CN101298656A - 一种高硬度类金刚石多层薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高硬度类金刚石多层薄膜的制备方法，其步骤为，先对基体进行溅射清洗，然后用磁过滤阴极真空弧沉积方法沉积类金刚石薄膜，沉积作法为：关闭真空室，抽真空到10－3Pa，开启石墨阴极弧源，在基体上加－50V～－200V的负偏压；同时，周期性地通入99.99％氩气，控制周期为120－600秒，通入氩气时间为控制周期的10％～50％，通气时真空室内的氩气压强为0.01～0.1Pa；关闭氩气的时间为控制周期的90％～50％，此时真空室的真空度为10－4～10－3Pa；控制周期3～50个。其工艺简单，成本低廉，制得的薄膜结合力强，硬度高、厚度大，应力小，机械、摩擦学性能优异；在工业应用领域有广泛的应用空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种基体表面类金刚石薄膜的制备方法。
背景技术
类金刚石薄膜(DLC)，也称为非晶碳膜，通常为非晶态或含有部分纳米晶，是一大类在性质上和金刚石类似，具有sp2键(石墨中的C原子键合结构)和sp3键(金刚石结构中的C原子键合结构)杂化的碳原子空间网络结构的亚稳态非晶碳膜。类金刚石薄膜作为新型的硬质薄膜材料，具有一系列优异的性能，如低摩擦系数、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光学透明性、化学稳定性和抗腐蚀能力等，可广泛用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域。DLC薄膜制备技术包括CVD(化学气相沉积)和PVD(物理气相沉积)两种。CVD方法如等离子辅助化学沉积(PECVD)、电子回旋共振(ECR-CVD)的处理温度一般在400℃以上，同时涂层中含氢，涂层应力较大，且生长速率较低。PVD方法，如磁控溅射、电弧离子镀具有处理温度较低，制备工艺灵活多变等特点，适应于各种不同材料的工件，现已取得越来越广泛的应用。
各种PVD的沉积方法，如溅射沉积法、真空阴极弧法、脉冲激光法和质量分离离子束法等，都能得到不含氢的DLC薄膜。其中，真空阴极弧法、脉冲激光法和质量分离离子束法可得到ta-C膜(正四面体类金刚石薄膜)，这种膜层的硬度很高，但有时膜的应力却很高，可高达10GPa左右，如此高的应力，严重地限制了膜层的沉积厚度，膜厚一般都在100～200nm之间；超过这个厚度，膜层就会开裂，或者引起镀膜工件严重变形，这就限制了DLC膜的应用。
针对这些问题，现有的改进方法有元素掺杂和一定温度下退火。这些方法在不同程度上降低了类金刚石(DLC)薄膜的内应力，但是元素掺杂亦在不同程度上降低了类金刚石(DLC)薄膜的硬度和弹性模量，热退火也会导致薄膜的石墨化而降低薄膜的硬度。因此，需要研制出一种更好的方法以制备出硬度高、厚度大、应力小的类金刚石薄膜。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种高硬度类金刚石多层薄膜的制备方法，该方法工艺简单，成本低廉，制得的类金刚石薄膜与基体结合力强，硬度高、厚度大，应力小，机械、摩擦学性能优异；可使类金刚石薄膜在工业应用领域有更为广泛的应用空间。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案为：
一种高硬度类金刚石多层薄膜的制备方法，其步骤为，先对基体进行溅射清洗，然后沉积类金刚石薄膜，其特征在于，沉积类金刚石薄膜的方法为磁过滤阴极真空弧沉积方法，其具体作法为：
关闭磁过滤阴极真空弧沉积设备的真空室，抽真空到10-3Pa，开启石墨阴极弧源，并在基体材料上加-50V～-200V的负偏压，在基体表面沉积类金刚石薄膜；在沉积过程中，通过氩气流量自动控制系统，周期性地通入99.99％高纯氩气，控制周期为120-600秒，通入高纯氩气时间为控制周期的10％～50％，通气时真空室内的氩气压强为0.01～0.1Pa；关闭高纯氩气的时间则为控制周期的90％～50％，此时真空室内的真空度为10-410-3Pa；控制周期为3～50个。
本发明的工作过程和原理是：利用磁过滤阴极真空弧沉积方法在基体表面制备类金刚石薄膜，制备过程中，同时通过氩气流量自动控制系统，一个控制周期内的一段时间通入特定压强的高纯氩气，通过氩气分子对碳原子的沉积产生阻碍作用，使碳原子在基体上沉积一层低硬度类金刚石薄膜，该层类金刚石薄膜中碳原子多数以sp2键结合，硬度较低、较软，应力较小。控制周期的另一段时间，关断氩气，并使碳原子在真空环境下进行沉积，形成类金刚石薄膜，该层膜中碳原子多数以sp3键结合，硬度高，应力很大。多个控制周期的重复，即交替地在在基体上沉积出低硬度和高硬度相间的多层类金刚石薄膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用周期性通入氩气的方法，分别在氩气以及高真空环境下，交替沉积硬度低、应力小的类金刚石薄膜和硬度很高、应力很大的类金刚石薄膜，最后得到软硬交替的多层类金刚石膜。在这种多层膜的结构中，硬膜层中的应力可通过较软的膜层得到释放，从而使基体的表层形成高硬度、低应力、高厚度的类金刚石多层薄膜；其机械、摩擦学性能优异；可满足各种工模具、人工关节、工业柱塞的使用，能在工业应用领域获得广泛的应用空间。
