CN115011918A - 一种非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，由打底层、金属掺杂非晶碳过渡层、非晶碳层、Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层、Cu/Ag共掺杂非晶碳层以及表层无掺杂非晶碳层构成。沉积基底包括钛合金、不锈钢、铝合金、镁合金、轴承钢等材料制成的零部件及相对运动件。本发明提供的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层能够很好的提高空间站运动部件的抗菌特性及润滑特性。

Description

一种非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层
技术领域
本发明涉及空间环境用润滑减摩涂层技术领域，特别涉及一种空间居留舱环境反作用轮、陀螺仪、齿轮、泵、传动装置、密封装置等涉及相对运动部件表面抗菌耐磨固体润滑复合膜层的制备方法。。
背景技术
为满足我国空间资源探索和深空探测的需求，空间站的建立健全能够为我国提供更好的平台和基础，空间站搭建工作也在稳步推进过程中。载人空间站为航天员长期驻留创造的良好环境，同样也为微生物的滋生提供了有利条件。致病微生物会导致航天员生病；真菌和霉菌会腐蚀和降解空间站的各种材料，导致空间站设备故障，出现平台失效和密封 性下降等风险。航天员长期处在空间辐射环境下，自身免疫力会有所降低，空间站材料的性能会退化，而微生物的活性却会得到增强，对人体和空间站的危害性将逐渐增大。因此，微生物控制成为空间站工程设计中的一项重要工作，同时也是一项伴随空间站长期运行的持续性工作，它需要随时了解和掌握微生物的演变及规律，不断地改进和更新控制措施。
在国际空间站上发现的主要致病细菌有葡萄球菌、链球菌和微球菌等。表皮葡萄球菌和人型葡萄球菌可引起皮肤感染、内脏组织器官感染及全身感染，使人体发生化脓性炎症、蜂窝织炎、菌血症等；而链球菌中的肺炎链球菌会引起航天员肺炎的发生；变型链球菌主要存在于人体牙斑中，是造成航天员牙齿疾病的主要致病菌。此外，微球菌中的藤黄微球菌和变异微球菌作为机会致病菌，寄生于人体皮肤、咽部、眼眼睛，当机体抵抗力下降时，会引起航天员脑膜炎、败血症、脓毒性关节炎、泌尿系统感染等各种感染发生。主要致病真菌有青霉菌、黄曲霉、黑曲霉等。其中青霉菌主要通过气溶胶中的抱子及代谢副产物引起航天员外源性支气管哮喘，还会产生可吸入性青霉毒素，影响肺部的免疫反应，危害航天员的健康。黄曲霉能产生毒性很强的黄曲霉素，可引起急，R性中毒，损伤肝肾和神经组织。研究发现长期接触黄曲霉素与原发性肝癌有直接关系；黑曲霉被航天员吸入后，在人体气道内定植，引起危及人体生命的侵袭性肺曲霉病。
此外，微生物可以附着在各种物质上，只要条件合适，微生物都能够利用水中的有机物生存，产生有机酸，将材料分解。″联盟″飞船停靠半年后的舷窗玻璃，己经被微生物腐蚀得看不清了。″礼炮″-7号空间站带回的一个观察窗，聚四氟乙烯的密封材料被微生物腐蚀了一个孔。和平号空间站结构材料被腐蚀形成了一个2mm的凹陷。这些将会导致结构强度下降，密封性能降低，观察窗无法观察，从而影响空间站的可靠运行，缩短空间站的使用寿命。微生物还会导致设备的故障。电缆、接插件、电路板等受到微生物的腐蚀后会出现短路、断路。国际空间站上曾经有过一台通信设备发生故障后反复查找不出原因，后打开设备机盖，发现设备内部电路板、电缆及接插件长满霉菌，绝缘遭到破坏。空间站的冷凝水中含有丰富的有机物和微生物，非常适合微生物的生长，微生物依托水滴繁殖，分泌出的酸腐蚀冷凝干燥器的材料，造成换热器泄漏。饮用水、收集的废水，以及管路中流动的工质很容易在使用和维修操作中受到微生物的污染，引起饮用水污染、管路堵塞等情况，造成系统故障。严重时将影响航天员和空间站的安全。此外，微生物的生物降解还会加速某些材料的老化，加快材料有害气体的释放，甚至与材料发生生物化学反应，释放出新的种类的有害气体，导致密封舱内有害气体超标，危害航天员的生命安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，以解决现有技术中存在的问题。
本发明的技术方案是：提供一种非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，由打底层、金属掺杂非晶碳过渡层、非晶碳层、Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层、Cu/Ag共掺杂非晶碳层以及表层无掺杂非晶碳层构成；
所述非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层的制备方法为：
S1、沉积碳化钨打底层：
基底表面刻蚀清洗后沉积碳化钨打底层；
S2、沉积金属掺杂非晶碳过渡层：
在所述碳化钨打底层上沉积金属掺杂含量逐渐降低的非晶碳过渡层；
S3、沉积非晶碳层：
在所述金属掺杂非晶碳过渡层上沉积非晶碳层；
S4、沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层：
