專利名稱：耐磨涂層、包含該耐磨涂層的產(chǎn)品以及涂覆該耐磨涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容涉及一種涂層。更具體地，本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容涉及的是一種通過(guò)二甲基硅烷分解反應(yīng)涂覆應(yīng)用于基材的耐磨涂層。
背景技術(shù)：
通常，基材的表面并沒(méi)有我們所需要的性能。我們所需要的具體性能的缺失會(huì)導(dǎo)致基材表面在特定環(huán)境下的降解，或是無(wú)法滿足特定的性能要求，或者二者兼有。例如，在特定環(huán)境下金屬、玻璃、陶瓷的表面會(huì)遭受磨損或者其他不必要的表面活性，例如化學(xué)吸附、催化反應(yīng)、腐蝕作用、氧化作用、副產(chǎn)物累積、粘滯作用等。不必要的表面活性會(huì)導(dǎo)致其他分子的化學(xué)吸附、可逆和不可逆的物理吸附、與其他分子的催化反應(yīng)、異質(zhì)物的沖擊、表面分子崩壞、基質(zhì)的物理?yè)p耗或這些情況相結(jié)合。硅烷表面和不飽和烴在金屬催化劑催化條件下可進(jìn)行反應(yīng)，從而提供特定的性能。但是，上述過(guò)程有如下缺點(diǎn):反應(yīng)系統(tǒng)中的催化劑很難完全去除，并且使用催化劑會(huì)再次引入不需要的表面活性。此外，非晶硅化學(xué)氣相沉積材料容易被高PH值的腐蝕性介質(zhì)溶解，因此限制了其在這種環(huán)境中的使用。在物體表面涂覆涂層可以防止不必要的表面活性。化學(xué)氣相沉積法是一種已知的涂覆涂層的方法(通常被稱為CVD)。一般地，化學(xué)氣象沉淀法可以在一定的壓力和溫度條件下并在固定的時(shí)間內(nèi)，將蒸汽沉淀為固態(tài)物質(zhì)從而形成涂層?；瘜W(xué)氣相沉積法可以包含功能化(一種表面反應(yīng))后的初級(jí)處理來(lái)引入特定的分子。然而，盡管化學(xué)氣相沉積法已經(jīng)被廣泛的使用了，但是硅、碳、氫等分子此前一直被認(rèn)為不適合用作化學(xué)氣相沉積前體，也不適合在例如等離子場(chǎng)或微波場(chǎng)作為附加沉淀能的條件下，與其他化學(xué)氣相沉積前體共同使用。因此，與此類分子有關(guān)的特性此前并沒(méi)有在使用熱化學(xué)氣相沉積領(lǐng)域中得以發(fā)現(xiàn)。此外，很多已知的涂層不能提供足夠的耐磨性，這會(huì)導(dǎo)致部件表面的磨損，從而縮短了涂覆有該涂層的部件的使用壽命。由于部件的使用環(huán)境一般比較復(fù)雜，我們希望所生產(chǎn)的涂層可以同時(shí)抵抗部件表面的化學(xué)降解和物理磨損。例如，石油天然氣工業(yè)中的鉆孔工具的部件所工作的使用環(huán)境就非?？量?，鉆孔工具需要在高負(fù)載、高速度、高摩擦，以及由此產(chǎn)生的高溫環(huán)境中使用。又例如，需要在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中相互摩擦的部件的表面。這些因素都會(huì)引起部件表面的磨損。因此，提高現(xiàn)有涂層的耐磨性，克服部分或者全部的上述或者類似環(huán)境中的缺點(diǎn)，是很有必要的。發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例涉及一種經(jīng)過(guò)三甲基硅烷處理的涂層。
本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例涉及一種產(chǎn)品，所述產(chǎn)品的表面包含經(jīng)過(guò)三甲基硅烷處理的涂層。
本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例涉及一種將耐磨涂層涂覆于產(chǎn)品表面，然后經(jīng)過(guò)三官能基有機(jī)娃燒處理的方法。
在一些實(shí)施例中，所述耐磨涂層是利用化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行涂覆的。
在一些實(shí)施例中，所述二官能基有機(jī)娃燒指的是二甲基娃燒。
在一些實(shí)施例中，耐磨涂層除了要經(jīng)過(guò)三官能有機(jī)硅烷處理，還要進(jìn)行氧化和/或官能化。
本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，過(guò)去不能使用的分子，例如硅、碳、氫，現(xiàn)在可以涂覆于基材表面。
本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)涂層的處理方法是，在含有三甲基硅烷或其他三官能基有機(jī)硅烷的基材上，通過(guò)化學(xué)氣相沉淀法涂覆二甲基硅烷涂層。那么，本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，這種處理方式可以對(duì)未經(jīng)處理而帶來(lái)的氧化和/或功能化的涂層，在惰性、抗腐蝕性、疏水性、抗酸性、防水性和高硬度的一個(gè)或多個(gè)方面的特性進(jìn)行改善。
本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，上述處理方法可以為涂層引入防粘連和防結(jié)焦的特性。
本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以獲得擁有改良的耐磨性的耐磨涂層。
本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步描述均在此公開(kāi)。上述特性以及其它本發(fā)明應(yīng)用現(xiàn)狀涉及的特性和優(yōu)點(diǎn)均可以通過(guò)閱讀本說(shuō)明書和說(shuō)明書附圖，被本領(lǐng)域技術(shù)人員領(lǐng)會(huì)和理解。
說(shuō)明書附圖簡(jiǎn)要描述

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明得到的涂覆于基材上的碳硅烷涂層的實(shí)施例。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明得到的涂覆于基材上的碳硅烷涂層的實(shí)施例的俄歇電子能譜圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明得到的涂覆于基材上的功能化碳硅烷涂層的實(shí)施例。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的化學(xué)氣相沉淀法。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明所述的化學(xué)氣相沉淀法中的處理方法。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明所述的化學(xué)氣相沉淀法中的熱分解法。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明`所述的化學(xué)氣相沉淀法中的功能化步驟。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的化學(xué)氣相沉淀法中的水氧化工藝。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的化學(xué)氣相沉淀法和功能化處理中的水氧化工藝。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明所述的經(jīng)過(guò)二甲基硅烷沉淀并進(jìn)行功能化處理的表面和經(jīng)過(guò)二甲基硅烷沉淀、功能化和水氧化處理的表面的傅立葉變換紅外光譜圖。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明所述的涂覆于基材上的經(jīng)過(guò)水氧化的涂層的典型實(shí)施例的俄歇電子能譜圖。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例所述的化學(xué)氣相沉淀法。圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例所述的處理空氣氧化材料的工藝。圖14示出了根據(jù)本發(fā)明所述的涂覆于基材上的涂層的一實(shí)施例的俄歇電子能譜圖。圖15-19示出了如圖12所闡釋的處理后材料的多種分析結(jié)果。圖20示出了具有涂覆了涂層的耐磨表面的活塞，闡釋了耐磨表面在另一個(gè)表面上移動(dòng)的應(yīng)用。圖21示出了擁有涂覆了涂層的耐磨表面的管道，說(shuō)了耐磨表面暴露于液體流動(dòng)的應(yīng)用。所有說(shuō)明書附圖中相同的附圖標(biāo)記用于表示本發(fā)明的相同的部分。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種可以克服現(xiàn)有技術(shù)存在缺點(diǎn)的涂層、涂覆了該涂層的產(chǎn)品和涂覆該涂層的方法。例如，本發(fā)明所述的涂層、涂覆了該涂層的產(chǎn)品和涂覆該涂層的方法的實(shí)施例，可以利用如硅、碳、氫的分子。 在一個(gè)實(shí)施例中，涂覆本發(fā)明所述涂層的方法可以在缺少附加金屬催化劑、缺少附加殘余催化劑活性以及二者均缺少的條件下實(shí)施。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，涂覆本發(fā)明所述涂層的方法可以增加表面的硬度，卻不實(shí)際降低表面的惰性、抗腐蝕性和/或其他希望得到的特性。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例形成的涂層可以調(diào)整涂層或者涂有該涂層產(chǎn)品的功能性、惰性、可修整性、疏水性、抗腐蝕性和/或抗粘連性、硬度、耐磨性中的一種或幾種。涂層的涂覆主要通過(guò)化學(xué)氣相沉積實(shí)施，而且一般通過(guò)熱涂覆法或者非等離子體輔助法實(shí)施，但是這兩種方法并不是必需的。另外，涂覆本發(fā)明所述涂層的方法除了化學(xué)氣相沉積之外，其他不超過(guò)600°C的方法也可以實(shí)施。根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例，本發(fā)明所述涂層可以經(jīng)過(guò)三甲基硅烷處理。在一個(gè)實(shí)施例中，所述涂層會(huì)被氧化，隨后經(jīng)過(guò)三甲基硅烷處理。經(jīng)過(guò)三甲基硅烷處理可以對(duì)未經(jīng)處理氧化和/或功能化涂層進(jìn)行改進(jìn)，使得具有高惰性、抗腐蝕性、疏水性、抗酸性、耐磨性和高硬度性質(zhì)中的一種或幾種。另外，涂層經(jīng)過(guò)調(diào)整也可以具有防粘和防結(jié)焦的特性。盡管三甲基硅烷相比于二甲基硅烷成本更低且更容易獲取，但是迄今為止三甲基硅烷被認(rèn)為是不適于化學(xué)氣相沉淀法的。一般認(rèn)為，使用三甲基硅烷會(huì)導(dǎo)致負(fù)面特性，例如更高的降解溫度，更高的降解溫度反而會(huì)對(duì)目標(biāo)基材的冶金造成負(fù)面影響，還會(huì)造成沉淀時(shí)間的延長(zhǎng)，從而降低了生產(chǎn)能力。參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的基材100可以包含具有改進(jìn)的表面特性的表面105，所述表面特性通過(guò)控制沉淀涂層102得到，并使基材100、涂層101、產(chǎn)品103、或者其他的組合產(chǎn)品具有所需的表面特性。所述涂層101通過(guò)化學(xué)氣相沉積法形成(例如，通過(guò)二甲基硅烷形成碳硅烷)，隨后進(jìn)行氧化處理(例如，通過(guò)空氣氧化法形成碳氧硅烷)和/或功能化處理(例如，利用氫硅烷形成功能化碳氧硅烷)。通過(guò)涂層102和/或涂層101擴(kuò)散進(jìn)入基材100的表面105，從而引入所需的表面特性可以改善表面105的性能。涂層102可以涂覆于任何合適的基材上。例如，基材100可以是金屬基材(黑色金屬或有色金屬)、玻璃基材或者陶瓷基材。
在一個(gè)實(shí)施例中，涂層102通過(guò)二甲基硅烷的熱分解形成。通過(guò)二甲基硅烷的熱分解，涂層102包含了可以作為活性位點(diǎn)的分子，例如硅、碳和氫原子。涂層102中的這些分子可包括第一部分104和第二部分106。一般地，第一部分104和第二部分106并不能在空間上完全分離(例如，第一部分104和第二部分106是通過(guò)沉積于涂層102上的分子界定的，但是分子散布在整個(gè)涂層102之中)。此外，所謂的“第一”和“第二并不表示兩部分間的順序、數(shù)量、大小或其他方面的區(qū)別。相反地，所謂的“第一”和“第二”用來(lái)區(qū)分兩部分分子組成的不同。例如在一個(gè)實(shí)施例中，第一部分104包含硅，而第二部分106包含碳。另一個(gè)實(shí)施例中，第一部分104和第二部分106在整個(gè)涂層102中隨機(jī)的混合在一起。
圖2說(shuō)明了根據(jù)實(shí)施例所述的涂層102和/或涂層101通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入基材100的過(guò)程。將二甲基硅烷涂覆于選定的表面，可以帶來(lái)更好的化學(xué)抗性、更好的惰性以及對(duì)于非擴(kuò)散涂層更好的附著力。圖2所示的涂層102包含含碳的第一部分104和含硅的第二部分106。特別需要說(shuō)明的是，圖2通過(guò)涂層102的俄歇電子能譜圖展現(xiàn)了涂層102在基材100和/或產(chǎn)品103中的組成。
在一個(gè)實(shí)施例中，二甲基硅烷通過(guò)15小時(shí)熱分解并沉淀為非晶態(tài)碳硅烷。在這個(gè)實(shí)施例中，涂層102厚度延展至大約130納米并包含擴(kuò)散區(qū)108的一部分，擴(kuò)散區(qū)108可以通過(guò)0 (氧元素)濃度的增加和C (碳元素)、Si (娃元素)濃度的減少來(lái)辨識(shí)(例如，一個(gè)因素至少為4)。涂層102的厚度范圍在大約0.1微米到3.0微米之間。擴(kuò)散區(qū)108的厚度約為5納米到500納米。在另一個(gè)實(shí)施例中，擴(kuò)散區(qū)108厚度約為20納米。精確測(cè)量擴(kuò)散層厚度優(yōu)選的方法為俄歇 電子能譜圖法，該方法可以抵消基材和涂層的表面粗糙度。因此，通過(guò)俄歇電子能譜圖測(cè)量的擴(kuò)散區(qū)域，并不是一個(gè)絕對(duì)測(cè)量，而是由工藝中擴(kuò)散機(jī)理得至Ij的表示測(cè)量。涂層102的組成大約為C:S1:0為1:0.95:0.12。相較之下，通過(guò)化學(xué)氣相沉淀法引入沉積室的二甲基硅烷的組成大約為C:Si為2:1。通常認(rèn)為，在涂層的涂覆過(guò)程中CHx (x = 0- 3)基團(tuán)被保留，而S1-C鍵被破壞，因此表明涂層102會(huì)含有S1-C的無(wú)定形排列。這種無(wú)定形排列有額外的優(yōu)勢(shì)，如在對(duì)基材100施加拉力或壓力時(shí)可以減少涂層的破裂或脫落、增加附著力。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層101的多層或者類似的涂層沉積可以形成更厚的涂層，或者獲得需要的特性。
圖3示出了一個(gè)包含功能化涂層110的實(shí)施例。該功能化涂層110是通過(guò)硅烷基和不飽和烴的熱反應(yīng)形成的(例如，化學(xué)式為H2C=CH-R和/或HC = C-R),并含有與涂層102中第一部分104全部或部分結(jié)合的R-基團(tuán)。R-基團(tuán)可以通過(guò)任何合適的有機(jī)物得來(lái)，合適的有機(jī)物含有一種或多種不飽和烴基團(tuán)。R-基團(tuán)可以由烴基、有取代的烴基(例如，鹵代烴)、羰基、羧基、酯基、醚類、胺基、酰胺基、磺酸基、有機(jī)金屬配合物和/或環(huán)氧基團(tuán)形成。
