专利名称：采用类金刚石的毫微复合膜保护精密刀口的方法
技术领域：
本发明涉及耐侵蚀涂层，特别涉及由类金刚石材料制成的用以保持基片刀口精密和锋利的精密刀口保护性涂层。
背景技术：
对许多产品和工业而言，保护锋利的刀口是重要的。许多装有刀片的工业器具和医疗器具只有在具有能保持相当长时间的锋利刀口时才是有用的。刀口具有的锋利性是由于基片和其上的所有涂层所形成的刀口精密性导致的结果。例如，剃须刀片具有通过将刀片的最尖端处制成曲率半径约75至约1000埃而形成的刀口。为了对比，人们的头发具有的细度约为100微米。为了长时间保持刀口的精密性，通常试图对这样纤细而精密的基片刀口加以涂覆，以防止刀口损坏。
腐蚀和/或侵蚀力会使精密刀口损坏。例如剃须刀片非常容易变钝；第一次使用后就有一定程度的钝化。因此，通常首先将用来作刀片的钢涂以溅镀金属涂层，接着涂覆聚四氟乙烯(PTFE)。虽然PTFE涂层的厚度通常为几十至几千埃，可是在第一次使用后它似乎已大量从刀片上脱落。残存足够的PTFE似乎可提供一定的连续润滑作用。然而，PTFE涂层似乎不能防止精密刀口的损坏。
精密刀口的钝化可能是由于刀片最尖端处的曲率半径增大、在刀口处造成锯齿状刀口的裂缝、缺口或破裂、刀口材料的侵蚀或这些因素综合在一起造成的。对剃须刀片而言，精密刀口的损坏引起摩擦力增加，从而使用户感到不适。最终只能更换刀片，或如果是一次性用具的一部分，则将整个剃须刀完全废弃。对工业或医疗等领域的较昂贵的切割器具而言，精密刀口的用具钝化导致需要花费时间来磨刃或重新开刀刃、需要购买替换设备且增加费用。
在为了保护刀口完整性的尝试中，曾试验过淀积较硬材料的涂层。对许多应用而言，这种涂层还应具有极好的热稳定性；即能经受由于使用时本身(锯条)产生的或由于灭菌过程(高压消毒外科用具)产生的极高的热度。
金属基涂层例如钢、锌、铝、铬、镍、合金、镉、钽、钯、硼、硅、铜、镓、铼、及其合金等已表明对精密刀口有保护作用且已在许多工业中供作锋利刀口的保护性涂层。然而，由这些材料制成的涂层通常仅适用于金属基片。
已知基于硅酸盐的涂层在高温下是耐空气、酸、碱和气体的。然而，由硅酸盐制成的涂层不是特别坚固的材料，因而不能对精密刀口提供适当的保护。
某些用作涂层的陶瓷材料已显示出良好的耐腐蚀性且可想像能用作刀口的保护性涂层。然而，陶瓷是脆性的且受到热冲击易于破裂。它们通常是粗糙而多孔的，因而不能提供所希望的低摩擦力。
已试验过某些硬质类金刚石的涂层(DLC)。然而，涂层不仅必须是坚硬的，而且还必须具有极好的与待涂覆基片粘附的性能。已知的DLC通常需要有一层中间层以使其充分地粘附到基片上。通常，这种中间层的存在并不会形成问题。然而，为了保护精密刀口，所有淀积后的涂层总厚度必须不显著地增加很薄的刀口最尖端处的曲率半径。此外，在DLC和基片之间淀积中间层的附加过程会增加生产成本。对低价位的物品例如一次性剃须刀和一次性刀片而言，这是值得注意的，而且在经济上是不切实际的。
因此，非常需要有一种不涂覆中间层而能涂覆在金属和非金属表面上的牢固、坚硬、粘附性高、对温度、pH和化学品不敏感的涂层以保护精密刀口。
发明概述本发明涉及由一类类金刚石材料制成的保护精密刀口的耐腐蚀和耐侵蚀的涂层和以此涂覆的基片。该类类金刚石毫微复合材料可以通过控制其化学组成加以“调整”或可预测地和合乎要求地改变，以产生最佳性能的组合，从而对所涂覆的基片提供最好的刀口保护。
在一个实施方案中，本发明涉及保护具有精密刀口的基片特别是有锋利刀口的基片的精密刀口的方法，该方法通过提供待涂覆的基片并在该基片上涂覆由一类类金刚石材料制成的涂层。该涂层由互穿网络构成，该互穿网络包括被氢稳定的类金刚石的碳网络中的碳的第一网络、被氧稳定的硅网络以及还可以有至少一种含有周期表第1-7b族和第8族元素的掺杂元素或掺杂化合物的网络。
