專利名稱：紋理化dlc涂層的方法及由此紋理化的dlc涂層的制作方法
紋理化DLC涂層的方法及由此紋理化的DLC涂層
背景技術(shù)：
本發(fā)明首先涉及一種用于修飾并且特別是紋理化類金剛石碳(DLC)表面涂層的特定方法?，F(xiàn)在這樣的涂層或膜眾所周知，通常由氫化非晶碳的膜形成，氫化非晶碳的膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)、粘附、電絕緣和化學(xué)惰性的性質(zhì)，這些性質(zhì)在摩擦應(yīng)用方面特別有用。術(shù)語“DLC”主要用來指所謂的氫化非晶碳，以a-C:H表示；已知DLC在專業(yè)文獻(xiàn)中有著明確的定義(J. Robertson，Materials Science and Engineering R(27) ,2002, 129-281.)。盡管迄今已知DLC涂層具有低摩擦系數(shù)性質(zhì)，但在針對特定應(yīng)用優(yōu)化所述性質(zhì)方面正在進(jìn)行研究。這是本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種紋理化DLC涂層的方法，所述方法包括-在DLC涂層的自由或上表面上沉積球狀物(bille)或球狀體(sphSre)的單層；-用氧等離子體干法蝕刻DLC涂層；-最后，清洗所述涂層的表面以去除所述球狀物或球狀體。換句話說，本發(fā)明涉及用簡單的方法紋理化DLC涂層，所述方法限于實施三個步驟，省去常規(guī)蝕刻技術(shù)如光刻。這樣做，根據(jù)本發(fā)明的方法用于限制如使用蝕刻方法例如激光燒蝕可能產(chǎn)生的對 DLC涂層的這類潛在損害，伴隨所述涂層性質(zhì)劣化。本發(fā)明特別適用于處理具有輪廓(換句話說，是非平面的)的機器發(fā)動機部件的 DLC涂布表面，特別是具有3D幾何形狀的那些。根據(jù)本發(fā)明，DLC用來指氫化非晶碳材料，以a-C:H表示。根據(jù)本發(fā)明，球狀物或球狀體的單層可采用所謂的朗繆爾-布洛爾杰特 (Langmuir-Blodgett)技術(shù)沉積。該技術(shù)(現(xiàn)在已完全掌握)用于從液體浴向基材的表面轉(zhuǎn)移納米顆?；蛭㈩w粒的單層。這樣做，可以采用這種技術(shù)沉積不同性質(zhì)的球狀物或球狀體，特別是由二氧化硅或聚合物(例如特別是膠乳或聚苯乙烯)制成的那些，所述球狀物或球狀體的直徑可以在 100納米到超過10微米之間。已知該技術(shù)使得能夠以高組裝速率獲得球狀物或球狀體的均勻單層?；蛘?，球狀物或球狀體的單層可采用稱為“浸涂”的技術(shù)沉積。當(dāng)需要紋理化大表面或三維幾何形狀時，優(yōu)選該技術(shù)。此外，除了用于分散球狀物或球狀體的溶劑之外，液體浴還可以包含表面活性劑， 例如 triton X-100 。
根據(jù)本發(fā)明，利用允許優(yōu)先攻擊DLC涂層而不是構(gòu)成球狀物或球狀體的材料(特別是二氧化硅)的選擇性化學(xué)工藝，特別是利用氧等離子體干法蝕刻DLC涂層。
或者，球狀物可由聚合物如膠乳或聚苯乙烯組成。根據(jù)本發(fā)明，蝕刻后，可在乙醇浴中清洗DLC涂層的表面，使得可去除所述球狀物或球狀體。去除用來指從表面除去球狀物。由于所用處理，在DLC涂層表面上實施的紋理化的特征在于存在不同尺寸的孔洞或空穴，所述空穴的大小由所用球狀物的大小決定。所述空穴可能可以彼此連通。根據(jù)本發(fā)明，所述孔洞因子(換句話說，每單位表面積的孔洞數(shù))可通過在用氧等離子體蝕刻之前實施SF6+CHF3等離子體蝕刻的中間步驟而增加。本發(fā)明還涉及具有根據(jù)本發(fā)明方法紋理化的DLC型表面涂層的機器磨損或摩擦部件。這些機器部件的涂層的孔洞因子，即每單位所述涂層表面積的孔洞或空穴數(shù)，可由此高于10%。此外，DLC型涂層的表面上存在的至少一些孔洞或空穴是連通的，以促進(jìn)潤滑劑的流通。附圖簡述由作為實例給出并由附圖非限制性地支持的下列實施方案，可實施本發(fā)明的方式及所得優(yōu)點會變得更清楚，在附圖中

