專利名稱：用直流輝光放電在細(xì)長金屬管內(nèi)壁沉積類金剛石膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于低溫等離子體物理與化學(xué)領(lǐng)域中材料表面改性技術(shù)，涉及到一種利用直流輝光放電等離子體在細(xì)長金屬管內(nèi)表面沉積類金剛石薄膜(DLC)的方法及其裝置。可用于軍工槍管炮管、化學(xué)激光武器中的鹵素氣液輸送管、核反應(yīng)堆循環(huán)水管、汽車發(fā)動機(jī)的活塞部件的內(nèi)表面改性處理。
背景技術(shù)：
利用高能離子束注入技術(shù)和利用等離子體源離子注入及沉積技術(shù)對材料表面進(jìn)行改性，可以大大改善材料的強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕、耐磨等機(jī)械和化學(xué)性能。高能離子束注入技術(shù)和等離子體源離子注入及沉積技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種材料表面改性。類金剛石薄膜具有硬度高、摩擦系數(shù)小、耐腐蝕等性能，同時具有較好的生物親和特性，是一種理想的表面改性薄膜材料。目前利用各種類型的等離子體源離子沉積技術(shù)都可以在形狀較規(guī)則工件的外表面形成類金剛石薄膜。但是，對于大長徑比的細(xì)長(比如長1000mm直徑10mm的管，長徑比100∶1)金屬管內(nèi)表面的改性并不適用。在大長徑比的細(xì)長金屬管內(nèi)表面均勻地沉積類金剛石薄膜是一個急需解決的技術(shù)難題。
目前已經(jīng)有采用微波等離子體技術(shù)和射頻等離子體技術(shù)在大長徑比的金屬管內(nèi)表面沉積類金剛石薄膜的報道。微波等離子體技術(shù)的技術(shù)方案是采用微波等離子體技術(shù)在管內(nèi)局部形成長度很短的一段等離子體，在微波天線和金屬管之間附加幾十kV的負(fù)高壓，實現(xiàn)在管內(nèi)表面沉積類金剛石薄膜。由于管內(nèi)形成的等離子體較短，需要一個機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動電磁線圈沿管移動，從而引導(dǎo)管內(nèi)有限長度的等離子體在管內(nèi)移動來實現(xiàn)在整個管內(nèi)表面沉積類金剛石薄膜。整套裝置需要大功率的微波電源和大功率直流高壓(幾十千伏)電源等復(fù)雜昂貴的電源設(shè)備以及驅(qū)動電磁線圈的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備，成本很高。射頻等離子體技術(shù)是在金屬管軸線上設(shè)置一根金屬棒構(gòu)成同軸電極結(jié)構(gòu)，在電極間加射頻電壓產(chǎn)生等離子體，再在金屬管上加一個幾十kV的負(fù)偏壓實現(xiàn)在金屬管內(nèi)表面上沉積類金剛石薄膜。采用射頻等離子體技術(shù)的方法目前只能對內(nèi)徑幾十個毫米的金屬管沉積類金剛石薄膜，同樣需要大功率的射頻電源和大功率直流高壓(幾十千伏)電源等復(fù)雜昂貴的電源設(shè)備；同時存在射頻電源與偏壓電源之間的匹配網(wǎng)絡(luò)等問題，這個匹配網(wǎng)絡(luò)隨著金屬管尺寸的變化需要不斷地調(diào)整，使用不便且增大運(yùn)行成本。此外，以上兩種方法都要求系統(tǒng)的真空度好于10-3Pa，相應(yīng)地真空設(shè)備費(fèi)用較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種利用直流輝光放電等離子體在細(xì)長金屬管內(nèi)表面沉積類金剛石薄膜的方法，利用幾千伏的穩(wěn)恒直流電壓源，在整個細(xì)長金屬管內(nèi)形成圓柱狀的直流輝光等離子體，從而在細(xì)長管內(nèi)均勻地沉積類金剛石薄膜。設(shè)備簡單方便，可以在1Pa-103Pa較低的真空度下實現(xiàn)，解決了其他方法電源設(shè)備、機(jī)械設(shè)備和真空系統(tǒng)等設(shè)備復(fù)雜、成本昂貴的問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下在細(xì)長金屬管的軸線上拉一根細(xì)鎢絲，與金屬管構(gòu)成同軸電極結(jié)構(gòu)。鎢絲作為陽極，通過一個外部電阻接地。整個電極結(jié)構(gòu)用絕緣材料包裹放入真空系統(tǒng)中。在真空系統(tǒng)中通入氬氣和甲烷或乙炔混合氣體并使真空壓力保持1Pa-103Pa范圍。在金屬管上加恒定直流負(fù)電壓，在陽極鎢絲的周圍形成強(qiáng)電場區(qū)域，引起氣體放電，從而在整個金屬管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的圓筒狀的直流輝光等離子體，實現(xiàn)在金屬管內(nèi)表面均勻沉積類金剛石薄膜。
