CN102677009A - 一种磁控溅射镀膜装置、纳米多层膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁控溅射镀膜装置，其特征在于，至少包括真空镀膜室、溅射靶、真空镀膜室底座上的转架台和转架台上的工件架，以及驱动转架台绕转架台的中心轴转动的第一转动***；所述溅射靶设置在转架台周围并与转架台垂直，所述溅射靶包括两个第一溅射靶及一个第二溅射靶，所述溅射靶位于与转架台同心的圆周上，两个所述第一溅射靶之间的圆弧为180-240度，所述第二溅射靶等分两个第一溅射靶之间的圆弧；所述转架台上固定设置有穿过转架台表面的隔板，在垂直于转架台方向上，所述隔板的两端均超出所述溅射靶的两端。该装置结构简单，对工艺的控制简单，解决了纳米多层膜的制备，适宜于工业化。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备领域，特别涉及一种制备纳米多层膜的装置、纳米多层膜及其制备方法。
背景技术
目前，真空磁控溅射技术在各个领域有着广泛的应用，一种应用是利用真空磁控溅射技术将类金刚石膜（DLC）镀覆在基材表面，如医疗用手术器材、人体植入类医学材料及工程刀具等等的基材表面，来显著提高基材的硬度及耐磨性。
但是由于类金刚石膜具有较大的内应力，与金属或合金材料的结合力都不高，在较高的载荷或载荷冲击作用下容易出现类金刚石膜破裂或剥落，尤其对于人体植入类产品，类金刚石膜的剥落会产生碎屑，会加剧植入类产品的磨损，降低产品的使用寿命。
为了解决上述的问题，提出了一种纳米多层薄膜，可以提高基材的耐磨性，增加与基材的结合力，同时有助于提高润滑性，如提出的碳/碳化钛的纳米多层膜，将碳/碳化钛的纳米多层膜镀覆在植入人体类的金属关节头和臼杯的表面上，使关节头和臼杯具有优异的耐磨性及良好的生物相容性，也具有好的润滑效果，大幅度提高人工关节在人体中的寿命。
然而，利用目前的磁控溅射镀膜装置进行多层膜的加工时，对电源工艺上有极高的要求，而受限于目前工业体系，很难在工业化规模下实现精确的控制，很难实现多层膜的工业化生产。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，本发明提出了一种磁控溅射镀膜装置：
至少包括真空镀膜室、溅射靶、真空镀膜室底座上的转架台和转架台上的工件架，以及驱动转架台绕转架台的中心轴转动的第一转动***；所述溅射靶设置在转架台周围并与转架台垂直，所述溅射靶包括两个第一溅射靶及一个第二溅射靶，所述溅射靶位于与转架台同心的圆周上，两个所述第一溅射靶之间的圆弧为180-240度，所述第二溅射靶等分所述圆弧；所述转架台上固定设置有穿过转架台表面的隔板，在垂直于转架台方向上，所述隔板的两端均超出所述溅射靶的两端。
可选地，所述第一溅射靶为石墨靶，所述第二溅射靶为钛靶或钽靶。
可选地，所述隔板沿着转架台的直径穿过所述转架台，且所述隔板的宽度大于转架台的直径
可选地，所述隔板与所述溅射靶所在圆周的间距为2-10cm。
可选地，所述溅射靶为矩形。
可选地，所述隔板的材料为钛、铝、不锈钢或他们的组合。
可选地，还包括：驱动转架台绕工件架的中心轴转动的第二转动***。
可选地，所述工件架通过支架杆设置在转架台上，同一支架杆上间隔设置有多个工件架。
可选地，所述溅射靶设置在真空镀膜室的内壁上。
可选地，两个所述第一溅射靶之间的圆弧为180度，所述溅射靶还包括另一第二溅射靶，两个第二溅射靶相对设置，该另一第二溅射靶为闲置状态。
此外，本发明还提供了利用上述磁控溅射镀膜装置制备纳米多层膜的方法，用于在基材上镀覆纳米多层膜，转架台匀速转动，包括：
