CN1851045A - 用直流辉光放电在细长金属管内壁沉积类金刚石膜的方法 - Google Patents

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温小琼
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Abstract

本发明属于低温等离子体物理与化学领域中的材料表面改性技术，公开了一种利用直流辉光等离子体在细长金属管内表面沉积类金刚石薄膜的方法和装置。其特征是：采用同轴电极Pa的气压下，利用几千伏的直流恒定高Pa－103电压在细长金属管内产生稳定的圆筒状直流辉光等离子体，管内产生的圆筒状直流辉光等离子体的长度通过电压源电压进行控制，从而在整个细长金属管内表面沉积类金刚石薄膜。本发明效果和益处是可以在直径5mm以上，长度5mm－2000mm的金属管表面均匀地沉积类金刚石薄膜，由于采用几千伏稳恒直流电压源且对真空度要求不高，设备成本低，使用和维护方便。

Description

用直流辉光放电在细长金属管内壁沉积类金刚石膜的方法
技术领域
本发明属于低温等离子体物理与化学领域中材料表面改性技术，涉及到一种利用直流辉光放电等离子体在细长金属管内表面沉积类金刚石薄膜(DLC)的方法及其装置。可用于军工枪管炮管、化学激光武器中的卤素气液输送管、核反应堆循环水管、汽车发动机的活塞部件的内表面改性处理。
背景技术
利用高能离子束注入技术和利用等离子体源离子注入及沉积技术对材料表面进行改性，可以大大改善材料的强度、硬度、耐腐蚀、耐磨等机械和化学性能。高能离子束注入技术和等离子体源离子注入及沉积技术已经广泛地应用于各种材料表面改性。类金刚石薄膜具有硬度高、摩擦系数小、耐腐蚀等性能，同时具有较好的生物亲和特性，是一种理想的表面改性薄膜材料。目前利用各种类型的等离子体源离子沉积技术都可以在形状较规则工件的外表面形成类金刚石薄膜。但是，对于大长径比的细长(比如长1000mm直径10mm的管，长径比100∶1)金属管内表面的改性并不适用。在大长径比的细长金属管内表面均匀地沉积类金刚石薄膜是一个急需解决的技术难题。
目前已经有采用微波等离子体技术和射频等离子体技术在大长径比的金属管内表面沉积类金刚石薄膜的报道。微波等离子体技术的技术方案是：采用微波等离子体技术在管内局部形成长度很短的一段等离子体，在微波天线和金属管之间附加几十kV的负高压，实现在管内表面沉积类金刚石薄膜。由于管内形成的等离子体较短，需要一个机械驱动机构驱动电磁线圈沿管移动，从而引导管内有限长度的等离子体在管内移动来实现在整个管内表面沉积类金刚石薄膜。整套装置需要大功率的微波电源和大功率直流高压(几十千伏)电源等复杂昂贵的电源设备以及驱动电磁线圈的复杂机械设备，成本很高。射频等离子体技术是：在金属管轴线上设置一根金属棒构成同轴电极结构，在电极间加射频电压产生等离子体，再在金属管上加一个几十kV的负偏压实现在金属管内表面上沉积类金刚石薄膜。采用射频等离子体技术的方法目前只能对内径几十个毫米的金属管沉积类金刚石薄膜，同样需要大功率的射频电源和大功率直流高压(几十千伏)电源等复杂昂贵的电源设备；同时存在射频电源与偏压电源之间的匹配网络等问题，这个匹配网络随着金属管尺寸的变化需要不断地调整，使用不便且增大运行成本。此外，以上两种方法都要求系统的真空度好于10-3Pa，相应地真空设备费用较高。
发明内容
本发明目的是提供一种利用直流辉光放电等离子体在细长金属管内表面沉积类金刚石薄膜的方法，利用几千伏的稳恒直流电压源，在整个细长金属管内形成圆柱状的直流辉光等离子体，从而在细长管内均匀地沉积类金刚石薄膜。设备简单方便，可以在1Pa-103Pa较低的真空度下实现，解决了其他方法电源设备、机械设备和真空系统等设备复杂、成本昂贵的问题。
本发明的技术方案如下：
在细长金属管的轴线上拉一根细钨丝，与金属管构成同轴电极结构。钨丝作为阳极，通过一个外部电阻接地。整个电极结构用绝缘材料包裹放入真空系统中。在真空系统中通入氩气和甲烷或乙炔混合气体并使真空压力保持1Pa-103Pa范围。在金属管上加恒定直流负电压，在阳极钨丝的周围形成强电场区域，引起气体放电，从而在整个金属管内产生稳定的圆筒状的直流辉光等离子体，实现在金属管内表面均匀沉积类金刚石薄膜。
本发明的效果和益处是：利用几千伏稳恒直流电压源在细长金属管内产生稳定的圆筒状直流辉光等离子体，等离子体长度通过外加电压能够进行调节控制，可以在长50mm至2000mm直径大于5mm的细长金属管内表面沉积厚度几微米的类金刚石薄膜。由于采用几千伏稳恒直流电压源，对真空度要求不高，设备成本低，使用和维护方便，便于产业应用。
附图说明
附图是利用直流辉光放电在细长金属管内壁沉积类金刚石膜的装置结构示意图。
图中：1恒定直流高压电源，2待处理细长金属管，3钨丝，4绝缘陶瓷管，5真空室容器外壁，6接地电阻，7质量流量控制器，8质量流量控制器，9氩气钢瓶，10甲烷或乙炔钢瓶，11机械真空泵。
具体实施方案
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方案。
在待处理细长金属管轴线上拉一根直径30至200微米钨丝构成同轴电极结构，并在细管外套一个绝缘陶瓷管(具体尺寸视要改性的细长金属管的尺寸选定)。用直径10cm左右的不锈钢管制成真空室(真空室具体的长度和直径视要改性的细长金属管的尺寸选定)，将用绝缘陶瓷管套好的待处理细长金属管放入真空室中。用机械泵(抽速＞4升/秒)将真空室抽至10-1Pa以下，然后向真空室输入氩体和甲烷或乙炔混合气体，混合比控制在氩气30-70％的范围。气体流量通过质量流量计进行控制，调整气体流量和气体混合比例，使真空室内气压保持在1Pa-103Pa范围内的一个稳定值。芯线钨丝通过外部电阻接地，采用恒定直流电压源给待处理细长金属管加负的恒定直流高电压，待管内放电点火后逐步增高电压，使直流辉光等离子体充满整个管内。点火电压与以下因素有关：金属管材料种类、管径、管内表面光洁度、钨丝直径和表面光洁度、气体混合比、气压等，要根据具体情况确定，比如直径10毫米的304不锈钢管、70％氩气、10Pa、30微米钨丝，点火电压大约在300-360伏左右。直流恒定电压源的功率根据待处理细长金属管的最大长度而定，对于长2000mm直径10mm的金属管选择额定电压5kV，额定功率5000W的直流电压源。

Claims (1)

1.一种用直流辉光放电在细长金属管内壁沉积类金刚石膜的方法，其特征是：在细长金属管轴线上拉一根直径30至200微米的钨丝构成同轴电极结构，在同轴电极结构的外部套一个绝缘陶瓷管后放入真空室内，向真空室内通入氩气浓度占30-70％的氩气和甲烷或乙炔混合气体，在1Pa-103Pa的气压下，利用直流恒定电压源加负高压在细长金属管内产生稳定的圆筒状直流辉光等离子体，管内产生的圆筒状直流辉光等离子体的长度通过电压源电压进行控制，从而在整个细长金属管内表面沉积类金刚石薄膜。
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