CN111172512A - 聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents

聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜及其制备方法与应用。所述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜包括形成于聚醚醚酮基体表面的在厚度方向上依次层叠的等离子体诱导原位转变层和非晶碳基薄膜表层。所述制备方法包括：采用等离子体诱导方法，在聚醚醚酮基体表面生长等离子体诱导原位转变层；以及，在所述等离子体诱导原位转变层表面类外延生长形成非晶碳基薄膜表层，获得聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜。本发明的非晶碳基薄膜具有良好的膜基结合强度及良好的力学性能和摩擦适应性，能使聚醚醚酮塑料基体在苛刻工况环境下具体高结合力、良好减摩抗磨性能，能够有效解决聚醚醚酮表面非晶碳基薄膜材料优异防护得以充分发挥的难题。

Description

聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种非晶碳基薄膜，特别涉及一种聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜及其制备方法，可用于空间真空、大气及海洋环境下服役的醚醚酮塑料基体表面，属于聚醚醚酮基体表面处理技术领域。
背景技术
聚醚醚酮(PEEK)作为一种半结晶型的热塑性工程塑料，具有极出色的物理、力学性能，因而在航空航天、汽车制造、电子电气、能源及医疗器械等领域可以替代金属、陶瓷等传统材料，在轻量化以及提高性能方面优势突出，成为当今最热门的高性能工程塑料之一。然而，面对日益增长的工业应用需求，复杂苛刻环境对聚醚醚酮的综合性能也提出越来越高的要求。表面功能化可在不改变基体材料特性基础上显著提升其表面服役性能，是提升聚醚醚酮综合性能极具潜力的方式。其中，类金刚石碳基薄膜可同时具备较高的硬度、良好的减摩抗磨性能和优异的化学惰性，已被普遍认为是提升材料苛刻工况条件下摩擦学性能的最佳技术途径之一。
然而，非晶碳膜通常具有较高的内应力，这不仅是决定薄膜稳定性和使用寿命的重要因素，也是制约膜基结合力和薄膜可镀厚度的主要原因。为了在不同基体材料表面获得可靠结合强度的非晶碳薄膜，最有效的结构设计方法是构建梯度膜，并通过多层膜、复合膜或掺杂膜等结构相互协同，使得非晶碳基薄膜材料优异表面功能特性得以充分发挥。但是，由于聚醚醚酮是典型的高分子聚合物材料，尽管其相对较高的硬度可以为高硬度非晶碳薄膜提供适当的支撑，但由于采用传统预沉积不同材料构筑梯度复合薄膜方法始终会在基体和非晶碳薄膜之间形成有机与无机的界面层，致使非晶碳基薄膜难以在聚醚醚酮表面获得可靠结合，导致聚醚醚酮表面非晶碳基薄膜在摩擦磨损过程中通常会出现大面积剥落，难以对聚醚醚酮基体呈现出足够的摩擦学性能提升效果。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜及其制备方法，从而克服了现有技术中的不足。
本发明的另一目的还在于提供所述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜，其包括形成于聚醚醚酮基体表面的在厚度方向上依次层叠的等离子体诱导原位转变层和非晶碳基薄膜表层。
本发明实施例还提供了一种聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的制备方法，其包括：
采用等离子体诱导方法，在聚醚醚酮基体表面生长等离子体诱导原位转变层；
以及，在所述等离子体诱导原位转变层表面类外延生长形成非晶碳基薄膜表层，获得聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜。
在一些优选实施例中，所述制备方法包括：
采用惰性等离子体对聚醚醚酮基体表面进行一次处理；
以烃类等离子体对一次处理后的聚醚醚酮基体进行二次处理，从而在所述聚醚醚酮基体表面形成等离子体诱导原位转变层，同时也在所述等离子体诱导原位转变层表面类外延生长形成非晶碳基薄膜表层。
本发明实施例还提供了前述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜在聚醚醚酮基体材料表面防护领域中的用途。
本发明实施例还提供了一种装置，包括聚醚醚酮基体材料，所述聚醚醚酮基体材料上还设置有前述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜。
