專利名稱：一種磁控濺射鍍膜裝置、納米多層膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種制備納米多層膜的裝置、納米多層膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，真空磁控濺射技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，ー種應(yīng)用是利用真空磁控濺射技術(shù)將類金剛石膜(DLC)鍍覆在基材表面，如醫(yī)療用手術(shù)器材、人體植入類醫(yī)學(xué)材料及工程刀具等等的基材表面，來(lái)顯著提高基材的硬度及耐磨性。但是由于類金剛石膜具有較大的內(nèi)應(yīng)力，與金屬或合金材料的結(jié)合力都不高，在 較高的載荷或載荷沖擊作用下容易出現(xiàn)類金剛石膜破裂或剝落，尤其對(duì)于人體植入類產(chǎn)品，類金剛石膜的剝落會(huì)產(chǎn)生碎屑，會(huì)加劇植入類產(chǎn)品的磨損，降低產(chǎn)品的使用壽命。為了解決上述的問(wèn)題，提出了ー種納米多層薄膜，可以提高基材的耐磨性，増加與基材的結(jié)合力，同時(shí)有助于提高潤(rùn)滑性，如提出的碳/碳化鈦的納米多層膜，將碳/碳化鈦的納米多層膜鍍覆在植入人體類的金屬關(guān)節(jié)頭和白杯的表面上，使關(guān)節(jié)頭和白杯具有優(yōu)異的耐磨性及良好的生物相容性，也具有好的潤(rùn)滑效果，大幅度提高人工關(guān)節(jié)在人體中的壽命O然而，利用目前的磁控濺射鍍膜裝置進(jìn)行多層膜的加工時(shí)，對(duì)電源エ藝上有極高的要求，而受限于目前エ業(yè)體系，很難在エ業(yè)化規(guī)模下實(shí)現(xiàn)精確的控制，很難實(shí)現(xiàn)多層膜的エ業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的g在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，本發(fā)明提出了一種磁控濺射鍍膜
裝置至少包括真空鍍膜室、濺射靶、真空鍍膜室底座上的轉(zhuǎn)架臺(tái)和轉(zhuǎn)架臺(tái)上的エ件架，以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)架臺(tái)繞轉(zhuǎn)架臺(tái)的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)；所述濺射靶設(shè)置在轉(zhuǎn)架臺(tái)周圍并與轉(zhuǎn)架臺(tái)垂直，所述濺射靶包括兩個(gè)第一濺射靶及ー個(gè)第二濺射靶，所述濺射靶位于與轉(zhuǎn)架臺(tái)同心的圓周上，兩個(gè)所述第一濺射靶之間的圓弧為180-240度，所述第二濺射靶等分所述圓??；所述轉(zhuǎn)架臺(tái)上固定設(shè)置有穿過(guò)轉(zhuǎn)架臺(tái)表面的隔板，在垂直于轉(zhuǎn)架臺(tái)方向上，所述隔板的兩端均超出所述濺射靶的兩端?？蛇x地，所述第一濺射靶為石墨靶，所述第二濺射靶為鈦靶或鉭靶?？蛇x地，所述隔板沿著轉(zhuǎn)架臺(tái)的直徑穿過(guò)所述轉(zhuǎn)架臺(tái)，且所述隔板的寬度大于轉(zhuǎn)架臺(tái)的直徑可選地，所述隔板與所述濺射靶所在圓周的間距為2-lOcm。 可選地，所述濺射靶為矩形。可選地，所述隔板的材料為鈦、鋁、不銹鋼或他們的組合。可選地，還包括驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)架臺(tái)繞エ件架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的第二轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。
可選地，所述エ件架通過(guò)支架桿設(shè)置在轉(zhuǎn)架臺(tái)上，同一支架桿上間隔設(shè)置有多個(gè)エ件架?？蛇x地，所述濺射靶設(shè)置在真空鍍膜室的內(nèi)壁上?？蛇x地，兩個(gè)所述第一濺射靶之間的圓弧為180度，所述濺射靶還包括另ー第二濺射靶，兩個(gè)第二 濺射靶相對(duì)設(shè)置，該另ー第二濺射靶為閑置狀態(tài)。此外，本發(fā)明還提供了利用上述磁控濺射鍍膜裝置制備納米多層膜的方法，用于在基材上鍍覆納米多層膜，轉(zhuǎn)架臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，包括第一濺射階段，兩個(gè)第一濺射靶從初始工作電流Il開(kāi)始，每隔第一間隔時(shí)間Tl，所述第一濺射靶的工作電流增加△ II，直到其工作電流為第一預(yù)定電流值；ー個(gè)第二濺射靶從初始工作電流12開(kāi)始，每隔第二間隔時(shí)間T2，所述第二濺射靶的工作電流減少Λ 12，直到其工作電流為第二預(yù)定電流值，所述第一濺射靶和所述第二濺射靶的工作電壓保持不變；第二濺射階段，將第二濺射靶的工作電流設(shè)定并保持在第三預(yù)定電流值，第一濺射靶的工作電流保持在第一預(yù)定電流值或?qū)⒌谝粸R射靶的工作電流設(shè)定并保持在第四預(yù)定電流值，所述第一濺射靶和所述第二濺射靶的工作電壓保持不變，進(jìn)行第二預(yù)定時(shí)長(zhǎng)的濺射；第三濺射階段，將第二濺射靶的工作電流和電壓設(shè)定為零，第一濺射靶的工作電流保持在第二濺射階段的工作電流或者將第一濺射靶的工作電流設(shè)定并保持在第五預(yù)定電流值，進(jìn)行第三預(yù)定時(shí)長(zhǎng)的濺射。