阅读说明：本技术 一种防高速冲击涂层方法 (Coating method for preventing high-speed impact ) 是由 廖斌 欧阳潇 欧阳晓平 罗军 陈琳 庞盼 张旭 吴先映 英敏菊 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种防高速冲击涂层方法,包括：对基体进行表面初步离子清洗；在表面清洗后的基体进行激光亚表面微结构化；对结构化表面深度清洗后进行离子注入,并退火形成伪扩散层；在所述伪扩散层之上,利用蒸发法沉积聚合物吸能膜层；利用高能离子注入对聚合物层进行金属化；利用磁过滤沉积设备在金属化层上沉积超硬金刚石涂层；循环制备聚合物层、金属化层以及超硬类金刚石层3-5次。本发明实施例提供的方法,通过基体微结构、离子注入和沉积镀膜的相结合的方式,明显提高了基体的抗高速运动物体的冲击能力。因其方法简单、易操作,且成本低、效率高,非常适合批量化生产。(The invention relates to a high-speed impact prevention coating method, which comprises the following steps: carrying out surface preliminary ion cleaning on the substrate; performing laser sub-surface micro-structuring on the substrate after surface cleaning; carrying out ion implantation after deeply cleaning the structured surface, and annealing to form a pseudo diffusion layer; depositing a polymer energy-absorbing film layer on the pseudo-diffusion layer by an evaporation method; metallizing the polymer layer by high-energy ion implantation; depositing a superhard diamond coating on the metallization layer by using magnetic filtration deposition equipment; and (3) circularly preparing the polymer layer, the metallization layer and the superhard diamond-like carbon layer for 3-5 times. The method provided by the embodiment of the invention obviously improves the impact resistance of the matrix to high-speed moving objects by combining the matrix microstructure, the ion implantation and the deposition coating. The method is simple, easy to operate, low in cost and high in efficiency, and is very suitable for batch production.)

一种防高速冲击涂层方法

本申请要求于2019年05月22日提交中国专利局、申请号为CN201910430883.2、发明名称为“一种防高速冲击涂层方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及一种防高速冲击吸能涂层的制备方法及其应用，属于防护材料技术领域。

背景技术

防弹衣是在特定的环境下为了保证人的生存而佩穿的个体防护装备，它能吸收和耗散弹、破片的动能，阻止穿透，有效保护人体受防护部位。目前，防弹衣主要是指保护前胸和后背的防弹背心，防止流弹及破片对人体重要部位造成杀伤。防弹衣根据使用材料主要可分为三种软体和硬体两种。目前，无论是硬体、还是软体重量是一个非常重要的考量指标。现有软体防弹衣质量轻，但在防护方面还存在很多问题，比如防护效果不佳等；硬体防弹衣优点是防护效果好，但缺点也很明显那就是质量大，不方便携带。新材料技术是我国乃至全世界都非常重视的研究领域之一，材料表面改性技术是新材料研究的一个重要的方向。通过合适的表面处理，可以显著提高材料表面的多种性能，例如材料表面的光洁度、硬度、抗磨损、抗冲击氧化、抗沙尘侵蚀以及抗盐雾腐蚀等性能，从而显著提高防护材料的使用寿命和效率，实现节约原材料、降低本身重量的目的。

