[发明专利]一种低摩擦纳米TaC增强炭基复相薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低摩擦系数纳米TaC颗粒弥散增强C基复相薄膜的制备工艺方法，主要用于需要轻质、摩擦系数小、摩擦热少、强度高、导热性好、抗冲击、抗振动、抗打滑、自润滑性等特性的服役环境，适合于制作刀具、模具的表面镀层材料，也非常适合于有特殊要求的齿轮、轴承及活塞等易磨损件的表面，以满足上述构件在苛刻环境下服役要求。

背景技术

类金刚石无定形炭（DLC）薄膜是一系列含有 sp²和 sp³键的非晶炭膜的总称，具有类似金刚石的性质，这些性质包括：优异的物理、化学性能，如高硬度、高介电常数、高弹性模量、低摩擦系数、优良的耐磨性和在红外波段的透明性、化学惰性和生物相容性等，使它们在诸如真空微电子学、摩擦学、光学、电学、声学、热学、医学材料，直至工业包装、装演装饰业等领域有巨大的应用潜力。由于在摩擦过程中还具有自润滑性，无定形炭薄膜作为固体润滑膜在航天微型电子机器等领域越来越受到重视。自上世纪70年代类金刚石膜问世以来，就引起了各国科学家的极大重视。并在许多领域已进入实用和工业化生产阶段，如作为磁记录系统的保护兼润滑膜层，工业切削刀具、模具的保护涂层，锗光学器件的抗反射膜，红外光学器件的窗口，人造器官的保护膜等等。然而，由于非晶炭薄膜硬度较高，与基体的热膨胀系数不同，发生变形时引起的变形量差异大；易形成较大的内应力，使膜基结合强度较差，容易崩膜，严重影响了薄膜的实用化； 因此，如何改善膜基结合力是人们目前所关注的焦点之一。

过渡金属碳化物中的TaC具有高熔点（3880℃），高化学稳定性，高韧性以及高硬度（莫氏硬度9-10），可以被应用于各种极端条件。TaC与碳结合形成的C-TaC纳米复合涂层，具有低的内应力、优异的机械性能及摩擦学性能，并与C/C复合材料具有良好的化学相容性及物理相容性，是一种理想的耐摩减磨涂层材料。

将C-TaC添加到C/C复合材料的方法主要是涂层技术。

离子束沉积(IBD)、溅射沉积等是制备非晶炭薄膜最先使用的方法，但这些物理气相沉积技术沉积的薄膜面积非常有限，并且薄膜生长的非常慢，不适用于工业上的大批量制备；而脉冲激光沉积(PLD)技术也因其薄膜沉积面积小而不适合工业应用。利用化学气相沉积（CVD）技术合成的薄膜具有膜基结合力强、膜层质量稳定、膜层厚度均匀和薄膜致密度高的优点。但目前，非晶炭膜或掺杂的非晶炭膜用普通的CVD法制备困难，其金属离子很难通过纯气相沉积方法得到；而国内外现行使用的特种化学气相沉积方法则存在实验设备费用高，能耗大，且最重要的是沉积速率低，这些缺点严重限制了该方法在工业上的大规模应用。除膜基结合力差、容易崩膜的问题外，目前制备的非晶炭膜还存在热稳定性和抗氧化能力较差以及膜厚度受到限制等问题，因此，严重限制了非晶炭膜的应用。

Hainsworthl等研究发现，在非晶炭薄膜沉积的过程中掺杂N、H、Si及金属元素可很大程度上影响薄膜的硬度、结合强度及摩擦学性能，并还可以同时改善非晶炭薄膜的力学、电学等性能。为释放内应力，提高非晶炭的性能，除了掺杂金属单质或非金属单质外，Singh研究发现，如果将碳化物掺杂到碳的网格中，同样也可以释放内应力，稳定薄膜的结构，提高薄膜的性能。试验证明，当Cr含量在5-12at.%范围内时，可形成亚稳态的面心立方结构的CrC纳米颗粒。但是若Cr含量继续增加，则形成的CrC颗粒较大，在摩擦过程中阻碍了类石墨过渡层的形成，因而又在一定程度上降低了薄膜的摩擦学性能。

从2002年开始，国内就有利用热壁化学气相沉积技术在炭基材料表面开展了TaC单涂层、SiC单涂层、SiC/TaC多层复合涂层、SiC-TaC共沉积涂层以及多种含C相陶瓷相涂层的研制和开发。与国外Ultramet公司报道的多层SiC/HfC涂层相比，国内所研制的复合涂层更具有特色，其中，SiC-TaC共沉积涂层具有结构与成分周期性变化、SiC/TaC双梯度涂层具有局部成分梯度和整体成分梯度等特点。在此基础上，通过设计陶瓷相先驱体的送粉方式，还研制了碳化物在炭薄膜中呈弥散分布的纳米级碳化物增强炭基复相薄膜。但前期研究所制备的陶瓷相涂层主要应用于防氧化抗烧蚀领域，尚未开展在自润滑领域的研究应用。

发明内容

本发明提出一种化学气相沉积法制备纳米TaC晶粒弥散增强炭基（C-TaC）复相薄膜的工艺方法，降低摩擦系数，从而对基体形成有效的保护，具体过程为：