第一溅射阶段，两个第一溅射靶从初始工作电流I1开始，每隔第一间隔时间T1，所述第一溅射靶的工作电流增加ΔI1，直到其工作电流为第一预定电流值；一个第二溅射靶从初始工作电流I2开始，每隔第二间隔时间T2，所述第二溅射靶的工作电流减少ΔI2，直到其工作电流为第二预定电流值，所述第一溅射靶和所述第二溅射靶的工作电压保持不变；
第二溅射阶段，将第二溅射靶的工作电流设定并保持在第三预定电流值，第一溅射靶的工作电流保持在第一预定电流值或将第一溅射靶的工作电流设定并保持在第四预定电流值，所述第一溅射靶和所述第二溅射靶的工作电压保持不变，进行第二预定时长的溅射；
第三溅射阶段，将第二溅射靶的工作电流和电压设定为零，第一溅射靶的工作电流保持在第二溅射阶段的工作电流或者将第一溅射靶的工作电流设定并保持在第五预定电流值，进行第三预定时长的溅射。
可选地，所述初始工作电流I1为0.5-2.0A，所述第一间隔时间T1为5-15min，所述ΔI1为0.5-1.0A，所述第一预定电流值为4.0-7.0A，所述初始工作电流I2为4.0-7.0A，第二间隔时间T2为5-15min，所述ΔI2为0.5-1.0A，所述第二预定电流值为零，所述第一溅射靶的工作电压为80-120V，所述第二溅射靶的工作电压为80-130V。
可选地，所述第三预定电流值为0.5-2.0A，所述第二预定时长为120-300min。
可选地，所述第五预定电流值为4.0-7.0A，所述第三预定时长为15-20min。
可选地，在进行第一溅射阶段之前，还包括清洗溅射靶的步骤。
此外，本发明还提供了通过上述方法制备的纳米多层膜，包括与基体结合的碳化钛和类石墨的过渡层、所述碳化钛和类石墨的过渡层上的复合层以及所述复合层上的类金刚石顶层膜，所述复合层为类石墨层与类金刚石层交替层叠的多层结构，其中，所述石墨层的sp2含量为60%，所述类金刚石层的sp3含量为70%，从基体到类金刚石顶层膜的方向上，所述碳化钛和类石墨的过渡层中的Ti的质量百分比逐渐减小、C的质量百分比逐渐增大。
可选地，所述碳化钛和类石墨的过渡层的厚度为300-500nm。
可选地，所述复合层的厚度为1600-1900nm。
可选地，所述类金刚石顶层膜的厚度为100nm。
可选地，所述纳米多层膜中C的质量百分比是70%-97.6%，Ti的质量百分比是2.4-30%。
同现有技术相比，本发明的磁控溅射镀膜装置，通过在转架台上设置隔板，将转架台分割为两个相互独立的区域，由于隔板在垂直转架台方向上两端均超出溅射靶的两端，配合溅射靶设置的位置，在转架台转动中的某个位置上时，不同区域上待镀膜的产品分别仅接受来自第一溅射靶、第二溅射靶的镀膜或者仅第一溅射靶的镀膜，从而在转架台的转动中实现多层膜的制备，该装置结构简单，对工艺的控制简单，解决了纳米多层膜的制备，适宜于工业化。
利用本发明的磁控溅射镀膜装置及方法，通过控制不同溅射阶段的工作电流及电压，形成包括过渡层、类金刚石与类石墨相互交替层叠的复合层及类金刚石顶层膜的纳米多层膜，其与基体具有更好结合力、润滑性及耐磨性。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了根据本发明实施例的磁控溅射镀膜装置的立体结构示意图；
图2示出了图1所示的磁控溅射镀膜装置的俯视示意图；
图3为根据本发明另一实施例的磁控溅射镀膜装置的俯视示意图；