本发明结合等离子体诱导原位转变层和在其上继续类外延生长的非晶碳基薄膜表层，得到一种位于基体表面的等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜，与用传统预沉积不同材料构筑梯度复合薄膜的方法相比，具有如下有益效果：
1)本发明采用等离子体诱导方法产生的原位转变层，有效提高了膜基结合力；并且与在原位转变层上继续生长的非晶碳基薄膜表层共同作用，形成一种在聚醚醚酮塑料基体上具有机械和摩擦适应性的非晶碳基薄膜，利用原位转变层和基体间高的膜基结合力和非晶碳基薄膜较高的硬度、良好的减摩抗磨性能和优异的化学惰性，大幅度提高了非晶碳基薄膜材料优异摩擦学性能的稳定发挥；
2)本发明提供的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜具有良好的膜基结合强度及良好的力学性能和摩擦适应性，能使聚醚醚酮塑料基体在苛刻工况环境下具体高结合力、良好减摩抗磨性能，在不改变聚醚醚酮基体材料本身特性的基础上，大幅度提高了表面硬度和减摩抗磨性能，有效保障了各种苛刻工况条件下对聚醚醚酮基体材料的功能防护作用，能够有效解决聚醚醚酮表面非晶碳基薄膜材料优异防护得以充分发挥的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施例中制得的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的结构示意图。
图2是本发明实施例1中制得的等离子体诱导原位生长的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜在载荷作用下的FIB截面形貌图。
图3是本发明实施例1中制得的等离子体诱导原位生长的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜和基体的结合力测试图。
图4是本发明实施例1中制得的等离子体诱导原位生长的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜和原始聚醚醚酮样品的纳米硬度和弹性模量对比图。
图5a-图5c是本发明实施例1中制得的等离子体诱导原位生长的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜和原始聚醚醚酮样品在真空、大气和海水环境下的摩擦系数对比和磨损轮廓对比图。
图6是本发明对照例1中未处理过的聚醚醚酮基体表面形貌图。
图7是本发明对照例1中制得的经一次处理后的聚醚醚酮基体表面形貌图。
图8是本发明实施例1中制得的等离子体诱导原位生长的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的表面形貌图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践发现，通过等离子体连续作用诱发聚醚醚酮聚合物碳结构向非晶碳结构原位转变，并进而在原位转变结构后实现非晶碳基薄膜外延生长具有重大意义，是实现聚醚醚酮基体表面获得具有良好结合强度的非晶碳基薄膜的关键，并且是解决聚醚醚酮表面非晶碳基薄膜材料优异摩擦学性能得以充分发挥难题的先决条件。
因此，本案发明人得以提出本发明的技术方案，其主要是将位于基体表面的薄膜设计为由聚醚醚酮表面聚合物链中碳结合形式向非晶碳形式的转变层(即等离子体诱导原位转变层)和非晶碳基薄膜表层形成的结构，利用原位转变层和基体间高的膜基结合力和非晶碳基薄膜较高的硬度、良好的减摩抗磨性能和优异的化学惰性，大幅度提高了非晶碳基薄膜材料优异摩擦学性能的稳定发挥。
如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜，其包括形成于聚醚醚酮(PEEK)基体表面的在厚度方向上依次层叠的等离子体诱导原位转变层和非晶碳基薄膜表层。
进一步地，所述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜自基体表面起，依次包含等离子体诱导原位转变层和非晶碳基薄膜表层。
在一些优选实施例中，所述等离子体诱导原位转变层的厚度为10～100nm。
在一些优选实施例中，所述非晶碳基薄膜表层的厚度为500～2000nm。
进一步地，所述聚醚醚酮基体服役在空间真空、大气及海洋环境下，所述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜在真空环境下的摩擦系数为0.02～0.06，在大气环境下的摩擦系数为0.18～0.28，在海水环境下的摩擦系数为0.16～0.24。
进一步地，本发明的等离子体诱导原位生长的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜具有良好的力学性能和摩擦学性能，具体如下：
(a)力学性能测试