在所述非晶碳层上沉积Cu/Ag含量逐渐增加的共掺杂非晶碳过渡层；
S5、沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳层：
维持所述共掺杂非晶碳中Cu/Ag含量不变，沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳层；
S6、沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层：
减少Cu/Ag掺杂含量在Cu/Ag共掺杂非晶碳层上沉积Cu/Ag含量逐渐减少的共掺杂非晶碳层；
S7、沉积无掺杂类石墨非晶碳层：
在所述积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层上沉积非晶碳层。
进一步的，所述步骤S2中，金属掺杂非晶碳过渡层的过渡族金属元素为Ti、Cr、W或Cu中的一种。
进一步的，所述步骤S4中，Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层中Cu、Ag元素含量从0开始逐步爬坡递增至稳定值。
进一步的，所述步骤S4中，Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层中Cu元素含量在0-25at.％，Ag元素含量在0-30at.％，Cu、Ag两种元素总含量控制在0-50at.％。
进一步的，整个非晶碳基抗菌耐磨固体润滑复合膜层厚度在0.1-10μm。
进一步的，所述步骤S1中，基体材料选用钛合金、不锈钢、铝合金、镁合金、轴承钢中的一种；
所述步骤S2中，金属掺杂非晶碳过渡层中过渡金属元素含量最终降为0。
进一步的，所述步骤S5中，Cu/Ag共掺杂非晶碳层呈纳米多层结构。
进一步的，所述步骤S3中，所沉积的非晶碳层为不掺杂纯类石墨非晶碳膜层。
进一步的，所述步骤S1中碳化钨打底层厚度在100nm-3μm。
本发明提供的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层能够很好的提高空间站运动部件的抗菌特性及润滑特性。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层结构示意图；
其中：
A：打底层；
B：金属掺杂非晶碳过渡层；
C：非晶碳层；
D：Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层；
E：Cu/Ag共掺杂非晶碳层；
F：表层无掺杂类石墨非晶碳层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
本实施例中，基底表面涂层的制备过程如下：
(1)前处理。将不锈钢基底放入丙酮溶液中，超声清洗15分钟后热风烘干。
(2)装夹及抽真空。将沉积基底置于机架上，并放入沉积设备中，抽真空至2.0×10-3Pa以下。
(3)辉光刻蚀。向腔体充入高纯氩气，对基体进行Ar等离子体刻蚀清洗，偏压为-400V，清洗20分钟。
(4)沉积碳化钨打底层。通过直流磁控溅射对基体沉积一层碳化钨作为打底层，氩气气压为4mTorr，偏压为-80V，碳化钨打底层厚度约为200nm；
(5)沉积Cr掺杂非晶碳过渡层。在Cr打底层上通过直流磁控共溅射Cr靶和石墨靶沉积Cr掺杂非晶碳层，其中Cr靶电流由6A降至0A，石墨靶溅射电流由0A增加到5A，Cr掺杂非晶碳过渡层厚度为500nm。
(6)沉积非晶碳层。通过磁控溅射石墨靶在Cr掺杂非晶碳过渡层上沉积无掺杂非晶碳层，石墨靶电流5A，厚度为200nm。
(7)沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层。通过磁控共溅射石墨靶、Cu靶、Ag靶，在非晶碳层上沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层，石墨靶溅射电流5A，Cu靶和Ag靶溅射电流从0A增加到0.5A，厚度为400nm
(8)沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳层。在Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层上沉积Cu/Ag含量稳定的共掺杂非晶碳层，石墨靶溅射电流5A，Cu靶和Ag靶溅射电流0.5A，厚度为1.5μm。
(9)。在Cu/Ag共掺杂非晶碳层上沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层沉积Cu/Ag含量逐渐减少的共掺杂非晶碳过渡层，石墨靶溅射电流5A，Cu靶和Ag靶溅射电流从0.5A减少到0A，层厚度200nm。
(10)沉积无掺杂非晶碳层。在Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层上沉积非晶碳层，石墨靶溅射电流5A，层厚度100nm。
