CN105256278B - 一种在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，包括以下步骤：(1)利用直流磁控溅射技术在不锈钢表面沉积连续致密的铬过渡层；(2)采用热丝化学气相沉积技术在步骤(1)获得的铬过渡层表面制备金刚石薄膜。本发明采用铬过渡层经热丝化学气相沉积方法成功在不锈钢基底上制备出连续致密的金刚石薄膜，且薄膜完全没有脱落；制备的薄膜具有较好的附着力，为实现金刚石涂层在以不锈钢为基材的产品上的应用提供了技术上的可能，具有较高的应用价值。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种在不锈钢表面制备连续、附着力良好的金刚石薄膜的方法。
(二)背景技术
金刚石薄膜作为涂层材料可用于众多领域，由于被涂覆件基底材料的不同，技术上实现薄膜制备的难易程度不同。在以硬质合金为基体材料的切削刀具表面沉积金刚石薄膜比较容易，因而国内外已实现金刚石涂层在切削刀具领域的应用。
然而，在以不锈钢为基体材料的医疗器械表面却难以实现金刚石涂层的制备，其难点有两个：一是铁基材料易于催化石墨的形成，不利于金刚石的形核与生长；二是不锈钢与金刚石之间存在巨大的热膨胀系数差，导致残余热应力的产生，从而严重影响金刚石薄膜与基体间的结合强度。这两个难点阻碍了金刚石涂层在医疗器械领域的应用，如果能够克服这两个难点，那么金刚石涂层在医疗器械领域的应用就能够得以实现。本发明拟在不锈钢基底上制备连续、较好附着强度的金刚石薄膜，对于实现金刚石涂层在医疗器械领域的应用具有重大的实际意义。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种在不锈钢表面制备连续、附着力良好的金刚石薄膜的方法。
本申请利用直流磁控溅射技术在不锈钢表面沉积铬过渡层，然后采用热丝化学气相沉积技术在其上制备连续、较好附着强度的微晶金刚石薄膜。
本发明采用的技术方案是：
一种在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，所述方法包括以下步骤：(1)利用直流磁控溅射技术在不锈钢表面沉积连续致密的铬过渡层；(2)采用热丝化学气相沉积技术在步骤(1)获得的铬过渡层表面制备金刚石薄膜。
本发明制备的金刚石薄膜，厚度约为10-15μm。
进一步，所述步骤(1)优选按以下方法操作：
将不锈钢片用丙酮超声震荡清洗、干燥后作为基底材料，将基底材料放入离子镀膜设备中制备铬过渡层，溅射功率130～200W(优选200W)，溅射时间10～60min(优选10min)，获得镀有铬过渡层的不锈钢片；
所述步骤(2)优选按以下方法操作：
(a)将镀有铬过渡层的不锈钢片经丙酮漂洗、干燥后作为衬底，放入热丝化学气相沉积设备中，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，在碳化热处理条件A下进行过渡层预先碳化热处理10～50min(优选25min)；其中碳化热处理条件A为：功率为1500-2000W，热丝与衬底的距离为10-20mm，衬底温度600～800℃(优选650℃)，压力为1.63Kpa，碳源与氢气流量比为80：200，偏压3-4A；制得碳化热处理的不锈钢片；
(b)将步骤(a)获得的碳化热处理的不锈钢片取出，放入金刚石微粉的丙酮悬浊液中超声震荡60～150min后、置于丙酮中漂洗、取出干燥，得到种晶后的不锈钢片；
(c)将步骤(b)获得的种晶后的不锈钢片作为衬底，再放回热丝化学气相沉积设备中进行金刚石形核，在形核参数条件B下形核20-30min(优选20min)，所述形核参数条件B的参数条件与步骤(a)的碳化热处理条件A相同；金刚石形核后的不锈钢片再于生长参数条件C下进行薄膜生长，生长时间为30～120min(优选120min)，所述生长参数条件C中，压力为2-4Kpa(优选3KPa)，其余参数与步骤(a)的碳化热处理条件A相同；薄膜生长结束后，降温冷却，从而在不锈钢基底上制备获得厚度为10-15μm的金刚石薄膜。
进一步，优选步骤(a)中，碳化热处理条件A为：功率为1600W，热丝与衬底的距离为15mm，衬底温度650℃，压力为1.63Kpa，碳源与氢气流量比为80：200，偏压3A。
优选步骤(b)中，超声震荡时间为90min；
优选步骤(c)中，生长参数条件C中，除压力为3Kpa外，其余均与碳化热处理条件A相同；
本发明所述的不锈钢可以为任意型号的不锈钢，如302、304不锈钢均可。
本发明的有益效果主要体现在：(1)采用铬过渡层经热丝化学气相沉积方法成功在不锈钢基底上制备出连续致密的金刚石薄膜，且薄膜完全没有脱落；(2)制备的薄膜具有较好的附着力，为实现金刚石涂层在以不锈钢为基材的产品(如医疗器械)上的应用提供了技术上的可能，具有较高的应用价值。
(四)附图说明
图1为功率在1600W条件下沉积2h制备得到的金刚石薄膜的Raman光谱图。
图2为功率在1600W条件下沉积2h制备得到的金刚石薄膜表面的扫描电镜(SEM)照片，放大倍数为1500倍。
图3为功率在1600W条件下沉积2h制备得到的金刚石薄膜表面的扫面电镜(SEM)照片，放大倍数为5000倍。