本发明的另一个实施方案涉及一种具有精密刀口的器具，该器具包括涂覆了保护精密刀口涂层的具有精密刀口的基片。涂覆在该基片上的涂层是由一类类金刚石的材料制成的，该材料具有被氢稳定的类金刚石的碳网络中的碳、被氧稳定的玻璃状硅网络以及还可以有至少一种另外的含有选自周期表第1-7b族和第8族元素的掺杂元素或化合物的网络的原子标度的互穿网络。
附图简述
图1是表示双网络(A)、中间网络(B)和三网络(C)的毫微复合膜的原理性显微结构示意图。
图2是详述制作DLN涂层的主要方法的示意图。
图3是详述采用反射束流制作DLN涂层的方法的示意图。
图4是详述优选的DLN的制作和淀积室的示意图。
图5是涂覆了DLN涂层的剃须刀片的截面放大视图。
图6是涂覆了DLN涂层和有中间层的剃须刀片的截面放大视图。
图7是具有装入其头部的涂覆了DLN的剃须刀片的剃须刀的透视图。
图8是涂覆了铬和DLN的刀片在羊毛毡切割试验中进行切割所需的力对切割次数的值绘制的图。
发明详述本发明涉及由一类类金刚石材料制成的保护精密刀口、耐腐蚀和耐侵蚀的涂层和以此涂覆的基片。该类类金刚石的材料可以通过控制其取代物的量加以“调整”或可预测地和合乎要求地改变，以产生最佳性能的组合，从而对具有精密刀口的基片提供最好的刀口保护。
在一个实施方案中，本发明涉及保护基片特别是有锋利刀口的基片的精密刀口的方法，该方法通过在该基片上涂覆由一类类金刚石材料制成的涂层。该涂层由互穿网络构成，该互穿网络包括被氢稳定的类金刚石的碳网络中的碳的第一网络、被氧稳定的硅网络以及还可以有至少一种含有周期表第1-7b族和第8族元素的掺杂元素或掺杂化合物的网络。
对本申请而言，精密刀口可以理解为基片末端变窄导致该基片的两侧面会聚而在尖端处获得很小曲率半径的区域。小的曲率半径可以理解为约25埃到几微米。对很锋利的刀片而言，曲率半径为约75埃至约1000埃。对其它不太锋利的切割器具而言，在尖端处的曲率半径可达几百微米，可是仍然将其看成是精密刀口。
腐蚀被定义为由于金属或合金与其环境因酸或碱的存在而加速的反应所产生的电化学剥蚀。一般而言，金属或合金的可腐蚀性取决于其在活度序中的位置。腐蚀产物通常呈金属氧化物或卤化物的形式。此外，可以认为腐蚀是非金属基片暴露在自然环境条件下以及受到有机材料的作用而产生的剥蚀。
除了本发明涂层的保护刀口和耐腐蚀特性以外，该涂层还是坚固的且耐例如化学品的侵蚀、耐磨蚀或磨削，同时也是高度热稳定的。因此，该涂层不受生物或化学浸蚀的影响。本发明涂层的耐侵蚀性可使例如物理修整的可能性降低。这使该基片的表面很少可能受到环境腐蚀力的影响。该涂层对各种基片均具有极好的粘附性且在超出已知的对已知类金刚石涂层侵蚀的高温下是耐热冲击的。
在一个实施方案中，图5表示具有涂覆了本发明DLN涂层的精密刀口尖端24的剃须刀片18的截面放大视图。在图5中，将基片20涂以一层DLN21。在该DLN涂层21上显示出淀积了聚四氟乙烯(PTFE)薄涂层22。
图6表示涂覆了的刀片19，该刀片具有包括涂覆了中间层23的基片20的精密刀口尖端24。然后，在中间层23上涂以DLN涂层21，最后，再在涂层21上涂以PTFE涂层22。该中间层是选自硅、碳化硅、钒、钽、铌、钼及其合金的材料(单独或相互配合使用)形成的薄层。该中间层被淀积到厚度约为50至约500埃。PTFE被淀积到厚度约为10埃至约1000埃、优选约为25至约75埃。
