过渡层、成分梯度层以及类金刚石顶层四个阶段。
所述类金刚石涂层的总厚度为5μm。
所述银的纳米颗粒通过共溅的方法复合到类金刚石涂层中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗干净并干燥后，放入真空室内的工件架中，然后用机械泵和涡轮分子泵把真空腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室外壁装六个矩形磁控靶，对称排列，用水冷方式进行循环冷却，相邻磁控靶的磁极相反，三个所述磁控靶采用石墨，两个所述磁控靶采用铬或钛，一个所述磁控靶采用银，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：利用高纯氩气作为工作气体进行溅射过程，利用射频电极离化高纯氩气，在基材的表面最终形成类金刚石涂层，其中掺杂有银的纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述石墨作为碳源，用来沉积类金刚石涂层，所述铬或钛作为金属过渡层。
3.根据权利要求2所述的具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述偏压的频率50-300kHz。
4.根据权利要求1所述的具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述高纯氩气的压强为0.2-0.6Pa，用质量流量计来控制流量。
5.根据权利要求4所述的具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述类金刚石涂层的沉积过程包括等离子体辉光清洗、金属过渡层、成分梯度层以及类金刚石顶层四个阶段。
6.根据权利要求5所述的具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述类金刚石涂层的总厚度为1-5μm。
7.根据权利要求1～6任一所述的具有抗菌和高耐磨性能的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述银的纳米颗粒通过共溅的方法复合到类金刚石涂层中。
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