可選地，所述初始工作電流Il為O. 5-2. 0Α，所述第一間隔時(shí)間Tl為5_15min，所述Λ Il為O. 5-1. 0Α，所述第一預(yù)定電流值為4. 0-7. 0Α，所述初始工作電流12為4. 0-7. 0Α,第二間隔時(shí)間Τ2為5-15min，所述Λ 12為O. 5-1. 0Α，所述第二預(yù)定電流值為零，所述第一濺射靶的工作電壓為80-120V，所述第二濺射靶的工作電壓為80-130V?？蛇x地，所述第三預(yù)定電流值為O. 5-2. 0Α，所述第二預(yù)定時(shí)長(zhǎng)為120_300min?？蛇x地，所述第五預(yù)定電流值為4. 0-7. 0A，所述第三預(yù)定時(shí)長(zhǎng)為15_20min?？蛇x地，在進(jìn)行第一濺射階段之前，還包括清洗濺射靶的步驟。此外，本發(fā)明還提供了通過(guò)上述方法制備的納米多層膜，包括與基體結(jié)合的碳化鈦和類石墨的過(guò)渡層、所述碳化鈦和類石墨的過(guò)渡層上的復(fù)合層以及所述復(fù)合層上的類金剛石頂層膜，所述復(fù)合層為類石墨層與類金剛石層交替層疊的多層結(jié)構(gòu)，其中，所述石墨層的Sp2含量為60%，所述類金剛石層的Sp3含量為70%，從基體到類金剛石頂層膜的方向上，所述碳化鈦和類石墨的過(guò)渡層中的Ti的質(zhì)量百分比逐漸減小、C的質(zhì)量百分比逐漸増大。可選地,所述碳化鈦和類石墨的過(guò)渡層的厚度為300_500nm?？蛇x地，所述復(fù)合層的厚度為1600_1900nm?？蛇x地，所述類金剛石頂層膜的厚度為lOOnm?？蛇x地，所述納米多層膜中C的質(zhì)量百分比是70%-97. 6%，Ti的質(zhì)量百分比是2. 4-30%ο同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的磁控濺射鍍膜裝置，通過(guò)在轉(zhuǎn)架臺(tái)上設(shè)置隔板，將轉(zhuǎn)架臺(tái)分割為兩個(gè)相互獨(dú)立的區(qū)域，由于隔板在垂直轉(zhuǎn)架臺(tái)方向上兩端均超出濺射靶的兩端，配合濺射靶設(shè)置的位置，在轉(zhuǎn)架臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中的某個(gè)位置上時(shí)，不同區(qū)域上待鍍膜的產(chǎn)品分別僅接受來(lái)自第一濺射靶、第二濺射靶的鍍膜或者僅第一濺射靶的鍍膜，從而在轉(zhuǎn)架臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)多層膜的制備，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)エ藝的控制簡(jiǎn)單，解決了納米多層膜的制備，適宜于エ業(yè)化。利用本發(fā)明的磁控濺射鍍膜裝置及方法，通過(guò)控制不同濺射階段的工作電流及電壓，形成包括過(guò)渡層、類金剛石與類石墨相互交替層疊的復(fù)合層及類金剛石頂層膜的納米多層膜，其與基體具有更好結(jié)合力、潤(rùn)滑性及耐磨性。



本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁控濺射鍍膜裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出了圖I所示的磁控濺射鍍膜裝置的俯視示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的磁控濺射鍍膜裝置的俯視示意圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的與金屬材料結(jié)合的納米多層膜的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果，以下將詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。