图4示出了根据本发明实施例的与金属材料结合的纳米多层膜的截面结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案和有益效果，以下将详细描述本发明的实施例，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1、图2所示，图1、图2为本发明实施例的磁控溅射镀膜装置的立体结构及俯视结构示意图，本实施例中的磁控溅射镀膜装置包括真空镀膜室100、转架台102、溅射靶、工件架140，以及驱动转架台102绕转架台的中心轴转动的第一转动***（图未示出），当然，该装置还包括其他必要的部件，如加热装置、温控***、冷却水循环***及与溅射靶电连接的电源***等等（图未示出）。
在本实施例中，所述溅射靶包括两个第一溅射靶120a、120b及一个第二溅射靶130，这些溅射靶120a、120b、130设置在与转架台102同心的圆周104上，溅射靶所在位置的圆周可以为实际部件，例如真空镀膜室100的内壁，也可以是虚拟的圆周例如转架台与真空镀膜室之间的任意位置上，其中，两个第一溅射靶120a、120b相对地平行设置，且将所述圆周104等分，所述第二溅射靶130等分两个第一溅射靶120a、120b之间的圆弧，即，两个第一溅射靶120a、120b之间的弧度基本为180°，第二溅射靶130与第一溅射靶120a、120b之间的弧度基本为90°，所述第一溅射靶120a、120b可以为某一种元素的溅射靶，所述第二溅射靶可以为另一种元素的溅射靶，可以根据具体需要溅射的产品来选择溅射靶的材料，例如，本实施例中，所述第一溅射靶为石墨靶、所述第二溅射靶为钛靶，在其他实施例中，所述第一溅射靶可以为碳靶，所述第二溅射靶还可以为钽靶等等。
在其他实施例中，两个第一溅射靶及及一个第二溅射靶在圆周上还可以为设置为其他角度的间隔设置，例如，两个第一溅射靶120a、120b之间的圆弧（优弧）的弧度为180°-240°之间的其他角度，而一个第二溅射靶等分所述圆弧，这样，第二溅射靶与第一溅射靶之间的圆弧的弧度可以在90-120°之间，如图3所示，第二溅射靶130与第一溅射靶120a、120b之间的圆弧的弧度为120°。
在本实施例中，所述转架台102为圆台，在所述转架台102上固定设置有隔板110，优选地，该隔板110为一直板，隔板的材料可以为钛、铝、不锈钢等或这些材料的组合，所述隔板110穿过转架台的直径垂直设置在转架台102上，通过该隔板110将转架台102分隔为两个相互独立的区域102-1、102-2，在垂直于转架台的方向上（Z轴方向），隔板110的两端均超出溅射靶120a、120b、130的两端，这样，隔板阻挡住某一区域另一面的溅射靶，可以使该区域只接受该区域面对的溅射靶的镀膜，更优地，为了取得更好的阻挡效果，所述隔板的宽度大于转架台的直径，其中，所述宽度指所述隔板穿过转架台直径方向的长度，更优地，所述隔板与所述溅射靶所在圆周的间距d为2-10cm。
所述转架台102设置有驱动转架台绕其中心轴转动的第一转动***（图未示出），即，转架台及隔板随着转架台一起绕转架台的中心轴做转动。在三个溅射靶上述设置的位置情况下，在转架台转动到任一位置时，例如图2所示位置处，在隔板102的遮挡下，转架台的一个区域102-1面对第一溅射靶120a（如石墨靶）和第二溅射靶130（钛靶），从而该区域102-1的待镀膜产品（或基材）上可以镀覆上碳：碳化钛膜（碳和碳化钛混合的膜层），而转架台的另一个区域102-2面对第一溅射靶120b（石墨靶），从而该区域102-2的产品上镀覆上碳膜，而随着转架台的转动，不同区域上的产品将会层叠的镀覆上碳：碳化钛膜及碳膜，从而实现产品上纳米多层膜的镀覆，而通过调控转架台的转速，可以控制单层膜的厚度，该装置结构简单，对工艺的控制简单，解决了多层膜的制备，适宜于工业化。
在其他实施例中，所述隔板110还可以垂直设置在转架台的其他位置，也可以为弯折板或其他任意可以将转架台分隔为两个相互独立的区域的隔板。