圖4示出了用于形成涂層102的化學(xué)氣相沉淀法200的一個(gè)實(shí)施例，所述氣相沉淀法200包括準(zhǔn)備基材(步驟202)和熱分解二甲基硅烷(步驟204)。準(zhǔn)備基材(步驟202)可以通過(guò)任何合適的處理方法進(jìn)行。例如，如圖5所示，準(zhǔn)備基材(步驟202)包括在化學(xué)氣相沉積室分離基材(子步驟208)、預(yù)熱基材(子步驟210)、用惰性氣體沖洗沉積室(子步驟212)，以及清空沉積室(子步驟214)。
分離基材(自步驟208)需在充滿惰性氣體的沉積室內(nèi)進(jìn)行。沉積室內(nèi)保持氣體的流通和/或維持真空可以提供所需的氣體環(huán)境。熱源可以控制沉積室內(nèi)的溫度，用以從基材表面解吸水分和除去殘留的污染物(子步驟210)。例如，所述表面可以在化學(xué)氣相沉積室內(nèi)得到，沉積室接有管路以便氣流出入。沉積室可包含多個(gè)可控的進(jìn)氣口和出氣口，用于提供和移除氣流。真空室可以與一個(gè)或多個(gè)出氣管連接。為了保持基材的清潔，基材需要在高于100°C和低于一個(gè)大氣壓下進(jìn)行幾分鐘至15小時(shí)的加熱處理(子步驟210)。一般地，加熱所需的溫度因基材100的性質(zhì)而定。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱時(shí)間為0.5至15小時(shí)。在另一個(gè)實(shí)施例中，基材在約450°C下加熱約2小時(shí)。沉積室在真空處理后，可選擇性地用惰性氣體進(jìn)行沖洗沉積室(子步驟212)和清空沉積室(子步驟214)。方法200包括熱分解二甲基硅烷(步驟204)。通常，由于需求很低，二甲基硅烷并不容易獲得。二甲基硅烷被認(rèn)為不適于化學(xué)氣相沉淀法涂覆，因?yàn)樗刑荚囟冶裙柰橘F很多。硅烷以及與二甲基硅烷類似的單甲基化合物，即甲基硅烷，均易自燃，暴露在空氣中也可能爆炸。二甲基硅烷盡管易燃，但不會(huì)發(fā)生自燃。因此，使用二甲基硅烷可以減少安全隱患。除此之外，使用二甲基硅烷可以提高涂層的惰性和/或化學(xué)抗性，從而為基材的表面提供保護(hù)。如圖6所示，二甲基硅烷的熱分解(步驟204)包括在一定壓力和有利于分解二甲基硅烷的溫度下，向沉積室引入二甲基硅烷(子步驟216);將分解組分沉積于基材100上(子步驟217);在一定時(shí)間內(nèi)為基材涂覆涂層(子步驟218)以達(dá)到預(yù)定的厚度；和/或清除沉積室內(nèi)的二甲基硅烷(子步驟220)。如美國(guó)專利6，444，326(所述內(nèi)容以援引的方式整體并入本申請(qǐng)中)中所描述的，典型的工藝條件中的壓力為0.01至200 psia，溫度為200至600°C，加熱時(shí)間為10分鐘至24小時(shí)。在一個(gè)實(shí)施例中，引入的二甲基硅烷(子步驟216)包括氣體形式的二甲基硅烷。在另一個(gè)實(shí)施例中，基材暴露于1.0至100 psia壓力下、約300到600°C溫度的二甲基硅烷氣體中，停留30分鐘至24小時(shí)。在一個(gè)典型實(shí)施例中，基材100暴露于處于約400到500°C的二甲基硅烷氣體中15小 時(shí)。所述二甲基硅烷的壓力約為5至40 psia。二甲基硅烷隨后被熱解為分子碎片，所述碎片包括H、C、Si以及它們的化合物。然后，這部分組分沉積到基材100上(子步驟217)，從而形成涂層100 (子步驟218)，涂層100包含有二甲基硅烷分解而來(lái)的硅、碳、氫。二甲基硅烷氣體可以在減壓條件下或惰性氣體中引入反應(yīng)沉積室，所述惰性氣體作為分壓稀釋劑，如氮?dú)狻⒑夂?或氬氣。盡管分解過(guò)程不受到理論的限制，但是通常認(rèn)為二甲基硅烷的熱分解可以形成碳硅基碎片，碳硅基碎片重組并附著于基材表面。有人認(rèn)為所得到的涂層中包含有含碳、硅、氫的非晶態(tài)碳硅烷，在基材的表面和沉積室暴露的表面都會(huì)發(fā)現(xiàn)所述的非晶態(tài)碳硅烷。如俄歇電子能譜圖深度剖面圖(圖2，擴(kuò)散區(qū)108)所示，沉積而來(lái)的物質(zhì)會(huì)通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入基材100的表面105中，從而提供了與基材100的附著力。隨后清除沉積室中的二甲基硅烷和揮發(fā)物和不可沉積的碳硅基碎片(子步驟220)。如果需要厚沉積涂層，沉積條件則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行改變。這可以通過(guò)改變溫度、壓力、加熱時(shí)間其中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)來(lái)達(dá)到。多層涂層也可以通過(guò)重復(fù)步驟204進(jìn)行涂覆。涂層102 (詳見(jiàn)圖1和圖2)形成后，可以實(shí)施一些附加的工序。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層102在下一道工序(步驟206)中被功能化，形成功能化涂層110，詳見(jiàn)圖7。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層102 (例如，非晶態(tài)碳硅烷)被氧化(步驟205)，形成初始氧化涂層802 (例如，非晶態(tài)碳氧硅烷)，詳見(jiàn)圖8。在一個(gè)實(shí)施例中，功能化涂層110 (例如，功能化非晶態(tài)碳硅烷)被水氧化，形成功能化后氧化涂層804 (例如，功能化非晶態(tài)碳氧硅烷)，詳見(jiàn)圖9。在一個(gè)實(shí)施例中，氧化涂層802被功能化，形成氧化后功能化涂層(未示出)。這里所使用的術(shù)語(yǔ)“氧化涂層”通常就是指一個(gè)或多個(gè)初始氧化涂層802、功能化后氧化涂層80和氧化后的功能化涂層(未示出)。
在一個(gè)實(shí)施例中，方法200還包括基材100的涂層102功能化處理(步驟206)，可形成功能化涂層110，詳見(jiàn)上述描述和圖3。參見(jiàn)圖7，基材100的涂層102功能化處理(步驟206)通過(guò)由初始碳硅烷沉積(步驟204)得到的硅烷基反應(yīng)達(dá)成。向基材沉積碳硅烷(步驟204)之后，用惰性氣體清空加工系統(tǒng)(可以在子步驟220進(jìn)行清空，或者單設(shè)清空步驟)，同時(shí)將反應(yīng)沉積室設(shè)定為預(yù)定的功能化處理溫度(子步驟232)。清空處理可去除氣態(tài)碳硅烷基團(tuán)和/或未反應(yīng)的、未附著于基材表面的二甲基硅烷基團(tuán)。清空處理和設(shè)置溫度(子步驟232)后，沉積室被排空(子步驟234)。
下一步，在預(yù)定溫度和沉積室內(nèi)的壓力下將粘合劑引入沉積室(子步驟236)。在一個(gè)實(shí)施例中，以熱量作為驅(qū)動(dòng)力，粘合劑與娃燒基反應(yīng)從而附著于碳娃燒表面。粘合劑的實(shí)例為乙烯、丙烯、有取代基的不飽和有機(jī)分子。殘余的硅烷基可在高溫下(例如，約400°C下)與H2C=C-R和/或HC = C-R進(jìn)行反應(yīng)。R-基團(tuán)可以由烴基、取代烴基(例如，鹵代烴)、羰基、羧基、酯基、醚類、胺基、酰胺基、磺酸基、有機(jī)金屬配合物和/或環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)而來(lái)。
在一個(gè)實(shí)施例中，粘合劑分子附著于基材上(子步驟240 )。涂層包含有一個(gè)R基團(tuán)的碳-硅共價(jià)鍵。R基團(tuán)可以改性，以調(diào)整表面特性。例如，R-基團(tuán)可以改性，以調(diào)整表面疏水性。為了調(diào)整表面疏水性，R-基團(tuán)可以為氟化烴基。所述氟化烴能夠形成疏水和/或疏油的表面。作為附加處理或者一種 替換，R-基團(tuán)可以包含一個(gè)有機(jī)金屬取代基，用以提供催化性或殺菌性。盡管反應(yīng)的過(guò)程不受到理論約束，但是通常認(rèn)為硅烷基團(tuán)可通過(guò)硅氫加成反應(yīng)機(jī)理，與不飽和烷基發(fā)生熱反應(yīng)以形成共價(jià)鍵并附著于基質(zhì)涂層表面。在沉積室內(nèi)部全部暴露的表面所形成的涂層包含共價(jià)鍵R-基團(tuán)，其包含R-基團(tuán)和碳、硅和氫基團(tuán)。