如圖I、圖2所示，圖I、圖2為本發(fā)明實(shí)施例的磁控濺射鍍膜裝置的立體結(jié)構(gòu)及俯視結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例中的磁控濺射鍍膜裝置包括真空鍍膜室100、轉(zhuǎn)架臺(tái)102、濺射靶、エ件架140，以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)架臺(tái)102繞轉(zhuǎn)架臺(tái)的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)(圖未示出)，當(dāng)然，該裝置還包括其他必要的部件，如加熱裝置、溫控系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及與濺射靶電連接的電源系統(tǒng)等等(圖未示出)。在本實(shí)施例中，所述濺射靶包括兩個(gè)第一濺射靶120a、120b及ー個(gè)第二濺射靶130，這些濺射靶120a、120b、130設(shè)置在與轉(zhuǎn)架臺(tái)102同心的圓周104上，濺射靶所在位置的圓周可以為實(shí)際部件，例如真空鍍膜室100的內(nèi)壁，也可以是虛擬的圓周例如轉(zhuǎn)架臺(tái)與真空鍍膜室之間的任意位置上，其中，兩個(gè)第一濺射靶120a、120b相對(duì)地平行設(shè)置，且將所述圓周104等分，所述第二濺射靶130等分兩個(gè)第一濺射靶120a、120b之間的圓弧，即，兩個(gè)第一濺射靶120a、120b之間的弧度基本為180°，第二濺射靶130與第一濺射靶120a、120b之間的弧度基本為90°，所述第一濺射靶120a、120b可以為某ー種元素的濺射靶，所述第二濺射靶可以為另ー種元素的濺射靶，可以根據(jù)具體需要濺射的產(chǎn)品來(lái)選擇濺射靶的材料，例如，本實(shí)施例中，所述第一濺射靶為石墨靶、所述第二濺射靶為鈦靶，在其他實(shí)施例中，所述第一濺射靶可以為碳靶，所述第二濺射靶還可以為鉭靶等等。在其他實(shí)施例中，兩個(gè)第一濺射靶及及ー個(gè)第二濺射靶在圓周上還可以為設(shè)置為其他角度的間隔設(shè)置，例如，兩個(gè)第一濺射靶120a、120b之間的圓弧(優(yōu)弧)的弧度為180° -240°之間的其他角度，而ー個(gè)第二濺射靶等分所述圓弧，這樣，第二濺射靶與第一濺射靶之間的圓弧的弧度可以在90-120°之間，如圖3所示，第二濺射靶130與第一濺射靶120a、120b之間的圓弧的弧度為120°。在本實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)架臺(tái)102為圓臺(tái)，在所述轉(zhuǎn)架臺(tái)102上固定設(shè)置有隔板110，優(yōu)選地，該隔板110為一直板，隔板的材料可以為鈦、鋁、不銹鋼等或這些材料的組合，所述隔板110穿過(guò)轉(zhuǎn)架臺(tái)的直徑垂直設(shè)置在轉(zhuǎn)架臺(tái)102上，通過(guò)該隔板110將轉(zhuǎn)架臺(tái)102分隔為兩個(gè)相互獨(dú)立的區(qū)域102-1、102-2，在垂直于轉(zhuǎn)架臺(tái)的方向上(Z軸方向)，隔板110的兩端均超出濺射靶120a、120b、130的兩端，這樣，隔板阻擋住某一區(qū)域另一面的濺射靶，可以使該區(qū)域只接受該區(qū)域面對(duì)的濺射靶的鍍膜，更優(yōu)地，為了取得更好的阻擋效果，所述隔板的寬度大于轉(zhuǎn)架臺(tái)的直徑，其中，所述寬度指所述隔板穿過(guò)轉(zhuǎn)架臺(tái)直徑方向的長(zhǎng)度，更優(yōu)地，所述隔板與所述濺射靶所在圓周的間距d為2-lOcm。所述轉(zhuǎn)架臺(tái)102設(shè)置有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)架臺(tái)繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)(圖未示出)，即，轉(zhuǎn)架臺(tái)及隔板隨著轉(zhuǎn)架臺(tái)一起繞轉(zhuǎn)架臺(tái)的中心軸做轉(zhuǎn)動(dòng)。在三個(gè)濺射靶上述設(shè)置的位置情況下，在轉(zhuǎn)架臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到任一位置時(shí)，例如圖2所示位置處，在隔板102的遮擋下，轉(zhuǎn)架臺(tái)的ー個(gè)區(qū)域102-1面對(duì)第一濺射靶120a (如石墨靶)和第二濺射靶130 (鈦靶)，從而該區(qū)域102-1的待鍍膜產(chǎn)品(或基材)上可以鍍覆上碳碳化鈦膜(碳和碳化鈦混合的膜層)，而轉(zhuǎn)架臺(tái)的另ー個(gè)區(qū)域102-2面對(duì)第一濺射靶120b (石墨靶)，從而該區(qū)域102-2的產(chǎn)品上鍍覆上碳膜，而隨著轉(zhuǎn)架臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，不同區(qū)域上的產(chǎn)品將會(huì)層疊的鍍覆上碳碳化鈦膜及碳膜，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上納米多層膜的鍍覆，而通過(guò)調(diào)控轉(zhuǎn)架臺(tái)的轉(zhuǎn)速，可以控制單層膜的厚度，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)エ藝的控制簡(jiǎn)單，解決了多層膜的制備，適宜于エ業(yè)化。