CN202558926U

CN202558926U - 一种可以实现在三维工件表面高速率沉积类金刚石膜的设备

Info

Publication number: CN202558926U
Application number: CN2012202510575U
Authority: CN
Inventors: 李灿民; 陶满
Original assignee: HEFEI YONGXIN PLASMA TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HEFEI YONGXIN PLASMA TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2022-05-30

Abstract

一种可以实现在三维工件表面高速率沉积类金刚石膜的设备，该设备包括真空镀膜室、抽气系统、人机控制系统、充气系统、高压电源系统等部分，所述真空镀膜室内设有绝缘支架，其特征在于，还设置有金属罩装置，金属罩装置由位于绝缘支架上的金属板、金属罩组成。将被镀工件置于金属罩内，并将金属罩和高压脉冲电源相连，在金属罩上加载高压负脉冲后，金属罩内部就会产生等离子体，由于电子被束缚在金属罩内与更多的气体粒子发生碰撞，因而可以产生更多的等离子体，从而提高镀膜速率，并能提高涂层的均匀性，而且它可以对三维复杂工件内外表面同时进行镀膜。

Description

一种可以实现在三维工件表面高速率沉积类金刚石膜的设备

技术领域

本发明涉及镀膜领域，具体地说是一种可以提高镀膜速率、同时对各种绝缘材质和导电材质的工件内外表面进行镀膜的等离子全方位离子沉积设备。

背景技术

等离子全方位离子沉积技术（Plasma Immersion Ion Deposition），简称为PIID技术，它是等离子增强化学气相沉积技术的一种。利用PIID技术可以制备出类金刚石涂层，简称DLC涂层。尽管DLC涂层具有高硬度、低摩擦系数、耐磨耐腐蚀能多种优异的性能，随着科技的进步，对材料性能的要求就越来越苛刻。传统的类金刚石涂层已经不能满足工业化更高品质，更好层次产品的需求。目前，国内外关于类金刚石涂层的研究主要集中在以下几个方面：

1、高速率沉积类金刚石膜。传统工艺制备类金刚石膜的厚度很难达到微米级别，然而在实际工况条件下的工件往往面临着耐腐蚀、耐磨、耐冲蚀的多重要求，因此如何提高镀膜速率，获得厚的类金刚石膜是研究的重点；

2、对金属工件和非金属工件的镀膜。传统化学气相沉积技术对金属工件的处理方法很简单，只需要将其和电源相连就可以镀膜，然而对于陶瓷、玻璃、塑料、橡胶等绝缘材料而言，如何在其表面镀膜变得非常困难；

3、三维工件内外表面的全方位镀膜。对于具有内孔的复杂三维工件，使用物理气相沉积PVD和传统的化学气相沉积CVD技术镀膜非常困难，因为PVD的颗粒不能绕过障碍物而在内部镀膜，CVD也有相似的弱点。

等离子全方位离子处理（PIIP）技术是一种对工件表面进行改性的技术，它是将工件表面施加脉冲直流或者纯直流，工件表面释放电子与真空室内的气体发生碰撞，产生了等离子体，带正电的离子和被激活的分子在工件表面成膜。

真空室内产生等离子体的方式有很多种，其中等离子源包括：电子回旋共振等离子源，helicon等离子体源，电感耦合等离子源，RF励磁，直流辉光放电等。由于直流辉光放电产生等离子体的方式最简单，且不需要其他的等离子辅助源，因此是目前使用的最为广泛。