将所得涂层按照QJ 20505-2016标准，用球-盘摩擦磨损试验机真空条件下与直径4mm的G10级Si3N4球对磨时，摩擦系数为0.12，滑动摩擦寿命为7.0×105r。摩擦实验后对涂层根据GJB150.10A，所述膜层经过84d霉菌实验，评级不超过1级。霉菌实验后，根据GJB2502.5-2006进行紫外辐照处理，经过3000ESH紫外辐照后，再进行84d霉菌实验，评价等级不超过1级。涂层在经滑动摩擦实验6.5×105r后，抗菌等级不降低。
实施例2
本实施例中，基底表面涂层的制备过程如下：
(1)前处理。将不锈钢基底放入丙酮溶液中，超声清洗15分钟后热风烘干。
(2)装夹及抽真空。将沉积基底置于机架上，并放入沉积设备中，抽真空至2.0×10-3Pa以下。
(3)辉光刻蚀。向腔体充入高纯氩气，对基体进行Ar等离子体刻蚀清洗，偏压为-400V，清洗20分钟。
(4)沉积碳化钨打底层。通过直流磁控溅射对基体沉积一层碳化钨作为打底层，氩气气压为4mTorr，偏压为-80V，碳化钨打底层厚度约为200nm；
(5)沉积W掺杂非晶碳过渡层。在W打底层上通过直流磁控共溅射W靶和石墨靶沉积W掺杂非晶碳层，其中W靶电流由3A降至0A，石墨靶溅射电流由0A增加到5A，W掺杂非晶碳过渡层厚度为500nm。
(6)沉积非晶碳层。通过磁控溅射石墨靶在W掺杂非晶碳过渡层上沉积无掺杂非晶碳层，石墨靶电流5A，厚度为200nm。
(7)沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层。通过磁控共溅射石墨靶、Cu靶、Ag靶，在非晶碳层上沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层，石墨靶溅射电流5A，Cu靶和Ag靶溅射电流从0A增加到0.5A，厚度为400nm
(8)沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳层。在Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层上沉积Cu/Ag含量稳定的共掺杂非晶碳层，石墨靶溅射电流5A，Cu靶和Ag靶溅射电流0.5A，厚度为1.5μm。
(9)沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层。在Cu/Ag共掺杂非晶碳层上沉积Cu/Ag含量逐渐减少的共掺杂非晶碳过渡层，石墨靶溅射电流5A，Cu靶和Ag靶溅射电流从0.5A减少到0A，层厚度200nm。
(10)沉积无掺杂非晶碳层。在Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层上沉积非晶碳层，石墨靶溅射电流5A，层厚度100nm。
将所得涂层按照QJ 20505-2016标准，用球-盘摩擦磨损试验机真空条件下与直径4mm的G10级Si3N4球对磨时，摩擦系数为0.12，滑动摩擦寿命为7.0×105r。摩擦实验后对涂层根据GJB150.10A，所述膜层经过84d霉菌实验，评级不超过1级。霉菌实验后，根据GJB2502.5-2006进行紫外辐照处理，经过3000ESH紫外辐照后，再进行84d霉菌实验，评价等级不超过1级。涂层在经滑动摩擦实验7.0×105r后，抗菌等级不降低。
实施例3
本实施例中，基底表面涂层的制备过程如下：
(1)前处理。将不锈钢基底放入丙酮溶液中，超声清洗15分钟后热风烘干。
(2)装夹及抽真空。将沉积基底置于机架上，并放入沉积设备中，抽真空至2.0×10-3Pa以下。
(3)辉光刻蚀。向腔体充入高纯氩气，对基体进行Ar等离子体刻蚀清洗，偏压为-400V，清洗20分钟。
(4)沉积碳化钨打底层。通过直流磁控溅射对基体沉积一层碳化钨作为打底层，氩气气压为4mTorr，偏压为-80V，碳化钨打底层厚度约为1μm；
(5)沉积Cr掺杂非晶碳过渡层。在Cr打底层上通过直流磁控共溅射Cr靶和石墨靶沉积Cr掺杂非晶碳层，其中Cr靶电流由6A降至0A，石墨靶溅射电流由0A增加到5A，Cr掺杂非晶碳过渡层厚度为500nm。
(6)沉积非晶碳层。通过磁控溅射石墨靶在Cr掺杂非晶碳过渡层上沉积无掺杂非晶碳层，石墨靶电流5A，厚度为500nm。
(7)沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层。通过磁控共溅射石墨靶、Cu靶、Ag靶，在非晶碳层上沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层，石墨靶溅射电流5A，Cu靶和Ag靶溅射电流从0A增加到0.5A，厚度为500nm
(8)沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳层。在Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层上沉积Cu/Ag含量稳定的共掺杂非晶碳层，石墨靶溅射电流5A，Cu靶和Ag靶溅射电流0.5A，厚度为1.5μm。
(9)沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层。在Cu/Ag共掺杂非晶碳层上沉积Cu/Ag含量逐渐减少的共掺杂非晶碳过渡层，石墨靶溅射电流5A，Cu靶和Ag靶溅射电流从0.5A减少到0A，层厚度300nm。