在一個(gè)實(shí)施例中，如上簡(jiǎn)要描述的，方法200包括氧化基材100的涂層102 (步驟205)。通過(guò)與合適的化學(xué)物質(zhì)接觸，在預(yù)設(shè)氧化條件下，提供涂層102活性氧，涂層102被氧化以形成氧化涂層(見(jiàn)上文)。例如，化學(xué)物質(zhì)可選為水、氧氣、空氣、一氧化二氮、臭氧、過(guò)氧化物，或者它們的組合。氧化反應(yīng)通常是一種本體反應(yīng)，它會(huì)影響到涂層101本體。所述氧化反應(yīng)可以通過(guò)調(diào)整沉積室內(nèi)溫度高低、接觸時(shí)間、稀釋氣體的類型和/或流量、壓力和/或其他合適的工藝條件進(jìn)行控制。對(duì)氧化過(guò)程的控制可以控制氧化的量和/或氧化深度，因此也就可以調(diào)整表面的耐磨性和/或硬度。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層102與水接觸(例如，在100到200 psia壓力的惰性氣體中，450°C下與水接觸2小時(shí))。在一個(gè)實(shí)施例中，功能化涂層110與水接觸(例如，在100到200 psia壓力的惰性氣體中，450°C下與水接觸2小時(shí))。
氧化處理可以通過(guò)控制氧化過(guò)程以增加黑色金屬、有色金屬和/或玻璃表面上的碳硅烷的硬度和/或耐磨性和功能化碳硅烷基化學(xué)氣相沉淀處理材料。如圖8所示，在一個(gè)實(shí)施例中，涂層102是一層非晶態(tài)碳硅烷涂層，其在加工過(guò)程中被氧化形成一層非晶態(tài)碳氧硅烷作為初始氧化涂層802。如圖9所示，在一個(gè)實(shí)施例中，功能化涂層110是一層非晶態(tài)功能化碳硅烷涂層，在加工過(guò)程中被氧化形成非晶態(tài)功能化碳氧硅烷表面作為功能化后氧化涂層804。
在一個(gè)實(shí)施例中，氧化處理(步驟205)使用了一氧化二氮(N20)。具體地，N20需在加熱條件下(例如，約450°C)、一個(gè)純N2O壓力且含有涂料碳硅烷涂層樣品的容器中應(yīng)用。在這個(gè)實(shí)施例中，氧化處理(步驟205)達(dá)到過(guò)度氧化,過(guò)度氧化使接觸角呈約60° ,增加N-H、S1-OH和/或C-OH基團(tuán)，并使材料表面具有相對(duì)很弱的抗劃傷性，增加抗酸/抗腐蝕性。在一個(gè)實(shí)施例中,氧化處理(步驟205 )使用了臭氧。在這個(gè)實(shí)施例中,氧化處理(步驟205)降低了材料耐磨性、化學(xué)抗性、抗劃傷性和硬度，但增加了抗酸/抗腐蝕性。在一個(gè)實(shí)施例中，氧化處理(步驟205)只使用了水作為氧化劑(例如,在約450°C下進(jìn)行反應(yīng))。在這個(gè)實(shí)施例中，氧化處理(步驟205 )使硅晶圓接觸角呈約86.6 °，降低摩擦(與使用空氣和水作為氧化劑相比)，降低耐磨性(例如，與使用空氣和水作為氧化劑相比)并形成S1-O-Si基團(tuán)(如圖10所示，相比于未使用水進(jìn)行功能化處理的S1-O-Si最高峰值在995.2 CnT1處，使用水進(jìn)行功能化處理后的S1-O-Si最高峰值在1026.9 cnT1處有增長(zhǎng))。在另一個(gè)實(shí)施例中，氧化處理(步驟205)使用的氧化劑包括空氣和水(例如,在約450°C條件下)。在這個(gè)實(shí)施例中，氧化處理(步驟205)過(guò)度氧化，減少了 C-H基團(tuán)的數(shù)量(例如，與單獨(dú)使用水作為氧化劑相比)，減少了 S1-C基團(tuán)的數(shù)量(例如，與單獨(dú)使用水作為氧化劑相比)，但增加了 S1-0H/C-0H基團(tuán)的數(shù)量(例如，與單獨(dú)使用水作為氧化劑相比)。在另一個(gè)實(shí) 施例中，氧化處理(步驟205)只用了空氣(例如，在約450°C下進(jìn)行反應(yīng))。在這個(gè)實(shí)施例中，氧化處理(步驟205)降低了摩擦力(例如，與同時(shí)使用空氣和水作為氧化劑相比)，增加了耐磨性(例如，與同時(shí)使用空氣和水作為氧化劑相比)，并形成了S1-O-Si 基團(tuán)。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層102有一個(gè)預(yù)定接觸角(例如，約98.3°向前)，功能化涂層110有著更大的接觸角(例如，約100°向前)。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層102有著預(yù)定接觸角(例如，約95.6 °向前)，功能化后氧化涂層804有著更小的接觸角(例如，大約65.9 °后退)。在這個(gè)實(shí)施例中，氧化處理(步驟205)促成了 S1-O-Si基團(tuán)并減少了 S1-H基團(tuán)的數(shù)量(例如，與功能化涂層110相比)。在一個(gè)實(shí)施例中，與非氧化涂層102的摩擦系數(shù)(例如，約0.97)相比，氧化涂層有著更低的摩擦系數(shù)(例如，約0.84)。相似的，與非氧化涂層102的磨損率(例如，4.73 x 10_4mm3/N/m),相比氧化涂層有著較低的磨損率(6.75 x 1(T5 mm3/N/m)。圖11闡釋了一個(gè)使用水作為氧化劑的典型實(shí)施例中，氧化涂層通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入基材100 (例如，不銹鋼)的過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，圖11示出通過(guò)俄歇電子能譜圖展示了基材100、涂層101、產(chǎn)品103內(nèi)部氧化涂層的組成。如圖所示，氧化處理體現(xiàn)于S1-H基團(tuán)的氧化和消除，以生成S1-O-Si鍵，以及S1-C和/或游離碳物質(zhì)的消除。在一個(gè)實(shí)施例中，氧化涂層延展至1600埃，其中包括擴(kuò)散區(qū)108大約250埃，其可通過(guò)C和Si濃度的降低來(lái)識(shí)別。氧化涂層的厚度范圍約為0.1微米到3.0微米。擴(kuò)散區(qū)108的厚度約為5納米到5000納米。氧化涂層的元素組成約為1.0: 1.22:0.91 (C:S1:0)，其中氧元素比例的升高來(lái)源于基材100上的氧化涂層。涂層102可以在不同氧化劑存在的條件下進(jìn)行氧化。在一個(gè)實(shí)施例中，氧化劑為零級(jí)空氣。上述術(shù)語(yǔ)“零級(jí)空氣”是指總碳?xì)浠衔锖啃∮?.1ppm的空氣。在一個(gè)實(shí)施例中，氧化劑為氣態(tài)試劑。由于氣態(tài)加工助劑(例如，二甲基娃燒和/或氮?dú)?屬于氣相，因此使用氣態(tài)氧化劑易于擴(kuò)大為工業(yè)化，工藝更容易轉(zhuǎn)移、更經(jīng)濟(jì)。
因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所披露的內(nèi)容，使用二甲基硅烷對(duì)化學(xué)氣相沉積有若干好處。另外，通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積的二甲基硅烷沉積材料含有S1-H基團(tuán)，可用于含有不飽和烴H2C=CH-R或HC = C-R的表面的功能化。然而，眾所周知，碳硅烷材料氧化為碳氧硅烷材料會(huì)使材料的硬度和耐磨性產(chǎn)生顯著改進(jìn)，但犧牲了一些需要的性能，如惰性和防腐蝕功能。
除此之外，盡管所述氧化劑可以在多種情況下都符合要求，然而在某些情況下使用水作為氧化劑會(huì)呈現(xiàn)多方面的復(fù)雜性。為了達(dá)到壓力和抗腐蝕的技術(shù)規(guī)格，沉積室的必要尺寸偏高，過(guò)重的重量會(huì)導(dǎo)致安全隱患。此外，為了安全地將水注入沉積室，需要使用大量的冷卻劑。例如，為保證需在300°C以上運(yùn)行的沉積室的正常使用，系統(tǒng)首先要冷卻到約100°C。這會(huì)導(dǎo)致制造資源時(shí)能量和/或時(shí)間等浪費(fèi)。另外，因?yàn)樗砸后w形式存在，精確地將水分流至沉積室內(nèi)會(huì)非常的復(fù)雜且昂貴。