在其他實(shí)施例中，所述隔板110還可以垂直設(shè)置在轉(zhuǎn)架臺(tái)的其他位置，也可以為彎折板或其他任意可以將轉(zhuǎn)架臺(tái)分隔為兩個(gè)相互獨(dú)立的區(qū)域的隔板。在本實(shí)施例中，該裝置還具有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)架臺(tái)繞エ件架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的第二轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，也就是說(shuō)，エ件架可以自轉(zhuǎn)，通過(guò)支架桿160在所述轉(zhuǎn)架臺(tái)102上設(shè)置有多個(gè)エ件架140，同一支架桿160上可以間隔設(shè)置多個(gè)エ件架150，來(lái)提高加工效率，エ件架140用來(lái)放置要加工的基材(或產(chǎn)品)150，產(chǎn)品150可以均勻地設(shè)置在エ件架140的圓周上。通過(guò)エ件架的自轉(zhuǎn)，可以使每個(gè)エ件架上的待鍍膜產(chǎn)品上鍍覆的膜層具有較好的均勻性。以上為本發(fā)明較佳實(shí)施例的磁控濺射鍍膜裝置，與該實(shí)施例不同的是，在另ー較佳實(shí)施例中，所述濺射靶為四個(gè)(圖未示出)，設(shè)置在轉(zhuǎn)架臺(tái)的四周，也就是說(shuō)，所述濺射靶包括兩個(gè)第一濺射靶及兩個(gè)第二濺射靶，兩個(gè)第一濺射靶相對(duì)設(shè)置，兩個(gè)第二濺射靶相對(duì)設(shè)置，四個(gè)濺射靶等分圓周，但在進(jìn)行多層膜的制備時(shí)，其中ー個(gè)第二濺射靶并不工作，也就是說(shuō)，兩個(gè)第一濺射靶及ー個(gè)第二濺射靶設(shè)置相應(yīng)的靶電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行靶濺射鍍膜，而另ー個(gè)第二濺射靶并設(shè)置工作電壓電流等條件，不進(jìn)行靶濺射鍍膜，為閑置狀態(tài)。在此實(shí)施例中，雖然設(shè)置了四個(gè)濺射靶，但其中ー個(gè)濺射靶并不進(jìn)行濺射鍍膜。在本發(fā)明中，待鍍膜的基材可以為人體植入類器材，如骨關(guān)節(jié)頭或白杯等，還可以為其他基材，如工程道具等等，基材的材料可以為金屬或合金材料或其他材料等。以上對(duì)本發(fā)明的磁控濺射鍍膜裝置進(jìn)行了詳細(xì)的描述，在進(jìn)行制備時(shí)，根據(jù)具體的需求，進(jìn)行各個(gè)エ藝參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行納米多層膜的制備。為此，本發(fā)明提供了利用上述任一磁控濺射鍍膜裝置在基材上進(jìn)行鍍膜的方法，該方法包括第一濺射階段，兩個(gè)第一濺射靶從初始工作電流Il開(kāi)始，每隔第一間隔時(shí)間Tl，所述第一濺射靶的工作電流增加△ II，直到其工作電流為第一預(yù)定電流值；ー個(gè)第二濺射靶從初始工作電流12開(kāi)始，每隔第二間隔時(shí)間T2，所述第二濺射靶的工作電流減少Λ 12，直到其工作電流為第二預(yù)定電流值，所述第一濺射靶和所述第二濺射靶的工作電壓保持不變；第二濺射階段，將第二濺射靶的工作電流設(shè)定并保持在第三預(yù)定電流值，第一濺射靶的工作電流保持在第一預(yù)定電流值或?qū)⒌谝粸R射靶的工作電流設(shè)定并保持在第四預(yù)定電流值，所述第一濺射靶和所述第二濺射靶的工作電壓保持不變，進(jìn)行第二預(yù)定時(shí)長(zhǎng)的濺射；第三濺射階段，將第二濺射靶的工作電流和電壓設(shè)定為零，第一濺射靶的工作電流保持在第二濺射階段的工作電流或者將第一濺射靶的工作電流設(shè)定并保持在第五預(yù)定電流值，進(jìn)行第三預(yù)定時(shí)長(zhǎng)的濺射。在本發(fā)明的制備方法的實(shí)施例中，都是三個(gè)濺射靶進(jìn)行工作，即兩個(gè)第一濺射靶 和ー個(gè)第二濺射靶工作，在還包括另ー個(gè)第二濺射靶的實(shí)施例中，該第二濺射靶為閑置狀態(tài)，在納米多層膜的制備中，一直不進(jìn)行濺射。在一些實(shí)施例中，磁控濺射鍍膜裝置的第一濺射靶為石墨靶、第二濺射靶為鈦靶，首先將待鍍膜的基材(或待鍍膜的產(chǎn)品)置入真空鍍膜室的エ件架上，并將真空鍍膜室抽真空至2 X IO-4Pa,通入流量為25sCCm的高純氬氣；接著，可以進(jìn)行濺射靶的清洗，可以在所有濺射靶上加O. 4A的電流、500V的電壓，進(jìn)行20分鐘的濺射清洗。