采用MTS Nano-Indenter G200纳米压痕仪系统和CSM划痕仪测试本发明等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜的纳米硬度和弹性模量和膜基结合强度；
测试结果：本发明聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的纳米硬度为12～18Gpa，弹性模量为90～98Gpa，与聚醚醚酮基体的膜基结合强度为12～20N。所述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜经结合力测试后，其截面非晶碳层区域呈层状特征并具有一定的基底结构复制性，表面呈开裂但不剥落的特征。
(b)摩擦磨损性能测试
采用CSM真空摩擦磨损试验机对本发明等离子体诱导原位生长的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜在真空、大气和海水环境下的摩擦系数和磨损率进行评价，具体实验条件为：采用球-盘往复滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的GCr15钢球，滑动长度为5mm，频率为5Hz，载荷为3N，滑动距离为180m。
测试结果：本发明等离子体诱导原位生长的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜在真空、大气和海水环境下的平均摩擦系数分别为0.02～0.06、0.18～0.28和0.16～0.24；磨损率分别为5×10-15～5×10-14m3/N·m、9×10-17～5×10-16m3/N·m和8×10-17～5×10-16m3/N·m。
因此，本发明的等离子体诱导原位生长的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜具有良好的膜基结合强度，在不改变聚醚醚酮基体材料本身特性的基础上，大幅度提高了表面硬度和减摩抗磨性能，有效保障了各种苛刻工况条件下对聚醚醚酮基体材料的功能防护作用。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系一种聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的制备方法，其包括：
采用等离子体诱导方法，在聚醚醚酮基体表面生长等离子体诱导原位转变层；
以及，在所述等离子体诱导原位转变层表面类外延生长形成非晶碳基薄膜表层，获得聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜。
在一些实施方案中，所述制备方法包括：
采用惰性等离子体对聚醚醚酮基体表面进行一次处理；
以烃类等离子体对一次处理后的聚醚醚酮基体进行二次处理，从而在所述聚醚醚酮基体表面形成等离子体诱导原位转变层，同时也在所述等离子体诱导原位转变层表面类外延生长形成非晶碳基薄膜表层。
其中，本发明的等离子体诱导原位生长非晶碳薄膜的生长机理主要包括以下三部分：
1.惰性等离子体对聚醚醚酮表面进行处理，断链、重组、小程度的交联创造一种更适合功能化的环境(带有一些碎片化的链段结构)。——一次处理(亦可称为预处理、一次改造)
2.烃类等离子体(含一些自由基、电子、离子、激发态的原子)对惰性等离子体作用的区域进行功能化(进一步断链，发生一些加成/取代/开环反应)，相当于两个不同化学环境的碳互相掺杂(成键，或者以某种作用力结合)的过程。在此期间，发生更深层次的交联，饱和，最后，产生明显界面，这一部分也就是原位转变。经持续等离子体作用，使得聚醚醚酮表面聚合物链中碳结合形式逐步向非晶碳结合形式转变。——二次处理(亦可称为二次改造)
3.在上述界面上发生非晶碳的类外延生长。
在一些实施方案中，所述制备方法具体包括：向反应腔室内通入惰性气体，以灯丝离子源对惰性气体进行离化，并对固定聚醚醚酮基体的金属背板转架施加偏压从而进行所述的一次处理，所述一次处理的工艺条件包括：基体偏压为-100～-400V，惰性气体流量为25～60sccm，所述一次处理的时间为10～25min。
在一些实施方案中，所述制备方法具体包括：向所述反应腔室内通入烃类气体作为工作气体，以偏压电源对工作气体进行离化，形成烃类等离子体，从而诱导聚醚醚酮基体表面原位转变形成等离子体诱导原位转变层，以及同时在所述等离子体诱导原位转变层表面类外延生长形成非晶碳基薄膜表层，所述二次处理的工艺条件包括：离子源电流在5A以下，基体偏压为-500～-1000V，工作气体流量为300～700sccm，烃类等离子体诱导薄膜生长过程中反应腔室气压范围为0.1～1Pa。