在一个实施方案中，可将该刀片组装在剃须刀中。图7表示嵌入一次性剃须刀25的头部组件26中的图5的刀片18。头部的开口27可让来自剃须面的碎屑通过。因此可以理解到，本发明的涂覆了DLN的刀片可以制成各种刀片，例如可更换的双刃或单刃刀片，或可以组装在剃须刀的组件中。
优选用来涂覆所选基片的耐腐蚀和耐侵蚀原子标度的类金刚石毫微复合膜(DLN)的基本结构包括两种或多种各自通过另一类原子化学稳定的自稳定无序网络，同时网络之间也彼此在结构上稳定。具有这种结构的材料的实例是类金刚石毫微复合膜(DLN)，它是美国专利5,352,493和1994年5月24日提交的美国专利系列号08/249,167的主题。
在这种DLN中，主要呈sp3形式连接的碳的无序碳网络被氢原子化学稳定，而玻璃状的硅网络被氧原子化学稳定，从而形成纯的无定形结构。本文中所用的“无定形”是指在固态情况下导致没有长距离的有规排序且没有结晶性和粒性的原子的无序结构或排列。DLN材料具有无定形结构且不含大于10埃的簇。没有处于原子标度的簇是本发明的DLN涂层的特征。簇会破坏该结构的无定形性质，且会起剥蚀活性中心的作用。在离子源、在初始等离子体、在腔室的空间以及在薄膜的生长中都要防止簇的形成。
本发明的这类类金刚石毫微复合膜(DLN)材料的原子结构示于图1(A)中。如图1(B)和1(C)所示，这些材料可以具有一种或多种各别的掺杂物的无序网络。掺杂物可以是周期表第1-7b族和第8族的过渡金属和非金属中的任一种或其组合物，且所有这三种网络(C-H；Si-O和掺杂物网络，Me-Me)相互间主要通过弱化学键连接。除了C-H网络以外，这些网络的元素可以称为掺杂元素。此外，硅和氧原子也可以用于含有其它元素和化合物的掺杂物网络。
本发明的DLN涂层可以包括双组分网络与玻璃状硅-氧网络互穿的类金刚石碳-氢网络。也可以采用包括以掺杂物分布在上述两种互穿网络中的、具有一种或多种掺杂物网络的Si-O和C-H网络的三组分网络。在这种情况下，DLN中将存在三种或多种互穿网络，以形成所谓Me-DLN(金属-类金刚石毫微复合膜)的网络。可以理解的是，也可将非金属掺杂物网络作为互穿C-H和Si-O网络的任选存在的掺杂物网络加入。
三种网络(C-H基质、Si-O基质和掺杂物基质)相互间主要通过弱化学键连接。即使金属含量高达50％，也可以防止碳化物的生成(采用俄歇电子光谱仪、化学分析用的电子光谱仪(ESCA)、扩展的精细结构的X-射线吸收光谱仪(EXAFS)和付立叶变换红外光谱仪(FTIR)鉴定)。此外，这些材料的性质可以根据所选的掺杂物及其含量以及淀积方法和参数在很宽的范围内变化。如上所述，这些复合材料的结构可以按分子水平设计。因此，可以在符合机械强度、硬度和耐化学品要求的情况下，将独特的电、光和其它所希望有的固态性能赋予DLN涂层。
用于Me-DLN网络且在耐腐蚀的Me-DLN涂层中用作掺杂物特别有效的优选的掺杂元素是B、Si、Ge、Te、O、Mo、W、Ta、Nb、Pd、Ir、Pt、V、Fe、Co、Mg、Mn、Ni、Ti、Zr、Cr、Re、Hf、Cu、Al、N、Ag和Au；优选的是W、Cr、Zr、Ti和Hf。可以用作掺杂物的优选的化合物包括TiN、BN、AlN、ZrN和CrN；最优选的是TiN和ZrN。
