CN1802449A - 氧化铜薄膜低摩擦材料及其成膜方法 - Google Patents

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Abstract

本申请的发明涉及在成膜用基板上由等离子沉积形成以CuO为主的氧化铜薄膜，并可显著低地控制其摩擦系数。

Description

氧化铜薄膜低摩擦材料及其成膜方法
技术领域
本申请的发明涉及氧化铜薄膜低摩擦材料及其成膜方法。更进一步说，本申请的发明涉及在大气成超高真空中的摩擦系数被控制得低的氧化铜薄膜低摩擦材料及其成膜方法。
背景技术
在高温、高湿中高速旋转的涡轮与在宇宙空间站的驱动装置等的极限环境下被驱动的机器与装置的场合，作为构成这些装置的材料必须是低摩擦材料，但是在这些环境下，存在暴露在高温、高湿环境中导致的材料氧化以及原子态氧对材料的冲撞导致的摩擦系数增大这些问题。由于氧化恶化而导致摩擦系数的增大。
可以考虑使用是氧化物并且摩擦性低的材料作为解决这个问题的方法，但是实际上，实际情况是这样的氧化物材料几乎还没有发现。
例如，对于作为原材料非常便宜而且容易操作的铜氧化物，即使在由表面氧化而形成氧化铜的场合，由于该物质在大气中和真空中的摩擦系数大约大于等于0.2，因此认为将其作为低摩擦材料使用是困难的。以前报道的物质的摩擦系数实际上在大气中为1.6，在真空中为0.4(文献1)。
但是，如果可以实现使用氧化物薄膜为低摩擦材料，那么就可以使用非常便宜的原材料，而且由于薄膜为氧化物而不用担心氧化导致的摩擦系数的增大，因此可以期待将其用于电力领域、航空航天领域等各种各样的领域。
文献1：J.R.Whitehead，Proc.Roy.Soc.，A210(1950)109
因此，本申请的发明为借鉴于上述现有技术的产品，作为本申请的发明的目的是提供可容易地形成具有低摩擦系数的薄膜的新技术手段。
发明内容
作为解决上述课题的方法，第1，本申请的发明提供一种氧化铜薄膜低摩擦材料的成膜方法，其特征在于：在成膜用基板上，在真空减压下，由等离子沉积形成以CuO为主的氧化铜薄膜。
第2，本申请的发明提供一种上述氧化铜薄膜低摩擦材料的成膜方法，其特征在于：在导入稀有气体和氧气的混合气体后形成氧化铜薄膜；第3，提供一种成膜方法，其特征在于：使氧化铜薄膜结晶取向；第4，提供一种成膜方法，其特征在于：使用CuO作为靶材进行等离子溅射成膜。
此外，第5，本申请的发明提供一种氧化铜薄膜低摩擦材料，其特征在于：是一种基板上的氧化铜薄膜，其组成以CuO为主，在大气中和3×10-5Pa的真空减压中的摩擦系数都小于等于0.06；进一步，第6，本申请的发明提供一种氧化铜薄膜低摩擦材料，其特征在于：该材料为等离子沉积形成的薄膜；第7，本申请的发明提供一种氧化铜薄膜低摩擦材料，其特征在于：使氧化铜薄膜结晶取向；以及第8，本申请的发明提供一种滑动装置，其特征在于：其滑动面涂覆上述氧化铜薄膜。