而后，進(jìn)行濺射，整個(gè)濺射過(guò)程中，轉(zhuǎn)架臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，待鍍膜的基材也可以自轉(zhuǎn)。具體地，在第一濺射階段，可以將兩個(gè)第一濺射靶的初始工作電流Il設(shè)定為O. 5-2. 0A、工作電壓設(shè)定為80-120V，將ー個(gè)第二濺射靶的初始工作電流12設(shè)定為4. 0-7. 0A、工作電壓設(shè)定為80-130V,對(duì)于兩個(gè)第一派射祀,姆間隔一段時(shí)間如5-15min,其工作電流增加一定的值，如O. 5-1. 0A，直到其工作電流增加到預(yù)定值，例如4. 0-7. 0A，相反地，對(duì)于ー個(gè)第二濺射靶，每間隔一段時(shí)間5-15min，其工作電流減少一定的值，如O. 5_1. 0A，直到其工作電流減小到預(yù)定值，例如0A，也就是說(shuō)，在第一階段的濺射過(guò)程中，第一濺射靶的電流呈階梯式的增長(zhǎng)，第二濺射靶的電流呈階梯式的減少，他們的增加和減少的幅度可以相同或不同，間隔的時(shí)間可以相同或不同，整個(gè)過(guò)程中他們的靶電壓保持不變，這樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的濺射，如50-100min后，可以在金屬材料的產(chǎn)品上沉積300_500nm厚度的TiC和類石墨的過(guò)渡層。由于在此過(guò)程中控制了不同的靶的電流梯度，在靠近金屬材料的層面往上，該過(guò)渡層中Ti的質(zhì)量百分比從較高的含量逐漸減小，而C的質(zhì)量百分比從較低的含量逐漸増大，這樣，可以增加同基材的結(jié)合力，特別是金屬或合金材料的基材，同時(shí)逐漸増加其潤(rùn)滑性。需要說(shuō)明的是，在本發(fā)明中，所述碳化鈦和類石墨的過(guò)渡層指該過(guò)渡層為混合有碳化鈦和類石墨的膜層，也就是說(shuō)，該過(guò)渡層同時(shí)摻有類石墨和碳化鈦。接著，在第二濺射階段，可以將第一濺射靶的工作電流保持在第一濺射階段其最后的預(yù)定值4. 0-7. 0A,當(dāng)然也可以將第一濺射靶的工作電流設(shè)定并保持重新設(shè)定并保持在一個(gè)所需的預(yù)定值，同時(shí)，將第二濺射靶的工作電流設(shè)定并保持在所需的預(yù)定值，如O. 5-2. 0A，并進(jìn)行120-300min的濺射，此過(guò)程中，第一和第二濺射靶的工作電壓保持不變，在此エ藝條件下，形成了 1600-1900nm的復(fù)合層，該復(fù)合層為類石墨層(sp2含量約為60%)與類金剛石層(sp3含量約為70%)交替層疊的多層結(jié)構(gòu)。接著，在第三濺射階段，將第二濺射靶的電壓及電流降低為0，使其不工作，并將兩個(gè)第一濺射靶的電流重新設(shè)定在一個(gè)所需的預(yù)定值，如4. 0-7. 0A,當(dāng)然也可以保持在第二濺射階段的電流，進(jìn)行15-20min的濺射，在此エ藝條件下，在復(fù)合層上単獨(dú)形成了 IOOnm左右的類金剛石頂層膜，類金剛石硬度強(qiáng)，使多層膜具有更好的硬度和耐磨性能。至此，形成了與基材結(jié)合的納米多層膜，該實(shí)施例中，形成的納米多層膜中C的質(zhì)量百分比是70%-97. 6%, Ti的質(zhì)量百分比是2. 4-30%
進(jìn)ー步地，本發(fā)明還提供了上述方法形成的與基材結(jié)合的納米多層膜，參考圖4所示，包括基材200上的TiC和類石墨的過(guò)渡層210、所述過(guò)渡層210上的類金剛石與類石墨相互交替的復(fù)合層212以及所述復(fù)合層212上的類金剛石頂層膜214，其中，所述石墨層的sp2含量為60%，所述類金剛石層的sp3含量為70%，從基材200到類金剛石頂層膜214的方向上，所述過(guò)渡層210中的Ti的質(zhì)量百分比逐漸減小、C的質(zhì)量百分比逐漸増大，所述復(fù)合層212為類石墨層212a與類金剛石層212b交替層疊的多層結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中，對(duì)復(fù)合層212中類石墨層與類金剛石層的層數(shù)不做限定。該納米多層膜的過(guò)渡層與基材結(jié)合的層面具有更高的鈦含量和更低的碳含量，與基材具有更好的結(jié)合力，同時(shí)具有低的內(nèi)應(yīng)カ和好的潤(rùn)滑性，并通過(guò)頂層的類金剛石膜提高硬度和耐磨性能。在ー個(gè)具體的實(shí)施例I中，兩個(gè)第一濺射靶為碳靶、ー個(gè)第二濺射靶為鈦靶，濺射裝置中的第二濺射靶與第一濺射靶之間的弧度基本為90度，轉(zhuǎn)架臺(tái)轉(zhuǎn)速為I. 5rpm，待鍍膜的基材自轉(zhuǎn)，鍍膜前，將待鍍膜的基材置入真空鍍膜室的エ件架上，并將真空鍍膜室抽真空至2X 10_4Pa，通入流量為25SCCm的高純氬氣；接著，在所有濺射靶上加O. 4A的電流、500V的電壓，進(jìn)行20分鐘的濺射清洗。