类金刚石毫微复合膜中的碳含量约大于DLN的40原子％、优选约40至约98原子％、更优选约50至约98原子％。虽然在理论上可以制备没有氢的DLN，但仍优选氢含量至少约为碳含量的1原子％和高达约为40原子％。硅、氧和掺杂元素以及含掺杂物的化合物的总和为约大于DLN的2原子％。在一个优选的实施方案中，碳与硅原子之比为约2∶1至约8∶1，氢与碳原子之比为约0.01∶1至约0.4∶1，硅与氧原子之比为约0.5∶1至约3∶1，且掺杂物与碳原子之比为约0∶1至约1.5∶1。因此，在DLN网络中，每一份碳有约0.01至约0.4份氢，约0.125至约0.5份硅，约0.0375至约1.0份氧。在这种体系中，如果有第三种掺杂物网络存在，则根据要赋予Me-DLN网络所需的特性，每一份碳有约0.01至约1.5份掺杂物。
DLN中存在的低的内在应力有助于其耐腐蚀性。涂层不仅必须对腐蚀剂是惰性的，而且还应该起阻挡层的作用，以防止腐蚀剂与被保护的基片之间接触。DLC膜通常具有高的内在应力，因此，通常有针孔和整体上有多孔性的缺点。由于在DLN膜和涂层中存在较低的应力，这些涂层是没有孔的，因此能阻止化学浸蚀和渗透。
被氧稳定的玻璃状硅网络的存在可在高温下起防止石墨碳生长的作用，以避免在含金属的三网络毫微复合材料中生成金属簇，和降低毫微复合膜结构的内应力，从而增强与基片的粘附性。可以认为，这会使本发明的DLN与基片材料得到极好的粘附。
如上所述，为了增进涂层的粘附，DLC涂层通常需要在基片和DLC涂层之间有中间层。如果该DLC涂层太厚，往往出现脱层现象。出乎意料的是，本发明的DLN涂层的粘附性非常好，以致通常不需要中间层。因此，可以将DLN涂层直接涂覆在基片上，且可涂覆得更厚而没有与基片脱层的风险。可以涂覆较厚DLN涂层的性能是由于Si-O网络的低的内在应力产生的，可以认为，这有助于涂覆了DLN的基片获得极好的耐侵蚀性。当然，如果需要，也可以同时使用DLN涂层和中间层。DLN结构的可调整性也可保证DLN与中间层的良好粘附性，这是因为可以用掺杂物掺入DLN以优化其对中间层以及对基片的相容性和粘附性。这种“调整”是通过递增地改变特定掺杂物以及该掺杂物的含量实现的。当不包括掺杂物时，也可以改变DLN的性能。除了改变化学组成以外，还可以通过改变温度和压力等淀积条件来实现双网络DLN体系性能上的变化。因此，DLN与含金属和含非金属的基片都能限好地粘附。
本发明的DLN具有的热稳定性远超过常规类金刚石(DLC)材料的热稳定性。结晶金刚石接近1100℃时是稳定的，达到该温度后就出现石墨化。石英在1470℃前具有长时间的热稳定性，高达1700℃时具有短时间的热稳定性。常规的未成合金的类金刚石(DLC)膜仅在出现石墨化之前约600℃是稳定的。相形之下，用以提供本发明耐腐蚀和耐侵蚀余层的DLN结构在1250℃之前具有长时间的稳定性，在2000℃之前具有短时间的稳定性。因此，在保持无定形类金刚石状态的同时，DLN的热稳定性超过DLC的热稳定性。
此外，在约600℃至约1000℃的范围内，DLN材料的碳基质的化学键部分地由sp3转变为sp2。然而，毫微复合膜的总结构及其“类金刚石”的特性仍然保持着。相反，在类似的条件下，普通的“类金刚石”碳(DLC)被石墨化，且失去其类金刚石的特性。在400℃至500℃的范围内(优选430℃)，可观察到反向转变，由此，sp3与sp2之比增加。可以认为，DLN中的可变百分数的碳是sp3连接的碳。
C-H和Si-O双网络DLN的密度从约1.8至约2.1g/cm3不等。其余的空间被直径为约0.28至约0.35nm的毫微孔的无序网络占据。这种毫微孔网络并不形成簇或微孔。因此，双网络DLN的特性可以通过添加掺杂物来确定。掺杂物以无序方式充填该毫微孔网络，最终导致在某一掺杂物含量下，甚至在含量高达50原子％下形成另一种没有簇或微晶粒子的网络。在含量低于约10原子％时，掺杂物以分开的原子散布在类金刚石基质的毫微孔中。这种准无序结构中掺杂原子之间的平均距离可以通过掺杂物的含量加以控制。当掺杂元素或化合物的相对含量达到约20-25原子％时，这些掺杂物就会在DLN结构的网络中形成如图1(C)中所示的第三种(Me-Me)网络。