本發(fā)明的效果和益處是利用幾千伏穩(wěn)恒直流電壓源在細(xì)長金屬管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的圓筒狀直流輝光等離子體，等離子體長度通過外加電壓能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，可以在長50mm至2000mm直徑大于5mm的細(xì)長金屬管內(nèi)表面沉積厚度幾微米的類金剛石薄膜。由于采用幾千伏穩(wěn)恒直流電壓源，對真空度要求不高，設(shè)備成本低，使用和維護(hù)方便，便于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。


附圖是利用直流輝光放電在細(xì)長金屬管內(nèi)壁沉積類金剛石膜的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1恒定直流高壓電源，2待處理細(xì)長金屬管，3鎢絲，4絕緣陶瓷管，5真空室容器外壁，6接地電阻，7質(zhì)量流量控制器，8質(zhì)量流量控制器，9氬氣鋼瓶，10甲烷或乙炔鋼瓶，11機(jī)械真空泵。
具體實施方案以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施方案。
在待處理細(xì)長金屬管軸線上拉一根直徑30至200微米鎢絲構(gòu)成同軸電極結(jié)構(gòu)，并在細(xì)管外套一個絕緣陶瓷管(具體尺寸視要改性的細(xì)長金屬管的尺寸選定)。用直徑10cm左右的不銹鋼管制成真空室(真空室具體的長度和直徑視要改性的細(xì)長金屬管的尺寸選定)，將用絕緣陶瓷管套好的待處理細(xì)長金屬管放入真空室中。用機(jī)械泵(抽速＞4升/秒)將真空室抽至10-1Pa以下，然后向真空室輸入氬體和甲烷或乙炔混合氣體，混合比控制在氬氣30-70％的范圍。氣體流量通過質(zhì)量流量計進(jìn)行控制，調(diào)整氣體流量和氣體混合比例，使真空室內(nèi)氣壓保持在1Pa-103Pa范圍內(nèi)的一個穩(wěn)定值。芯線鎢絲通過外部電阻接地，采用恒定直流電壓源給待處理細(xì)長金屬管加負(fù)的恒定直流高電壓，待管內(nèi)放電點(diǎn)火后逐步增高電壓，使直流輝光等離子體充滿整個管內(nèi)。點(diǎn)火電壓與以下因素有關(guān)金屬管材料種類、管徑、管內(nèi)表面光潔度、鎢絲直徑和表面光潔度、氣體混合比、氣壓等，要根據(jù)具體情況確定，比如直徑10毫米的304不銹鋼管、70％氬氣、10Pa、30微米鎢絲，點(diǎn)火電壓大約在300-360伏左右。直流恒定電壓源的功率根據(jù)待處理細(xì)長金屬管的最大長度而定，對于長2000mm直徑10mm的金屬管選擇額定電壓5kV，額定功率5000W的直流電壓源。
權(quán)利要求
1.一種用直流輝光放電在細(xì)長金屬管內(nèi)壁沉積類金剛石膜的方法，其特征是在細(xì)長金屬管軸線上拉一根直徑30至200微米的鎢絲構(gòu)成同軸電極結(jié)構(gòu)，在同軸電極結(jié)構(gòu)的外部套一個絕緣陶瓷管后放入真空室內(nèi)，向真空室內(nèi)通入氬氣濃度占30-70％的氬氣和甲烷或乙炔混合氣體，在1Pa-103Pa的氣壓下，利用直流恒定電壓源加負(fù)高壓在細(xì)長金屬管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的圓筒狀直流輝光等離子體，管內(nèi)產(chǎn)生的圓筒狀直流輝光等離子體的長度通過電壓源電壓進(jìn)行控制，從而在整個細(xì)長金屬管內(nèi)表面沉積類金剛石薄膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于低溫等離子體物理與化學(xué)領(lǐng)域中的材料表面改性技術(shù)，公開了一種利用直流輝光等離子體在細(xì)長金屬管內(nèi)表面沉積類金剛石薄膜的方法和裝置。其特征是采用同軸電極Pa的氣壓下，利用幾千伏的直流恒定高Pa－10
文檔編號C23C16/52GK1851045SQ20061020050
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者溫小瓊, 王德真 申請人:大連理工大學(xué)