在本发明所述的二次处理中，在反应腔室内通烃类气体生长非晶碳基薄膜，而在这个过程包括初期(即二次处理的过程)，后期(类外延生长非晶碳基薄膜表层的过程)。亦即，在一个工艺条件下，发生的两个不同特征的过程。这里对时间的范围要求，严格来说，时间不能太短(这个时间指的是在反应腔室里通烃类气体的时间，而且其实也受其他工艺条件的影响，具体时间的长短还要综合根据形成的等离子体诱导原位转变层和非晶碳基薄膜表层的厚度来考量。
进一步地，所述惰性气体包括氩气，但不限于此。
进一步地，所述烃类气体包括烷烃类气体、烯烃类气体和炔烃类气体等中的任意一种或两种以上的组合，例如，烷烃类气体可以是甲烷(CH4)，烯烃类气体可以是乙烯(C2H4)，炔烃类气体可以是乙炔(C2H2)，但不限于此。
进一步地，所述烃类等离子体为烃类气体经偏压电源离化所产生的等离子体。
进一步地，所述制备方法还包括：在对所述聚醚醚酮基体表面进行二次处理之前，先对所述聚醚醚酮基体表面进行清洗，并将反应腔室抽真空至真空度在3×10-5Pa以下。
进一步地，所述制备方法还包括：所施加偏压的对象为固定聚醚醚酮基体的金属背板转架，以此通过电磁场来诱导高能等离子体粒子对聚醚醚酮基体进行轰击。
其中，在一些更为具体的实施案例之中，所述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的制备方法是采用等离子辅助化学气相沉积，具体包括如下步骤：
(1)将聚醚醚酮基体表面清洗处理后放置于真空腔室中，真空室预抽真空，作为优选，真空腔室预抽真空至5×10-3Pa以下；
(2)将真空室内通入氩气等离子体，并开启灯丝离子源电源离化氩气，对基体施加偏压从而预处理基体表面，作为优选，偏压为-100～-400V，流量为25～60sccm，时间10～25min；
(3)通入烃类气作为工作气体，开启偏压电源，调节气压，诱导PEEK表面原位生长非晶碳基薄膜，作为优选，烃类气体主要包含烷烃类气体、烯烃类气体和炔烃类气体，离子源电流在5A以下，偏压为-500～-1000V，流量为300～700sccm。
进一步地，所述偏压电源为直流电源。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系由前述方法制备的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系前述的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜在聚醚醚酮基体材料表面防护领域中的用途。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系一种装置，包括聚醚醚酮基体材料，所述聚醚醚酮基体材料上还设置有前述的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜。
综上，藉由上述技术方案，本发明提供的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜具有良好的膜基结合强度及良好的力学性能和摩擦适应性，能使聚醚醚酮塑料基体在苛刻工况环境下具体高结合力、良好减摩抗磨性能，在不改变聚醚醚酮基体材料本身特性的基础上，大幅度提高了表面硬度和减摩抗磨性能，有效保障了各种苛刻工况条件下对聚醚醚酮基体材料的功能防护作用，能够有效解决聚醚醚酮表面非晶碳基薄膜材料优异防护得以充分发挥的难题。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。
实施例1
本实施例中，基体材质为纯聚醚醚酮。
该基体表面的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜组成为：自基体表面起，依次为厚度为50nm的连续等离子体诱导的原位转变层和在其上厚度为1.61μm类外延生长的非晶碳基薄膜表层，结构如图1所示。
该聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)基体表面清洗除污
将聚醚醚酮基体置于丙酮溶液中超声清洗10min，氮气吹干后，再置于无水乙醇溶液中清洗15min，氮气吹干。
步骤(2)等离子体辅助化学气相沉积：氩等离子体预处理
将步骤(1)处理后的聚醚醚酮基体置于真空腔室中，预抽真空至5×10-3Pa以下，在偏压为-200V，氩气流量为35sccm的条件下，氩等离子体处理10分钟。
步骤(3)等离子体辅助化学气相沉积：乙炔等离子体生长非晶碳膜
在工作气压为0.5Pa，基体偏压为-700V，乙炔流量为300sccm，离子源电流为1A的条件下，对经氩等离子体表面活化后的聚醚醚酮，进行120min的乙炔等离子体持续轰击，产生连续等离子体诱导的原位转变层和在其上类外延生长的非晶碳基薄膜表层。
本案发明人还对本实施例所获聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜进行了如下测试：
(1)结构和成分测试：