而后進(jìn)行濺射，兩個(gè)碳靶的電壓設(shè)置為100V、電流設(shè)置為O. 5A，一個(gè)鈦靶上的電壓設(shè)置為100V、電流設(shè)置為7. 0A，一個(gè)鈦靶上的電流階梯式降低，每間隔lOmin，鈦靶上的電流降低I. 0A，直到降低到0，兩個(gè)碳靶上的電流階梯式增加，每間隔lOmin，碳靶上的電流增加I. 0A，直到增加到7. 0A，進(jìn)行60min后，在金屬材料上沉積了300nm的過(guò)渡層(C比例逐漸増大，Ti比例逐漸減少);而后，兩個(gè)石墨靶上的電流、電壓保持不變，將鈦靶的電流升至1.0A，電壓仍為100V，進(jìn)行120min后，在過(guò)渡層上形成了 1600nm的類石墨層(sp2含量約為60%)與類金剛石層(sp3含量約為70%)交替層疊的復(fù)合層；而后，將鈦靶的電流和電壓降至0，將石墨靶的電流提高至7. OA,電壓保持在100V，進(jìn)行15min后，在復(fù)合層上形成了 IOOnm的類金剛石膜，在該實(shí)施例中，形成的納米多層膜的C的質(zhì)量百分比是97%，Ti的質(zhì)量百分比是3%。在另ー個(gè)具體的實(shí)施例2中，濺射裝置中的兩個(gè)第一濺射靶為碳靶、ー個(gè)第二濺射靶為鈦靶，第二濺射靶與第一濺射靶之間的弧度基本為90度，轉(zhuǎn)架臺(tái)轉(zhuǎn)速為2. Orpm，待鍍膜的基材自轉(zhuǎn)，鍍膜前，將待鍍膜的基材置入真空鍍膜室的エ件架上，并將真空鍍膜室抽真空至2X 10_4Pa，通入流量為25SCCm的高純氬氣；接著，在所有濺射靶上加O. 4A的電流、500V的電壓，進(jìn)行20分鐘的濺射清洗。而后進(jìn)行濺射，兩個(gè)碳靶的電壓設(shè)置為110V、電流設(shè)置為O. 8A，一個(gè)鈦靶上的電壓設(shè)置為110V、電流設(shè)置為6. 5A，一個(gè)鈦靶上的電流階梯式降低，每間隔5min，鈦靶上的電流降低I. 0A，直到降低到0，兩個(gè)碳靶上的電流階梯式增加，每間隔5min，碳靶上的電流增加I. 0A，直到增加到6. 5A，進(jìn)行80min后，在金屬材料上沉積了 400nm的過(guò)渡層(C比例逐漸増大，Ti比例逐漸減少);而后，兩個(gè)石墨靶上的電流、電壓保持不變，將鈦靶的電流升至I. 5A,電壓仍為110V，進(jìn)行180min后，在過(guò)渡層上形成了 1800nm的類石墨層(sp2含量約為60%)與類金剛石層(sp3含量約為70%)交替層疊的復(fù)合層；而后，將鈦靶的電流和電壓降至O，將石墨靶的電流提高至6. 5A，電壓保持在110V，進(jìn)行15min后，在復(fù)合層上形成了 IOOnm的類金剛石膜，在該實(shí)施例中，形成的納米多層膜的C的質(zhì)量百分比是92%，Ti的質(zhì)量百分比是8%。在又ー個(gè)具體的實(shí)施例3中，濺射裝置中的兩個(gè)第一濺射靶為碳靶、ー個(gè)第二濺射靶為鈦靶，第二濺射靶與第一濺射靶之間的弧度基本為90度，轉(zhuǎn)架臺(tái)轉(zhuǎn)速為2. 5rpm，待鍍膜的基材自轉(zhuǎn)，鍍膜前，將待鍍膜的基材置入真空鍍膜室的エ件架上，并將真空鍍膜室抽真空至2X 10_4Pa，通入流量為25SCCm的高純氬氣；接著，在所有濺射靶上加O. 4A的電流、500V的電壓，進(jìn)行20分鐘的濺射清洗。而后進(jìn)行濺射，兩個(gè)碳靶的電壓設(shè)置為120V、電流設(shè)置為I. 8A，一個(gè)鈦靶上的電壓設(shè)置為120V、電流設(shè)置為6. 0A，一個(gè)鈦靶上的電流階梯式降低，每間隔12min，鈦靶上的電流降低I. 0A，直到降低到0，兩個(gè)碳靶上的電流階梯式增加，每間隔12min，碳靶上的電流增加I. 0A，直到增加到6. 0A，進(jìn)行IOOmin后，在金屬材料上沉積了 500nm的過(guò)渡層(C比例逐漸増大，Ti比例逐漸減少)；而后，兩個(gè)石墨靶上的電流、電壓保持不變，將鈦靶的電流升至I. 8A，電壓仍為120V，進(jìn)行260min后，在過(guò)渡層上形成了1900nm的類石墨層(sp2含量約為60%)與類金剛石層(sp3含量約為70%)交替層疊的復(fù)合層；而后，將鈦靶的電流和電壓降至0，將石墨靶的電流提高至6. 0A,電壓保持在120V，進(jìn)行15min后，在復(fù)合層上形成了 IOOnm的類金剛石膜，在該實(shí)施例中，形成的納米多層膜的C的質(zhì)量百分比是86%，Ti的質(zhì)量百分比是14%。用掃描電鏡對(duì)上述具體的實(shí)施例1-3納米多層膜表面進(jìn)行觀察，納米多層膜表面粗糙度小。采用納米壓痕儀測(cè)納米多層膜硬度，載荷為10mN，壓入深度大于表面粗糙度的10倍，小于納米多層膜厚度的1/10，保證測(cè)得的硬度具有真實(shí)性和有效性。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)壓痕儀和自動(dòng)劃痕測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)納米多層膜的縱向結(jié)合力和橫向結(jié)合力。