圖1為涂布有DLC涂層并具有根據(jù)本發(fā)明方法的球狀物或球狀體單層的基材的示意性側(cè)視圖。圖2為蝕刻步驟后獲得的與圖1相似的視圖。圖3為清洗后(換句話說，除去球狀物或球狀體的層后)涂層表面的圖，圖4是其頂視圖。圖5和6分別為示出對于未紋理化的DLC涂層和根據(jù)本發(fā)明紋理化的涂層“球盤” 型摩擦裝置內(nèi)摩擦系數(shù)隨鋼珠所經(jīng)過的距離的變化的圖。發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明，所述方法的第一步因此包括在DLC涂層(1)的表面上沉積球狀物或球狀體的單層G)。DLC涂層(1)通常沉積在預(yù)涂布有底涂層O)的基材C3)上，基材(3) 可例如由氫化碳化硅制成。為此，可使用來自NAN0METRIX公司的適合于朗繆爾-布洛爾杰特技術(shù)的一套設(shè)備。為此，使用由二氧化硅制成的直徑為一微米并且分散度為約10 %的球狀物，將所述球狀物投入在有利由丁醇構(gòu)成的溶劑中的溶液?；蛘撸梢允褂盟鸵掖嫉幕旌衔?。所需的條件是含球狀物的溶劑能充分潤濕 DLC。所用溶液的球狀物濃度為約37. 5g/l。通常，該濃度必須為30_50g/l。一旦球狀物已沉積，就在空氣中蒸發(fā)溶劑以使球狀物的自組裝結(jié)構(gòu)凝結(jié)在涂層的表面上。然后實施本發(fā)明方法的第二步，其為等離子體蝕刻DLC涂層。該蝕刻采用具有如下參數(shù)的“反應(yīng)性離子蝕刻”或RIE技術(shù)進(jìn)行氣體種類氧流量80標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘功率IOW壓力3Pa電壓320V。在這些條件下進(jìn)行所述蝕刻提供約0. 53nm/s的DLC層蝕刻速率。使用所述氧等離子體意味著在DLC涂層和球狀物構(gòu)成的二氧化硅之間獲得非常高的選擇性，比率通常為22比1。這樣做，等離子體非常優(yōu)先攻擊所述DLC涂層而不是球狀物，球狀物充當(dāng)一種掩模。這樣，產(chǎn)生從DLC涂層的上表面(6)延伸的空穴(5)。然后下一步是在蝕刻后清洗DLC涂層的表面。該清洗包括去除球狀物的單層。所述去除通常通過將蝕刻后的組裝體在乙醇浴中浸泡十五分鐘并使其經(jīng)受超聲波而獲得。作為超聲波的替代方案，任何軟機械技術(shù)均可采用(摩擦、清除等)，以從涂層釋放球狀物。由此獲得圖3和4中所示類型的涂層。特別地，可觀察到具有不同尺寸的蝕刻圖案(5)，所述圖案或空穴的大小由所用球狀物的大小決定?？勺⒁獾?，如果看作是緊湊的堆疊體，即球狀物或球狀體在涂層的表面上具有最大可能的自組裝，則空穴的容積V由下面的關(guān)系式給出V = (S--\r2d
V 2 J其中的符號，r表示球狀物的半徑，d為空穴的深度?？捎^察到，無論所用球狀物的大小如何，緊湊的堆疊體均得到10%的孔洞因子，球狀物的大小由此僅決定空穴或孔洞的大小。但所述因子可通過使用SF6+CHF3等離子體實施中間蝕刻步驟而增加，所述中間蝕刻步驟因此用于減小球狀物的大小。所述中間步驟此時用于選擇性地蝕刻二氧化硅球狀物而不是dlc型涂層。球狀物的平均直徑因此減小，但自組裝保持，并且由于sf6+chf3等離子體不會改變球狀物之間的組裝的性質(zhì)，因此球狀物保持位于與單層沉積步驟結(jié)束時相同的位置。因此，通過將球狀物的直徑從500nm減小到400nm，圖案的孔洞因子從10%增加到 42%。這樣做，在DLC涂層的干法蝕刻之前，可以通過選擇性化學(xué)工藝并且特別是使用 SF6+CHF3等離子體實施球狀物或球狀體的受控蝕刻。因此可以根據(jù)所研究的接觸(contact)的幾何形狀和大小來調(diào)節(jié)DLC涂層表面上圖案或空穴的尺寸，從而調(diào)整涂層的摩擦性質(zhì)。特別地，所述另外的蝕刻步驟使得能夠產(chǎn)生完全連通、均勻和無方向性的空穴，使得在使用具有所述涂層的機器部件時，可使相關(guān)流體例如潤滑劑流動。所述潤滑劑因此不再局限在離散的空穴中，從而確保潤滑劑更好地分布在整個部件上，特別是在持續(xù)存在機械應(yīng)力如摩擦的地方。所進(jìn)行的試驗表明DLC涂層的紋理化不具有優(yōu)選的方向，使得所得圖案不決定摩擦的方向，這與采用產(chǎn)生均勻并且有方向性的圖案的現(xiàn)有技術(shù)的紋理化方法不一樣。
