УГЛЕРОДНЫЙ ПОЛИМЕР Российский патент 2006 года по МПК C01B31/00 C30B29/04 H01L21/20 A61L27/00 

Область техники

Изобретение относится к углеродным материалам, которые могут быть использованы в нанотехнологии, в медицинской технике, электронике, машиностроении и т.д.

Предшествующий уровень техники

Получение материалов с новыми свойствами является одной из наиболее актуальных задач в современной науке.

Известно углеродное покрытие на основе алмазоподобного материала с аморфной структурой, который содержит включения алмазной фазы и представляет собой чистый углерод (заявка РФ N 96110601).

Известен также подшипник качения (заявка РФ N 2000109596), содержащий внутреннее и наружное кольцо и тела качения, при этом на тела качения и/или на дорожку качения нанесено покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом, содержащее чередующиеся слои.

Известен также способ формирования антифрикционных и противоизносных покрытий на трущихся поверхностях элементов пар трения (патент РФ N 2139456), включающий нанесение слоя эпилама из растворов на основе перфторполиокси-алкиленкарбоновых кислот, при котором на трущиеся поверхности элементов пар трения наносят стекловидную пленку двуокиси кремния.

Известна также конструкция роликового подшипника (патент США N 6234679), в котором применено покрытие, содержащее углеродный азотированный слой и подложку, расположенную между наружным слоем и основанием.

Известно также полиморфное соединение углерода объемно-центрированной кубической структуры с определенными параметрами решетки (патент РФ N 2108288).

Известен также углеродный полимер, где структура углерода из линейных углеродных цепочек, образующих пленку, ориентирована нормально к плоскости поверхности (V.A.Levchenko, V.G.Babaev, M.B.Guseva, V.N.Matveenko. The carbon films as a unique orienter for epitropic liquid crystals. The 10^th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides & Silicon Carbide, 12-17 September 1999, Prague Hilton Atrium Czech Republic, c.62).

Известен также поликристаллический абразивный углеродный материал (патент России N 2136483), содержащий Sp¹/Sp²/Sp³ гибридизации.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является углеродный материал тетракарбон с перпендикулярно ориентированными атомами углерода к плоскости пленки (патент США N 6355350). Материал имеет поликристаллическую структуру с плотной упаковкой атомов углерода, при этом минимальное расстояние между цепочками углерода составляет от 4,8 Ангстрема (прототип).

Недостатками известных материалов являются:

- низкие трибологические свойства, в частности большой коэффициент трения;

- недостаточно высокая износостойкость;

- недостаточно высокая прочность;

- недостаточная твердость;

- недостаточная задиростойкость;

- недостаточная температурная стабильность;

- низкая коррозионная стойкость.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является повышение трибологических свойств материала, в частности уменьшение трения, а также увеличение твердости, износостойкости, плотности упаковки атомов, задиростойкости и температурной стабильности.

Указанная цель достигается тем, что углеродный полимер с гомеотропно ориентированными атомами углерода выполнен в виде монокристаллической структуры с плотной упаковкой атомов углерода и sp-sp³ гибридизацией.

Указанная цель достигается также тем, что расстояние между соседними атомами углерода в одной цепочке составляет более 1,21 Å.

Указанная цель достигается также тем, что полимер имеет двух- или трехмерную структуру линейно-цепочечного углерода с гомеотропным типом ориентации атомов углерода и расстоянием между цепочками углерода от 3,97 до 5,11 Å.

Указанная цель достигается также тем, что в монокристаллической структуре и/или на поверхности монокристаллической структуры расположены адсорбционные центры, содержащие группы химических элементов (N) (ОН), (NHx) по отдельности или в комбинации друг с другом.

Указанная цель достигается также тем, что плотность полимера составляет от 2,6 г/см³ до 3,4 г/см³.

Указанная цель достигается также тем, что углеродный полимер выполнен в виде пленки.

Указанная цель достигается также тем, что полимер является тромборезистентным биосовместимым материалом.