(10)沉积无掺杂非晶碳层。在Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层上沉积非晶碳层，石墨靶溅射电流5A，层厚度100nm。
将所得涂层按照QJ 20505-2016标准，用球-盘摩擦磨损试验机真空条件下与直径4mm的G10级Si3N4球对磨时，摩擦系数为0.12，滑动摩擦寿命为7.0×105r。摩擦实验后对涂层根据GJB150.10A，所述膜层经过84d霉菌实验，评级不超过1级。霉菌实验后，根据GJB2502.5-2006进行紫外辐照处理，经过3000ESH紫外辐照后，再进行84d霉菌实验，评价等级不超过1级。涂层在经滑动摩擦实验8.0×105r后，抗菌等级不降低。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (9)

1.一种非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，其特征在于，由打底层、金属掺杂非晶碳过渡层、非晶碳层、Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层、Cu/Ag共掺杂非晶碳层以及表层无掺杂非晶碳层构成；
所述非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层的制备方法为：
S1、沉积碳化钨打底层：
基底表面刻蚀清洗后沉积碳化钨打底层；
S2、沉积金属掺杂非晶碳过渡层：
在所述碳化钨打底层上沉积金属掺杂含量逐渐降低的非晶碳过渡层；
S3、沉积非晶碳层：
在所述金属掺杂非晶碳过渡层上沉积非晶碳层；
S4、沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层：
在所述非晶碳层上沉积Cu/Ag含量逐渐增加的共掺杂非晶碳过渡层；
S5、沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳层：
维持所述共掺杂非晶碳中Cu/Ag含量不变，沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳层；
S6、沉积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层：
减少Cu/Ag掺杂含量，在Cu/Ag共掺杂非晶碳层上沉积Cu/Ag含量逐渐减少的共掺杂非晶碳层；
S7、沉积无掺杂类石墨非晶碳层：
在所述积Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层上沉积非晶碳层。
2.如权利要求1所述的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，其特征在于，所述步骤S2中，金属掺杂非晶碳过渡层的过渡族金属元素为Ti、Cr、W或Cu中的一种。
3.如权利要求2所述的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，其特征在于，所述步骤S4中，Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层中Cu、Ag元素含量从0开始逐步爬坡递增至稳定值。
4.如权利要求2所述的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，其特征在于，所述步骤S4中，Cu/Ag共掺杂非晶碳过渡层中Cu元素含量在0-25at.％，Ag元素含量在0-30at.％，Cu、Ag两种元素总含量控制在0-50at.％。
5.如权利要求1到4中任一项所述的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，其特征在于，整个非晶碳基抗菌耐磨固体润滑复合膜层厚度在0.1-10μm。
6.如权利要求2所述的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，其特征在于，所述步骤S1中，基体材料选用钛合金、不锈钢、铝合金、镁合金、轴承钢中的一种；
所述步骤S2中，金属掺杂非晶碳过渡层中过渡金属元素含量最终降为0。
7.如权利要求2所述的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，其特征在于，所述步骤S5中，Cu/Ag共掺杂非晶碳层呈纳米多层结构。
8.如权利要求2所述的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，其特征在于，所述步骤S3中，所沉积的非晶碳层为不掺杂纯类石墨非晶碳膜层。
9.如权利要求2所述的非晶碳基空间抗菌耐磨固体润滑复合膜层，其特征在于，所述步骤S1中，碳化钨打底层厚度在100nm-3μm。
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