发明内容

为解决上述问题，需要在软基体或者硬基体上进行超硬涂层的沉积，解决抗高速冲击能力偏弱以及重量偏重等关键问题。

鉴于此，本发明实施例提供了防高速冲击涂层方法，包括以下步骤：

S110对基体进行表面初步清洗；

S120基体进行激光亚表面微结构化；

S130对表面深度清洗，然后利用离子源进行离子注入并退火形成伪扩散层；

S140利用蒸发法沉积聚合物吸能膜层；

S150利用高能离子注入对聚合物层进行金属化层；

S160利用磁过滤沉积设备在金属化层上沉积超硬金刚石涂层；

S170聚合物层、金属化层、类金刚石膜层重复累加周期3-5次。

进一步优选地，所述激光器为紫外光激光器；

优选地，对基体表面微结构设计，表面由环形和直线进行切分；

优选地，设计分散结构不少于40个，激光线宽1-5μm。

进一步优选地，所述离子源为金属真空蒸汽离子源；

优选地，在硬体或软体基体进行表面离子注入过程中，进行加热处理；

优选地，所述离子注入的注入元素为金属元素Ti、Cr、C、Co或Hf；

优选地，所述离子注入设备为金属蒸气真空弧MEVVA离子注入设备；

优选地，离子注入时的束流直径为800mm，束流在5-20mA，阴极寿命大于20h。

优选地，沉积聚合物采用的是电子束蒸发系统；

优选地，电子束聚合物的蒸发速率为10-100μm/min。

优选地，沉积膜层时采用的是磁过滤阴极真空弧系统；

优选地，沉积膜层时采用的是磁过滤阴极真空弧系统；

优选地，沉积膜层时采用的是磁过滤阴极真空弧系统。

优选地，沉积膜层时采用的是磁过滤阴极真空弧系统。

优选地，所述膜层为类金刚石DLC膜层。

优选地，所述膜层的厚度为1-4μm，硬度不低于50GPa。

优选地，聚合物层、金属化层、类金刚石膜层重复累加周期3-5次；

优选地，涂层总厚度为0-260μm。

相对于现有技术，本发明实施例具有以下优势：

(1)利用离子注入技术在基体亚表面形成了一层有效的“钉扎层”，后续膜层能够与“钉扎层”非常好的结合，相比与磁控溅射、多弧离子镀以及化学气相沉积等方法，本发明制备的膜层与基底的结合力更优越；

(2)相比磁控溅射、电镀沉积、电子束蒸发等沉积方法，磁过滤阴极真空弧设备原子离化率非常高，大约在95％以上，非常适合超硬、超致密涂层的制备。这样，由于原子离化率高，可使等离子体密度增加，成膜时大颗粒减少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基结合力等；

(3)通过调整等离子输运路程能够制备超高硬度，超耐磨的类金刚石膜层，本技术能够制备超厚纯类金刚石DLC膜层的膜层厚度可达20微米，该膜层硬度大于80Gpa；

(4)相别于传统的磁过滤系统，本发明沉积的幅度更宽、阴极的寿命更长，更符合商业化生产；

(5)有别于传统的整体膜层体系，本发明镀膜之前先对基体进行微结构设计，微结构的边界在受外力冲击的作用下能大幅释放冲击力，但又不减膜层体系的耐冲击性，同时还能提高膜层体系的韧性；

(6)相比传统的体材料的防弹体系，本发明提供的是更为轻薄，质量更小，硬度、韧性更为优异的纳米膜层体系。

附图说明

构成本发明实施例部分的附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例提供的基体膜层结构示意图；

图2为本发明实施例提供的高速防冲击涂层的流程示意图；

图3为本发明实施例高速防冲击涂层的表面形貌图；

图4为本发明实施例高速防冲击涂层的截面图；

图5为本发明实施例表面洛氏压坑形貌图；

图6为本发明实施例表面结合力测试痕迹；

图7为本发明不同实施例200m/s(重量为10g)冲击下冲击深度示意图；

附图标记说明:

101 基体层，

102 聚合物层，

103 金属钉扎层，

104 超硬类金刚石层，

105 圆形切割线，

106 直径切割线。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明，但并不意于限制本发明的保护范围。

此外，还需要说明的是，本部分对本发明实验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

S110对基体进行表面初步清洗；

采用高功率脉冲磁控沉积技术对基体进行离子清洗，清洗时总束流为2-6A，负压500-1000V，高功率脉冲功率0-1MW，温度300-550℃，气压1×10^-2-10Pa，通入气体为Ar，轰击时间30-120min。清洗过程中的高功率相比于传统的清洗工艺路线具有明显的优势：体现在：1)可控制清洗束流大小从而控制基体温度；2)除去基体吸附的气体；3)去除有机物和毛刺；3)溅射掉表面的金属氧化物膜层，露出无污染的原子层。

S120基体进行激光亚表面微结构化；

采用紫外激光器对基体进行亚表面微结构化，微结构中线宽度为1-5μm，分散结构总数不低于40个；有别于传统的一体化结构，离散型结构能使撞击粒子的能量迅速在边界处消散，同时不损伤膜体本身，大大增强其可靠性和耐用性。

S130对表面深度清洗，然后利用离子源进行离子注入并退火形成伪扩散层；

采用离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为金属元素Ti、Cr、C、Co或Hf，在进行表面离子注入过程中，进行加热处理形成伪扩散层，离子注入处理尺寸不低于800mm，处理束流不低于10mA，加速电压不高于30KV。