Указанная цель достигается также тем, что полимер соединен с другими материалами посредством атомов углерода и/или адсорбционных центров.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано строение углеродного полимера, а на фиг.2 дается структура углеродного полимера с легирующими элементами.

Полимер 1 (фиг.1) содержит гомеотропно ориентированные атомы углерода 2 и выполнен в виде монокристаллической структуры с плотной упаковкой атомов углерода, большей чем у алмаза. Расстояние между соседними атомами углерода 2 в одной цепочке 3 составляет более 1,21 ангстрема, а расстояние между цепочками - от 3,97 до 5,11 ангстрем. Монокристаллическая структура полимера содержит sp-sp³ гибридизацию.

На поверхности монокристаллической структуры расположены адсорбционные центры 4 (фиг.2), связанные с атомами углерода 2. Адсорбционные центры 5 могут быть расположены в объеме монокристаллической структуры и связаны с атомами углерода 2 и 6.

Адсорбционные центры 4 и 5 состоят из групп химических элементов (N) (ОН), (NHx), связанных с атомами углерода 3 по отдельности или в комбинации друг с другом.

Плотность упаковки атомов углерода превышает плотность упаковки атомов в алмазе и плотность полимера составляет от 2,6 г/см³ до 3,4 г/см³. Полимер может быть выполнен в виде пленки. Полимер может быть скреплен с другими материалами (металлами, композитами, керамикой и т.п.) посредством атомов углерода и/или адсорбционных центров.

Осуществление изобретения

Монокристаллический углеродный полимер 1 (фиг.1) получают методом импульсной конденсации углеродной плазмы в сочетании с дополнительным облучением подложки ионами инертного газа.

Способ получения углеродного полимерного покрытия осуществляется в вакуумной камере (ВК). Корпус ВК выполнен так, что помимо основного источника плазмы в корпусе находится еще два дополнительных, что позволяет в динамике расширять технологические возможности получаемых материалов. В центре корпуса ВК располагают многофункциональный, управляемый термостолик, на котором закрепляют материалы для осаждения углеродного полимерного покрытия. Углеродный полимер с монокристаллической структурой получают испарением графита из графитовой мишени, расположенной в ВК совместно с источником плазмы и имеющей чистоту 99-99,9999%. Для этого в корпусе ВК создают углеродную плазму с синтезируемым пучком ионов инертного газа. Испарение графита из графитового электрода производят импульсным дуговым разрядом в вакуумной камере, которую предварительно вакуумируют до давления 12 торр. Самообразующийся вокруг катода, в процессе испарения графита, поток плазмы из атомов и кластеров углерода направляют для осаждения к поверхности материала подложки, относительно которой угол потока плазмы изменяют в зависимости от четности импульса. Вместе с процессом испарения графита и формирования переменного плазменного потока происходит процесс активации поверхности материала инертным газом с энергией 100-3000 эВ. Генерируют плазму с плотностью 1×10¹⁴ см^-3. Длительность импульса устанавливают не более 900 мкс и не менее 100 мкс. Частоту импульса устанавливают в зависимости от технологии использования покрытия не менее 1 Гц и не более 10 Гц. Формирование монокристаллического полимера на подложке производят при давлениях в вакуумной камере 1×10^-1-1×10^-3 Па и рабочих температурах подложки (в зависимости от материала) от 0° до 300°С. Таким образом, создают необходимые условия, при которых происходит захват поверхностью подложки материала углеродных кластеров в виде атомов углерода, объединенных в строго линейную цепочку, и их равномерный рост. Равномерное покрытие углеродного полимера в виде пленки на рабочей поверхности материала подложки получают с плотностью от 2,6 г/см³ до 3,4 г/см³. Устройство ВК и способ получения углеродного полимера с монокристаллической структурой обеспечивают нанесение атомно-гладкой пленки на поверхности различных материалов и независимо от рельефа поверхности.

Получаемая монокристаллическая структура углеродного полимера подтверждается методами электронной дифракции, Оже-спектроскопии, спектроскопии с использованием комбинационного рассеяния и атомно-силовой микроскопии.

Монокристаллический полимер 1 имеет хорошую адгезию и может быть нанесен на различного типа подложки (металлы, диэлектрики, керамика и др.).

