CN101665904A - 一种含铝类金刚石碳膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含铝类金刚石碳膜及其制备方法。薄膜为类金刚石结构，薄膜中金属铝的质量分数为3％－20％，余量为碳；金属铝以原子态分散于非晶类金刚石碳膜中，铝与碳不成键，薄膜厚度介于500－5000纳米之间。本发明的含铝类金刚石碳膜具有很低的内应力、较高的硬度、良好膜/基结合力和良好的耐磨性能。

Description

一种含铝类金刚石碳膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含铝类金刚石碳膜及其制备方法。

背景技术

类金刚石碳(Diamond-like carbon，简称DLC)膜具有高硬度、低摩擦系数、高耐磨性以及良好的化学稳定性、导热性、电绝缘性、光透过性和生物相容性，作为新型功能薄膜材料在机械耐磨涂层、光学窗口、微电子机械系统(MEMS)等方面具有广阔的应用前景。而在各种材料表面沉积低摩擦系数、高结合强度类金刚石碳膜材料一直受内应力困扰，其内应力可高达十几个GPa，这极易导致薄膜在使用过程中从基体剥落，甚至在制备过程中从基底表面剥落，限制了沉积薄膜的厚度。

掺金属类金刚石碳膜由于具有比类金刚石碳膜低的内应力，提高了薄膜的韧性，同时也类金刚石碳膜的硬度也有明显的降低。通常情况下由于掺金属类金刚石碳膜一般形成金属碳化物，类金刚石碳膜的硬度也保持在较高的范围，但其摩擦系数一般有不同程度的提高[中国专利公开号CN 100387754C]。相比之下与碳成弱键结合的金属(如铝)掺入到薄膜中，不会形成碳化物，将会避免薄膜的摩擦系数升高，反而还有利于降低薄膜的摩擦系数[Ola Wilhelmsson，Mikael

et al.，Advanced Functional Materials 2007，17，1611-1616]，但薄膜的硬度则下降非常明显[D.Sheeja，B.K.Tay，J.Y.Sze，L.J.Yu，S.P.Lau，Diamond and RelatedMaterials 12(2003)2032-2036]；为能获得较高的硬度，要避免这些与碳成弱键结合的金属在类金刚石碳膜中形成晶体颗粒。因此合理选择掺杂金属元素与制备条件将会实现类金刚石碳膜同时具有低应力、高硬度、低摩擦系数的性能优点，适用于精密工件耐磨损表面处理。

发明内容

本发明的目的是克服现有类金刚石碳膜技术存在的缺点和不足，提供一种适合工业化生产的含铝类金刚石碳膜材料，该膜层材料具有较高的硬度、低应力、低摩擦系数、牢固的附着力等性能。

本发明的另一个目的是提供一种含铝类金刚石碳膜的制备方法，该方法满足低温及大面积制备的要求，制备类金刚石碳膜具有时间短、效率高、生产成本低，可适用于各种金属表面沉积。

本发明是通过以下技术方案实现的：

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种含铝类金刚石碳膜，其特征在于薄膜为类金刚石结构，薄膜中金属铝的质量分数为3％-20％，余量为碳；金属铝以原子态分散于非晶类金刚石碳膜中，铝与碳不成键，薄膜厚度介于500-5000纳米之间。

含铝类金刚石碳膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a将不锈钢片超声清洗干净，烘干后，固定在磁控溅射镀膜设备真空室内的工件架上并抽真空，预抽真空至4×10^-3Pa；

b将氩气通入真空室，保持气压0.9-1.1Pa，在样品表面加-1000V的偏压，对样品表面进行辉光清洗和活化；

c将甲烷与氩气混合气体通入真空室，真空室内总气压在0.6Pa～1Pa之间，并保持甲烷气体的分压在0.3Pa～0.5Pa之间；

d调整基底偏压，基底偏压范围为-500V～-2000V之间，脉冲占空比范围为15％～50％之间；然后开启磁控溅射电源在样品表面沉积含铝类金刚石碳膜，保持溅射靶电流密度为5-10mA/mm²，薄膜沉积时间60分钟至180分钟；

e沉积结束，关闭磁控溅射镀膜设备，并保持真空待样品冷却，在不锈钢片上得到含铝类金刚石碳膜。

本发明采用上述技术方案，将铝加入到类金刚石碳膜中，一方面由于铝的硬度较低、韧性好，掺入类金刚石碳膜中，非晶碳网络中的内应力将会在铝中释放，可降低薄膜的应力；另一方面用于改善薄膜的摩擦学性能，铝为弱碳化物形成元素，摩擦过程中接触表面的温升将会导致铝的固溶度发生变化而析出碳，碳迁移至表面形成润滑性很好的非晶碳膜可明显降低薄膜的摩擦系数。因此，类金刚石碳膜能在较低的薄膜内应力的条件下，在保持良好润滑性能的同时还具有较高的硬度。

