[發明專利]一種織構化類金剛石碳基薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 202010052653.X
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111139430B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 何東青;尚倫霖;李文生;張廣安;成波;張辛健
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學;中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C23C14/02
• 分類號: C23C14/02;C23C14/04;C23C14/16;C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 趙曉琳

本發明提供了一種織構化類金剛石碳基薄膜及其制備方法，屬于表面工程領域。本發明提供一種利用金屬網篩柵遮擋金屬基體表面的方法，簡單便捷地原位制備織構化DLC薄膜，金屬基底表面的金屬網篩并非與基底緊密貼合，而是與基底留有一定間隙，且間隙尺寸嚴格控制，利用此間隙實現沉積空間等離子體密度的重新分布，使金屬網柵遮擋區域與基體間隙處的等離子體密度增加，從而提高此區域的沉積速率，而未遮擋區域沉積速率不變，導致遮擋區域薄膜厚度大于未遮擋區域，從而在薄膜沉積過程中原位形成織構化表層，薄膜本身連續完整，不存在未覆蓋區域，且織構坑形狀、密度和深度均可通過沉積工藝的調控實現可控調節。

技術領域

本發明涉及表面工程技術領域，尤其涉及一種織構化類金剛石碳基薄膜及其制備方法。

背景技術

類金剛石碳基(DLC)薄膜由于其優異的機械、化學、電子和摩擦學性能，已廣泛應用于汽車零部件、刀具、計算機電子部件和生物醫學設備等領域。雖然DLC薄膜性能優越，但是隨著行業需求的不斷增長，DLC薄膜的性能受到了挑戰，尤其是摩擦學性能需進一步提升。為了進一步提高DLC薄膜的摩擦學性能，人們進行了各種嘗試，如元素或化合物摻雜、微觀結構設計和表面改性。其中，表面織構化由于操作簡單、效果顯著、加工成本較低，在改善DLC薄膜的摩擦學性能方面具有很大的潛力。

表面織構化是提高機械零部件摩擦學性能的重要技術手段之一，獲得可控表面織構化的常用方法可分為三大類：高能束流加工技術、蝕刻技術和微加工成形技術。對于DLC薄膜的表面織構而言，每一種方法都有兩種實現方式:①直接織構法，即在鍍制有DLC薄膜的工件表面進行織構化處理從而得到織構化DLC薄膜；②間接織構法，即在鍍膜前對工件表面進行織構化處理，在鍍膜過程中利用工件表面原有的織構形成織構化的DLC薄膜。但不管是直接織構法還是間接織構法，其工序繁復，成本高昂。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種織構化類金剛石碳基薄膜及其制備方法。本發明提供的制備方法簡單便捷地實現原位制備織構化DLC薄膜，薄膜本身連續完整，不存在未覆蓋區域，且織構坑形狀、密度和深度均可實現可控調節。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種織構化類金剛石碳基薄膜的原位制備方法，包括以下步驟：

在金屬基底的表面固定金屬網柵，所述金屬網柵與金屬基底表面的間隙為50～200μm，得到表面覆蓋金屬網柵的金屬基底；

以Cr靶為濺射靶材，對所述表面覆蓋金屬網柵的金屬基底進行閉合場非平衡磁控濺射，形成Cr粘接層；

以Cr靶和C靶為濺射靶材，在所述Cr粘接層的表面制備Cr→Cr_xC_y梯度過渡層，所述x逐漸減小，y逐漸增大；

以C靶為濺射靶材，在所述Cr→Cr_xC_y梯度過渡層的表面進行磁控濺射，形成C層，得到所述織構化類金剛石碳基薄膜。

優選地，所述表面覆蓋金屬網柵的金屬基底進行閉合場非平衡磁控濺射前還包括Ar⁺清洗，所述Ar⁺清洗的真空壓力為2×10^-4～5×10^-4Pa，偏壓為-300～-500V，轉架轉速為3～5rpm，時間為15～20min。

優選地，所述閉合場非平衡磁控濺射的偏壓為-50～-70V，轉架轉速為3～5rpm，靶功率為500～900W，時間為10～15min。

優選地，所述以Cr靶和C靶為濺射靶材，在所述Cr粘接層的表面制備Cr→Cr_xC_y梯度過渡層的步驟如下：在20～30min內將濺射Cr靶的功率由500～900W線性降為0W，濺射C靶的功率由0W線性升高至2.0～2.3kW。