在本实施例中，该装置还具有驱动转架台绕工件架的中心轴转动的第二转动***，也就是说，工件架可以自转，通过支架杆160在所述转架台102上设置有多个工件架140，同一支架杆160上可以间隔设置多个工件架150，来提高加工效率，工件架140用来放置要加工的基材（或产品）150，产品150可以均匀地设置在工件架140的圆周上。通过工件架的自转，可以使每个工件架上的待镀膜产品上镀覆的膜层具有较好的均匀性。
以上为本发明较佳实施例的磁控溅射镀膜装置，与该实施例不同的是，在另一较佳实施例中，所述溅射靶为四个（图未示出），设置在转架台的四周，也就是说，所述溅射靶包括两个第一溅射靶及两个第二溅射靶，两个第一溅射靶相对设置，两个第二溅射靶相对设置，四个溅射靶等分圆周，但在进行多层膜的制备时，其中一个第二溅射靶并不工作，也就是说，两个第一溅射靶及一个第二溅射靶设置相应的靶电流、电压等参数进行靶溅射镀膜，而另一个第二溅射靶并设置工作电压电流等条件，不进行靶溅射镀膜，为闲置状态。在此实施例中，虽然设置了四个溅射靶，但其中一个溅射靶并不进行溅射镀膜。
在本发明中，待镀膜的基材可以为人体植入类器材，如骨关节头或臼杯等，还可以为其他基材，如工程道具等等，基材的材料可以为金属或合金材料或其他材料等。
以上对本发明的磁控溅射镀膜装置进行了详细的描述，在进行制备时，根据具体的需求，进行各个工艺参数的设定进行纳米多层膜的制备。为此，本发明提供了利用上述任一磁控溅射镀膜装置在基材上进行镀膜的方法，该方法包括：
第一溅射阶段，两个第一溅射靶从初始工作电流I1开始，每隔第一间隔时间T1，所述第一溅射靶的工作电流增加ΔI1，直到其工作电流为第一预定电流值；一个第二溅射靶从初始工作电流I2开始，每隔第二间隔时间T2，所述第二溅射靶的工作电流减少ΔI2，直到其工作电流为第二预定电流值，所述第一溅射靶和所述第二溅射靶的工作电压保持不变；
第二溅射阶段，将第二溅射靶的工作电流设定并保持在第三预定电流值，第一溅射靶的工作电流保持在第一预定电流值或将第一溅射靶的工作电流设定并保持在第四预定电流值，所述第一溅射靶和所述第二溅射靶的工作电压保持不变，进行第二预定时长的溅射；
第三溅射阶段，将第二溅射靶的工作电流和电压设定为零，第一溅射靶的工作电流保持在第二溅射阶段的工作电流或者将第一溅射靶的工作电流设定并保持在第五预定电流值，进行第三预定时长的溅射。
在本发明的制备方法的实施例中，都是三个溅射靶进行工作，即两个第一溅射靶和一个第二溅射靶工作，在还包括另一个第二溅射靶的实施例中，该第二溅射靶为闲置状态，在纳米多层膜的制备中，一直不进行溅射。
在一些实施例中，磁控溅射镀膜装置的第一溅射靶为石墨靶、第二溅射靶为钛靶，首先将待镀膜的基材（或待镀膜的产品）置入真空镀膜室的工件架上，并将真空镀膜室抽真空至2×10-4Pa，通入流量为25sccm的高纯氩气；接着，可以进行溅射靶的清洗，可以在所有溅射靶上加0.4A的电流、500V的电压，进行20分钟的溅射清洗。
而后，进行溅射，整个溅射过程中，转架台匀速转动，待镀膜的基材也可以自转。具体地，在第一溅射阶段，可以将两个第一溅射靶的初始工作电流I1设定为0.5-2.0A、工作电压设定为80-120V，将一个第二溅射靶的初始工作电流I2设定为4.0-7.0A、工作电压设定为80-130V，对于两个第一溅射靶，每间隔一段时间如5-15min，其工作电流增加一定的值，如0.5-1.0A，直到其工作电流增加到预定值，例如4.0-7.0A，相反地，对于一个第二溅射靶，每间隔一段时间5-15min，其工作电流减少一定的值，如0.5-1.0A，直到其工作电流减小到预定值，例如0A，也就是说，在第一阶段的溅射过程中，第一溅射靶的电流呈阶梯式的增长，第二溅射靶的电流呈阶梯式的减少，他们的增加和减少的幅度可以相同或不同，间隔的时间可以相同或不同，整个过程中他们的靶电压保持不变，这样，经过一段时间的溅射，如50-100min后，可以在金属材料的产品上沉积300-500nm厚度的TiC和类石墨的过渡层。