CN110144561A - 一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硬质涂层技术领域，具体公开了一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：将工件经清洗后放入真空室内的旋转样品架中，利用机械泵和涡轮分子泵将腔室抽至高真空；在真空室的外壁安装矩形磁控靶，所述磁控靶为六个，靶材用纯钨或钼，其中一个靶材用银或铜，相邻磁控靶的磁极相反；采用高纯氩气作为工作气体，高纯氧气作为反应气体进行溅射过程，在基材表面最终形成氧化钨或氧化钼涂层，并在涂层中镶嵌有银或铜的纳米颗粒。该持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，采用反应溅射的方法，在不同基材上制备金属氧化物涂层，具有优良的抗菌性能。

Description

一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及硬质涂层技术领域，具体是一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法。
背景技术
PVD(Physical Vapor Deposition)物理气相沉积，指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程，通过PVD工艺制备出的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点，最初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视。由于PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向，目前PVD工艺已普遍应用于硬质合金工具、汽车零配件、自动化机械配件、工业模具等的涂层处理上，具有提高生产效率，降低生产成本等效果。但是现有的利用PVD工艺制备出的涂层忽略了持久耐用性和一些生物功能性，如抗菌功能且持久耐用。
细菌污染长期以来是我们日常生活中面临的重要问题之一，为了防止有害微生物的生长、扩散和转移，人们已经开发出许多抗菌材料，试图减少在公共和医疗环境中的细菌感染。随着医疗保健的迅速发展和人民生活水平的提高，开发具有长久抗菌能力且不产生多重耐药微生物的新材料是至关重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，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：
一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗后放入真空室内的旋转样品架中，利用机械泵和涡轮分子泵将腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室的外壁安装矩形磁控靶，所述磁控靶为六个，靶材用纯钨或钼，其中一个靶材用银或铜，对称排列，带水冷，相邻磁控靶的磁极相反，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：采用高纯氩气作为工作气体，高纯氧气作为反应气体进行溅射过程，在基材表面最终形成氧化钨或氧化钼涂层，并在涂层中镶嵌有银或铜的纳米颗粒，利用压强控制器保持溅射过程的气压稳定，使涂层成分在膜厚方向保持恒定。
作为本发明进一步的方案：步骤一中，所述旋转样品架的旋转速度为0-20rpm。
作为本发明进一步的方案：步骤一中，所述高真空＜3×10-4Pa。
作为本发明进一步的方案：步骤二中，所述偏压的频率为50-300kHz。
作为本发明进一步的方案：步骤三中，所述涂层的沉积过程包括等离子体清洗、金属附着层和氧化物层三个阶段。
作为本发明进一步的方案：所述涂层厚度为1-3μm。
作为本发明进一步的方案：在溅射的过程中采用脉冲模式在银或铜靶前面注入纯氦气体进行等离子体淬火，所述纯氦气体的瞬间气压为100-1000Pa，再通过真空泵快速抽走真空腔室内的残余氦气，并在氩气/氧气气氛中在正常条件下继续氧化物层的沉积。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，采用反应溅射的方法，在不同基材上制备金属氧化物涂层；
2、采用钨或钼作为靶材，在反应溅射的过程中，形成WO3或MoO3相，表现出有效的抗菌性能，利用多靶共溅的方法可在涂层内掺杂少量的杀菌元素银或铜，形成复合涂层，制备出的W&Ag/WO2&Ag涂层颜色为银色，并且增强杀菌效果，对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的杀灭率大于99％，而涂层的表面硬度可达20GPa；
3、通过本制备方法制备出的硬质涂层具有耐磨性、耐腐蚀性和抗菌性能等多重功能，膜层附着力强，容易实现批量生产，节约生产成本，除广泛应用在工业模具、自动化配件、汽车零配件、工具等外，还可用应用在民用产品上，如餐具、儿童用品、宠物用品、医学手术用具、共公卫生场合用具、剪刀、刮胡刀等抗菌功能上。