现有技术中，由于铜氧化物在大气中和真空中的摩擦系数大而完全不被视作低摩擦材料，而本申请的发明人详细研究了等离子沉积中的CuO、Cu2O、Cu这3个成份的组成变化和由X射线结构分析而得到的晶体生长方向、结晶性等结构因子的变化与摩擦特性之间的关系。本申请的发明是以这样详细研究的结果而获得的认识为基础的。本申请的发明提供了一种从现有的知识和经验完全不能预期，具有低摩擦系数的氧化铜薄膜。关于该氧化铜特别指出的是：在大气中也好，在宇宙空间等的超高真空环境中也好，该氧化铜薄膜都提供了具有极低水平，例如小于等于0.06的摩擦系数的产品。具有这样低摩擦系数的氧化铜薄膜作为精密机器、宇宙相关机器等的滑动面的覆盖层极为有用。此外，按照本申请的发明不仅可以改变摩擦特性，而且可以改变电特性、光学特性等各种特性。
附图说明
图1为不同氧浓度下的X射线衍射光谱。
图2为使用不锈钢压头时，在大气中和超高真空中的氧化铜薄膜的摩擦系数变化的示意图。
图3为使用蓝宝石压头时，在大气中和超高真空中的氧化铜薄膜的摩擦系数变化的示意图。
图4为用不锈钢压头进行10次摩擦循环试验的平均摩擦系数值与氧浓度之间关系的示意图。
图5为用蓝宝石压头进行10次摩擦循环试验的平均摩擦系数值与氧浓度之间关系的示意图。
具体实施方式
本申请的发明为具有如上所述特征的产品，以下对其具体实施方式进行说明。
在本申请的发明的氧化铜薄膜的成膜方法中，在成膜用基板上等离子气相沉积形成以CuO为主的氧化铜薄膜。
等离子沉积可以实施已知的溅射法和离子电镀等的所谓减压(真空)下的被称为低温等离子的方法。例如磁控管溅射、高频激发离子电镀等方法。另外，在使用蒸发源物质的场合，这些物质可以采用电阻加热和离子束照射等进行蒸发。还可以采用激光烧蚀法。
本申请的发明的氧化铜薄膜的成膜方法采用例如上述等离子沉积的手段，在真空减压下进行成膜。这时，对于真空度，通常考虑在1×10-3Pa～1×10-6Pa的范围，优选为1×10-4Pa～1×10-6Pa的真空度。
将等离子沉积用的真空槽内抽成如上所述的真空度后，为了等离子沉积，导入稀有气体或者稀有气体和氧气的混合气体后进行等离子放电。等离子沉积时的上述真空度、混合气体中氧气的浓度、还有为生成等离子的RF(高频)电流、基板和靶之间的距离、基板强度等操作条件可以在等离子沉积形成以CuO为主的氧化铜薄膜时适当决定。优选地，这些条件使得成膜后的氧化铜薄膜在大气中或真空减压中的摩擦系数在不超过0.1的范围内。如果摩擦系数大于等于0.1，特别从真空减压下的摩擦系数的角度考虑是不优选的。
氧浓度为0％，也就是说稀有气体为100％也可，但是例如在下述的实施例的情况下，使得在大气中和真空减压下，特别是可作为指标所示的在1×10-5Pa的真空下的摩擦系数都小于等于0.06，使得两种情况下的摩擦系数之间的差异最小，例如优选氧浓度为3～20％的分压范围。
本申请的发明的如此出色的低摩擦系数的氧化铜薄膜，其组成以CuO为主。虽然混入Cu2O、Cu也可，但是其组成优选由大于等于90摩尔％的CuO、更进一步实质上只由CuO构成。此外，本申请的发明的CuO薄膜的特征还在于其晶体结构具有各向异性和基板取向性。
对于和氧气一起导入真空槽内的稀有气体，可以是氩、氦、氙、氪等。
另外，对于本申请的发明的基板可以使用导电体、绝缘体、半导体之中的各种产品，其形态可以为平板状、曲面状、凹凸异形状，以及其它各种形状的产品。
具体的说，作为适宜的方法例如等离子溅射法，此时例如使用CuO作为靶材。
虽然本申请的发明是具有以上特征的产品，但是下面仍然通过实施例的示范进一步具体说明。当然不能根据以下的实施例对本申请的发明进行限制。