测试结果：试样表面薄膜呈黑灰色，表面致密光亮，在载荷作用下的FIB截面形貌图如图2所示，呈现清晰的连续等离子体诱导的原位转变层和在其上类外延生长的非晶碳表层。
(2)力学性能测试：
采用MTSNano-Indenter G200纳米压痕仪系统和CSM划痕仪测试上述制得的等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜的纳米硬度、弹性模量和膜基结合力。
测试结果可参阅图3-图4所示，上述制得的等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜的硬度约为14.07Gpa，弹性模量约为94.8Gpa，膜基结合力约为15.11N。
(3)摩擦学性能测试：
采用CSM真空摩擦磨损试验机对上述制得的等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜在真空、大气和海水环境下的摩擦系数和磨损率进行评价，具体实验条件为：采用球-盘往复滑动方式，摩擦对偶球为Φ6mm的GCr15钢球，滑动长度为5mm，频率为5Hz，载荷为3N，滑动距离为180m。
测试结果可参阅图5a-图5c所示，上述制得的等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜在真空、大气和海水环境下的平均摩擦系数分别约为0.029、0.26和0.22，磨损率分别约为2.17×10-14m3/N·m、4.97×10-16m3/N·m和4.02×10-16m3/N·m。
实施例2
本实施例中，基体材质为纯聚醚醚酮。
该基体表面的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜组成为：自基体表面起，依次为厚度为50nm的连续等离子体诱导的原位转变层和在其上厚度为1.93μm类外延生长的非晶碳基薄膜表层，结构可参考图1所示。
该聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)基体表面清洗除污
该步骤与实施例1中的步骤(1)相同；
步骤(2)等离子体辅助化学气相沉积：氩等离子体预处理
该步骤与实施例1中的步骤(2)相同；
步骤(3)等离子体辅助化学气相沉积：乙炔等离子体生长非晶碳膜
在工作气压为0.5Pa，基体偏压为-1000V，乙炔流量为300sccm，离子源电流为1A的条件下，对经氩等离子体表面活化后的聚醚醚酮，进行120min的乙炔等离子体持续轰击，产生连续等离子体诱导的原位转变层和在其上类外延生长的非晶碳基薄膜表层。
本案发明人还对本实施例所获聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜进行了如下测试：
(1)结构和成分测试：
测试结果：试样表面薄膜呈黑灰色，表面致密光亮，在载荷作用下的FIB截面形貌图类似如图2所示，呈现清晰的连续等离子体诱导的原位转变层和在其上类外延生长的非晶碳表层。
(2)力学性能测试：
测试方法与实施例1中的测试方法完全相同。
测试结果：上述制得的等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜的硬度约为19.5Gpa，弹性模量约为91.2Gpa，膜基结合力约为17.29N。
(3)摩擦学性能测试：
测试方法与实施例1中的测试方法完全相同。
测试结果：上述制得的等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜在真空、大气和海水环境下的平均摩擦系数分别为0.036、0.24和0.19，磨损率分别为7.41×10-14m3/N·m、1.38×10-16m3/N·m和9.56×10-17m3/N·m。
实施例3
本实施例中，基体材质为纯聚醚醚酮。
该基体表面的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜组成为：自基体表面起，依次为厚度为50nm的连续等离子体诱导的原位转变层和在其上厚度为1.49μm类外延生长的非晶碳基薄膜表层，结构可参考图1所示。
该聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)基体表面清洗除污
该步骤与实施例1中的步骤(1)相同；
步骤(2)等离子体辅助化学气相沉积：氩等离子体预处理
该步骤与实施例1中的步骤(2)相同；
步骤(3)等离子体辅助化学气相沉积：乙炔等离子体生长非晶碳膜
在工作气压为0.5Pa，基体偏压为-500V，乙炔流量为300sccm，离子源电流为1A的条件下，对经氩等离子体表面活化后的聚醚醚酮，进行120min的乙炔等离子体持续轰击，产生连续等离子体诱导的原位转变层和在其上类外延生长的非晶碳基薄膜表层。