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。
在基材表面溅射的氧化钨(WOx，2＜x＜3)或氧化钼(MoOx，2＜x＜3)本身没有细胞毒性，与水接触会生成钨酸或钼酸，形成酸性表面，即使在黑暗条件下也能抑制细菌的生长和繁殖，这类氧化物涂层，耐磨耐腐蚀性能又好，比需要紫外线照射才有杀菌功能的二氧化钛更具有优越性。只要氧化物涂层没有完全磨损，由于酸性表面反应，其抗菌特性依然存在，比金属、合金或聚合物涂层更为耐久，可应用在食品、饮料、化妆品、医疗器械和医疗保健环境等众多领域。
另外，银和铜是有效的抗菌材料，其离子或纳米粒子可以杀死附着在表面上的细菌，将银或铜纳米颗粒原位结合到氧化钨或氧化钼材质中，形成复合涂层，增强杀菌效果，扩大应用范围，掺杂有银纳米颗粒的涂层为银色；
调节银或铜靶的溅射功率可以控制银或铜的加入量。另外，采用脉冲模式在银或铜靶前面注入纯氦气体来实现等离子体淬火，而不中断原来的溅射过程，由于氦气的注入引起的压力上升导致氦气原子与溅射的银或铜原子之间产生多次碰撞，平均自由程减小到5-50μm，然后溅射的Ag或Cu原子将迅速凝聚，生长成簇，一部分小簇自组装形成银或铜的纳米颗粒，镶嵌在氧化物涂层的材质里。
实施例1
一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗后放入真空室内的旋转样品架中，利用机械泵和涡轮分子泵将腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室的外壁安装矩形磁控靶，所述磁控靶为六个，靶材用纯钨，其中一个靶材用银，对称排列，带水冷，相邻磁控靶的磁极相反，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：采用高纯氩气作为工作气体，高纯氧气作为反应气体进行溅射过程，在基材表面最终形成氧化钨涂层，并在涂层中镶嵌有银的纳米颗粒，利用压强控制器保持溅射过程的气压稳定，使涂层成分在膜厚方向保持恒定。
其中，所述旋转样品架的旋转速度为0。
所述高真空＜3×10-4Pa。
所述偏压的频率为50kHz。
所述涂层的沉积过程包括等离子体清洗、金属附着层和氧化物层三个阶段。
所述涂层厚度为1μm。
在溅射的过程中采用脉冲模式在银靶前面注入纯氦气体进行等离子体淬火，所述纯氦气体的瞬间气压为100Pa，再通过真空泵快速抽走真空腔室内的残余氦气，并在氩气/氧气气氛中在正常条件下继续氧化物层的沉积。
实施例2
一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗后放入真空室内的旋转样品架中，利用机械泵和涡轮分子泵将腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室的外壁安装矩形磁控靶，所述磁控靶为六个，靶材用纯钼，其中一个靶材用铜，对称排列，带水冷，相邻磁控靶的磁极相反，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：采用高纯氩气作为工作气体，高纯氧气作为反应气体进行溅射过程，在基材表面最终形成氧化钼涂层，并在涂层中镶嵌有铜的纳米颗粒，利用压强控制器保持溅射过程的气压稳定，使涂层成分在膜厚方向保持恒定。
其中，所述旋转样品架的旋转速度为10rpm。
所述高真空＜3×10-4Pa。
所述偏压的频率为100kHz。
所述涂层的沉积过程包括等离子体清洗、金属附着层和氧化物层三个阶段。
所述涂层厚度为2μm。
在溅射的过程中采用脉冲模式在铜靶前面注入纯氦气体进行等离子体淬火，所述纯氦气体的瞬间气压为300Pa，再通过真空泵快速抽走真空腔室内的残余氦气，并在氩气/氧气气氛中在正常条件下继续氧化物层的沉积。
实施例3
一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗后放入真空室内的旋转样品架中，利用机械泵和涡轮分子泵将腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室的外壁安装矩形磁控靶，所述磁控靶为六个，靶材用纯钨，其中一个靶材用铜，对称排列，带水冷，相邻磁控靶的磁极相反，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：采用高纯氩气作为工作气体，高纯氧气作为反应气体进行溅射过程，在基材表面最终形成氧化钨涂层，并在涂层中镶嵌有铜的纳米颗粒，利用压强控制器保持溅射过程的气压稳定，使涂层成分在膜厚方向保持恒定。
其中，所述旋转样品架的旋转速度为15rpm。
所述高真空＜3×10-4Pa。
所述偏压的频率为200kHz。
所述涂层的沉积过程包括等离子体清洗、金属附着层和氧化物层三个阶段。
所述涂层厚度为3μm。