本发明的DLN结构的电性质可以在很宽的数量级(至少约20个数量级)从高的介电状态连续地变化到高的导电状态，同时还可保持和改进DLN状态的特性。对某种三网络毫微复合网络，在低温下观察到向没有电阻率的超导状态的转变。
本发明DLN的另一个优点是其有关的硬度和耐用性。DLN，特别是金属掺杂的DLN将显微硬度和高弹性结合在一起。本发明的DLN的显微硬度值约为5至约30GPa。
DLN可以用有关元素的离子、原子或基团的无簇束通过共淀积合成，在这种场合，各种粒子物质的平均自由路径都超过其源与生长中的粒子膜表面之间的距离，且各束含有严格定义能量的粒子。含碳粒子束可以通过在等离子体发生器中的等离子体放电产生，并通过在真空室中的高压电场以荷电粒子的形式引出而射向该基片。
图2表示用于DLN涂层淀积过程的涂覆室的一个优选实施方案。配备了真空淀积室1以便涂覆基片样品。前体进口系统13包括金属管和多孔陶瓷材料3，通过该系统注入液体前体，优选聚硅氧烷。图中所示的前体进口系统13通过该室的底板11插入该室。热阴极2包括电阻加热的涂钍钨灯丝4。准备用DLN膜涂覆的基片5固定在基片支架6上。电源8用于对该基片加偏压(DC或RF)。在实施中，采用正常抽真空的方法将该系统“抽空”。关闭位于出口7的闸阀(未示出)，重新将该系统充以干燥空气、氮气或氩气直到该室达到大气压为止。然后，将该室9的门打开，采用许多可能的方法(弹簧夹、螺丝、卡箍等)中的任一种将待涂覆的基片5固定到基片支架6上。对特殊形状的基片可能需要特殊的夹具。该基片支架的设计使其能夹持圆筒形的样品(未示出)，在操作时，该圆筒形样品绕着中心传动轴10的轴和其本身与10垂直的轴旋转。这样，该圆筒的轴就会与10的轴垂直。
当将这些基片例如单层或多层排列的剃须刀片装入时，将该室的门关闭，将该室抽空，并将闸阀打开以使系统压力降低到至少10-5至10-6乇，这是系统基础压力所需的范围。当上述基础压力达到时，将氩气通过针形阀或质量流量控制器引入该室，直至该室的压力达到约5×10-5至1×10-3乇、优选约1-3×10-4乇。然后将该灯丝的电流、灯丝的偏压以及电磁铁电源接通。该灯丝电流是通过热阴极(也称为灯丝或阴极)的电流。该灯丝偏压是施加到该灯丝的恒定浮动电压(对地约为-150V)。等离子体电流按灯丝和底板或接地之间的电流测定。上述电压提供的电场可使灯丝发射的电子迁移到底板11。该电磁铁电源将电流提供给建立磁场的电磁铁，使电子路径变成螺旋状，增加电子路径的长度并增进电子与前体蒸发所产生的蒸气分子之间碰撞的几率。同时接通该基片偏压电源。
上述电源的接通导致产生用来在淀积之前净化基片的氩等离子体。在所需的净化持续时间之后，将前体源打开。通过针形阀控制由于该室和外部气压之间的压差而发生的前体流。当该室中的前体流量和蒸发稳定后，关闭氩气流。离子化了的前体蒸气形成等离子体，由于基片的偏压使来自等离子体的离子朝着基片支架的方向加速。这样，就发生DLN膜淀积在该基片上。
掺杂材料的共淀积如下进行。氩气开始流向磁控管，在基础压力达到后，将该磁控管8接通。当基片通过溅射净化时，用挡板12来防止淀积。当净化完成时，将该挡板打开，溅射在所需的功率水平下进行。根据希望淀积何种膜结构和组成，这个步骤可以在DLN膜淀积开始之前、DLN膜淀积的过程中、DLN膜淀积之后或在DLN膜淀积的过程中间歇地发生。采用DC或RF溅射时，各种材料(金属、陶瓷、合金等)都可以用于共淀积。
