[發明專利]不銹鋼基底上沉積類金剛石碳薄膜的方法

無效

• 申請號: 200710308579.8
• 申請日: 2007-12-25
• 公開（公告）號: CN101469408A
• 公開（公告）日: 2009-07-01
• 發明（設計）人: 張俊彥;王舟;王成兵;王琦
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/513;B08B3/12
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司
• 代理人: 方曉佳

技術領域

本發明涉及一種在不銹鋼基底上直接沉積類金剛石碳薄膜的制備方法。

背景技術

不銹鋼是在空氣中或化學腐蝕介質中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，由于不銹鋼具有耐腐蝕和良好的裝飾性，并且易于清洗、維修費用低、壽命長等特點，目前已經廣泛應用于建筑、汽車配件、醫療器具、船舶部件、機械制造以及食品工業等領域。而近年來對不銹鋼在一些高強度工況環境下(比如刀具、模具)的抗磨抗腐性能的要求越來越高，這對不銹鋼表面上的抗磨抗腐性能提出了更高的要求。通過在不銹鋼基底上沉積一層保護薄膜是一種提高其抗磨抗腐性能的常用的方法，而類金剛石碳薄膜是一種近年來出現的能提高其機械性能的薄膜材料。

類金剛石碳(diamond-like?carbon，DLC)薄膜由于具有極高的硬度、極好的化學惰性、極低的摩擦系數、優良的抗磨性和良好的熱傳導性等優異特性，因此在機械、摩擦學、航空航天等領域具有廣泛的應用前景。目前類金剛石碳薄膜在金屬基底上的沉積往往需要先鍍上一層過渡層，這是為了提高薄膜與基底的結合力。但是在過渡層的鍍制過程中存在著工藝復雜、成本高昂以及鍍膜周期長等缺點，限制了其大規模的應用。

等離子體增強化學氣相沉積是制備類金剛石薄膜的一種最常用的方法。等離子體化學氣相沉積技術原理是利用低溫等離子體(非平衡等離子體)作能量源，工件置于低氣壓下輝光放電的陰極上，通入適量的反應氣體，氣體經一系列化學反應和等離子體反應，在工件表面形成固態薄膜。它包括了化學氣相沉積的一般技術，又有輝光放電的強化作用。由于粒子間的碰撞，產生劇烈的氣體電離，使反應氣體受到活化，整個沉積過程與僅有熱激活的過程有顯著不同。這對于提高涂層結合力，降低沉積溫度，加快反應速度諸方面都創造了有利條件。特別地，當使用直流—脈沖電源作激發源時，產生的等離子體比較簡單，又因為工件處于陰極電位，受其形狀、大小的影響，使電場分布不均勻，在陰極附近電壓降最大，電場強度最高，正因為有這一特點，所以化學反應也集中在陰極工件表面，這就加強了沉積效率，避免了反應物質在器壁上的消耗。

在直流—脈沖等離子體化學氣相沉積系統中，通過改變鍍膜過程中的各種參數，如電壓、導通比、氣壓、基底溫度等，可以有效的調節其各項性能，如硬度、導電性、內應力等。因為有這樣的特點，這就為我們僅僅通過優化沉積參數，在不銹鋼基底上直接沉積性能優異的類金剛石薄膜提供了可能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種不銹鋼基底上沉積類金剛石碳薄膜的方法。

本發明采用等離子體增強化學氣相沉積技術，在不銹鋼基底上直接沉積一層類金剛石碳薄膜，目的是利用氣相沉積系統工藝成熟、設備簡單、沉積溫度低、成膜均勻、重復性好等特點。

該方法成本低廉而且容易操作，制備的薄膜均勻，薄膜與基底的結合良好，薄膜具有優良的摩擦磨損特性。

一種不銹鋼基底上沉積類金剛石碳薄膜的方法，采用等離子體增強化學氣相沉積技術；其特征在于包括以下步驟：

(1)將預先清潔后的不銹鋼片放入丙酮、乙醇中超聲清洗，然后轉移至真空腔，放置在下部的基底盤上，基底盤和負偏壓電源相連；

(2)抽真空直到腔內真空度小于2.0×10^-3Pa；

(3)通入氬氣(20sccm)，在脈沖偏壓800伏特，導通比0.6的條件下進行等離子體清洗30分鐘，用以除去表面殘留的雜質和污染物；

(4)通入甲烷(10.3sccm)和氫氣(20sccm)，在脈沖偏壓1000伏特、沉積氣壓13帕、導通比0.6的條件下鍍膜。

本發明中將甲烷和氫氣氣體引入真空腔中，在脈沖電源的誘導下產生離化，使之產生具有電子、離子、自由基等各種基團的等離子體氣氛，其中帶正電的各種含碳基團(CH₃⁺，CH₂⁺等)在負偏壓的作用下向下做加速運動，并在基底上沉積形成薄膜。此薄膜具有典型的類金剛石碳薄膜特征。

本發明中所制備的薄膜的結構用拉曼光譜(Raman)、紅外光譜(FTIR)、X-射線光電子能譜(XPS)和透射電子顯微鏡(TEM)進行了表征。結構表明，在不銹鋼基底上成功制備出了不含過渡層的類金剛石碳薄膜，此薄膜為無定形結構，并且具有優良的摩擦磨損性能。