CN102703859A

CN102703859A - 非晶碳基薄膜与金属基体间梯度过渡层的制备方法

Info

Publication number: CN102703859A
Application number: CN2012101967910A
Authority: CN
Inventors: 吴行阳; 黄一鸣; 华子恺; 张建华
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明涉及一种非晶碳基薄膜与金属基体间梯度过渡层的制备方法。本方法采用溅射、反应溅射与射频或微波化学气相沉积法相结合的技术进行制备，所用设备包括一个或两个及以上的金属溅射靶，连接有射频或直流溅射电源；金属靶材为铬、钛、铜、铝、锰、钨、钼、铁、硅、锌、镁、锡、镍、钴、铟、锗和镓中的一种纯金属或含有其中至少一种元素的合金，采用两个或以上金属溅射靶时选用相同或不同的靶材；溅射气体为氩气或氦气；反应气体为室温下饱和蒸汽压在0.1Pa以上的有机化合物或含有氮、硅、硼、磷、硫、卤素或氧元素的化合物或氮气中的一种或两种及以上；金属基体通过样品台接有射频或微波电源，在进行溅射或反应溅射的同时，在金属基体上施加射频或微波功率。采用本方法制备梯度过渡层，可增加膜基结合力与薄膜致密度，从而提高薄膜的承载能力。

Description

非晶碳基薄膜与金属基体间梯度过渡层的制备方法

技术领域

本发明专利涉及金属基体上具有膜基结合力强、高承载、低摩擦磨损特性非晶碳基薄膜与金属基体间的梯度过渡层的制备方法，所得薄膜可广泛用于各种金属材料的表面保护和润滑方面。

背景技术

非晶碳基薄膜（类金刚石膜）在水中具有低摩擦、低磨损和优异的耐腐蚀性，是水润滑系统中理想的表面保护自润滑材料。然而，由于非晶碳基薄膜与金属材料的结合力较低，薄膜的内应力高、缺乏韧性，摩擦过程中易产生微裂纹，同时缺乏对薄膜沉积方法和工艺的系统研究，沉积过程中膜内易产生微纳米空隙或缺陷等原因，在水中摩擦易发生局部剥落，从而引起润滑失效，缺乏足够的承载能力，难以满足水润滑系统对长寿命的要求，有必要探索一种能有效提高膜基结合力、所得薄膜致密的沉积方法。

从近年来国内外的研究成果来看，引入梯度过渡层可提高膜基结合力，从而提高薄膜的承载力。然而，目前所用梯度过渡层的沉积方法主要为溅射和反应溅射法，沉积成膜的粒子主要为中性原子，沉积速率低，等离子体弱，不利于化合物即过渡层的沉积。同时，由于溅射靶带有负的自偏压，会引起离子化的反应性成分在靶材表面沉积，导致靶中毒及溅射率的降低。

发明内容

为了提高碳基薄膜的承载力，本发明提供一种非晶碳基薄膜与金属基体间的梯度过渡层的制备方法，该方法可增强膜基结合力与薄膜致密度，显著提高薄膜的承载能力。

为达到上述目的，本发明的构思是：一方面选用金属为基体，引入薄膜侧以碳为主、基体侧以金属为主、中间为呈渐进变化的化合物层、与薄膜和基体均有较强结合力的梯度过渡层，缓和从薄膜到基体之间在组成和力学特性上的突然变化，从而增强膜基结合力，提高薄膜与基体界面对外应力的承载能力；另一方面采用溅射、反应溅射与射频气相化学沉积或微波化学气相沉积相结合的技术沉积梯度过渡层。在金属靶、反应性成分源和基体的相对位置适当，用反应溅射进行沉积的同时，施加射频或微波功率。不仅可以使反应性成分主要沉积在基体表面，防止靶中毒的发生，而且也会使基体周围的中性粒子，包括源于溅射的靶材成分和反应性成分进一步等离子体化，从而提高薄膜的均匀度与致密度。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

采用溅射、反应溅射与射频或微波化学气相沉积法相结合的技术进行制备，所用设备包括一个或两个及以上的金属溅射靶，连接有射频或直流溅射电源；金属靶材为铬、钛、铜、铝、锰、钨、钼、铁、硅、锌、镁、锡、镍、钴、铟、锗和镓中的一种纯金属或含有其中至少一种元素的合金，采用两个或以上金属溅射靶时，采用相同或不同的靶材；溅射气体为氩气或氦气；反应气体为室温下饱和蒸汽压在0.1Pa以上的有机化合物，或含有氮、硅、硼、磷、硫、卤素或氧元素的化合物，或氮气中的一种或两种及以上；金属基体通过样品台接有射频或微波电源，在进行溅射或反应溅射的同时，在金属基体上施加射频或微波功率。

在沉积金属层或化合物层的同时，金属基体上施加有射频或微波功率；梯度过渡层之上的非晶碳基薄膜层制备方法是沉积上述梯度过渡层时的射频化学气相沉积或微波化学气相沉积，或者是任何常用的非晶碳基薄膜沉积方法。

