一种与基体表面具有垂直取向关系的碳涂层材料
阅读：1029发布：2020-05-22
专利汇可以提供一种与基体表面具有垂直取向关系的碳涂层材料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种新的 碳 涂层材料，该碳涂层材料具有以下特征：该碳涂层材料具有线性结构；该碳涂层与基体表面具有垂直取向关系；该碳涂层的 俄歇 电子 的范围接近金刚石的俄歇 光谱 。该碳涂层材料具有以下优势：涂层具有的结构能够使涂层具有“记忆”和“管理”效果；涂层具有 润滑剂 环境分子在 边界层 内自组装的机理，具有结构自排效应；涂层具有更高的硬度、更高的 耐磨性 以及更低的 摩擦系数 。，下面是一种与基体表面具有垂直取向关系的碳涂层材料专利的具体信息内容。
一种与基体表面具有垂直取向关系的碳涂层材料
技术领域
背景技术
[0002] 现代科学中最重要的任务之一是发明具有新特性的材料。以碳材料作为涂层材料，相关的研究报道如下：以类金刚石材料作为碳涂层，是具金刚石特征的亚稳态非晶态薄膜(俄罗斯联邦专利N
96110601)，其具有与金刚石相似的优异性能。
96110601)，其具有与金刚石相似的优异性能。
[0004] 俄罗斯联邦专利(RUS 2139456)提出了在摩擦副的摩擦元件摩擦表面形成减摩和抗磨涂层的制备方法。该方法是在摩擦副的摩擦元件摩擦表面涂一层二氧化硅的玻璃膜，该膜是从全氟多氧烷基碳酸的溶液中沉积出的一层“外延膜”。
[0005] 美国专利(U.S. 6234679)中将涂层应用在滚动轴承的结构中，该专利中的涂层包含了碳氮层，衬底位于外层涂层和基底之间。美国专利(U.S. 6764714)中制备的涂层，虽然已有较高的硬度值和较低的摩擦系数，但仍需进一步提高硬度与摩擦性能来满足更苛刻的要求。
[0006] 上述碳涂层由于缺乏高度定向的结构，因而仍不能满足相关领域对于涂层材料性能的要求。对于一些具有特定结构的碳材料的研究如下，俄罗斯联邦专利(RUS 2108288)提出了具有特定晶格参数的体心立方结构的碳的多晶化合物。另外， Levchenko(V.A. Levchenko, V.G. Babaev, M.B. Guseva, V.N. Matveenko. The carbon films as a unique orienter for epitropic liquid crystals. The 10th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides & Silicon Carbide., 12-17 September 1999, Prague Hilton Atrium Czech Republic, page 62)提出了具有线性垂直取向的碳聚合物。但是，上述碳涂层仍在结构上存在着一定缺陷。
发明内容
[0009] 本发明提高碳涂层材料的硬度、耐磨性、摩擦性能主要通过以下方式实现：碳涂层材料中碳链与基体表面具有定向关系—垂直取向。
[0010] 本发明可应用于机械制造类的环保材料，主要通过以下方式实现：涂层的碳链与基体表面垂直(线性的定向结构)。当在该涂层上涂上有机液体时，在涂层表面是吸附中心，吸附中心由杂质原子或原子群组成，(如氮原子、氢、氧、羟基等等)，或其他能影响涂层表面取向与液相的分子间相互作用力的物质。吸附中心与具有范德华力能量为0.9 - 8.2 kJ/mol的有机液体的表层相连接，该涂层与有机液体的表层有一定的相互作用而提高涂层的润滑性。当在发动机上制备有该碳涂层材料时，而可以在发动机使用环保的天然油来代替对环境有污染的有机油。
[0011] 本发明中能作为基体的固体表面的各种材料，可以是金属、陶瓷、聚合物、机织材料和非机织材料等。材料的固体表面可以是柔性的。
[0012] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本专利的碳涂层材料具有极高的硬度，显微硬度值为6000-9800HV；具有极低的摩擦系数，摩擦系数为0.004-0.06。此外，本专利的碳涂层材料耐磨性优异，小负载下耐磨性超过金刚石膜3倍，附图说明
[0013] 为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0014] 图1是基体上沉积碳涂层材料的示意图。
[0015] 图2是碳涂层材料的表面与有机液体的表层相相互作用的示意图。