壓痕測(cè)試的載荷為150N，壓頭半徑O. 2_，壓痕周圍沒(méi)有裂紋和分層現(xiàn)象，表明納米多層膜的縱向結(jié)合力良好。劃痕測(cè)試時(shí)載荷從ION逐漸升至85N，滑動(dòng)速率為10mm/min。劃痕周圍和邊緣沒(méi)有開(kāi)裂和脫落的現(xiàn)象，表明納米多層膜的橫向結(jié)合力良好。采用球-盤式摩擦磨損機(jī)測(cè)定納米多層膜摩擦磨損性能。對(duì)磨球?yàn)橛捕?500HV的Si3N4陶瓷球，直徑為3mm。載荷10N，滑動(dòng)速度O. 10m/s,摩擦?xí)r間30min。實(shí)驗(yàn)在室溫、無(wú)潤(rùn)滑的狀態(tài)下，在潮濕空氣(相対濕度50%)中進(jìn)行。測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)記錄摩擦系數(shù)變化。測(cè)試結(jié)束后，用臺(tái)階儀測(cè)出磨損體積，計(jì)算磨損速率。表I給出實(shí)例1、2、3納米多層膜硬度、平均摩擦系數(shù)及磨損速率。

權(quán)利要求
1.一種磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，至少包括真空鍍膜室、濺射靶、真空鍍膜室底座上的轉(zhuǎn)架臺(tái)和轉(zhuǎn)架臺(tái)上的エ件架，以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)架臺(tái)繞轉(zhuǎn)架臺(tái)的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)；所述濺射靶設(shè)置在轉(zhuǎn)架臺(tái)周圍并與轉(zhuǎn)架臺(tái)垂直，所述濺射靶包括兩個(gè)第一濺射靶及一個(gè)第二濺射靶，所述濺射靶位于與轉(zhuǎn)架臺(tái)同心的圓周上，兩個(gè)所述第一濺射靶之間的圓弧基本為180-240度，所述第二濺射靶等分所述圓?。凰鲛D(zhuǎn)架臺(tái)上固定設(shè)置有穿過(guò)轉(zhuǎn)架臺(tái)表面的隔板，在垂直于轉(zhuǎn)架臺(tái)方向上，所述隔板的兩端均超出所述濺射靶的兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，所述第一濺射靶為石墨靶，所述第二濺射靶為鈦靶或鉭靶。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，所述隔板沿著轉(zhuǎn)架臺(tái)的直徑穿過(guò)所述轉(zhuǎn)架臺(tái)，且所述隔板的寬度大于轉(zhuǎn)架臺(tái)的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁控濺射鍍膜裝置，其特征在干，所述隔板與所述濺射靶所在圓周的間距為2-10cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，所述濺射靶為矩形。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，所述隔板的材料為鈦、鋁、不銹鋼或他們的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，還包括驅(qū)動(dòng)エ件架繞エ件架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的第二轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁控濺射鍍膜裝置，其特征在干，所述エ件架通過(guò)支架桿設(shè)置在轉(zhuǎn)架臺(tái)上，同一支架桿上間隔設(shè)置有多個(gè)エ件架。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，所述濺射靶設(shè)置在真空鍍膜室的內(nèi)壁上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，兩個(gè)所述第一濺射靶之間的圓弧基本為180度，所述濺射靶還包括另ー第二濺射靶，兩個(gè)第二濺射靶相對(duì)設(shè)置。