相比于传统的离子注入方法，本发明中利用加热方式使得离子的扩散深度大幅增加，大幅提高了膜-基结合强度，使得整体材料的可靠性和耐受性大幅提高。

S140利用蒸发法沉积聚合物吸能膜层；

利用电子束蒸发技术对聚合物进行蒸发，电子束蒸发宽度为1000mm，电子束枪功率不低于20KW，能量不高于100eV。

基于大功率的电子束技术，本发明聚合物的沉积速度可高达100μm/min，沉积时分子链基本保持完好，基本没有因高能量而发生断裂和缺元素种类。

S150利用高能离子注入对聚合物层进行金属化；

采用高能离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为元素Ni，Mg，C，离子注入尺寸不低于800mm，处理束流不低于5mA，加速电压30-80KV，形成金属化层厚度不小于50nm。高能注入能方便实现离子的深掺杂，提高聚合物与类金刚石界面的结合强度。

S160利用磁过滤沉积设备在金属化层上沉积超硬金刚石涂层；

采用磁过滤沉积设备为宽束处理设备，处理宽度不低于800mm，阴极为碳靶，碳靶材寿命不低于100h，碳起弧电流不低于200A，沉积类金刚石厚度为1-4μm，膜层硬度不低于50Gpa。高硬度对于高速冲击粒子有着很好的阻挡作用，通过中间聚合物层的吸能、硬度层的阻挡能够快速的吸收高速粒子的能量同时降低粒子的速度，吸能和阻挡的配合使用能最大限度的释放能量。

S170聚合物层、金属化层、类金刚石膜层重复累加周期3-5次，0-260μm。

循环采用电子束蒸发、离子注入以及磁过滤沉积技术，其他参数均保持不变，累加次数3-5次，厚度0-260μm。

实施例一

S110对基体进行表面初步清洗；

采用高功率脉冲磁控沉积技术对基体进行离子清洗，清洗时总束流为2A，负压600V，高功率脉冲功率0.5MW，温度450℃，气压1×10^-2-10Pa，通入气体为Ar，轰击时间60min。

S120基体进行激光亚表面微结构化；

采用紫外激光器对基体进行亚表面微结构化，微结构中线宽度为4μm，分散结构总数60个。

S130对表面深度清洗，然后利用离子源进行离子注入并退火形成伪扩散层；

采用离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为金属元素Ti和Hf，在进行表面离子注入过程中，进行加热处理形成伪扩散层，离子注入处理尺寸800mm，处理束流15mA，加速电压20KV。

S140利用蒸发法沉积聚合物吸能膜层；

利用电子束蒸发技术对聚合物进行蒸发，电子束蒸发宽度为1000mm，电子束枪功率不低于20KW，能量90eV。

S150利用高能离子注入对聚合物层进行金属化；

采用高能离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为元素Ni，Mg，C，离子注入尺寸800mm，处理束流8mA，加速电压60KV，形成金属化层厚度不小于55nm。

S160利用磁过滤沉积设备在金属化层上沉积超硬金刚石涂层；

采用磁过滤沉积设备为宽束处理设备，处理宽度800mm，阴极为碳靶，碳起弧电流300A，沉积类金刚石厚度为2μm，膜层硬度60Gpa。

S170聚合物层、金属化层、类金刚石膜层重复累加周期3次，总厚度150μm。

实施例二

S110对基体进行表面初步清洗；

采用高功率脉冲磁控沉积技术对基体进行离子清洗，清洗时总束流为2A，负压600V，高功率脉冲功率0.5MW，温度450℃，气压1×10^-2-10Pa，通入气体为Ar，轰击时间60min。

S120基体进行激光亚表面微结构化；

采用紫外激光器对基体进行亚表面微结构化，微结构中线宽度为4μm，分散结构总数90个。

S130对表面深度清洗，然后利用离子源进行离子注入并退火形成伪扩散层；

采用离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为金属元素Ti和Hf，在进行表面离子注入过程中，进行加热处理形成伪扩散层，离子注入处理尺寸800mm，处理束流15mA，加速电压20KV。

S140利用蒸发法沉积聚合物吸能膜层；

利用电子束蒸发技术对聚合物进行蒸发，电子束蒸发宽度为1000mm，电子束枪功率不低于20KW，能量90eV。

S150利用高能离子注入对聚合物层进行金属化；

采用高能离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为元素Ni，Mg，C，离子注入尺寸800mm，处理束流8mA，加速电压60KV，形成金属化层厚度不小于55nm。