類似地，使用空氣作為氧化劑也會(huì)在一些情況下呈現(xiàn)多方面的復(fù)雜性。涂有涂層的材料可能含有-OH官能團(tuán)，會(huì)引發(fā)分析法或?qū)游龇ǖ奈宅F(xiàn)象。利用空氣氧化所制造的材料在低頻率下阻抗值較低，會(huì)體現(xiàn)為較差的抗腐蝕性。另外，所制造的材料會(huì)有較小的水接觸角或高親水性。
雖然使用空氣作為氧化劑更為方便，但這會(huì)導(dǎo)致涂層失去材料的特性。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，涂層101含有-OH官能團(tuán)，會(huì)引發(fā)分析法或?qū)游龇ǖ奈宅F(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層101在低頻率下阻抗值較低，會(huì)體現(xiàn)為較差的抗腐蝕性。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層101會(huì)有較小的水接觸角或高親水性。
盡管上述性質(zhì)讓人覺(jué)得空氣不是理想的氧化劑但是發(fā)明人認(rèn)為，正如圖12所示的包含了方法300的典型實(shí)施例中，在涂層沉積后對(duì)涂層101整體或部分的深度處理可以減輕上述負(fù)面性質(zhì)的嚴(yán)重程度，而不會(huì)犧牲材料的硬度和/或耐磨性，同時(shí)還能夠保持氣態(tài)氧化劑的優(yōu)勢(shì)。盡管使用如前所述的實(shí)施例中的氧化劑，也可以達(dá)到上述效果。
如圖12所示，在一個(gè)實(shí)施例中，方法300包括處理(例如，熱處理和/或處理涂層表面)基材100的涂層102 (步驟207)，從而形成處理涂層806，詳見(jiàn)下圖13。方法300包含了圖4所示的方法200，以及處理(步驟207)。在一個(gè)實(shí)施例中，處理(步驟207)在氧化處理(步驟205)之后進(jìn)行，例如，進(jìn)行初始氧化涂層802的氧化處理。在另一個(gè)實(shí)施例中，功能化(步驟209 )在處理(步驟207 )之后進(jìn)行。因此在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)氧化涂層，例如空氣氧化涂層805，進(jìn) 行處理(步驟207)以形成處理涂層806 (例如，三甲基硅烷處理后形成非晶態(tài)碳氧硅烷涂層)，如圖13所示。
如圖13、14所示，相比由二甲基硅烷和/或空氣氧化涂層805形成的功能化涂層110，處理涂層806有著更高的耐磨性。例如，在一個(gè)使用了方法300的實(shí)施例中，處理(步驟207)增加了材料的耐磨性。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，處理涂層806相比由二甲基硅烷形成的功能化涂層110，耐磨性提高了約34倍。處理涂層806的形成(例如，空氣氧化碳氧硅烷涂層)需通過(guò)反應(yīng)(例如，與-OH (羥基)和硅烷(硅烷醇))達(dá)到縮合反應(yīng)(例如，與S1-H (硅烷)基團(tuán))而完成。在一個(gè)實(shí)施例中，處理(步驟207)包括如下反應(yīng): R3S1-OH + H-SiR' 3 — R3S1-O-SiR' 3 + H2 (R 和 R’ 為有機(jī)基團(tuán))通過(guò)調(diào)整、變換R’基團(tuán)，或使用能夠發(fā)生羥基反應(yīng)的分子，可改變處理涂層806的表面性能(例如，空氣氧化碳氧硅烷涂層)。例如在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)調(diào)整可提高或降低材料的硬度、耐磨性、惰性、電化學(xué)阻抗、接觸角中的一個(gè)或幾個(gè)特性，從而提供物理性能特征，以提高材料在工藝、分析、天然氣、石油、半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域中的適應(yīng)性和耐久性。R-基團(tuán)可由烴基、取代烴基、羰基、羧基、酯基、醚類、胺基、酰胺基、磺酸基、有機(jī)金屬配合物和/或環(huán)氧基形成。盡管加工過(guò)程沒(méi)有理論約束，通常認(rèn)為硅烷基會(huì)按照羥基化機(jī)理與不飽和烷基發(fā)生熱反應(yīng)，以形成共價(jià)鍵涂覆在基材表面。在一個(gè)實(shí)施例中，反應(yīng)沉積室內(nèi)部暴露表面的涂層101含有共價(jià)鍵R-基團(tuán)，其包含有R-基團(tuán)和碳、硅和氫基團(tuán)。圖14所示為實(shí)施例中處理涂層806通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入基材100 (例如，不銹鋼)的過(guò)程。特別地，圖14示出，通過(guò)俄歇電子能譜圖展示了處理涂層806進(jìn)入基材100和/或產(chǎn)品103內(nèi)部后的組成。在一個(gè)實(shí)施例中，處理(步驟207)導(dǎo)致從處理涂層806到擴(kuò)散涂層108內(nèi)硅、氧、碳充分且穩(wěn)定的濃度。在這個(gè)實(shí)施例中，硅、氧、碳原子濃度分別約為40%、35%和20%。在另一個(gè)實(shí)施例中，處理涂層806延展至約3500埃，其中包含擴(kuò)散區(qū)域108約厚400埃，可通過(guò)碳、硅濃度的下降和一個(gè)尖峰以及之后氧的下降來(lái)識(shí)別。處理涂層806的厚度范圍約為0.1到3.0微米。擴(kuò)散區(qū)域108的厚度范圍約為5到500納米。處理涂層806的組成約為 1.0:2.25:1.75 (C:S1:0)。在一個(gè)實(shí)施例中，處理(步驟207)包括產(chǎn)品100、涂層101、涂層102、功能化涂層
110、空氣氧化涂層805或上述部分的組合與有機(jī)硅烷試劑接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，有機(jī)硅烷試劑為三官能有機(jī)硅烷，其組成通式為RR’R’’ -S1-H，其中R、R’、R_為有機(jī)官能團(tuán)，例如燒基、芳經(jīng)基、齒代燒基、齒代芳經(jīng)基、麗基、醒基、醇輕基、環(huán)氧基、有機(jī)硝基基團(tuán)和有機(jī)金屬官能團(tuán)。在一個(gè)實(shí)施例中，有機(jī)娃燒為三甲基娃燒。調(diào)整加工過(guò)程中的熱量、接觸時(shí)間、稀釋氣體和壓力，可以改變處理(207)的程度?？刂铺幚?步驟207)的程度可為材料引入需要的特性。在一個(gè)實(shí)施例中，氧化涂層在300到600°C下與有機(jī)硅烷試劑接觸I到24小時(shí)，并施加壓力5到100 psia，有些情況下，約為25 psia、27 psia、54psia或范圍中合適的值。稀釋氣體可使用惰性氣體，如氬氣、氮?dú)?，其分壓約為I到100 psia可有助于反應(yīng)進(jìn)行。
·
在一個(gè)實(shí)施例中，空氣氧化涂層805 (例如，由二甲基硅烷基碳氧硅烷所形成的空氣氧化涂層102)在處理過(guò)程中與三甲基硅烷接觸(例如，在450°C、25 psia壓力下接觸10小時(shí))。在這個(gè)實(shí)施例中，處理涂層806損失了 S1-OH官能團(tuán)(相比于空氣氧化涂層805，詳見(jiàn)圖15的3411.8 cnT1處)，但是增大了接觸角(例如，相比于處理前的接觸角為50.9°，處理后去離子水的接觸角為99.1° )，呈疏水性，還擁有出色的阻抗值(例如，在低頻率下(Zlf)的阻抗值約為15.4 Mohm (如圖16、17所示，空氣氧化涂層805的阻抗值從Zlf約為7.27kohm開(kāi)始增加)，以及如圖18、19所示的奈奎斯特圖，Ijl1最終比例約為0.072)。上述的這些實(shí)施例，可以為沉積了涂層101和/或涂層102的產(chǎn)品部件提供足夠的耐磨性以防止表面損耗，包括磨損(滑動(dòng)或滾動(dòng)表面)和摩擦(防止接觸部分相對(duì)移動(dòng))。磨損發(fā)生于兩個(gè)表面或材料的相互移動(dòng)，如負(fù)載下的滑動(dòng)或滾動(dòng)。磨損是從固體表面削減材料的主要方式，可以由磨耗、腐蝕、粘連、表面疲勞和/或銹蝕引起。應(yīng)用中磨損發(fā)生的例子如圖20、21所示。圖20所示的應(yīng)用中，兩個(gè)表面901和902互相接觸，并相互進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如一個(gè)實(shí)施例所示,表面為活塞頭903和氣缸904，除此外表面可為運(yùn)動(dòng)零件的任意部分。圖21所示的應(yīng)用中,表面910與運(yùn)動(dòng)流體接觸。如一個(gè)實(shí)施例所示,表面為管道911的內(nèi)表面，內(nèi)部流體為氣體和/或液體流動(dòng)，如箭頭912所示，且表面可為與運(yùn)動(dòng)流體所接觸的任一部分。