参看图2，毫微复合膜的生长条件如下。在等离子体发生的活性区2中的压力为约1.0×10-3至约5.0×10-2乇的情况下，淀积室1中的压力不应超过10-3乇。在阴极灯丝的温度为约2100至约2950℃的情况下，该基片的温度不应超过约200℃。在灯丝两端的电压为约20至约30V的情况下，该阴极灯丝的电流为约70至约130A。在等离子体电流为约0.5至约20.0A的情况下，对地电压为约70至约130V。在所有含碳和含硅物质动能分别为约100至约1200eV和为约25至约300eV的情况下，该基片支架的电压为约0.1至约5.0kV。金属束由自由原子或单原子离子组成。金属原子/离子的动能不超过约25eV。在前体流量为约0.5至约5.0毫升/小时的情况下，DLN的生长率为约0.1至约2.0微米/小时。
对大多数应用而言，优选的操作范围是压力约为1-3×10-4乇、等离子体电流约为1安、灯丝电流约为60至约75安、基片电压约为600至约1000伏DC、或正向传输功率按RF模式约为100W。RF模式的优选频率约为90至约300KHz。优选的磁控管功率取决于DLN涂层所需的材料类型、组成和结构。
在另一个优选的实施方案中，采用三极管等离子体发生器中的等离子体放电来进行DLN淀积，如图3所示，该等离子体的能量密度高于约5千瓦小时/克原子碳。通过真空室中的高压电场将荷电粒子引出而射向该基片。在DC和RF的情况下，优选该基片支架的电势为约-0.3至约+5.0kV，最优选1.0+/-0.2kV。在RF模式下，该频率为约0至约25Mhz，对RF优选为约90至约300kHz。在等离子体发生器中电子发射与碳前体流之比为约0.5至约1.5电子/粒子。
有机硅化合物例如硅氧烷是优选的C、H、Si和O的前体。一种优选的有机硅化合物是含有1-10个硅原子的聚苯基甲基硅氧烷。高沸点的硅氧烷可以通过经辐射热阴极4加热的多孔陶瓷或金属陶瓷(图3和图4中的3)直接引入活性等离子体区。该热阴极的光子和电子的发射可使陶瓷表面上的前体分子蒸发、碎裂和离子化，从而起等离子体发生器的离子源的作用。另一种注入硅氧烷前体的方法是采用从扩散泵直接注入的方法。
含掺杂物的束的生成是通过以下方法中的任一种或其组合实现的1)热蒸发；2)离子溅射；3)离子束。将含掺杂物的束通过真空室射向生长中的膜表面以排除淀积室本身中的粒子间碰撞。将基片放置在相邻室中可确保双向旋转运动的旋转基片支架(例如转鼓)上，如图3所示，所述相邻室是通过原子或离子束发射的开口与等离子体发生室相连的。或者，等离子体的发生可以在装有基片的室中进行(图2)。通常，在淀积的过程中将DC或射频电位施加到基片上。不需要外部加热基片。该基片支架可以特别地设计以夹持不同形状的零件例如圆筒，这对本领域的技术人员是显而易见的。上述用于淀积DLN膜方法的有效变化包括使用溅射的硅和氧气作为Si和O，的前体、使用溅射的碳和氢或烃气作为碳和氢的前体、或其任一种组合。
对在非导电基片例如塑料上淀积而言，可利用一种方法将中性基团的物流从高压靶上反射并射向该基片，如图4所示。除了采用反射电极来产生中性束之外，该方法使用的淀积物与图3中的类似。这种方法可以消除生长过程中撞击在该基片上的带电粒子和/或高速粒子引起的基片的表面损伤。
根据本发明，可以淀积极均匀且无孔隙的薄介电膜。淀积的DLN涂层的厚度理论上没有限制。现有技术和可以得到的设备通常已能得到原子标度的复合膜和涂层的厚度为约几十埃至10微米。为充分保护锋利刀口而淀积的DLN的厚度取决于该基片的性质。很小的锋利刀片只要求DLN涂层为约5毫微米至约150毫微米，而其它器具可能要求几微米厚的保护性DLN涂层。因此，本发明的上述DLN涂层可以淀积在所选择的基片上，或如果需要可淀积在中间层上，淀积厚度为约5毫微米至约12微米、优选为约20毫微米至约12微米，这仅取决于希望涂覆了的基片的用途。