11.一種納米多層膜的制備方法，利用如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的磁控濺射鍍膜裝置進(jìn)行濺射，用于鍍覆納米多層膜，轉(zhuǎn)架臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，包括步驟 第一濺射階段，兩個(gè)第一濺射靶從初始工作電流Ii開(kāi)始，每隔第一間隔時(shí)間Tl，所述第一濺射靶的工作電流增加△ II，直到其工作電流為第一預(yù)定電流值；ー個(gè)第二濺射靶從初始工作電流12開(kāi)始，每隔第二間隔時(shí)間T2，所述第二濺射靶的工作電流減少△ 12，直到其工作電流為第二預(yù)定電流值，所述第一濺射靶和所述第二濺射靶的工作電壓保持不變； 第二濺射階段，將第二濺射靶的工作電流設(shè)定并保持在第三預(yù)定電流值，第一濺射靶的工作電流保持在第一預(yù)定電流值或?qū)⒌谝粸R射靶的工作電流設(shè)定并保持在第四預(yù)定電流值，所述第一濺射靶和所述第二濺射靶的工作電壓保持不變，進(jìn)行第二預(yù)定時(shí)長(zhǎng)的濺射； 第三濺射階段，將第二濺射靶的工作電流和電壓設(shè)定為零，第一濺射靶的工作電流保持在第二濺射階段的工作電流或者將第一濺射靶的工作電流設(shè)定并保持在第五預(yù)定電流值，進(jìn)行第三預(yù)定時(shí)長(zhǎng)的濺射。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述初始工作電流Il為O.5-2. 0A，所述第一間隔時(shí)間Tl為5-15min，所述Λ Il為O. 5-1. 0Α，所述第一預(yù)定電流值為4. 0-7. 0Α,所述初始工作電流12為4. 0-7. 0A，第二間隔時(shí)間T2為5_15min，所述Λ 12為O. 5-1. OAjjf述第二預(yù)定電流值為零，所述第一濺射靶的工作電壓為80-120V，所述第二濺射靶的工作電壓為 80-130V。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述第三預(yù)定電流值為O.5-2. 0Α，所述第二預(yù)定時(shí)長(zhǎng)為120-300min。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述第五預(yù)定電流值為4.0-7. 0A，所述第三預(yù)定時(shí)長(zhǎng)為15-20min。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行第一濺射階段之前，還包括清洗濺射靶的步驟。
16.ー種納米多層膜，包括與基體結(jié)合的碳化鈦和類石墨的過(guò)渡層、所述碳化鈦和類石墨的過(guò)渡層上的復(fù)合層以及所述復(fù)合層上的類金剛石頂層膜，所述復(fù)合層為類石墨層與類金剛石層交替層疊的多層結(jié)構(gòu)，其中，所述石墨層的Sp2含量為60%，所述類金剛石層的Sp3含量為70%，從基體到類金剛石頂層膜的方向上，所述碳化鈦和類石墨的過(guò)渡層中的Ti的質(zhì)量百分比逐漸減小、C的質(zhì)量百分比逐漸増大。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的納米多層膜，其特征在于，所述碳化鈦和類石墨的過(guò)渡層的厚度為300-500nm。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的納米多層膜，其特征在于，所述復(fù)合層的厚度為1600_1900nmo
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的納米多層膜，其特征在于，所述類金剛石頂層膜的厚度為IOOnm0
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中C的質(zhì)量百分比是70%-97. 6%, Ti的質(zhì)量百分比是2. 4-30%
全文摘要
一種磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，至少包括真空鍍膜室、濺射靶、真空鍍膜室底座上的轉(zhuǎn)架臺(tái)和轉(zhuǎn)架臺(tái)上的工件架，以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)架臺(tái)繞轉(zhuǎn)架臺(tái)的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)；所述濺射靶設(shè)置在轉(zhuǎn)架臺(tái)周圍并與轉(zhuǎn)架臺(tái)垂直，所述濺射靶包括兩個(gè)第一濺射靶及一個(gè)第二濺射靶，所述濺射靶位于與轉(zhuǎn)架臺(tái)同心的圓周上，兩個(gè)所述第一濺射靶之間的圓弧為180-240度，所述第二濺射靶等分兩個(gè)第一濺射靶之間的圓??；所述轉(zhuǎn)架臺(tái)上固定設(shè)置有穿過(guò)轉(zhuǎn)架臺(tái)表面的隔板，在垂直于轉(zhuǎn)架臺(tái)方向上，所述隔板的兩端均超出所述濺射靶的兩端。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)工藝的控制簡(jiǎn)單，解決了納米多層膜的制備，適宜于工業(yè)化。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102677009SQ20121015115
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者李玲玲, 涂江平, 王剛, 王美娜, 金攻 申請(qǐng)人:北京中奧匯成生物材料科技有限公司