利用適當(dāng)?shù)哪湍バ?，可以減少表面磨損以有效地延長(zhǎng)部件的工作壽命。由于部件的使用環(huán)境通常情況下比較復(fù)雜，涂覆涂層101和/或涂層102以同時(shí)防止部件表面的化學(xué)和物理磨損就變得尤為重要。在石油和天然氣工業(yè)中使用的鉆孔工具就是一個(gè)部件在惡劣環(huán)境中使用的例子。鉆孔工具需要承受高負(fù)載、高速度、高摩擦，以及因而產(chǎn)生的高溫。這些因素會(huì)導(dǎo)致部件的表面磨損。另一些在惡劣環(huán)境的例子，如但不僅限于在顆粒流中和/或滑動(dòng)磨損使用的的系統(tǒng)或部件，很適于用涂層101和/或涂層102進(jìn)行保護(hù)。這類應(yīng)用的例子，包括但不限于管道、管接頭、閥門(旋轉(zhuǎn)閥、球閥、滑閥等)、注水器、活塞環(huán)、滑動(dòng)0形圈、活塞氣缸、調(diào)節(jié)閥、攪拌系統(tǒng)、取樣設(shè)備、用于石油、天然氣工業(yè)、工藝和分析設(shè)備的分析系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)、半導(dǎo)體等等。
雖然涂層的厚度取決于待涂覆部件的幾何形態(tài)和所要求的涂覆類型，在一個(gè)本方法公開(kāi)的實(shí)施例中，涂層101或涂層102的厚度約為IOOnm到lOOOOnm、或更具體地，為200nm 到 5000nm、或 300nm 到 1500nm。耐磨度約為 13 x ICT5 mm3/Nm 到 0.5 x ICT5 mrn3/Nm>或更具體地，為 9 X ICT5 mm3/Nm 到 I x ICT5 mm3/Nm、或?yàn)?6.2 x ICT5 mm3/Nm 到 1.3 x ICT5mm3/Nm。摩擦系數(shù)約為0.58到0.05、或優(yōu)選為0.5到0.075、或更優(yōu)選為0.38到0.1。
涂覆涂層101和/或涂層102可減少因壓力作用和接觸面的形變引起的損耗，例如磨耗、粘連和疲勞。當(dāng)材料被另一種硬質(zhì)材料從表面移走時(shí),材料會(huì)出現(xiàn)磨損(也指刮痕、鑿痕、刻痕)，并在兩個(gè)表面留下硬質(zhì)材料碎片。當(dāng)兩個(gè)通過(guò)粘性連接在一起的材料表面承壓滑動(dòng)時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)粘連損耗(通常叫做毛邊或起毛)。就算是施加一般的壓力，在粗糙表面的局部壓力也會(huì)非常高，通常會(huì)超過(guò)屈服應(yīng)力而導(dǎo)致塑性形變。當(dāng)機(jī)械往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了對(duì)部件表面的壓力時(shí)會(huì)出現(xiàn)疲勞。這些損耗主要來(lái)源于表面或者內(nèi)部的壓力，并不需要考慮范圍內(nèi)的表面直接物理接觸。當(dāng)兩個(gè)表面互相滑動(dòng)時(shí)，最大的剪應(yīng)力出現(xiàn)在表面以下，可導(dǎo)致微裂隙并傳導(dǎo)至表面，最終導(dǎo)致部件疲勞。
此外，涂層101和/或涂層102還能夠改善抵抗部件表面的腐蝕(來(lái)自固體和液體)和銹蝕。當(dāng)微?；蛞毫鳑_擊部件表面時(shí)，材料會(huì)發(fā)生腐蝕(來(lái)自固體和液體)。銹蝕損耗是在連接表面與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，在表面粗糙處形成產(chǎn)物。在材料相互接觸時(shí)，材料表面形成的裂縫和/或磨損會(huì)致生成物發(fā)生磨損。
通過(guò)本發(fā)明的方法進(jìn)行加工和涂覆涂層101和/或涂層102，可以增加涂層101和/或涂層102對(duì)基材100的附著力，從而增加涂層101和/或涂層102的耐磨性。涂層101和/或涂層102硬度高，且能夠牢固的附著于基材100的支撐面。這使得涂層101和/或涂層102能夠在惡劣環(huán)境中，使基材100經(jīng)得住磨損和/或腐蝕的。如圖20所示的一個(gè)實(shí)施例中，表面901或表面902其一涂覆有涂層101。作為一種替換，表面901和表面901兩者均涂覆有涂層。如圖21所示的一個(gè)典型實(shí)施例中，表面910涂覆有涂層101。另外，外表面913涂覆有涂層101，以保護(hù)物品911不在運(yùn)輸過(guò)程中受損傷或類似情況的損傷。
實(shí)施例1 實(shí)施例1包括，向基材100引入二甲基硅烷，在8 pSia、450°C下持續(xù)2小時(shí)形成涂層102。在實(shí)施例1中，在鏡面剖光316不銹鋼片表面(微黃)的涂層102幾乎不可測(cè)(換言之，難以通過(guò)外觀識(shí)別)。測(cè)量結(jié)果顯示，鏡面剖光316不銹鋼片在沉積處理前的水接觸角約為60°。在用二甲基硅烷 沉淀處理后，水接觸角增至約為102°。盡管涂層102不能通過(guò)外觀識(shí)別，數(shù)據(jù)顯示表面105的涂層102上形成了非常薄但是密度很高的碳硅烷材料。由于光譜分析技術(shù)的精度不足以識(shí)別涂層厚度，因此涂層102的厚度只可估計(jì)約為100埃。實(shí)施例2
實(shí)施例2包括，向基材100引入二甲基硅烷，在8 psia、450°C下持續(xù)15小時(shí)形成涂層102。在實(shí)施例2中，涂層102有可見(jiàn)的彩虹色排列光。測(cè)量結(jié)果顯示，鏡面磨光316不銹鋼表面和剖光硅晶片表面的平均去離子水接觸角約為100°。FT-1R譜圖顯示，在2950 cnT1有讀數(shù)表示存在C-H鍵，在792 cm—1有讀數(shù)表示存在S1-C鍵，在2102 cm—1有讀數(shù)表示存在S1-H基團(tuán)。由光譜分析法判斷，涂層102的厚度為800埃。利用俄歇電子能譜圖進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量。結(jié)果顯示，在涂層102上Si和C原子的濃度有所增加。測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步顯示，在接近擴(kuò)散區(qū)域108時(shí)Fe、Cr和Ni原子的濃度增加，表明Si和C原子的濃度有所下降。測(cè)量結(jié)果顯示，Si和C原子的濃度在擴(kuò)散區(qū)域108外一點(diǎn)接近O。測(cè)量結(jié)果還顯示，擴(kuò)散區(qū)域108可通過(guò)氧原子濃度的升高進(jìn)行識(shí)別(來(lái)源于基材100的表面105在沉淀處理前進(jìn)行的氧化處理)。實(shí)施例3
實(shí)施例3包括，向基材100引入二甲基硅烷，在8 psia、450°C下持續(xù)15小時(shí)形成涂層102，然后在惰性氣體中用水在100到200 psia、450°C下持續(xù)氧化2小時(shí)，將基材100的涂層102氧化為氧化涂層802。實(shí)施例3沒(méi)有得到理想的結(jié)果。例如，F(xiàn)T-1R數(shù)據(jù)并沒(méi)有顯示任何能夠?qū)Ρ砻婊瘜W(xué)改性有作用的官能團(tuán)(S1-OH或S1-H)。在氧化涂層802的硅晶面接觸角為86.6。，并含有S1-O-Si基團(tuán)。實(shí)施例4