淀积可以设计或“调整”以符合特定用途所要求的特性。无序互穿的双或三网络DLN可以保证该结构在所有方向上具有均匀的强度。该结构甚至在厚度约为80埃(8nm)时也没有微孔。因此，DLN是极稳定的且具有独特的化学、机械、电子以及超导特性的组合。
本发明的保护精密刀口的DLN涂层有许多用途，这些用途包括但不限于金属和非金属、外科器具、剃须刀片、工业和非工业用器具、刀具、小刀、袖珍刀以及任一种易受腐蚀和/或侵蚀损坏和钝化的具有精密刀口的基片的涂层。以下实施例仅供进一步说明本发明的一些方面之用而不应认为是对本发明的限制。
实施例1在剃须刀片上淀积未掺杂的DLN涂层将一批2000片剃须刀片在两面上涂以未掺杂的DLN。将这些刀片安装在钢夹具上并以刀片的刀口面对淀积源(将刀片与淀积束保持平行)。在压力为1.1×10-4乇、等离子体电流为1.0-1.1安以及RF负荷功率为125W下进行淀积。淀积进行30分钟。在启动和关闭等离子体发生器的过程中用挡板来遮护基片。试验在淀积速率为0.7微米/小时下进行，导致在保持平面面对淀积束的刀片表面上淀积3000埃(0.3微米)的DLN厚度，而在与淀积束保持10°角的表面上淀积厚300埃的膜。在刀片的最尖端处的厚度约为3000-5000埃，此厚度太大，会导致刀片钝化。
实施例2除时间为10分钟之外，进行了与实施例1中所述的几乎相同的第二种涂层的试验。时间较短的试验导致淀积在刀片刀口上的DLN厚度约为300-500埃。涂覆后该刀片尖端的曲率半径为200-300埃。
实施例3淀积掺杂了的DLN涂层将另外的一些刀片在以下的淀积室条件下涂以Zr-DLN和W-DLN。RF偏压频率为100-250kHz、负荷功率为80-120W、正向传输功率为100-150W、按约10-20％的量用钨(W)和锆(Zr)掺杂。
实施例4羊毛毡切割试验测试了根据实施例1-3的方法涂覆了的刀片，将刀片对着羊毛毡并将羊毛毡切割500次。测定第一次和最后一次(第500次)切割所需的力之间的差。与涂覆了铬具有2000-3000埃的PTFE层的刀片比较，涂覆了DLN的刀片所需的切割力较小。参见图8。
实施例5DLN膜的机械性能得到9种不同组成的DLN和掺杂了的DLN膜的高硬度和机械模数测定值。采用毫微刻痕器(Nanoinstruments，Knoxville，TN)进行测定。硬度为约6至约21GPa。弹性模数达到约60-220GPa。暴露在500℃后，该膜中的硬度/模数降低极少。
根据本文中的技术，对本领域的专业人员而言，本发明的许多其他的改进和变化是可能的。因此，应该理解的是，除了如本文中所特别说明的以外，可以在本权利要求书的范围内实施本发明。
权利要求
1.一种保护具有精密刀口的基片的精密刀口的方法，该方法包括提供具有精密刀口的基片；和在所述基片上涂覆由类金刚石固态材料制成的涂层，该材料由互穿网络构成，该互穿网络包括被氢稳定的类金刚石的碳网络、被氧稳定的硅网络以及还可以有至少一种由含有周期表第1-7b族和第8族元素的掺杂元素或掺杂化合物制成的网络。
2.根据权利要求1的方法，其中碳、氢、硅和氧是从具有约1至约10个硅原子的有机硅氧烷分解而得到的。
3.根据权利要求2的方法，其中该有机硅氧烷是聚苯基甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1的方法，其中该涂层的碳含量为约40％(重量)至约98％(重量)。