S160利用磁过滤沉积设备在金属化层上沉积超硬金刚石涂层；

采用磁过滤沉积设备为宽束处理设备，处理宽度800mm，阴极为碳靶，碳起弧电流300A，沉积类金刚石厚度为2μm，膜层硬度60Gpa。

S170聚合物层、金属化层、类金刚石膜层重复累加周期3次，总厚度150μm。

实施例三

S110对基体进行表面初步清洗；

采用高功率脉冲磁控沉积技术对基体进行离子清洗，清洗时总束流为2A，负压600V，高功率脉冲功率0.5MW，温度450℃，气压1×10^-2-10Pa，通入气体为Ar，轰击时间60min。

S120基体进行激光亚表面微结构化；

采用紫外激光器对基体进行亚表面微结构化，微结构中线宽度为4μm，分散结构总数90个。

S130对表面深度清洗，然后利用离子源进行离子注入并退火形成伪扩散层；

采用离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为金属元素Ti和Hf，在进行表面离子注入过程中，进行加热处理形成伪扩散层，离子注入处理尺寸800mm，处理束流15mA，加速电压20KV。

S140利用蒸发法沉积聚合物吸能膜层；

利用电子束蒸发技术对聚合物进行蒸发，电子束蒸发宽度为1000mm，电子束枪功率不低于20KW，能量90eV。

S150利用高能离子注入对聚合物层进行金属化；

采用高能离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为元素Ni，Mg，C，离子注入尺寸800mm，处理束流8mA，加速电压60KV，形成金属化层厚度不小于55nm。

S160利用磁过滤沉积设备在金属化层上沉积超硬金刚石涂层；

采用磁过滤沉积设备为宽束处理设备，处理宽度800mm，阴极为碳靶，碳起弧电流300A，沉积类金刚石厚度为2μm，膜层硬度60Gpa。

S170聚合物层、金属化层、类金刚石膜层重复累加周期4次，总厚度200μm。

实施例四

S110对基体进行表面初步清洗；

采用高功率脉冲磁控沉积技术对基体进行离子清洗，清洗时总束流为2A，负压600V，高功率脉冲功率0.5MW，温度450℃，气压1×10^-2-10Pa，通入气体为Ar，轰击时间60min。

S120基体进行激光亚表面微结构化；

采用紫外激光器对基体进行亚表面微结构化，微结构中线宽度为4μm，分散结构总数90个。

S130对表面深度清洗，然后利用离子源进行离子注入并退火形成伪扩散层；

采用离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为金属元素Ti和Hf，在进行表面离子注入过程中，进行加热处理形成伪扩散层，离子注入处理尺寸800mm，处理束流15mA，加速电压20KV。

S140利用蒸发法沉积聚合物吸能膜层；

利用电子束蒸发技术对聚合物进行蒸发，电子束蒸发宽度为1000mm，电子束枪功率不低于20KW，能量90eV。

S150利用高能离子注入对聚合物层进行金属化；

采用高能离子源为金属真空蒸汽离子源，离子注入的注入元素为元素Ni，Mg，C，离子注入尺寸800mm，处理束流8mA，加速电压60KV，形成金属化层厚度不小于55nm。

S160利用磁过滤沉积设备在金属化层上沉积超硬金刚石涂层；

采用磁过滤沉积设备为宽束处理设备，处理宽度800mm，阴极为碳靶，碳起弧电流300A，沉积类金刚石厚度为2μm，膜层硬度60Gpa。

S170聚合物层、金属化层、类金刚石膜层重复累加周期5次，总厚度250μm。

本实施例提供的防高速冲击涂层的方法，主要是利用高功率脉冲磁控、电子束蒸发、离子注入以及磁过滤阴极真空弧系统进行沉积镀膜，在基体的表面形成硬度高、致密性高、韧性好、膜层结合力强的涂层，增强基体的硬度和耐冲击性，提基体的抗冲击时的可靠性和耐受性示意图和流程见附图1和2。同时涂层表面光滑，截面相对清晰见附图3和4。除此之外，因在沉积镀膜前，利用离子注入方法和加热的方法，在基材的亚表面形成了伪扩散层，进一步增加了后续沉积膜层与基底的结合力，提高了涂层的可靠性如附图5，6。同时通过软硬结合的方式大大提高了涂层本身的韧性和吸能特性，即本发明实施例提供的方法，通过高功率脉冲磁控、电子束、离子注入和沉积镀膜的相结合的方式，明显提供了提高基体耐冲击的涂层方法，同时其相对于传统的防冲击材料，其厚度和重量大幅降低如附图7(实施例1-4对应1-4)。因其方法简单、易操作，且成本低、效率高，非常适合工业化大批量生产。

需要说明的是，尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解为本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。