本发明很好的解决了类金刚石碳膜的附着力、均匀性问题，镀膜区域较大，制备的含铝类金刚石碳膜具有硬度高、摩擦系数低、附着力好、涂层表面质量优良等特点。所制备含铝类金刚石碳膜的硬度介于15GPa～25GPa之间，内应力介于0.2GPa～0.6GPa之间；膜基结合力介于20N～40N之间；在大气环境下，所制备的含铝类金刚石碳膜与钢对偶对摩的干摩擦系数低于0.15，与氮化硅对偶对摩的干摩擦系数介于0.05～0.1之间。

本发明方法具有效率高、成本低、过程简单等优势，能很好地进行工业化生产，因此具有极大应用价值。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1：

a.将不锈钢片超声清洗干净，烘干后，固定在磁控溅射镀膜设备真空室内的工件架上，保持靶基距为150mm，然后抽真空，预抽真空至4×10^-3Pa；

b.将氩气通入真空室，保持气压为1Pa，开启基底偏压电源在样品表面加-1000V的偏压，对样品表面进行辉光清洗和活化，时间为20min；

c.将甲烷与氩气混合气体通入真空室，真空室内总气压为1Pa，其中甲烷气体的分压为0.5Pa；

d.调整基底偏压为-500V，脉冲占空比为50％；开启磁控溅射电源在样品表面沉积含铝类金刚石碳膜，保持溅射靶电流密度为8mA/mm²；沉积薄膜60分钟；

e.沉积结束，关闭磁控溅射镀膜设备，并保持真空一定时间待样品冷却至100℃，然后取出不锈钢片，得到含铝类金刚石碳膜。

所制备的膜层的厚度为1000nm，铝含量为3％，表面平整(表面起伏小于15nm)，纳米硬度为21GPa，薄膜的内应力为0.4GPa，膜基结合力为20N；在大气环境下，与钢对偶对摩的摩擦系数为0.15，与氮化硅对偶对摩的摩擦系数为0.09。采用球盘摩擦试验机，干摩擦条件下采用旋转的方式，滑动速度为0.1m/s，载荷为2N，摩擦对偶为Φ4mm的Si₃N₄陶瓷球，经过3×10⁵次滑动，所制得的含铝类金刚石碳膜的摩擦系数均保持在0.1以下，平均摩擦系数为0.09。

实施例2：

a.将不锈钢片超声清洗干净，烘干后，固定在磁控溅射镀膜设备真空室内的工件架上，保持靶基距为150mm，然后抽真空，预抽真空至4×10^-3Pa；

b.将氩气通入真空室，保持气压为1Pa，开启基底偏压电源在样品表面加-1000V的偏压，对样品表面进行辉光清洗和活化，时间为20min；

c.将甲烷与氩气混合气体通入真空室，真空室内总气压为1Pa；

d.调整基底偏压为-500V，脉冲占空比为50％；然后开启磁控溅射电源在样品表面沉积含铝类金刚石碳膜，保持溅射靶电流密度为8mA/mm²；采用梯度过渡，气氛中甲烷气体分压逐渐由0Pa增大到0.5Pa，每十分钟增加0.1Pa分压，增大到0.5Pa分压后，沉积150分钟。

e.沉积结束，关闭磁控溅射镀膜设备，并保持真空一定时间待样品冷却至100℃，然后取出不锈钢片，得到含铝类金刚石碳膜。

所制备的膜层的厚度达5000nm，铝含量为3％，表面平整(表面起伏小于30nm)，纳米硬度为20GPa，薄膜的内应力为0.6GPa，膜基结合力为40N；在大气环境下，与钢对偶对摩的平均摩擦系数低于0.15，与氮化硅对偶对摩的摩擦系数介于0.08。

Claims (2)

1、一种含铝类金刚石碳膜，其特征在于薄膜为类金刚石结构，薄膜中金属铝的质量分数为3％-20％，余量为碳；金属铝以原子态分散于非晶类金刚石碳膜中，铝与碳不成键，薄膜厚度介于500-5000纳米之间。

2、如权利要求1含铝类金刚石碳膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a将不锈钢片超声清洗干净，烘干后，固定在磁控溅射镀膜设备真空室内的工件架上并抽真空，预抽真空至4×10^-3Pa；

b将氩气通入真空室，保持气压0.9-1.1Pa，在样品表面加-1000V的偏压，对样品表面进行辉光清洗和活化；

c将甲烷与氩气混合气体通入真空室，真空室内总气压在0.6Pa～1Pa之间，并保持甲烷气体的分压在0.3Pa～0.5Pa之间；

d调整基底偏压，基底偏压范围为-500V～-2000V之间，脉冲占空比范围为15％～50％之间；然后开启磁控溅射电源在样品表面沉积含铝类金刚石碳膜，保持溅射靶电流密度为5-10mA/mm²，薄膜沉积时间60分钟至180分钟；

e沉积结束，关闭磁控溅射镀膜设备，并保持真空待样品冷却，在不锈钢片上得到含铝类金刚石碳膜。