實(shí)施例4包括，向基材100引入二甲基硅烷，在8pSia、450°C下持續(xù)15小時(shí)形成涂層102，然后用混合氧化劑在100到200 psia、300°C下持續(xù)氧化2小時(shí)，將基材100的涂層102氧化為氧化涂層805?；旌涎趸瘎┌諝夂退?。實(shí)施例4沒(méi)有得到理想的結(jié)果。根據(jù)FT-1R數(shù)據(jù)，氧化涂層805發(fā)生了過(guò)度氧化，導(dǎo)致C-H基團(tuán)減少(與實(shí)施例3相比)，S1-C基團(tuán)減少(與實(shí)施例3相比)，S1-0H/C-0H基團(tuán)增多(與實(shí)施例3相比)。實(shí)施例5
實(shí)施例5包括，向基材100引入二甲基硅烷，在8pSia、450°C下持續(xù)15小時(shí)形成涂層102，然后用空氣在100到200 psia、300°C下持續(xù)氧化2小時(shí)，將基材100上的涂層102氧化為氧化涂層805。實(shí)施例5加工出了經(jīng)過(guò)氧化處理的碳硅烷材料，其在FT-1R數(shù)據(jù)里顯示出明顯的S1-OH伸縮振動(dòng)(寬峰；3414 cnT1)。去離子水的接觸角測(cè)量值為50.9°。電化學(xué)阻抗譜圖顯示在低頻率下的阻抗值Zlf約為7.27 kohm。耐磨性利用摩擦計(jì)(CSM儀器S/N 18-343)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)100 Cr6球施加0.5 N壓力，圓周線速度為3.00 cm/s，從而得到材料的耐磨度為4.141 X 10_3 mm3/Nm。氧化涂層805有較低的摩擦力(與實(shí)施例3相比)，更好的耐磨性(與實(shí)施例3相比)，并含有S1-O-Si基團(tuán)。實(shí)施例6
實(shí)施例6包括，利用乙烯對(duì)實(shí)施例2中加工而成的涂層102進(jìn)行功能化處理，從而形成功能化涂層110。功能化涂層110的水接觸角前進(jìn)角為98.3°和后退角85.1°。如圖10所示，F(xiàn)T-1R數(shù)據(jù)顯示涂層內(nèi)缺少S1- O-Si基團(tuán)(基于1027 cnT1處的伸縮振動(dòng))，而且S1-H基團(tuán)數(shù)量有所減少(基于2091 cm-1處的伸縮振動(dòng))，因此涂層幾乎沒(méi)有氧化。
實(shí)施例7 實(shí)施例7包括，利用乙烯對(duì)實(shí)施例2中加工而成的涂層102進(jìn)行功能化處理，從而形成功能化涂層110。然后，將5ml去離子水(DI)加入沉積室，對(duì)功能化涂層110進(jìn)行氧化。沉積室內(nèi)有適量氮?dú)膺M(jìn)行沖刷，并有緩和的真空將空氣從密封容器中除去。沉積室的溫度需保持450°C，并保持2小時(shí)，然后降回室溫。功能化涂層110的氧化處理形成了功能化后氧化涂層804。功能化后氧化涂層804的水接觸角前進(jìn)角為95.6°和后退角為65.9°。如圖10所示，與實(shí)施例6加工而成的功能化涂層110相比，F(xiàn)T-1R譜圖顯示氧化處理增加了S1-O-Si基團(tuán)的數(shù)量(基于1027 CnT1處的伸縮振動(dòng))，而S1-H基團(tuán)數(shù)量有所減少(基于2091CnT1處的伸縮振動(dòng))。
實(shí)施例8 實(shí)施例8包括，向涂層102 (二甲基硅烷)引入三甲基硅烷，在8pSia、450°C下持續(xù)15小時(shí)。實(shí)施例8沒(méi)有得到理想結(jié)果，包括沒(méi)有得到在基材100上可見(jiàn)或光譜學(xué)上可測(cè)的涂層，也沒(méi)有得到任何的分子涂層跡象，因?yàn)椴牧系乃佑|角沒(méi)有明顯的數(shù)值改變。
實(shí)施例9 實(shí)施例9包括,利用三甲基娃燒對(duì)實(shí)施例5中加工而成的氧化涂層805進(jìn)行處理,從而形成處理涂層806。具體地說(shuō)，將三甲基硅烷加入到包含材料的真空沉積室，溫度450°C、壓力25 psia、反應(yīng)時(shí)間為10小時(shí)。FT-1R測(cè)量結(jié)果顯示，S1-OH官能團(tuán)數(shù)量有所減少(見(jiàn)圖15)。去離子水的接觸角測(cè)量值為99.1°，表示材料呈疏水性。電化學(xué)阻抗譜圖顯示，低頻率下的阻值(Zlf)為15.4 Mohm。電化學(xué)阻抗譜圖還顯示了波特圖，以及奈奎斯特圖顯示了最終ZkAi比為0.072 (見(jiàn)圖16-19)。材料的耐磨性利用摩擦計(jì)(CSM儀器S/N 18-343)進(jìn)行分析，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)100 Cr6球施加0.5 N壓力，圓周線速度為3.00 cm/s,測(cè)得材料的耐磨度為1.225 X 10_4 mm3/Nm，相比于未處理材料有34倍的提高。
本發(fā)明只展示并描述了某些特征和實(shí)施例，而本領(lǐng)域技術(shù)人員也許做了很多的調(diào)整和改變(例如，變化體現(xiàn)于尺寸、大小、結(jié)構(gòu)、形狀、元素比例、參數(shù)值(例如，溫度、壓力等)、涂覆順序、使用材料、顏色、取向等)，但這些變化實(shí)質(zhì)上并未偏離記載在權(quán)利要求中的本發(fā)明所提及的新穎性和優(yōu)點(diǎn)。工藝或 方法的步驟順序可根據(jù)替代實(shí)施例進(jìn)行改變或重排。因此，從屬權(quán)利要求試圖覆蓋所有與本發(fā)明本質(zhì)相關(guān)的調(diào)整和改變是可以理解的。另夕卜，為了簡(jiǎn)潔地描述實(shí)施例，并不是所有出現(xiàn)在實(shí)施例的特征都被描述到了(換言之，沒(méi)有描述與目前考慮到實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方法無(wú)關(guān)的特征，也沒(méi)有描述與實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求無(wú)關(guān)的特征)。需要引起重視的是，在將上述內(nèi)容變?yōu)閷?shí)際的工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，要做出很多具體實(shí)施的決定。這種研發(fā)工作也許很復(fù)雜而且耗費(fèi)時(shí)間，但對(duì)于那些受益于本發(fā)明的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造是例行任務(wù)，無(wú)須過(guò)多的實(shí)驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種耐磨涂層，包含由三甲基硅烷處理過(guò)的涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于:所述涂層包含已分解的二甲基硅烷組分。
3.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于:所述涂層包含被氧化的已分解的二甲基硅燒組分。
4.如權(quán)利要求3所述的涂層，其特征在于:所述涂層包含功能化的已分解的二甲基硅燒組分。
5.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于:所述涂層包含一個(gè)含有大量且穩(wěn)定濃度的硅、氧和碳區(qū)域。
6.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于:所述涂層由化學(xué)氣相沉積法加工而成，該方法包括: 在化學(xué)氣相沉積法沉積室內(nèi)準(zhǔn)備基材； 在化學(xué)氣相沉積法沉積室內(nèi)熱分解二甲基硅烷； 在基材表面沉積已分解的二甲基硅烷組分；以及 在有三甲基硅烷存在的情況下，對(duì)基材至少一個(gè)面進(jìn)行加熱處理。
7.如權(quán)利要求6所述的涂層，進(jìn)一步包括利用氧化劑氧化熱分解組分。
8.如權(quán)利要求7所述的涂層，其特征在于:所述氧化劑包括空氣。