本案发明人还对本实施例所获聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜进行了如下测试：
(1)结构和成分测试：
测试结果：试样表面薄膜呈黑灰色，表面致密光亮，在载荷作用下的FIB截面形貌图类似如图2所示，呈现清晰的连续等离子体诱导的原位转变层和在其上类外延生长的非晶碳表层。
(2)力学性能测试：
测试方法与实施例1中的测试方法完全相同。
测试结果：上述制得的等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜的硬度约为13.5Gpa，弹性模量约为96.9Gpa，膜基结合力约为15.03N。
(3)摩擦学性能测试：
测试方法与实施例1中的测试方法完全相同。
测试结果：上述制得的等离子体诱导原位生长的非晶碳基薄膜在真空、大气和海水环境下的平均摩擦系数分别约为0.025、0.19和0.24，磨损率分别约为8.23×10-15m3/N·m、1.08×10-16m3/N·m和9.55×10-16m3/N·m。
实施例4
本实施例中，基体材质为纯聚醚醚酮。
该基体表面的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜组成为：自基体表面起，依次为厚度为10nm的连续等离子体诱导的原位转变层和在其上厚度为500nm类外延生长的非晶碳基薄膜表层。
该聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)基体表面清洗除污
将聚醚醚酮基体置于丙酮溶液中超声清洗10min，氮气吹干后，再置于无水乙醇溶液中清洗15min，氮气吹干。
步骤(2)等离子体辅助化学气相沉积：氩等离子体预处理
将步骤(1)处理后的聚醚醚酮基体置于真空腔室中，预抽真空至5×10-3Pa以下，在偏压为-100V，氩气流量为25sccm的条件下，氩等离子体处理15分钟。
步骤(3)等离子体辅助化学气相沉积：甲烷等离子体生长非晶碳膜
在工作气压为0.1Pa，基体偏压为-600V，甲烷流量为500sccm，氩气流量为300sccm，离子源电流为5A的条件下，对经氩等离子体表面活化后的聚醚醚酮，进行30min的甲烷等离子体持续轰击，产生连续等离子体诱导的原位转变层和在其上类外延生长的非晶碳基薄膜表层。
实施例5
本实施例中，基体材质为纯聚醚醚酮。
该基体表面的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜组成为：自基体表面起，依次为厚度为100nm的连续等离子体诱导的原位转变层和在其上厚度为2μm类外延生长的非晶碳基薄膜表层。
该聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)基体表面清洗除污
将聚醚醚酮基体置于丙酮溶液中超声清洗10min，氮气吹干后，再置于无水乙醇溶液中清洗15min，氮气吹干。
步骤(2)等离子体辅助化学气相沉积：氩等离子体预处理
将步骤(1)处理后的聚醚醚酮基体置于真空腔室中，预抽真空至5×10-3Pa以下，在偏压为-400V，氩气流量为60sccm的条件下，氩等离子体处理25分钟。
步骤(3)等离子体辅助化学气相沉积：乙烯等离子体生长非晶碳膜
在工作气压为1Pa，基体偏压为-800V，乙烯流量为700sccm，离子源电流为3A的条件下，对经氩等离子体表面活化后的聚醚醚酮，进行100min的乙烯等离子体持续轰击，产生连续等离子体诱导的原位转变层和在其上类外延生长的非晶碳基薄膜表层。
经测试，实施例4和5所获产品的结构和性能与实施例1基本一致。
对照例1
本对照例与实施例1的区别之处在于：缺少步骤(3)，即纯聚醚醚酮基体仅经过一次处理，亦即，纯聚醚醚酮基体仅经过氩气等离子体预处理。
本对照例的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)基体表面清洗除污
将聚醚醚酮基体置于丙酮溶液中超声清洗10min，氮气吹干后，再置于无水乙醇溶液中清洗15min，氮气吹干。
步骤(2)等离子体辅助化学气相沉积：氩等离子体预处理
将步骤(1)处理后的聚醚醚酮基体置于真空腔室中，预抽真空至5×10-3Pa以下，在偏压为-200V，氩气流量为35sccm的条件下，氩等离子体处理10分钟。
本案发明人还对该对照例所获聚醚醚酮基体及未经一次处理的纯聚醚醚酮基体进行了表面结构测试：
测试结果：如图7所示，仅经氩气等离子体处理的聚醚醚酮基体表面呈现一种无规则孔洞状及大范围的长条蚀坑状形貌特征，相较于图6所示未经处理的原始聚醚醚酮基体表现出较为光滑的形貌特征，表现出明显的差异性。同时，相较于图8所示实施例1中所获聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的团簇状的颗粒状形貌特征，亦表现出明显差异。而仅经氩气等离子体处理的聚醚醚酮基体表面所呈现的形貌特征也符合高能氩气等离子体对纯聚醚醚酮基体表面的无序刻蚀作用。