等离子全方位离子沉积（PIID）技术为PIIP技术的一种，图1为典型的PIID技术的原理图，将被镀工件4置于真空室2内，通过人机控制系统6开启抽气系统7后，将真空室内的气压抽至10^-3Pa以下（由真空检测系统1测量），开启充气系统3，向真空室充入Ar气，调整气体流量和挡板的角度，使气压基本稳定在1~2Pa。并在工件上施加高压脉冲电压（~﹣4KV），脉冲电源系统5另一端接真空壁，真空壁作为阳极接地。由于工件表面聚集了大量的自由电子，且气压满足辉光放电的气压工作区间，此时，工件表面不断向真空室内释放电子，在加速到真空壁的过程中，电子与Ar原子发生碰撞使其电离，高能量的电子造成了Ar原子大量电离，加之一个电子会与Ar原子产生多次碰撞，此时，整个真空室内部都充满了等离子体，因工件表面的电子能量最高，造成其表面等离子体强度更高，到真空壁附近逐渐衰减。电子经过多次碰撞后，能量消失殆尽，靠近真空壁附近最终被真空壁（阳极）捕获，形成回路。电离后的Ar⁺带正电，受到工件（带负电）的吸引而加速，在加速过程中可能会与其他原子（离子）发生多次碰撞，但不影响最终的结果，工件表面受到加速后的Ar⁺的轰击，表面的氧化物和杂质被刻蚀，实现了工件表面的等离子体清洗，Ar⁺从工件表面获得电子后恢复到基态。一般而言，等离子清洗这一过程需要2-3小时。和等离子清洗原理相似，工件经清洗完毕后，在不降低电压的情况下，向真空内直接充入碳氢气体等，电子轰击这些气体分子将其电离，和Ar气不同的是，带正电的这些离子轰击到工件表面，获得电子后不会变成气体脱离表面（Ar气则直接脱离工件表面），而是以固态的形式直接沉积下来，形成了碳氢涂层，也就是类金刚石涂层，其中含有30%左右的固态氢，因此比金刚石韧性高，硬度能达到金刚石的25-30%。

如果使用传统的PIID技术很难制备厚的DLC膜，这是因为内应力比较大容易崩裂所致，其次，该技术不能在绝缘材料表面进行镀膜，另外，如果有复杂内外表面的三维工件需要镀膜，传统PIID技术一般只能在内表面镀膜，不能实现工件内外表面同时镀膜。

发明内容

本发明的目的提供一种可以实现在三维工件表面高速率沉积类金刚石膜的设备，即金属罩法PIID设备。该设备对三维复杂工件的内外表面全方位镀膜具有独特的优势，使用该设备还能在绝缘基体和金属工件表面实现高速率沉积类金刚石膜。

本发明解决技术问题采用如下方案：

一种可以实现在三维工件表面高速率沉积类金刚石膜的设备，该设备包括真空镀膜室、抽气系统、人机控制系统、充气系统、高压电源系统，所述真空镀膜室内设有绝缘支架，其结构特点在于，该设备还设置有金属罩装置，所述金属罩装置由位于绝缘支架上的金属板、设有电子逃逸孔的金属罩组成；所述金属罩和高压脉冲电源相连。

本实用新型结构特点还在于：

所述金属罩为网状金属材质。

所述金属罩的网格孔径为1 mm²—1 cm²。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本实用新型与传统的物理气相沉积和化学气相沉积技术相比，该设备具有复杂工件内外表面的全方位镀膜、对除金属外的绝缘工件表面低温镀膜等优势。工件镀膜时，将被镀工件置于金属罩内，并将金属罩和高压脉冲电源相连，在金属罩上加载高压负脉冲后，金属罩内部就会产生等离子体，由于电子被束缚在金属罩内与更多的气体粒子发生碰撞，因而可以产生更多的等离子体，从而提高镀膜速率，并能提高涂层的均匀性，而且它可以对三维复杂工件内外表面同时进行镀膜。

本实用新型可以对金属、陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等多种类型的材料进行镀膜，现有的等离子全方位离子沉积技术只能适合于金属材质的基体镀膜，因此本发明基体适应面广。

附图说明

图1是传统等离子全方位离子沉积设备系统构成图。

图2是本实用新型设备系统构成图。

图3是传统PIID设备与本实用新型设备等离子体放电波形对比图。

图4是传统DLC膜和本实用新型DLC膜耐腐蚀性能对比图。

图5是传统DLC膜和本实用新型DLC膜耐腐蚀性能耐冲蚀性能对比图。

以下结合附图通过具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

具体实施方式

如图2所示，金属罩装置由位于绝缘支架上的金属板、设有电子逃逸孔的金属罩组成；所述金属罩和高压脉冲电源相连；在金属罩内可以放置多种材质的工件进行镀膜，包括金属10、陶瓷11、玻璃12等金属和非金属材质。