9.如權(quán)利要求8所述的涂層，其特征在于:所述空氣為零級(jí)空氣。
10.如權(quán)利要求7所述的涂層，其特征在于:所述氧化劑包括氮?dú)狻?br> 11.如權(quán)利要求7所述的涂層，其特征在于:所述氧化劑包括水。
12.如權(quán)利要求7所述的涂層，其特征在于:所述氧化劑包括空氣和水。
13.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于:所述涂層的耐磨度約為13X IO-5 mm3/Nm至約 0.5 X 10 5 mm3/Nm。
14.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于:所述涂層的摩擦系數(shù)約為0.58至0.05。
15.一種耐磨涂層，應(yīng)用于產(chǎn)品的至少一個(gè)面以減少產(chǎn)品的表面磨損，其特征在于:所述涂層的耐磨度為13 X 10 5 mm3/Nm至0.5 x 10 5 mm3/Nm。
16.一種產(chǎn)品，至少一個(gè)面涂覆有耐磨涂層，所述涂層包含由三甲基硅烷處理過(guò)的涂層。
17.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述產(chǎn)品與另一產(chǎn)品接觸并作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
18.如權(quán)利要求17所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述產(chǎn)品為活塞頭或活塞筒。
19.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述產(chǎn)品包含一個(gè)確定流體流動(dòng)的流體接觸面，其中所述耐磨涂層涂覆于流體接觸面上。
20.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述產(chǎn)品為鉆孔工具。
21.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述涂層通過(guò)化學(xué)氣相沉積法利用二甲基硅烷的熱分解進(jìn)行涂覆。
22.如權(quán)利要求21所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述已分解的二甲基硅烷組分在三甲基硅烷處理前被氧化。
23.如權(quán)利要求22所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述已分解的二甲基硅烷組分被功能化。
24.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述耐磨涂層的厚度為100nm到10，000nm0
25.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述耐磨涂層的耐磨度為13X 10_5 mm3/Nm 到 0.5 X ICT5 mm3/Nm。
26.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其其特征在于:所述耐磨涂層的摩擦系數(shù)約為0.58至0.05。
27.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述耐磨涂層涂覆于所述產(chǎn)品的移動(dòng)表面上。
28.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述耐磨涂層涂覆于所述產(chǎn)品的固定表面上。
29.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:涂覆了所述耐磨涂層的產(chǎn)品表面材質(zhì)為金屬、陶瓷、玻璃中的任意一種或一種以上的組合。
30.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)品，其特征在于:所述涂層的厚度大約為100nm到10，000nm,耐磨度為 13 X 10 5 mm3/Nm 到 0.5 x 10 5 mm3/Nm,摩擦系數(shù)約為 0.58 至 0.05。
31.一種為產(chǎn)品涂覆涂層的方法，包括: 提供基材； 在溫度低于60(TC的條件下，將耐磨涂層涂覆于基材表面； 在有三官能有機(jī)硅烷存在的情況下，對(duì)基材至少一個(gè)面進(jìn)行加熱處理。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:提供基材的步驟包括在化學(xué)氣相沉積法的沉積室內(nèi)準(zhǔn)備基材。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于:涂覆涂層的步驟包括通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積法沉積涂層。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于:所述沉積涂層的步驟包括分解二甲基硅烷，然后將已分解的二甲基硅烷組分沉積于基材表面。
35.如權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括耐磨涂層的氧化處理。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于:所述氧化處理步驟包括在存在氧化劑的條件下對(duì)耐磨涂層進(jìn)行氧化處理，所述氧化劑為空氣、水、一氧化二氮中的任意一種或一種以上的組合。
37.如權(quán)利要求36 所述的方法，進(jìn)一步包括耐磨涂層的功能化。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于:所述功能化步驟在氧化處理步驟之后進(jìn)行。
39.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于:所述功能化步驟在處理步驟之后進(jìn)行。
40.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:所述三官能有機(jī)硅烷為三甲基硅烷。
41.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:涂覆涂層的步驟中涂覆涂層的厚度范圍約為 100 nm 到 10，000 nm。
42.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:處理步驟包括在溫度范圍約為300°C到600° C下加熱處理。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于:處理步驟在壓力范圍約為5到100psia下進(jìn)行。
44.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:耐磨涂層涂覆于不易自燃的材料上。
45.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于:提供基材的步驟包括提供玻璃、金屬或陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種耐磨涂層，其包含經(jīng)過(guò)三官能有機(jī)硅烷處理的涂層。本發(fā)明還公開(kāi)了一種產(chǎn)品，所述產(chǎn)品表面涂覆了該耐磨涂層。本發(fā)明還公開(kāi)了涂覆該耐磨涂層的方法。在一些實(shí)施例中，有機(jī)硅烷為三甲基硅烷；涂覆耐磨涂層的方法為化學(xué)氣相沉積法，隨后在存在三甲基硅烷的條件下進(jìn)行耐磨涂層的熱處理。
文檔編號(hào)C23C16/30GK103237920SQ201180058513
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2011年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月5日
發(fā)明者D·A·史密斯, J·B·馬特拉澤, P·H·西爾維斯, G·A·貝倫, M·E·辛吉斯 申請(qǐng)人:西爾科特克公司