由于在此过程中控制了不同的靶的电流梯度，在靠近金属材料的层面往上，该过渡层中Ti的质量百分比从较高的含量逐渐减小，而C的质量百分比从较低的含量逐渐增大，这样，可以增加同基材的结合力，特别是金属或合金材料的基材，同时逐渐增加其润滑性。
需要说明的是，在本发明中，所述碳化钛和类石墨的过渡层指该过渡层为混合有碳化钛和类石墨的膜层，也就是说，该过渡层同时掺有类石墨和碳化钛。
接着，在第二溅射阶段，可以将第一溅射靶的工作电流保持在第一溅射阶段其最后的预定值4.0-7.0A，当然也可以将第一溅射靶的工作电流设定并保持重新设定并保持在一个所需的预定值，同时，将第二溅射靶的工作电流设定并保持在所需的预定值，如0.5-2.0A，并进行120-300min的溅射，此过程中，第一和第二溅射靶的工作电压保持不变，在此工艺条件下，形成了1600-1900nm的复合层，该复合层为类石墨层（sp2含量约为60%）与类金刚石层(sp3含量约为70%)交替层叠的多层结构。
接着，在第三溅射阶段，将第二溅射靶的电压及电流降低为0，使其不工作，并将两个第一溅射靶的电流重新设定在一个所需的预定值，如4.0-7.0A，当然也可以保持在第二溅射阶段的电流，进行15-20min的溅射，在此工艺条件下，在复合层上单独形成了100nm左右的类金刚石顶层膜，类金刚石硬度强，使多层膜具有更好的硬度和耐磨性能。至此，形成了与基材结合的纳米多层膜，该实施例中，形成的纳米多层膜中C的质量百分比是70%-97.6%，Ti的质量百分比是2.4-30%。
进一步地，本发明还提供了上述方法形成的与基材结合的纳米多层膜，参考图4所示，包括基材200上的TiC和类石墨的过渡层210、所述过渡层210上的类金刚石与类石墨相互交替的复合层212以及所述复合层212上的类金刚石顶层膜214，其中，所述石墨层的sp2含量为60%，所述类金刚石层的sp3含量为70%，从基材200到类金刚石顶层膜214的方向上，所述过渡层210中的Ti的质量百分比逐渐减小、C的质量百分比逐渐增大，所述复合层212为类石墨层212a与类金刚石层212b交替层叠的多层结构，本发明中，对复合层212中类石墨层与类金刚石层的层数不做限定。该纳米多层膜的过渡层与基材结合的层面具有更高的钛含量和更低的碳含量，与基材具有更好的结合力，同时具有低的内应力和好的润滑性，并通过顶层的类金刚石膜提高硬度和耐磨性能。
在一个具体的实施例1中，两个第一溅射靶为碳靶、一个第二溅射靶为钛靶，溅射装置中的第二溅射靶与第一溅射靶之间的弧度基本为90度，转架台转速为1.5rpm，待镀膜的基材自转，镀膜前，将待镀膜的基材置入真空镀膜室的工件架上，并将真空镀膜室抽真空至2×10-4Pa，通入流量为25sccm的高纯氩气；接着，在所有溅射靶上加0.4A的电流、500V的电压，进行20分钟的溅射清洗。而后进行溅射，两个碳靶的电压设置为100V、电流设置为0.5A，一个钛靶上的电压设置为100V、电流设置为7.0A，一个钛靶上的电流阶梯式降低，每间隔10min，钛靶上的电流降低1.0A，直到降低到0，两个碳靶上的电流阶梯式增加，每间隔10min，碳靶上的电流增加1.0A，直到增加到7.0A，进行60min后，在金属材料上沉积了300nm的过渡层（C比例逐渐增大，Ti比例逐渐减少）；而后，两个石墨靶上的电流、电压保持不变，将钛靶的电流升至1.0A，电压仍为100V，进行120min后，在过渡层上形成了1600nm的类石墨层（sp2含量约为60%）与类金刚石层(sp3含量约为70%)交替层叠的复合层；而后，将钛靶的电流和电压降至0，将石墨靶的电流提高至7.0A，电压保持在100V，进行15min后，在复合层上形成了100nm的类金刚石膜，在该实施例中，形成的纳米多层膜的C的质量百分比是97%，Ti的质量百分比是3%。