图4为功率在1600W条件下沉积2h制备得到的金刚石薄膜断面的扫面电镜(SEM)照片。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：
利用直流磁控溅射技术在304不锈钢基底上沉积铬过渡层，再采用热丝化学气相沉积技术制备金刚石薄膜。具体方法为：将304不锈钢片用丙酮超声震荡清洗5min后干燥作为基底材料，将其放入离子镀膜设备(JGP-450型快速离子镀膜仪)腔室中镀铬膜10min，镀膜功率200W；将镀铬后的不锈钢片经丙酮漂洗、干燥后放入热丝化学气相沉积设备(JUHFCVD 001热丝化学气相沉积设备)腔室中，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，在热处理条件A下，650℃热处理25min(其中热处理条件A为：功率为1600W，热丝与基底高度为15mm，压力为1.63Kpa，碳源与氢气流量比为80：200，偏压3A)；然后取出将其放入金刚石微粉的丙酮悬浊液当中超声震荡种晶90min，再置于丙酮中漂洗、取出干燥得到种晶后的不锈钢片；将种晶后的不锈钢片放回热丝化学气相沉积设备中，形核参数条件B下，650℃进行金刚石形核20min，所述形核参数条件B的参数条件与碳化热处理条件A相同；形核后，在生长参数条件C下，650℃进行金刚石薄膜的生长2h(其中生长参数条件C除压力为3Kpa外，其余参数与碳化热处理条件A相同)；沉积结束后，降温冷却，从而在不锈钢基底上制备获得了连续的金刚石薄膜。
图1为薄膜样品的Raman光谱图，图谱表明在1332cm-1处出现了金刚石特征峰，此外还出现了与石墨和非晶碳相关的峰，证明薄膜主要由金刚石、非晶碳和石墨组成。图2为不锈钢基底上金刚石薄膜表面的扫描电镜(SEM)照片，薄膜连续致密；图3为高倍数下金刚石薄膜表面的扫描电镜(SEM)照片，可见薄膜是由金刚石晶粒组成；图4为膜基界面的断面SEM图，可知薄膜的厚度约为15μm，界面处基底和金刚石薄膜间难以观察到明显的过渡层，可知过渡层已与膜基成为一体，此外由断面SEM图看出，在剪切应力(试样由剪刀剪断制得)作用下薄膜依然未脱落且与基底结合紧密，综合这些现象初步证明基底、过渡层、薄膜间结合力良好。
Claims (6)
1.一种在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：(1)利用直流磁控溅射技术在不锈钢表面沉积连续致密的铬过渡层；所述步骤(1)按以下方法操作：将不锈钢片用丙酮超声震荡清洗、干燥后作为基底材料，将基底材料放入离子镀膜设备中制备铬过渡层，溅射功率130～200W，溅射时间10～60min，获得镀有铬过渡层的不锈钢片；
(2)采用热丝化学气相沉积技术在步骤(1)获得的铬过渡层表面制备金刚石薄膜；所述步骤(2)按以下方法操作：
(a)将镀有铬过渡层的不锈钢片经丙酮漂洗、干燥后作为衬底，放入热丝化学气相沉积设备中，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，在碳化热处理条件A下进行过渡层预先碳化热处理10～50min；其中碳化热处理条件A为：功率为1500-2000W，热丝与衬底的距离为10-20mm，衬底温度600～800℃，压力为1.63Kpa，碳源与氢气流量比为80：200，偏压3-4A；制得碳化热处理的不锈钢片；
(b)将步骤(a)获得的碳化热处理的不锈钢片取出，放入金刚石微粉的丙酮悬浊液中超声震荡60～150min后、置于丙酮中漂洗、取出干燥，得到种晶后的不锈钢片；
(c)将步骤(b)获得的种晶后的不锈钢片作为衬底，再放回热丝化学气相沉积设备中进行金刚石形核，在形核参数条件B下形核20-30min，所述形核参数条件B的参数条件与步骤(a)的碳化热处理条件A相同；金刚石形核后的不锈钢片再于生长参数条件C下进行薄膜生长，生长时间为30～120min，所述生长参数条件C中，压力为2-4Kpa，其余参数与步骤(a)的碳化热处理条件A相同；薄膜生长结束后，降温冷却，从而在不锈钢基底上制备获得厚度为10-15μm的金刚石薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述溅射功率为200W，溅射时间为10min。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(a)中，碳化热处理条件A为：功率为1600W，热丝与衬底的距离为15mm，衬底温度650℃，压力为1.63Kpa，碳源与氢气流量比为80：200，偏压3A。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(a)中，碳化热处理的时间为25min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(b)中，超声震荡的时间为90min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(c)中，所述生长参数条件C中，压力为3Kpa，其余参数与步骤(a)的碳化热处理条件A相同。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |