[發(fā)明專利]一種制備強(qiáng)韌化非晶碳基多相雜化薄膜的裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010723691.3
• 申請(qǐng)日: 2020-07-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111850484B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周兵;劉竹波;吳玉程;黑鴻君;高潔;吳艷霞;王永勝;于盛旺
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/32
• 分類號(hào): C23C14/32;C23C14/16;C23C14/02;C23C14/35;C23C14/50;C23C14/06;C23C14/56
• 代理公司: 太原市科瑞達(dá)專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發(fā)明公開(kāi)了一種制備強(qiáng)韌化非晶碳基多相雜化薄膜的裝置及方法。該裝置為射頻磁控濺射輔助直流和脈沖陰極電弧多激發(fā)源等離子體鍍膜裝置，制備方法包括：將預(yù)處理后的基體烘干，放置于多激發(fā)源等離子體鍍膜裝置的旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)上；抽真空，通入氬氣到真空室，采用離子源對(duì)基體表面進(jìn)行濺射清洗；分別以高純金屬鋁、鈦和石墨片作為磁控濺射靶材、直流和脈沖陰極電弧的蒸發(fā)靶材，通入氬氣和氮?dú)猓鶕?jù)納米晶和非晶相形成規(guī)律設(shè)計(jì)多相雜化薄膜結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速，采用多激發(fā)源等離子體技術(shù)引入功能摻雜元素和梯度中間層制備非晶碳基多相雜化薄膜。本發(fā)明制備的非晶碳基多相雜化薄膜結(jié)構(gòu)可調(diào)、相組成分布可控，具有高硬度、高粘附強(qiáng)度和強(qiáng)韌性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備強(qiáng)韌化非晶碳基多相雜化薄膜的裝置及方法，屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

摩擦磨損部件的表面涂層處理是降低資源和能源浪費(fèi)的有效措施之一。非晶碳薄膜具有高硬度、高彈性模量、低摩擦系數(shù)、良好的耐腐蝕和耐磨損等優(yōu)異特性，可廣泛用于機(jī)械零部件、工（模）具、電子和醫(yī)療器械等摩擦單元表面的功能層和防護(hù)層。然而，非晶碳薄膜在使用過(guò)程中常因高殘余應(yīng)力導(dǎo)致低膜-基粘附強(qiáng)度和低韌性等問(wèn)題發(fā)生剝落、失效，嚴(yán)重影響其使用壽命和效率。非晶碳薄膜的殘余應(yīng)力與粘附強(qiáng)度、韌性相互制約，應(yīng)力釋放過(guò)程通常伴隨著薄膜結(jié)構(gòu)、組成和性能的變化。因此，解決非晶碳薄膜的強(qiáng)韌化問(wèn)題是決定其應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。

非晶碳薄膜的殘余應(yīng)力是本征應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合表現(xiàn)，兩者共同降低或相互協(xié)調(diào)是非晶碳薄膜應(yīng)力釋放的理想預(yù)期。目前，國(guó)內(nèi)外大部分研究采用摻雜和多層膜兩種工藝來(lái)改善非晶碳膜的應(yīng)力及其它性能。由于摻雜元素與碳原子成鍵能力的差異，非晶碳基薄膜的結(jié)構(gòu)和性能極大的依賴于摻雜元素的含量及其在碳基質(zhì)中的分布形式；合適的中間層設(shè)計(jì)可以減少膜-基之間的物性差異，在降低界面熱應(yīng)力的同時(shí)保持或改善非晶碳基多層膜的硬度、韌性和摩擦磨損性能。無(wú)論是摻雜異質(zhì)原子還是引入中間層，非晶碳基薄膜的結(jié)構(gòu)和性能均與界面間組成原子的物理-化學(xué)作用過(guò)程有關(guān)，即碳原子與異質(zhì)原子的擴(kuò)散和鍵合能力以及異質(zhì)原子之間的相互作用決定了碳雜化鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而影響薄膜的各項(xiàng)性能。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)非晶碳基多元多界面耦合結(jié)構(gòu)，借助界面間原子的物理-化學(xué)作用，形成可控分布的納米晶/非晶相和軟/硬梯度層界面等非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，可制備低應(yīng)力、高強(qiáng)韌的非晶碳基多相雜化薄膜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種制備強(qiáng)韌化非晶碳基多相雜化薄膜的裝置及方法，所得薄膜產(chǎn)品具有高膜基結(jié)合強(qiáng)度和高韌性。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種制備強(qiáng)韌化非晶碳基多相雜化薄膜的裝置，具體是一種多激發(fā)源等離子體鍍膜裝置，包括真空室、直流陰極電弧源和脈沖陰極電弧源、射頻磁控濺射源、離子源；真空室后部左側(cè)位置安裝有上下一組相結(jié)合的磁分離單元和直流陰極電弧源，右側(cè)位置安裝脈沖陰極電弧源；真空室門上安裝離子源和觀察窗口；右側(cè)壁安裝射頻磁控濺射源，左側(cè)壁下方設(shè)有抽氣通道和抽真空裝置；真空室底部裝有圓形旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，樣品臺(tái)下端在真空室外部連接偏壓電源；真空室背部下方設(shè)有氬氣進(jìn)氣孔和氮?dú)膺M(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔前端分別設(shè)有氬氣流量計(jì)和氮?dú)饬髁坑?jì)；真空室內(nèi)部金屬陰極蒸發(fā)靶連接直流陰極電弧源，石墨陰極蒸發(fā)靶連接脈沖陰極電弧源，金屬濺射靶連接射頻磁控濺射源，樣品臺(tái)中心正對(duì)石墨陰極蒸發(fā)靶和金屬濺射靶。

本發(fā)明提供了一種采用上述裝置制備強(qiáng)韌化非晶碳基多相雜化薄膜的方法，包括以下步驟：

(1) 基體表面處理：首先將研磨、拋光后的基體用肥皂水清洗并用去離子水沖洗，然后依次放入丙酮溶液和無(wú)水乙醇溶液中分別進(jìn)行超聲清洗10 min，除去表面的油脂及其他污染物，然后將基體置于烘箱干燥待用；

(2) 將預(yù)處理過(guò)的硅基片固定在多激發(fā)源等離子體鍍膜裝置的真空室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)上，高純鈦靶和石墨靶分別安裝在直流陰極電弧和脈沖陰極電弧的蒸發(fā)器上，高純鋁靶安裝在射頻磁控濺射靶頭上；