在沉积金属层或化合物层时，金属基体上射频或微波功率的施加方式是连续施加方式或者间断或部分施加方式。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：

本发明的优点是可提高非晶碳基薄膜的膜基结合力及承载力，所得薄膜均匀致密。

附图说明

图1是本方法采用的实验设备简图。

图中，1. 直流或射频溅射电源；2. 溅射靶，附有外部可控开关的挡板； 3.溅射气体； 4. 反应气体； 5. 样品台； 6. 射频或微波电源； 7. 金属基体；8. 真空泵。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，本非晶碳基薄膜与金属基体间的梯度过渡层的制备方法，先选用不锈钢为基体，钛金属为溅射靶（2），氩气为溅射气体（3），采用直流溅射电源（1）进行溅射，并在金属基体上施加射频功率（6）；然后通入六甲基二硅氧烷反应气体（4），并逐步增加其流量，以通过反应溅射和射频气相化学沉积法进行组成和力学性能均呈渐进变化的化合物层；最后关闭溅射电源（1），停止导入溅射气体氩气（3），导入甲苯气体（4），以通过射频化学气相沉积法进行非晶碳基薄膜的制备。在进行溅射或反应溅射的同时，在金属基体（7）上始终施加有射频功率。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

在沉积金属层或化合物层的同时，金属基体（7）上施加有射频或微波功率；梯度过渡层之上的非晶碳基薄膜层制备方法是沉积上述梯度过渡层时的射频化学气相沉积或微波化学气相沉积，或者是任何常用的非晶碳基薄膜沉积方法。

在沉积金属层或化合物层时，金属基体（7）上射频或微波功率的施加方式是连续施加方式，或者是间断或部分施加方式。

实施例三：

本实施例与实施例一或二基本相同，特别之处如下：

适当延长化合物层的沉积时间，其后不进行非晶碳基薄膜的沉积，所得薄膜为硬质化合物薄膜，可直接用于金属材料的保护。

实施例四：

非晶碳基薄膜与金属基体间的梯度过渡层的制备方法，其特征在于制备工艺步骤如下：

1）将设备抽真空后，导入氩气溅射气体，气流量为20sscm。打开射频功率源（6），调节电流为0.15A，电压为950V，自偏压420V，以除去基体表面的污染物和氧化物层。

2）10min后，打开直流溅射电源（1），调节电流为0.3A，电压为430V，以除去纯钛靶材表面的污染物和氧化物层。

3）5min后，打开溅射靶挡板，调节DC电流为0.3A，电压385V。

4）10min后，调节Ar气流量为18sscm，导入反应性气体六甲基二硅氧烷（HDMS），流量为2sscm；DC电流0.25A，电压为370V。

5）5min，调节Ar气流量为15sscm，HDMS为5sscm；DC电流0.2A，电压为350V。

6）5min，调节Ar气流量为10sscm，HDMS为10sscm；DC电流0.15A，电压为350V。

7）5min后，关闭直流溅射电源及靶材挡板，停止导入Ar。

8）10min后，导入甲苯气体，流量为5sscm。

9）10min后，调节甲苯流量为10 sscm，HDMS为5sscm。

10）60min后，关闭射频电源（6），停止导入甲苯和HDMS，实验终止。

上述步骤中的第3至第6步为梯度过渡层的制备过程，也可进一步增加或减少一些步骤，或改变气体流量、溅射功率、时间间隔等以得到不同组成的梯度过渡层及非晶碳基薄膜，均可得到较好的结果。

Claims

1.一种非晶碳基薄膜与金属基体间的梯度过渡层的制备方法，其特征在于采用溅射、反应溅射与射频或微波化学气相沉积法相结合的技术进行制备，所用设备包括一个或两个及以上的金属溅射靶（2），连接有射频或直流溅射电源（1）；金属靶材为铬、钛、铜、铝、锰、钨、钼、铁、硅、锌、镁、锡、镍、钴、铟、锗和镓中的一种纯金属或含有其中至少一种元素的合金，采用两个或以上金属溅射靶（2）时，采用相同或不同的靶材；溅射气体（3）为氩气或氦气；反应气体（4）为室温下饱和蒸汽压在0.1Pa以上的有机化合物，或含有氮、硅、硼、磷、硫、卤素或氧元素的化合物，或氮气中的一种或两种及以上；金属基体（7）通过样品台（5）接有射频或微波电源（6），在进行溅射或反应溅射的同时，在金属基体（7）上施加射频或微波功率。

2.根据权利要求1所述的非晶碳基薄膜与金属基体间的梯度过渡层的制备方法，其特征在于：在沉积金属层或化合物层的同时，金属基体（7）上施加有射频或微波功率；梯度过渡层之上的非晶碳基薄膜层制备方法是沉积上述梯度过渡层时的射频化学气相沉积或微波化学气相沉积，或者是任何常用的非晶碳基薄膜沉积方法。

3.根据权利要求1或2所述的非晶碳基薄膜与金属基体间的梯度过渡层的制备方法，其特征在于，在沉积金属层或化合物层时，金属基体（7）上射频或微波功率的施加方式是连续施加方式或者间断或部分施加方式。