而且，在本申请的发明中，在以下实施例的说明中也同样，摩擦系数的测定方法依照M.Goto，et al.，J.Vac.Sci.Technol.，A20(4)(2002)1458中所记载的公知方法。
实施例
对广泛使用的SUS304不锈钢镜面研磨表面(表面粗糙度约为40nm)实施靶材为CuO的磁控管溅射镀膜。此时的条件如下所示。
溅射靶材：CuO纯度99.9％
真空度：1×10-5Pa
RF功率：100W
基板温度：300K
预溅射时间：5分钟
溅射时间：30分钟
在以上条件下，使氩和氧的混合气体中的氧气浓度在0～100％分压范围内变化，在各种条件下沉积形成氧化铜薄膜。
图1中，例示了氧化浓度(分压％)为(a)0％、(b)6％、(c)35％、(d)100％时的X射线衍射光谱。另外，图2和图3中，例示了分别使用不锈钢压头和蓝宝石压头时，在大气中和超高真空中的氧化铜薄膜的摩擦系数的变化。图中的真空中(3×10-5Pa)表示的是测定摩擦系数时的真空度。
由图1和图2以及图3可知，随着氧浓度的变化CuO的晶体结构不同，由于发现基板取向性的各向异性，形成了摩擦系数显著降低的产品。
图4和图5为例示分别使用不锈钢压头和蓝宝石压头时，进行10次摩擦循环试验的摩擦系数平均值与溅射气体(Ar+O2)中的O2浓度之间相关性的示意图。图中的真空中(3×10-5Pa)表示的是测定摩擦系数时的真空度。
根据图4到图5可知：O2分压小于等于85％时，在大气中和在1×10-5Pa的真空中的摩擦系数都小于等于0.06；而且特别在3～20％分压范围内时，在大气中和在真空中的摩擦系数几乎没有差值。
产业上应用的可能性
如上详细说明的，本申请的发明提供了一种可以将摩擦系数控制得显著低的氧化铜薄膜的成膜方法。
按照本申请的发明的氧化铜薄膜的成膜方法，首次实现了在大气中和超高真空中具有小的摩擦系数的氧化铜薄膜的成膜，另外，由于可以通过使成膜的氧化铜薄膜的组成和结构发生变化而容易地任意控制其摩擦系数，所以可以认为是对制造涡轮、真空遮断器和宇宙驱动材料等的电力领域、航空航天领域用部件的涂覆材料有贡献的材料。另外，本申请的发明的氧化铜薄膜，由于可以避免由氧化引起的摩擦系数的增大，因此可以作为长寿命的低摩擦材料使用，进一步，由于可以根据用途实施摩擦系数不同的涂覆，可以期待其作为涂覆材料的强有力的实用化。

Claims (8)

1.氧化铜薄膜低摩擦材料的成膜方法，其特征在于：在成膜用基板上，在真空减压下，由等离子沉积形成以CuO为主的氧化铜薄膜。
2.按照权利要求1的成膜方法，其特征在于：在导入稀有气体和氧气的混合气体后形成氧化铜薄膜。
3.按照权利要求1或2的成膜方法，其特征在于：使氧化铜薄膜结晶取向。
4.按照权利要求1-3中任一项的成膜方法，其特征在于：使用CuO作为靶材进行等离子溅射成膜。
5.氧化铜薄膜低摩擦材料，其特征在于：是基板上的氧化铜薄膜低摩擦材料，其组成以CuO为主，且在大气中和3×10-5Pa的真空减压中的摩擦系数都小于等于0.06。
6.按照权利要求5的氧化铜薄膜低摩擦材料，其特征在于：其为等离子沉积形成的薄膜。
7.按照权利要求5或6的氧化铜薄膜低摩擦材料，其特征在于：氧化铜薄膜结晶取向。
8.一种滑动装置，其特征在于：其滑动面涂覆有按照权利要求5-7中任一项的氧化铜薄膜低摩擦材料。
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