对于对照例1所获仅经氩气等离子体处理的聚醚醚酮基体，由于其属于实施例1所获聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜中工序的前部分，尚不构成一个完整的工艺。因此，对于所获样品性能表现较实施例1中所获样品性能差距显著。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (10)

1.一种聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜，其特征在于包括形成于聚醚醚酮基体表面的在厚度方向上依次层叠的等离子体诱导原位转变层和非晶碳基薄膜表层。
2.根据权利要求1所述的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜，其特征在于：所述等离子体诱导原位转变层的厚度为10～100nm；和/或，所述非晶碳基薄膜表层的厚度为500～2000nm。
3.根据权利要求1所述的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜，其特征在于：所述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜在真空环境下的摩擦系数为0.02～0.06，在大气环境下的摩擦系数为0.18～0.28，在海水环境下的摩擦系数为0.16～0.24；和/或，所述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜与聚醚醚酮基体的膜基结合强度为12～20N；和/或，所述聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的纳米硬度为12～18Gpa，弹性模量为90～98Gpa。
4.如权利要求1-3中任一项所述的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜的制备方法，其特征在于包括：
采用等离子体诱导方法，在聚醚醚酮基体表面生长等离子体诱导原位转变层；
以及，在所述等离子体诱导原位转变层表面类外延生长形成非晶碳基薄膜表层，获得聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于包括：
采用惰性等离子体对聚醚醚酮基体表面进行一次处理；
以烃类等离子体对一次处理后的聚醚醚酮基体进行二次处理，从而在所述聚醚醚酮基体表面形成等离子体诱导原位转变层，同时也在所述等离子体诱导原位转变层表面类外延生长形成非晶碳基薄膜表层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于具体包括：向反应腔室内通入惰性气体，以灯丝离子源对惰性气体进行离化，并对聚醚醚酮基体施加偏压从而进行所述的一次处理，所述一次处理的工艺条件包括：基体偏压为-100～-400V，惰性气体流量为25～60sccm，所述一次处理的时间为10～25min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于具体包括：向所述反应腔室内通入烃类气体作为工作气体，以偏压电源对工作气体进行离化，形成烃类等离子体，从而诱导聚醚醚酮基体表面原位转变形成等离子体诱导原位转变层，以及同时在所述等离子体诱导原位转变层表面类外延生长形成非晶碳基薄膜表层，所述二次处理的工艺条件包括：离子源电流在5A以下，基体偏压为-500～-1000V，工作气体流量为300～700sccm，反应腔室气压为0.1～1Pa。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：所述惰性气体包括氩气；和/或，所述烃类气体包括烷烃类气体、烯烃类气体和炔烃类气体中的任意一种或两种以上的组合，优选的，所述烷烃类气体包括甲烷，所述烯烃类气体包括乙烯，所述炔烃类气体包括乙炔；
和/或，所述制备方法还包括：在对所述聚醚醚酮基体表面进行二次处理之前，先对所述聚醚醚酮基体表面进行清洗，并将反应腔室抽真空至真空度在3×10-5Pa以下。
9.权利要求1-3中任一项所述的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜在聚醚醚酮基体材料表面防护领域中的用途。
10.一种装置，包括聚醚醚酮基体材料，其特征在于：所述聚醚醚酮基体材料上还设置有权利要求1-3中任一项所述的聚醚醚酮表面防护用非晶碳基薄膜。
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