[发明专利]用包含四面体碳涂层的多层结构涂覆的基底

说明书

技术领域

本发明涉及用包含沉积于基底上的中间层和沉积于中间层上的四面体碳层的多层结构涂覆的金属基底。所述中间层包括无定形碳层。

背景技术

术语类金刚石碳(DLC)描述了包含具有类似于金刚石的结构和性能的碳的一组材料。类金刚石碳涂层的一些例子为a-C、a-C:H、i-C、ta-C和ta-C:H涂层。

由于DLC具有许多吸引人的性能，包括高硬度、化学惰性、高热导率、良好的电和光性能、生物适应性以及优异的摩擦学行为，DLC作为涂层材料已经吸引了相当大的关注。

通过sp³键合的分数给出了DLC涂层的大致分类方法。四面体碳涂层具有高的sp³键合碳分数，而诸如a-C或a-C:H的无定形碳涂层具有较低的sp³键合分数以及较高的sp²键合分数。

氢含量给出了第二分类方法。DLC涂层可以分为无氢化涂层(ta-C和a-C)以及氢化涂层(ta-C:H和a-C:H)。

四面体碳涂层的组显示了许多有益的性能，例如高硬度(类似于金刚石的硬度)和高杨氏模量。这些性能使得四面体碳涂层对许多要求耐磨的应用很理想。然而，由于压应力和sp³键合成正比，四面体碳涂层中的压应力很高。

涂层中巨大的压应力限制了涂层对基底的附着并且限制了涂层的总体膜厚度。

发明概要

本发明的一个目的是避免现有技术的缺陷。

本发明的另一个目的是提供用包含硬的四面体碳层并且对金属基底有良好附着的多层结构涂覆的金属基底。

本发明的再一个目的是提供一种用包含中间层和四面体碳层的多层结构涂覆的金属基底，其中中间层弥合了金属基底和四面体碳层之间杨氏模量上的差距。

根据本发明的第一方面，提供了至少部分用多层结构涂覆的金属基底。多层结构包括中间层和四面体碳层。中间层沉积于基底上，四面体碳层沉积于中间层上。中间层包括至少一层杨氏模量低于200GPa的无定形碳层以及具有高于200GPa的杨氏模量的四面体碳层。

多层结构可以包括许多周期，每一周期包括包含至少一层杨氏模量低于200GPa的无定形碳层的中间层和杨氏模量高于200GPa的四面体碳层。周期的数目可以在2和100之间，例如在2和30之间，比如10或15。

四面体碳层

四面体碳层的杨氏模量范围优选在200和800GPa之间。更优选四面体碳层具有至少300GPa的杨氏模量，例如400GPa、500GPa或600GPa。

四面体碳层的硬度优选高于20GPa。四面体碳层的硬度的优选范围在20GPa和80GPa之间。更优选，四面体碳层的硬度为至少30GPa，例如40GPa、50GPa或60GPa。

四面体碳的sp³键合的碳的分数优选高于50％，例如在50％和90％之间，比如80％。

四面体碳层可以包括非氢化四面体碳(ta-C)或氢化四面体碳(ta-C:H)。在氢化四面体碳的情况下，氢浓度优选低于20at％，例如10at％。

优选的四面体碳层包括具有高的sp³键合碳分数的无氢化四面体碳ta-C)，例如80％的sp³键合碳分数。

可以通过多种不同技术沉积四面体碳层。

优选的沉积技术包括离子束沉积、脉冲激光沉积、诸如过滤的或未过滤的电弧沉积的电弧沉积、诸如增强等离子体辅助化学气相沉积的化学气相沉积以及激光电弧沉积。

为了影响根据本发明的多层结构的诸如电导性的性能，可以用金属掺杂四面体碳层。原则上任何金属都可考虑用作掺杂剂。

优选掺杂剂包含一种或多种过渡金属，例如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Co、Ir、Ni、Pd和Pt。别的掺杂剂可以包含B、Li、Na、Si、Ge、Te、O、Mg、Cu、Al、Ag和Au。

优选的掺杂剂是W、Zr和Ti。

四面体碳层优选具有高于0.5μm，例如1μm的厚度。

无定形碳层

无定形碳层具有低于200GPa的杨氏模量。

无定形碳层可以包括无定形氢化碳(a-C:H)层或类金刚石纳米复合物(DLN)层。