在溅射的过程中采用脉冲模式在铜靶前面注入纯氦气体进行等离子体淬火，所述纯氦气体的瞬间气压为500Pa，再通过真空泵快速抽走真空腔室内的残余氦气，并在氩气/氧气气氛中在正常条件下继续氧化物层的沉积。
实施例4
一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗后放入真空室内的旋转样品架中，利用机械泵和涡轮分子泵将腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室的外壁安装矩形磁控靶，所述磁控靶为六个，靶材用纯钼，其中一个靶材用银，对称排列，带水冷，相邻磁控靶的磁极相反，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：采用高纯氩气作为工作气体，高纯氧气作为反应气体进行溅射过程，在基材表面最终形成氧化钼涂层，并在涂层中镶嵌有银的纳米颗粒，利用压强控制器保持溅射过程的气压稳定，使涂层成分在膜厚方向保持恒定。
其中，所述旋转样品架的旋转速度为20rpm。
所述高真空＜3×10-4Pa。
所述偏压的频率为280kHz。
所述涂层的沉积过程包括等离子体清洗、金属附着层和氧化物层三个阶段。
所述涂层厚度为3μm。
在溅射的过程中采用脉冲模式在银靶前面注入纯氦气体进行等离子体淬火，所述纯氦气体的瞬间气压为800Pa，再通过真空泵快速抽走真空腔室内的残余氦气，并在氩气/氧气气氛中在正常条件下继续氧化物层的沉积。
实施例5
一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗后放入真空室内的旋转样品架中，利用机械泵和涡轮分子泵将腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室的外壁安装矩形磁控靶，所述磁控靶为六个，靶材用纯钨，其中一个靶材用铜，对称排列，带水冷，相邻磁控靶的磁极相反，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：采用高纯氩气作为工作气体，高纯氧气作为反应气体进行溅射过程，在基材表面最终形成氧化钨涂层，并在涂层中镶嵌有铜的纳米颗粒，利用压强控制器保持溅射过程的气压稳定，使涂层成分在膜厚方向保持恒定。
其中，所述旋转样品架的旋转速度为20rpm。
所述高真空＜3×10-4Pa。
所述偏压的频率为300kHz。
所述涂层的沉积过程包括等离子体清洗、金属附着层和氧化物层三个阶段。
所述涂层厚度为3μm。
在溅射的过程中采用脉冲模式在铜靶前面注入纯氦气体进行等离子体淬火，所述纯氦气体的瞬间气压为1000Pa，再通过真空泵快速抽走真空腔室内的残余氦气，并在氩气/氧气气氛中在正常条件下继续氧化物层的沉积。
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)

1.一种持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将工件经清洗后放入真空室内的旋转样品架中，利用机械泵和涡轮分子泵将腔室抽至高真空；
步骤二：在真空室的外壁安装矩形磁控靶，所述磁控靶为六个，靶材用纯钨或钼，其中一个靶材用银或铜，对称排列，带水冷，相邻磁控靶的磁极相反，利用脉冲电源施加偏压；
步骤三：采用高纯氩气作为工作气体，高纯氧气作为反应气体进行溅射过程，在基材表面最终形成氧化钨或氧化钼涂层，并在涂层中镶嵌有银或铜的纳米颗粒，利用压强控制器保持溅射过程的气压稳定，使涂层成分在膜厚方向保持恒定。
2.根据权利要求1所述的持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述旋转样品架的旋转速度为0-20rpm。
3.根据权利要求2所述的持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述高真空＜3×10-4Pa。
4.根据权利要求1所述的持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述偏压的频率为50-300kHz。
5.根据权利要求4所述的持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述涂层的沉积过程包括等离子体清洗、金属附着层和氧化物层三个阶段。
6.根据权利要求5所述的持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，其特征在于，所述涂层厚度为1-3μm。
7.根据权利要求1～6任一所述的持久耐用具有抗菌功能的硬质涂层的制备方法，其特征在于，在溅射的过程中采用脉冲模式在银或铜靶前面注入纯氦气体进行等离子体淬火，所述纯氦气体的瞬间气压为100-1000Pa，再通过真空泵快速抽走真空腔室内的残余氦气，并在氩气/氧气气氛中在正常条件下继续氧化物层的沉积。
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