本發(fā)明涉及海洋環(huán)境中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)表面防護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層及其制備方法。

　　背景技術(shù)

　　21世紀(jì)，海洋在全球的戰(zhàn)略地位日益突出，隨著我國(guó)海洋探索的不斷深入，水下機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的表面防護(hù)問(wèn)題逐漸受到人們的關(guān)注和重視。在海洋環(huán)境條件下，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件不僅要承受摩擦磨損帶來(lái)的損害，同時(shí)還要遭受來(lái)自海水和海洋生物等的腐蝕和污染，因而磨損更加嚴(yán)重。

　　目前，海工裝備用表面防護(hù)涂層往往功能比較單一，主要分為增加表面耐磨性的pvd硬質(zhì)涂層和提高表面抗污性能的有機(jī)錫、氧化亞銅、有機(jī)硅和有機(jī)氟及改性樹(shù)脂等防污涂料。pvd涂層往往具有較高的硬度和耐磨性，但其不具備抗生物附著的能力，某些海洋生物會(huì)在其表面大量生長(zhǎng)、繁殖，增加了水下部件的運(yùn)動(dòng)阻力，嚴(yán)重影響了機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)效率和穩(wěn)定性。而有機(jī)防污涂料雖然抗污防腐性能優(yōu)異，但其摩擦磨損性能表現(xiàn)一般，容易磨損失效。

　　技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種性能良好的耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層。

　　本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層的制備方法。

　　為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所述的一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層，其特征在于：該復(fù)合涂層是指按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)，在glc涂層基體中包含元素cr3~10at.%、cu5~20at.%、c70~90at.%的碳基復(fù)合涂層。

　　該復(fù)合涂層在海水環(huán)境下的最低摩擦系數(shù)為0.08。

　　如上所述的一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層的制備方法，包括以下步驟：

　　⑴清洗基材：

　　用無(wú)水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮?dú)獯蹈桑缓髮⑺鰳蛹湃胝婵帐抑羞M(jìn)行抽真空；

　　⑵基材表面預(yù)濺射清洗：

　　當(dāng)真空度優(yōu)于3×10-3pa時(shí)，室溫下通入氬氣，控制真空室內(nèi)部壓強(qiáng)為0.5~3pa，在所述樣件上加脈沖偏壓電源，在-400~-800v的條件下用氬氣等離子體對(duì)所述樣件進(jìn)行預(yù)濺射清洗5~60min；

　　⑶涂層沉積：

　　所述氬氣等離子體清洗后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為1~5pa，調(diào)整偏壓為-30~-150v，在cr靶上加直流電源、調(diào)節(jié)電流為3~5a的條件下沉積2~10min，即得cr過(guò)渡層；

　　所述cr過(guò)渡層沉積完成后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為1~5pa，調(diào)整偏壓-30~-150v，調(diào)節(jié)cr靶電流為3~5a，調(diào)節(jié)cu靶電流為0.5~2a，調(diào)節(jié)石墨靶電流為2~5a，經(jīng)1~6h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1、本發(fā)明采用多元摻雜磁控濺射鍍膜技術(shù)，選取功能性摻雜元素cr和cu，通過(guò)調(diào)整鍍膜工藝參數(shù)，優(yōu)化摻雜含量，從而獲得了海洋環(huán)境下具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能，同時(shí)兼具良好的防腐和抗污性能的內(nèi)部致密、表面光滑、附著力強(qiáng)的多功能碳基復(fù)合涂層。

　　2、本發(fā)明在glc涂層基體中cr元素的加入能夠起到提高涂層硬度，耐蝕性的作用。

　　3、本發(fā)明獲得的(cr,cu)-glc多元復(fù)合涂層在海水環(huán)境下的摩擦系數(shù)的最低摩擦系數(shù)在0.08，實(shí)現(xiàn)了較低摩擦，而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)在摩擦過(guò)程中，涂層的開(kāi)路電壓也較高，表現(xiàn)出較高的耐蝕性。

　　4、本發(fā)明獲得的(cr,cu)-glc多元復(fù)合涂層中，由于cu元素的加入能夠在海水環(huán)境下殺滅細(xì)菌和附著生物，因此，使得其在海水環(huán)境下的抗海藻附著性能優(yōu)良，體現(xiàn)出優(yōu)良的抗污性能。