在另一个具体的实施例2中，溅射装置中的两个第一溅射靶为碳靶、一个第二溅射靶为钛靶，第二溅射靶与第一溅射靶之间的弧度基本为90度，转架台转速为2.0rpm，待镀膜的基材自转，镀膜前，将待镀膜的基材置入真空镀膜室的工件架上，并将真空镀膜室抽真空至2×10-4Pa，通入流量为25sccm的高纯氩气；接着，在所有溅射靶上加0.4A的电流、500V的电压，进行20分钟的溅射清洗。而后进行溅射，两个碳靶的电压设置为110V、电流设置为0.8A，一个钛靶上的电压设置为110V、电流设置为6.5A，一个钛靶上的电流阶梯式降低，每间隔5min，钛靶上的电流降低1.0A，直到降低到0，两个碳靶上的电流阶梯式增加，每间隔5min，碳靶上的电流增加1.0A，直到增加到6.5A，进行80min后，在金属材料上沉积了400nm的过渡层（C比例逐渐增大，Ti比例逐渐减少）；而后，两个石墨靶上的电流、电压保持不变，将钛靶的电流升至1.5A，电压仍为110V，进行180min后，在过渡层上形成了1800nm的类石墨层（sp2含量约为60%）与类金刚石层(sp3含量约为70%)交替层叠的复合层；而后，将钛靶的电流和电压降至0，将石墨靶的电流提高至6.5A，电压保持在110V，进行15min后，在复合层上形成了100nm的类金刚石膜，在该实施例中，形成的纳米多层膜的C的质量百分比是92%，Ti的质量百分比是8%。
在又一个具体的实施例3中，溅射装置中的两个第一溅射靶为碳靶、一个第二溅射靶为钛靶，第二溅射靶与第一溅射靶之间的弧度基本为90度，转架台转速为2.5rpm，待镀膜的基材自转，镀膜前，将待镀膜的基材置入真空镀膜室的工件架上，并将真空镀膜室抽真空至2×10-4Pa，通入流量为25sccm的高纯氩气；接着，在所有溅射靶上加0.4A的电流、500V的电压，进行20分钟的溅射清洗。而后进行溅射，两个碳靶的电压设置为120V、电流设置为1.8A，一个钛靶上的电压设置为120V、电流设置为6.0A，一个钛靶上的电流阶梯式降低，每间隔12min，钛靶上的电流降低1.0A，直到降低到0，两个碳靶上的电流阶梯式增加，每间隔12min，碳靶上的电流增加1.0A，直到增加到6.0A，进行100min后，在金属材料上沉积了500nm的过渡层（C比例逐渐增大，Ti比例逐渐减少）；而后，两个石墨靶上的电流、电压保持不变，将钛靶的电流升至1.8A，电压仍为120V，进行260min后，在过渡层上形成了1900nm的类石墨层（sp2含量约为60%）与类金刚石层(sp3含量约为70%)交替层叠的复合层；而后，将钛靶的电流和电压降至0，将石墨靶的电流提高至6.0A，电压保持在120V，进行15min后，在复合层上形成了100nm的类金刚石膜，在该实施例中，形成的纳米多层膜的C的质量百分比是86%，Ti的质量百分比是14%。
用扫描电镜对上述具体的实施例1-3纳米多层膜表面进行观察，纳米多层膜表面粗糙度小。采用纳米压痕仪测纳米多层膜硬度，载荷为10mN，压入深度大于表面粗糙度的10倍，小于纳米多层膜厚度的1/10，保证测得的硬度具有真实性和有效性。通过标准压痕仪和自动划痕测试来评价纳米多层膜的纵向结合力和横向结合力。压痕测试的载荷为150N，压头半径0.2mm，压痕周围没有裂纹和分层现象，表明纳米多层膜的纵向结合力良好。划痕测试时载荷从10N逐渐升至85N，滑动速率为10mm/min。划痕周围和边缘没有开裂和脱落的现象，表明纳米多层膜的横向结合力良好。