[0016] 图3所示为制备碳材料的装置示意图。
[0017] 图4是碳链与涂层表面垂直的示意图。
[0018] 图5是制备的碳涂层薄膜的拉曼光谱图。
[0019] 图6是制备的碳涂层薄膜的俄歇电子能谱图。
[0020] 图7是制备的碳涂层薄膜的分子模型示意图。
[0021] 其中1代表基体；2代表碳涂层薄膜2；3代表有机液体；4代表碳原子(链)；5代表碳涂层薄膜上的吸附中心；6-11是制备碳材料的装置说明，其中6代表真空室；7代表加热台；8代表惰性气体源；9代表等离子体脉冲发生器；10代表合金化气体源；11代表等离子体辅助发生器；12代表碳原子间的范德华力。
具体实施方式
[0022] 下面说明具体获得本材料的方法，具体实现方法如下：在真空室6(图3)中放置衬底(基体)1，基体上制备碳涂层薄膜2(图1所示)。作为基体1，可以使用不同的固体和塑料材料。衬底1的表面可以是直线的，也可以是曲线的。制备碳材料的装置示意图如图3所示：在加热台7上有一个衬底1，加热台7提供了衬底1的必要温度条件。另外，工作腔体6的真空度是10-7-10-9mm.pt，如果必要时可以用惰性气体源8(例如，氩离子)来清洁衬底1的表面。然后通过惰性气体源激活衬底1的表面，同时，用加热台7来冷却或加热基底，并用等离子体脉冲发生器9(例如碳等离子体)来得到碳涂层薄膜。等离子体密度需要超过1015 cm-3。1个单层薄膜的沉积速度是通过调节以下参数来实现：真空泵调节工作腔6中的压强，加热台7的倾斜角，等离子体发生器9的脉冲频率以及衬底1的温度来实现。
[0023] 为了形成具有所需性能的涂层(例如摩擦学性能)，需要使用合金化气体源10。该源产生含有掺杂元素的气体(例如氮)。等离子体脉冲发生器11和合金化气体源10是同步工作而不是彼此单独或交替工作。当碳涂层薄膜沉积在基体上时，可以通过一定的工艺条件获得所需的取向。本发明制备的碳涂层薄膜与基体表面所需的取向关系为垂直取向。
[0024] 通过上述提到的制备方法，获得一种与基体表面具有垂直取向关系的碳涂层材料，如图4所示。该碳涂层材料具有线性结构。图5是本发明专利制备的100nm厚的碳涂层材料的拉曼光谱图。从图5中可以得知，本发明所制备的碳涂层薄膜具有线性结构。该碳涂层与基体表面具有高度一致的垂直取向关系。对图6中不同材料的俄歇电子能谱图进行对比分析，其中m-carbon的曲线为本发明所制备的碳涂层薄膜的俄歇电子能谱图；n-carbon的曲线为对比曲线，代表其他人制备的碳涂层材料的俄歇电子能谱图；diamond的曲线为金刚石的俄歇电子能谱图；graphite的曲线为石墨的俄歇电子能谱图。从图6的俄歇电子能谱图可以分析得知：与金刚石的俄歇电子能谱相比，该碳涂层的俄歇电子能谱的峰值点相差5eV以内，即表明该碳涂层的俄歇电子的范围接近金刚石的俄歇光谱。图7是制备的碳涂层薄膜的分子模型示意图，碳链可以由3到8个碳原子组成，碳链之间作用力为范德华力。
[0025] 由于涂层具有与基体表面垂直的定向结构，因而本发明的碳涂层材料，具有以下优势：涂层具有“记忆”和“管理”效果；该涂层具有润滑剂环境分子在边界层内自组装的机理，具有结构自排效应。相比现有技术制备的涂层，比如美国专利(U.S. 6764714)中制备的涂层，显微硬度值3000左右，摩擦系数为0.2左右；本发明专利制备的碳涂层材料，具有更高的硬度，显微硬度值为6000-9800HV；具有更低的摩擦系数，摩擦系数为0.004-0.06。另外本专利制备的碳涂层材料耐磨性优异，小负载下耐磨性超过金刚石膜3倍。
[0026] 本发明可应用于机械制造类的环保材料，主要通过以下方式实现，如图2所示：涂层的碳链与基体表面垂直(线性的定向结构)。当在该涂层上涂上有机液体时，在涂层表面是吸附中心，吸附中心由杂质原子或原子群组成，(如氮原子、氢、氧、羟基等等)，或其他能影响涂层表面取向与液相的分子间相互作用力的物质。吸附中心与具有范德华力能量为0.9-8.2 kJ/mol的有机液体的表层相连接，该涂层与有机液体的表层有一定的相互作用而提高涂层的润滑性。当在发动机上制备有该碳涂层材料时，而可以在发动机使用环保的天然油来代替对环境有污染的有机油。
[0027] 另外，作为基体的固体表面的材料，可以是金属、陶瓷、聚合物、机织材料和非机织材料等各种材料。材料的固体表面可以是柔性的。
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