　　5、本發(fā)明獲得的復(fù)合涂層沉積速率較快，膜層均勻，結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)應(yīng)力小，硬度在5~17gpa左右，涂層與海水之間的接觸角在86~96°之間，具有一定的疏水性。

　　6、本發(fā)明復(fù)合涂層的制備在室溫下實(shí)施，基材無(wú)需任何額外的加熱過(guò)程，所制備的復(fù)合涂層在石油化工、海洋工程、船舶機(jī)械等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

　　附圖說(shuō)明

　　下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

　　圖1為本發(fā)明制備的(cr,cu)-glc多元涂層的截面sem像。

　　圖2為本發(fā)明所實(shí)施的電化學(xué)摩擦磨損測(cè)試的原理圖。

　　圖3為本發(fā)明實(shí)施例1與對(duì)比例1的電化學(xué)摩擦磨損測(cè)試結(jié)果。

　　圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的涂層與人工海水的潤(rùn)濕角結(jié)果。

　　圖5為本發(fā)明實(shí)施例2與對(duì)比例2海藻附著實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

　　具體實(shí)施方式

　　實(shí)施例1一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層是指按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)，在glc涂層基體中包含元素cr4.3at.%、cu12.5at.%、c83.2at.%的碳基復(fù)合涂層。

　　該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層的制備方法，包括以下步驟：

　　⑴清洗基材：

　　用無(wú)水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮?dú)獯蹈桑缓髮蛹湃胝婵帐抑羞M(jìn)行抽真空；

　　⑵基材表面預(yù)濺射清洗：

　　當(dāng)真空度優(yōu)于3×10-3pa時(shí)即可開(kāi)始鍍膜工作，室溫下通入氬氣，控制真空室內(nèi)部壓強(qiáng)為0.5pa，在樣件上加脈沖偏壓電源，在-400v的條件下用氬氣等離子體對(duì)樣件進(jìn)行預(yù)濺射清洗60min，以去除表面的氧化層和其它雜質(zhì)；

　　⑶涂層沉積：

　　氬氣等離子體清洗后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為1pa，調(diào)整偏壓為-30v，在cr靶上加直流電源、調(diào)節(jié)電流為3a的條件下沉積10min，即得cr過(guò)渡層；

　　cr過(guò)渡層沉積完成后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為1pa，調(diào)整偏壓-150v，調(diào)節(jié)cr靶電流為3a，調(diào)節(jié)cu靶電流為0.5a，調(diào)節(jié)石墨靶電流為3.5a，經(jīng)6h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　所制備的(cr,cu)多元摻雜glc涂層的截面sem像如圖1所示，涂層的厚度約為2.5μm。

　　實(shí)施例2一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層是指按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)，在glc涂層基體中包含元素cr10at.%、cu20at.%、c70at.%的碳基復(fù)合涂層。

　　該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層的制備方法，包括以下步驟：

　　⑴清洗基材：

　　用無(wú)水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮?dú)獯蹈桑缓髮蛹湃胝婵帐抑羞M(jìn)行抽真空；

　　⑵基材表面預(yù)濺射清洗：

　　當(dāng)真空度優(yōu)于3×10-3pa時(shí)即可開(kāi)始鍍膜工作，室溫下通入氬氣，控制真空室內(nèi)部壓強(qiáng)為3pa，在樣件上加脈沖偏壓電源，在-800v的條件下用氬氣等離子體對(duì)樣件進(jìn)行預(yù)濺射清洗5min，以去除表面的氧化層和其它雜質(zhì)；

　　⑶涂層沉積：

　　氬氣等離子體清洗后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為5pa，調(diào)整偏壓為-150v，在cr靶上加直流電源、調(diào)節(jié)電流為5a的條件下沉積2min，即得cr過(guò)渡層；

　　cr過(guò)渡層沉積完成后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為5pa，調(diào)整偏壓-30v，調(diào)節(jié)cr靶電流為5a，調(diào)節(jié)cu靶電流為2a，調(diào)節(jié)石墨靶電流為5a，經(jīng)1h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　實(shí)施例3一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層是指按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)，在glc涂層基體中包含元素cr3at.%、cu7at.%、c90at.%的碳基復(fù)合涂層。