采用球-盘式摩擦磨损机测定纳米多层膜摩擦磨损性能。对磨球为硬度1500HV的Si3N4陶瓷球，直径为3mm。载荷10N，滑动速度0.10m/s,摩擦时间30min。实验在室温、无润滑的状态下，在潮湿空气（相对湿度50%）中进行。测试过程中自动记录摩擦系数变化。测试结束后，用台阶仪测出磨损体积，计算磨损速率。表1给出实例1、2、3纳米多层膜硬度、平均摩擦系数及磨损速率。
表一
本发明的纳米多层膜具有低摩擦系数、超耐磨性能及与产品基体结合力强度良好的特性。在纳米多层膜具体的实施例1、2、3中，其薄膜平均摩擦系数分别为0.048、0.052、0.046，且测试过程中摩擦系数无明显变化，说明纳米多层膜摩擦稳定性好，磨损后的纳米多层膜表面磨痕深度极浅；纳米多层膜具体实施例1、2、3中磨损速率分别为2.8×10-17、2.3×10-17、3.1×10-17m3/Nm，表明纳米多层膜具有极好地耐磨性能。并且，在纳米多层膜具体的实施例1、2、3的纳米多层膜在150N载荷下形成的压坑最边缘位置并没发生开裂、分层和剥落痕迹；在85N载荷下在纳米多层膜表面形成的划痕区域和边缘都没有观察到纳米多层膜开裂和脱落现行，压坑和划痕法测试表明纳米多层膜与金属材料的基体具有良好的结合强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (20)
1.一种磁控溅射镀膜装置，其特征在于，至少包括真空镀膜室、溅射靶、真空镀膜室底座上的转架台和转架台上的工件架，以及驱动转架台绕转架台的中心轴转动的第一转动***；所述溅射靶设置在转架台周围并与转架台垂直，所述溅射靶包括两个第一溅射靶及一个第二溅射靶，所述溅射靶位于与转架台同心的圆周上，两个所述第一溅射靶之间的圆弧基本为180-240度，所述第二溅射靶等分所述圆弧；所述转架台上固定设置有穿过转架台表面的隔板，在垂直于转架台方向上，所述隔板的两端均超出所述溅射靶的两端。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述第一溅射靶为石墨靶，所述第二溅射靶为钛靶或钽靶。
3.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述隔板沿着转架台的直径穿过所述转架台，且所述隔板的宽度大于转架台的直径。
4.根据权利要求3所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述隔板与所述溅射靶所在圆周的间距为2-10cm。
5.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述溅射靶为矩形。
6.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述隔板的材料为钛、铝、不锈钢或他们的组合。
7.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，还包括：驱动工件架绕工件架的中心轴转动的第二转动***。
8.根据权利要求7所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述工件架通过支架杆设置在转架台上，同一支架杆上间隔设置有多个工件架。