实验也证明了本发明方法制备的高硬度类金刚石多层薄膜的优异性能：
Raman光谱、X射线光电子能谱(XPS)证明，本发明方法制备的薄膜具有类金刚石的典型结构，且均匀性好。划痕法检测也表明基体材料和类金刚石薄膜之间的结合力强，没有发现薄膜剥落。CSEM销盘式磨擦试验机对薄膜进行摩擦试验，试验时的对磨副为SiC球，测试环境为大气，其摩擦系数在0.114左右，经过10万转的磨损，类金刚石薄膜没有失效，具有良好的耐磨性能。纳米硬度实验证明：薄膜的显微硬度为33.3～41.9GPa，最大可达到100GPa，弹性模量为271.9～354.7GPa，薄膜厚度一般为1微米，最厚可达3微米，而现有技术制备的类金刚石薄膜厚度为0.5微米左右。
上述的溅射清洗完成后，先用磁过滤阴极真空弧沉积方法在基体材料上沉积120～150nm厚度的钛过渡层，再沉积类金刚石薄膜。
通过在基体上制备钛过渡层可以进一步增强镀膜后的材料、工件的防锈耐磨等机械力学性能。
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是用本发明方法制备的类金刚石膜的摩擦特性测试曲线。
图2是用本发明方法制备的类金刚石膜的纳米压痕加载卸载曲线。
具体实施方式：
实施例1-7
本发明实施例1-7的具体步骤为：
一种高硬度类金刚石多层薄膜的制备方法，其步骤为，先对基体进行溅射清洗，然后沉积类金刚石薄膜。沉积类金刚石薄膜的方法为磁过滤阴极真空弧沉积方法，其具体作法为：
关闭磁过滤阴极真空弧沉积设备的真空室，抽真空到10-3Pa，开启石墨阴极弧源，并在基体材料上加-50V～-200V的负偏压，在基体表面沉积类金刚石薄膜；在沉积过程中，通过氩气流量自动控制系统，周期性地通入99.99％高纯氩气，控制周期为120-600秒，通入高纯氩气时间为控制周期的10％～50％，通气时真空室内的氩气压强为0.01～0.1Pa；关闭高纯氩气的时间则为控制周期的90％～50％，此时真空室内的真空度为10-4～10-3Pa；控制周期为3～50个，也即控制周期重复次数为3～50次。
实施例1～7中各自选择的工艺参数具体数值如下表所示。
| 实施例 | 基体偏压(V) | 控制周期(s) | 控制周期中通入氩气的时间(s) | 氩气压力(Pa) | 控制周期中关断氩气的时间(s) | 关断氩气时的真空度(Pa) | 控制周期重复次数(个) |
| 1 | -50 | 120 | 12 | 0.1 | 108 | 1×10-4 | 50 |
| 2 | -200 | 240 | 120 | 0.05 | 120 | 1×10-3 | 30 |
| 3 | -100 | 360 | 72 | 0.01 | 288 | 5×10-4 | 15 |
| 4 | -150 | 480 | 144 | 0.08 | 236 | 1×10-3 | 20 |
| 5 | -130 | 600 | 60 | 0.1 | 540 | 5×10-4 | 3 |
| 6 | -200 | 120 | 60 | 0.1 | 60 | 5×10-4 | 3 |
| 7 | -50 | 600 | 300 | 0.01 | 300 | 1×10-3 | 50 |
实施例8
本实施例与实施例1基本相同，所不同的仅仅是：溅射清洗完成后，先用磁过滤阴极真空弧沉积方法在基体材料上沉积120～150nm厚度的钛过渡层，再沉积类金刚石薄膜。
测试表明，本发明方法制备的高硬度类金刚石多层薄膜，具有良好的机械力学性能：
图1为用本发明的方法制备的高硬度类金刚石多层(DLC)薄膜的摩擦特性曲线。由图1可见，经过10万转磨损，DLC薄膜没有失效，说明本专利制备的高硬度类金刚石多层薄膜具有优异的耐磨性。
图2为用本发明方法制备的DLC膜的纳米压痕加载卸载曲线。由图2数据可以算出，本发明方法制备的类金刚石多层薄膜硬度可达60GPa。
本发明所使用的氩气流量自动控制系统，可采用现有的气体流量控制系统。
Claims (2)
1、一种高硬度类金刚石多层薄膜的制备方法，其步骤为，先对基体进行溅射清洗，然后沉积类金刚石薄膜，其特征在于，所述的沉积类金刚石薄膜的方法为磁过滤阴极真空弧沉积方法，其具体作法为：
关闭磁过滤阴极真空弧沉积设备的真空室，抽真空到10-3Pa，开启石墨阴极弧源，并在基体材料上加-50V～-200V的负偏压，在基体表面沉积类金刚石薄膜；在沉积过程中，通过氩气流量自动控制系统，周期性地通入99.99％高纯氩气，控制周期为120-600秒，通入高纯氩气时间为控制周期的10％～50％，通气时真空室内的氩气压强为0.01～0.1Pa；关闭高纯氩气的时间则为控制周期的90％～50％，此时真空室内的真空度为10-410-3Pa；控制周期为3～50个。
2、如权利要求1所述的一种高硬度类金刚石多层薄膜的制备方法，其特征在于：所述的溅射清洗完成后，先用磁过滤阴极真空弧沉积方法在基体材料上沉积120～150nm厚度的钛过渡层，再沉积类金刚石薄膜。
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Granted publication date: 20100721 Termination date: 20130118 |
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