网罩通常由薄金属网、金属板或者金属箔围成，但是至少要有一个地方是开口的，目的是为了使气体从这个开口的位置进去、电子从这逃逸出来。本实施例以金属网作为罩子，其孔径大小在1 mm²—1 cm²间，电子可以从网罩的空隙处逃逸出来。工件镀膜时，首先将工件悬挂或置于金属罩底部，并将金属罩放置在一块大金属平板上，金属平板下面需要有绝缘材料保持和真空壁电隔绝。然后，在金属罩上加载一连串的高压负脉冲（电压为0~－6KV，方形波形输出，见图3），并向真空室内充入气体时，从工件表面释放出来的电子被束缚在金属罩内，与金属罩内的中性原子发生多次碰撞，因此可以产生比传统PIID技术密度更高的等离子体。经过多次碰撞后最终电子能量消耗殆尽变成低能电子，飞向真空壁形成回路。如果向真空室内充入Ar气就可以对工件进行等离子清洗，如果换成碳氢气体，那就开始镀DLC膜了。由于电子内束缚在金属罩内多次碰撞，可以产生更高浓度的等离子体，因此在离子清洗的时候更多带正电的离子会轰击工件表面加快清洗速度，而且，在镀膜过程中由于带正电的碳氢离子的增加，因此加快了镀膜速率。另外，更高的等离子体密度意味着更小的等离子鞘层，因此可以获得更加匀质的涂层。

对于金属基体的材料而言，一般只需要保证它和高压电源之间良好导通，即可以在其表面成功镀膜，然而，对于陶瓷、玻璃、塑料、橡胶这些不导电的材质而言，通过以上方法并不能在其表面镀上DLC膜，原因是其表面并没有可以发射的自由电子，因此在其周围并不能产生等离子体。在实际生活中，有很多的不导电材料也涉及到耐磨耐腐蚀问题，如长期在风沙环境中工作的汽车挡风玻璃、塑料模具、高档密封圈等。从图2中可以看出，将绝缘材料放置于不锈钢网罩内，在网罩金属丝上加载高压负脉冲可以在其表面镀膜。其镀膜的基本原理是：在高压负脉冲的作用下，金属网表面自由电子摆脱其内部的束缚向外围发射电子，朝着真空壁方向的电子会与气体发生碰撞，所以在网的外面可以看到淡淡的等离子体；对于网的内表面释放的电子，由于受到网本身的束缚，它会与网内部的气体分子发生多次碰撞，直至能量丧失殆尽，最终逃逸出来，达到真空壁形成循环。由于网内部发生了多次电子与气体分子的碰撞，产生了的等离子体量较普通辉光放电而言，其强度高出了几十倍，因此，网内充满了大量的等离子体，这些等离子将陶瓷、橡胶、玻璃、塑料这类绝缘材料湮没，大量的激活态分子和离子在表面沉积，形成DLC膜。通常，我们把这种原理称为空心阴极放电（Hollow Cathode Discharge）现象，其放电电流一般是仅外表面镀膜电流的10倍以上。

图3为传统PIID设备（右）与本实用新型设备（左）等离子体放电波形对比图，图像上半部分为电压波形，下半部分为电流波形，其中示波器上显示：1V相对于1KV，1V相对于4A。通过比较可以发现，金属罩法产生的电流峰值是传统PIID技术的2.5倍，说明等离子体密度更高。

表1 传统PIID设备与本实用新型设备沉积几种类金刚石膜的镀膜参数及镀膜速率对比

从表1的镀膜数据和检测结果可以看出，网罩法镀膜可以显著提高镀膜速率，并获得较厚的DLC涂层。

从图4的耐腐蚀检测结果可以看出，使用网罩法镀膜可以明显提高涂层的耐腐蚀性能（以极化阻力表示），比传统PIID技术制备的DLC膜提高了3~5倍。从图5的耐冲蚀检测结果可以看出，相比普通碳钢而言，镀膜可以显著提高耐冲蚀性能，表现为失重量降低。和传统PIID技术相比，网罩法镀膜并没有显著提高DLC的耐冲蚀性能。

Claims

1.一种可以实现在三维工件表面高速率沉积类金刚石膜的设备，该设备包括真空镀膜室、抽气系统、人机控制系统、充气系统、高压电源系统，所述真空镀膜室内设有绝缘支架，其特征在于，该设备还设置有金属罩装置，所述金属罩装置由位于绝缘支架上的金属板、设有电子逃逸孔的金属罩组成；所述金属罩和高压脉冲电源相连。

2.根据权利要求1所述的一种可以实现在三维工件表面高速率沉积类金刚石膜的设备，其特征在于，所述金属罩为网状金属材质。

3.根据权利要求2所述的一种可以实现在三维工件表面高速率沉积类金刚石膜的设备，其特征在于，金属罩的网格孔径为1 mm²—1cm²。