9.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述溅射靶设置在真空镀膜室的内壁上。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，两个所述第一溅射靶之间的圆弧基本为180度，所述溅射靶还包括另一第二溅射靶，两个第二溅射靶相对设置。
11.一种纳米多层膜的制备方法，利用如权利要求1-10中任一项所述的磁控溅射镀膜装置进行溅射，用于镀覆纳米多层膜，转架台匀速转动，包括步骤：
第一溅射阶段，两个第一溅射靶从初始工作电流I1开始，每隔第一间隔时间T1，所述第一溅射靶的工作电流增加ΔI1，直到其工作电流为第一预定电流值；一个第二溅射靶从初始工作电流I2开始，每隔第二间隔时间T2，所述第二溅射靶的工作电流减少ΔI2，直到其工作电流为第二预定电流值，所述第一溅射靶和所述第二溅射靶的工作电压保持不变；
第二溅射阶段，将第二溅射靶的工作电流设定并保持在第三预定电流值，第一溅射靶的工作电流保持在第一预定电流值或将第一溅射靶的工作电流设定并保持在第四预定电流值，所述第一溅射靶和所述第二溅射靶的工作电压保持不变，进行第二预定时长的溅射；
第三溅射阶段，将第二溅射靶的工作电流和电压设定为零，第一溅射靶的工作电流保持在第二溅射阶段的工作电流或者将第一溅射靶的工作电流设定并保持在第五预定电流值，进行第三预定时长的溅射。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述初始工作电流I1为0.5-2.0A，所述第一间隔时间T1为5-15min，所述ΔI1为0.5-1.0A，所述第一预定电流值为4.0-7.0A，所述初始工作电流I2为4.0-7.0A，第二间隔时间T2为5-15min，所述ΔI2为0.5-1.0A，所述第二预定电流值为零，所述第一溅射靶的工作电压为80-120V，所述第二溅射靶的工作电压为80-130V。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第三预定电流值为0.5-2.0A，所述第二预定时长为120-300min。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第五预定电流值为4.0-7.0A，所述第三预定时长为15-20min。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其特征在于，在进行第一溅射阶段之前，还包括清洗溅射靶的步骤。
16.一种纳米多层膜，包括与基体结合的碳化钛和类石墨的过渡层、所述碳化钛和类石墨的过渡层上的复合层以及所述复合层上的类金刚石顶层膜，所述复合层为类石墨层与类金刚石层交替层叠的多层结构，其中，所述石墨层的sp2含量为60%，所述类金刚石层的sp3含量为70%，从基体到类金刚石顶层膜的方向上，所述碳化钛和类石墨的过渡层中的Ti的质量百分比逐渐减小、C的质量百分比逐渐增大。
17.根据权利要求16所述的纳米多层膜，其特征在于，所述碳化钛和类石墨的过渡层的厚度为300-500nm。
18.根据权利要求16所述的纳米多层膜，其特征在于，所述复合层的厚度为1600-1900nm。
19.根据权利要求16所述的纳米多层膜，其特征在于，所述类金刚石顶层膜的厚度为100nm。
20.根据权利要求16所述的纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中C的质量百分比是70%-97.6%，Ti的质量百分比是2.4-30%。
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