　　該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層的制備方法，包括以下步驟：

　　⑴清洗基材：

　　用無(wú)水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮?dú)獯蹈桑缓髮蛹湃胝婵帐抑羞M(jìn)行抽真空；

　　⑵基材表面預(yù)濺射清洗：

　　當(dāng)真空度優(yōu)于3×10-3pa時(shí)即可開(kāi)始鍍膜工作，室溫下通入氬氣，控制真空室內(nèi)部壓強(qiáng)為3pa，在樣件上加脈沖偏壓電源，在-800v的條件下用氬氣等離子體對(duì)樣件進(jìn)行預(yù)濺射清洗5min，以去除表面的氧化層和其它雜質(zhì)；

　　⑶涂層沉積：

　　氬氣等離子體清洗后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為5pa，調(diào)整偏壓為-150v，在cr靶上加直流電源、調(diào)節(jié)電流為5a的條件下沉積2min，即得cr過(guò)渡層；

　　cr過(guò)渡層沉積完成后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為5pa，調(diào)整偏壓-30v，調(diào)節(jié)cr靶電流為3a，調(diào)節(jié)cu靶電流為0.5a，調(diào)節(jié)石墨靶電流為5a，經(jīng)5h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　實(shí)施例4一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層是指按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)，在glc涂層基體中包含元素cr9.8at.%、cu5.0at.%、c85.2at.%的碳基復(fù)合涂層。

　　該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復(fù)合涂層的制備方法，包括以下步驟：

　　⑴清洗基材：

　　用無(wú)水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮?dú)獯蹈桑缓髮蛹湃胝婵帐抑羞M(jìn)行抽真空；

　　⑵基材表面預(yù)濺射清洗：

　　當(dāng)真空度優(yōu)于3×10-3pa時(shí)即可開(kāi)始鍍膜工作，室溫下通入氬氣，控制真空室內(nèi)部壓強(qiáng)為1pa，在樣件上加脈沖偏壓電源，在-600v的條件下用氬氣等離子體對(duì)樣件進(jìn)行預(yù)濺射清洗30min，以去除表面的氧化層和其它雜質(zhì)；

　　⑶涂層沉積：

　　氬氣等離子體清洗后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為2pa，調(diào)整偏壓為-60v，在cr靶上加直流電源、調(diào)節(jié)電流為4a的條件下沉積5min，即得cr過(guò)渡層；

　　cr過(guò)渡層沉積完成后，調(diào)節(jié)氬氣壓強(qiáng)為3pa，調(diào)整偏壓-90v，調(diào)節(jié)cr靶電流為4a，調(diào)節(jié)cu靶電流為1.5a，調(diào)節(jié)石墨靶電流為2a，經(jīng)4.5h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　上述實(shí)施例1~4中的復(fù)合涂層在海水環(huán)境下的最低摩擦系數(shù)為0.08。

　　對(duì)比例1：

　　國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)成分的9cr18鋼塊，表面未經(jīng)涂層處理；

　　對(duì)比例2：

　　國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)成分的9cr18鋼塊，表面涂覆某涂層公司生產(chǎn)的耐磨型glc涂層。

　　【電化學(xué)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)】

　　采用mft-r4000電化學(xué)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)實(shí)施例1所制備的一系列(cr,cu)多元摻雜glc涂層和對(duì)比例1中的未涂層9cr18鋼的電化學(xué)摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的機(jī)理圖如圖2所示，樣品在人工海水介質(zhì)中與對(duì)偶材料（直徑為6.0mm的氧化鋁球）接觸進(jìn)行往復(fù)摩擦，加載力為10n，頻率0.1hz，其電化學(xué)-摩擦曲線見(jiàn)圖3，可見(jiàn)本發(fā)明所制備的涂層樣品的平均摩擦系數(shù)較低，最低摩擦系數(shù)為0.08，比對(duì)比例1的鋼塊樣品的摩擦系數(shù)降低了約4倍。同時(shí)，本發(fā)明所制備涂層在摩擦?xí)r擁有較高的開(kāi)路電壓，約為+0.00v，這意味著涂層在海水中的耐腐蝕性能良好。

　　【潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)】

　　采用oca20接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)實(shí)施例1中所制備的(cr,cu)多元摻雜glc涂層與人工海水之間的接觸角進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)涂層的接觸角約為92°，顯示了一定的疏水性。

　　【海藻附著實(shí)驗(yàn)】