[发明专利]一种DLC/CNx/MeN/CNx纳米多层膜及其制备方法

说明书

本发明涉及薄膜材料技术领域，为解决传统DLC薄膜与基体材料的结合强度较差、降低应力提高结合强度又会导致耐磨性能下降的问题，提供了一种DLC/CNx/MeN/CNx纳米多层膜，包括基体(1)、依次沉积于基体表面的金属过渡层(2)和纳米多层膜，所述纳米多层膜由若干纳米复合单元(3)组成，所述纳米复合单元由下至上依次为DLC层(4)，第一梯度CNx层(5)，金属氮化物层(6)和第二梯度CNx层(7)。本发明的纳米多层膜有效改善了传统沉积方法膜基结合力不高的问题，同时降低了内应力，并且有优良的耐磨性；制备方法步骤简单，工艺条件易于控制，制备过程安全无污染，成本低，易于实现产业化。

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，尤其涉及一种DLC/CNx/MeN/CNx纳米多层膜及其制备方法。

背景技术

类金刚石碳(Diamond-like Carbon，DLC)膜因其较高的硬度、良好的耐磨性以及生物相容性等优点，在机械零部件、电子器件、生物医学等领域具有广泛的应用前景。现阶段，DLC膜的制备技术主要有磁控溅射沉积、化学气相沉积、磁过滤阴极真空弧沉积等，然而DLC薄膜具有显著的残余应力，导致薄膜在承载时易从基体上脱落。

DLC薄膜与基体材料的结合强度较差，很大一部分原因是由于两者的热膨胀系数差距较大导致薄膜内应力大。目前，降低DLC薄膜内应力的方法主要有掺杂法和纳米多层膜技术。掺杂法通过在DLC膜内掺杂金属(Ti、Cr、Al)或非金属元素来降低薄膜内应力，但部分研究表明，掺杂元素后，DLC薄膜的硬度和弹性模量伴随着应力的减少而降低，从而致使薄膜的耐磨性能下降。

纳米多层膜是通过两种或者两种以上成分的材料交替沉积而成的薄膜。当单层膜的厚度较大时，其内部有更高的内应力，使薄膜更容易从基体上剥落。然而，多层膜结构可以很大程度缓解内应力，这是由于多层膜界面层数较多时，能够较有效地吸收应力，阻止裂纹的扩展，从而有效地提高了薄膜与基体间的结合力，并且较薄的每层导致致密结构，进一步提高耐磨性能。

中国专利文献上公开了“金属碳化物/类金刚石(MeC/DLC)纳米多层膜材料及其制备方法”，申请公布号为CN101081557A，该发明所制备的薄膜显微硬度较高，达到HV2000～4500，摩擦系数低至0.10～0.25，膜-基结合力≥60N。杨芳儿等人(《中国表面工程》2018,31(2):66-74)在研究磁控溅射法制备DLC/CNx多层膜时发现，相比于单层膜，多层膜的硬度有明显的提高，但结合力仍然偏低，需要进一步改进。

发明内容

本发明为了克服传统DLC薄膜与基体材料的结合强度较差、降低应力提高结合强度又会导致耐磨性能下降的问题，提供了一种内应力小、与基体材料结合强度高、具有优良的耐磨性的DLC/CNx/MeN/CNx纳米多层膜。

本发明还提供了一种DLC/CNx/MeN/CNx纳米多层膜的制备方法，该方法步骤简单，工艺条件易于控制，制备过程安全无污染，成本低，易于实现产业化。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种DLC/CNx/MeN/CNx纳米多层膜，包括基体、依次沉积于基体表面的金属过渡层和纳米多层膜，所述纳米多层膜由若干纳米复合单元组成，所述纳米复合单元由下至上依次为DLC层，第一梯度CNx层，金属氮化物层和第二梯度CNx层。

本发明先在基体表面沉积纯金属过渡层，再沉积DLC/CNx/MeN/CNx纳米多层膜，在基体与纳米多层膜间施加合适的金属过渡层作为中间层，金属与碳元素的亲和力较好，金属过渡层与类金刚石薄膜(DLC)之间可以形成化学键合界面，缓解基体与类金刚石薄膜之间的热膨胀系数的差异，可有效地降低内应力，改善了传统沉积方法膜基结合力不高的问题，并且有优良的耐磨性。金属氮化物与CNx涂层的晶格更容易匹配，可以有效提高DLC/CNx纳米涂层在常用的高速钢基体上的膜基结合强度。

作为优选，所述DLC/CNx/MeN/CNx纳米多层膜总厚度为0.6～10μm。