借助CSM公司提供的“球盤”型摩擦計用100Cr6鋼珠在根據(jù)本發(fā)明獲得的涂層上
進(jìn)行摩擦試驗。使用如下參數(shù)，獲得了如圖5和6中所示的結(jié)果-赫茲壓力LlGPa-轉(zhuǎn)速5.5cm/s-經(jīng)過的距離5780m-發(fā)動機潤滑劑8mL(標(biāo)準(zhǔn)油)由此可以在圖5和6上觀察分別對于未紋理化的DLC涂層(圖5)和根據(jù)本發(fā)明用直徑為ι μ m的二氧化硅球狀物實施的掩模紋理化并且DLC涂層蝕刻深度為約300nm的 DLC涂層(圖6)的摩擦系數(shù)隨鋼珠所經(jīng)過的距離的變化。由此可以注意到，對于未紋理化的DLC涂層，摩擦系數(shù)為約0. 07，而對于紋理化的 DLC，摩擦系數(shù)在0. 035左右，從而顯著優(yōu)化摩擦性質(zhì)。本發(fā)明還涉及前述方法用于制造經(jīng)受磨損或摩擦的機器部件的用途。特別地，該容易使用的方法可直接用于具有復(fù)雜幾何形狀的部件。
權(quán)利要求
1.一種紋理化DLC涂層的方法，所述方法包括-在所述DLC涂層的自由表面上沉積球狀物或球狀體的單層，-用氧等離子體干法蝕刻所述DLC涂層，-最后，清洗所述涂層以去除所述球狀物或球狀體。
2.如權(quán)利要求1所述的紋理化DLC涂層的方法，其中采用朗繆爾-布洛爾杰特技術(shù)沉積所述球狀物或球狀體的單層。
3.如權(quán)利要求1所述的紋理化DLC涂層的方法，其中采用浸涂技術(shù)沉積所述球狀物或球狀體的單層。
4.如權(quán)利要求1-3中的一項所述的紋理化DLC涂層的方法，其中在干法蝕刻所述DLC 涂層之前，通過選擇性化學(xué)工藝并且特別是用SF6+CHF3等離子體進(jìn)行所述球狀物或球狀體的受控蝕刻。
5.如權(quán)利要求1-4中的一項所述的紋理化DLC涂層的方法，其中在蝕刻之后通過浸泡在乙醇浴中來清洗所述DLC涂層的表面以去除所述球狀物或球狀體。
6.如權(quán)利要求5所述的紋理化DLC涂層的方法，其中還使所述乙醇浴經(jīng)受超聲波。
7.如權(quán)利要求1-6中的一項所述的紋理化DLC涂層的方法，其中所述球狀物或球狀體由二氧化硅或聚合物例如特別是膠乳或聚苯乙烯制成。
8.如權(quán)利要求1-7中的一項所述的紋理化DLC涂層的方法，其中所述球狀物或球狀體的直徑為100納米到10微米。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法用于制造經(jīng)受磨損或摩擦的機器部件的用途。
10.一種機器磨損或摩擦部件，所述部件具有根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法紋理化的DLC表面涂層，所述涂層在紋理化后具有空穴，其容積V由下面的關(guān)系式給出K = (λ/3--W2y其中的符號-r表示球狀物或球狀體的半徑，-d為所述空穴的深度。
全文摘要
本發(fā)明涉及紋理化DLC涂層的方法，包括在DLC涂層的自由表面上沉積球狀物或球狀體的單層；用氧等離子體干法蝕刻DLC涂層；和清洗所述涂層的表面以去除所述球狀物或球狀體。
文檔編號C23C16/56GK102471888SQ201080028626
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者卡羅琳·舒凱, 弗雷德里克·桑謝特, 杰羅姆·加維萊, 錫德里克·迪克羅 申請人:原子能與替代能源委員會