Полимер 1 характеризуется одноосной текстурой и анизотропной электропроводностью, туннельно прозрачен, имеет низкий коэффициент трения, твердость, близкую к алмазной, и прекрасную адгезию к подложкам.

Адсорбционные центры 4 располагают как на поверхности монокристаллической структуры 1, так и в объеме монокристаллической структуры 1. В качестве адсорбционных центров используются группы химических элементов (N), (ОН), (NHx).

В таблице 1 приведены основные отличия заявляемого углеродного полимера от сходных материалов.

Заявляемое изобретение - углеродный полимер в отличие от тетракарбона благодаря своей структуре (плотной упаковке атомов углерода, монокристаллической структуре, гибридизации) позволяет достичь нового результата - более высоких триботехнических параметров, к примеру - уменьшения трения. Так, у тетракарбона коэффициент трения составляет 0,1, а у заявляемого углеродного полимера 0,05-0,06. Посредством предлагаемого технического решения достигнут результат, удовлетворяющий давно существующим потребностям (снижение трения, повышение эксплуатационных характеристик - повышение износостойкости, задиростойкости и т.п.).

Таблица 1:
Основные отличия заявляемого углеродного полимера.Название материалаМатериал по патенту RU N 2136483ТетракарбонУглеродный полимерТип гибридизацииSp¹/Sp²/Sp³ - Гибридизация*Sp¹-гибридизацияSp¹-Sp³ - гибридизацияРасстояние между цепочками углерода-Минимальное расстояние между цепочками углерода - 4,8Минимальное расстояние между цепочками углерода - 3,97Тип структурыПоликристаллическая структураПоликристаллическая структураМонокристаллическая структураКоэффициент трения-Коэффициент трения 0,1-0,2Коэффициент трения 0,05-0,06

Промышленная применимость

При анализе изобретения на соответствие критерию «новизна» выявлено, что часть признаков заявленной совокупности является новой, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».

При анализе изобретения на соответствие критерию «изобретательский уровень» выявлено, что техническое решение анализируемого объекта ново, следовательно, признаки соответствуют критерию «изобретательский уровень», поскольку оно представляет собой новую совокупность признаков как сочетание известных признаков и нового технического свойства, а также представляет собой новую структуру и связи элементов. Кроме того, посредством предлагаемого устройства достигнут результат, удовлетворяющий давно существующим потребностям (снижение трения, повышение эксплуатационных характеристик - повышение износостойкости, задиростойкости и т.п.).

Изобретение может использоваться в промышленности, может быть тиражировано и, следовательно, соответствует критерию «промышленная применимость».

Достоинства заявляемого технического решения заключаются в создании оптимальных микроструктур, наилучшим образом удовлетворяющих условиям работы антифрикционных покрытий и позволяющих достигнуть высоких триботехнических параметров.

Изобретение может быть использовано в нанотехнологии, медицине, электронике и машиностроении. Углеродный полимер содержит гомеотропно ориентированные атомы углерода и выполнен в виде монокристаллической структуры с плотной упаковкой атомов углерода с sp-sp³-гибридизацией. Расстояние между соседними атомами углерода в одной цепочке составляет от 1,21 до 1,37 Å, а расстояние между цепочками - от 3,97 до 5,11 Å. Углеродный полимер получен испарением графита импульсным дуговым разрядом в вакуумной камере, оснащенной основным и двумя дополнительными источниками плазмы. Полученный поток плазмы направляют на подложку. Угол потока плазмы относительно подложки изменяют в зависимости от четности импульса. Получают атомно-гладкую пленку с коэффициентом трения 0,05-0,06, повышенной износо- и задиростойкостью. Углеродный полимер является тромборезистентным биосовместимым материалом. 2 ил., 1 табл.

Углеродный полимер с гомеотропно ориентированными атомами углерода, отличающийся тем, что выполнен в виде монокристаллической структуры с плотной упаковкой атомов углерода с sp-sp³-гибридизацией, при этом расстояние между цепочками углерода составляет от 3,97 до 5,11 Å.