5.根据权利要求1的方法，其中该涂层的碳含量为约50％(重量)至约98％(重量)。
6.根据权利要求1的方法，其中该涂层的碳与硅的重量比为约2∶1至约8∶1。
7.根据权利要求1的方法，其中该涂层的硅与氧的重量比为约0.5∶1至约3∶1。
8.根据权利要求1的方法，其中将该涂层淀积在金属基片上。
9.根据权利要求1的方法，其中将该涂层淀积在非金属基片上。
10.根据权利要求1的方法，其中掺杂元素选自B、Si、Ge、Te、O、Mo、W、Ta、Nb、Pd、Ir、Pt、V、Fe、Co、Mg、Mn、Ni、Ti、Zr、Cr、Re、Hf、Cu、Al、N、Ag和Au。
11.根据权利要求1的方法，其中将该涂层淀积在基片上使涂层厚度达到约为5nm至约12微米。
12.根据权利要求1的方法，其中将该涂层淀积在基片上使涂层厚度达到约为5nm至约150nm。
13.根据权利要求1的方法，其中该类金刚石固态材料的碳含量大于DLN的约40原子％，氢含量至多为碳含量的约40原子％，且硅、氧和掺杂元素的总和为大于DLN的约2原子％。
14.一种包括涂覆了保护精密刀口涂层的具有精密刀口基片的器具；所述涂层包括由互穿网络制成的类金刚石固态材料，该互穿网络包括第一种被氢稳定的类金刚石碳网络、第二种被氧稳定的硅网络以及还可以有至少一种含有周期表第1-7b族和第8族元素的掺杂元素或掺杂化合物的网络。
15.根据权利要求14的器具，其中碳、氢、硅和氧是从具有约1至约10个硅原子的有机硅氧烷分解而得到的。
16.根据权利要求15的器具，其中该有机硅氧烷是聚苯基甲基硅氧烷。
17.根据权利要求14的器具，其中该涂层的碳含量为约40％(重量)至约98％(重量)。
18.根据权利要求14的器具，其中该涂层的碳含量为约50％(重量)至约98％(重量)。
19.根据权利要求14的器具，其中该涂层的碳与硅的重量比为约2∶1至约8∶1。
20.根据权利要求14的器具，其中该涂层的硅与氧的重量比为约0.5∶1至约3∶1。
21.根据权利要求14的器具，其中该基片包括金属。
22.根据权利要求14的器具，其中该基片包括非金属。
23.根据权利要求14的器具，其中掺杂元素选自B、Si、Ge、Te、O、Mo、W、Ta、Nb、Pd、Ir、Pt、V、Fe、Co、Mg、Mn、Ni、Ti、Zr、Cr、Re、Hf、Cu、Al、N、Ag和Au。
24.根据权利要求14的器具，其中该固态材料的碳含量至少为该涂层的40原子％，氢含量至多为碳含量的约40原子％，且硅、氧和掺杂元素的总和为大于该涂层的约2原子％。
25.根据权利要求14的器具，其中将该涂层淀积在基片上使涂层厚度达到约为5nm至约12微米。
26.根据权利要求14的器具，其中将该涂层淀积在基片上使涂层厚度达到约为5nm至约150nm。
27.根据权利要求14的器具，其中该器具选自工业用器具、外科器具、小刀和剃须刀。
28.根据权利要求14的器具，其中该器具是剃须刀片。
全文摘要
一种通过在基片上涂覆耐腐蚀涂层以保护具有精密刀口的基片的精密刀口的方法,该涂层包括具有互穿的原子标度的网络的类金刚石固态材料,该互穿网络包括第一种被氢稳定的类金刚石的碳网络、被氧稳定的硅网络以及还可以有至少一种由含有周期表第1—7b族和第8族元素的掺杂元素或掺杂化合物制成的网络。
文档编号C23C16/30GK1202852SQ96198471
公开日1998年12月23日 申请日期1996年9月25日 优先权日1995年10月3日
发明者A·高尔, D·J·布莱 申请人:先进耐火技术公司