專利名稱：一種含鋁類金剛石碳膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含鋁類金剛石碳膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
類金剛石碳(Diamond-like carbon，簡稱DLC)膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)、 高耐磨性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、電絕緣性、光透過性和生物相容性，作 為新型功能薄膜材料在機(jī)械耐磨涂層、光學(xué)窗口、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等方 面具有廣闊的應(yīng)用前景。而在各種材料表面沉積低摩擦系數(shù)、高結(jié)合強(qiáng)度類金剛 石碳膜材料一直受內(nèi)應(yīng)力困擾，其內(nèi)應(yīng)力可高達(dá)十幾個GPa，這極易導(dǎo)致薄膜在 使用過程中從基體剝落，甚至在制備過程中從基底表面剝落，限制了沉積薄膜的 厚度。
摻金屬類金剛石碳膜由于具有比類金剛石碳膜低的內(nèi)應(yīng)力，提高了薄膜的韌 性，同時也類金剛石碳膜的硬度也有明顯的降低。通常情況下由于摻金屬類金剛 石碳膜一般形成金屬碳化物，類金剛石碳膜的硬度也保持在較高的范圍，但其摩 擦系數(shù)一般有不同程度的提高[中國專利公開號CN 100387754C]。相比之下與碳 成弱鍵結(jié)合的金屬(如鋁)摻入到薄膜中，不會形成碳化物，將會避免薄膜的摩 擦系數(shù)升高，反而還有利于降低薄膜的摩擦系數(shù)[Ola Wilhelmsson, Mikael RSsander et al., Advanced Functional Materials 2007， 17， 1611-1616]，但薄膜的硬度 則下降非常明顯[D.Sheeja, B.K.Tay， J.Y.Sze， L丄Yu, S.P丄au, Diamond and Related Materials 12 (2003) 2032-2036];為能獲得較高的硬度，要避免這些與碳成弱鍵結(jié) 合的金屬在類金剛石碳膜中形成晶體顆粒。因此合理選擇摻雜金屬元素與制備條 件將會實現(xiàn)類金剛石碳膜同時具有低應(yīng)力、高硬度、低摩擦系數(shù)的性能優(yōu)點(diǎn)，適 用于精密工件耐磨損表面處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有類金剛石碳膜技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種適 合工業(yè)化生產(chǎn)的含鋁類金剛石碳膜材料，該膜層材料具有較高的硬度、低應(yīng)力、 低摩擦系數(shù)、牢固的附著力等性能。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種含鋁類金剛石碳膜的制備方法，該方法滿足低溫及大面積制備的要求，制備類金剛石碳膜具有時間短、效率高、生產(chǎn)成本低， 可適用于各種金屬表面沉積。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是
一種含鋁類金剛石碳膜，其特征在于薄膜為類金剛石結(jié)構(gòu)，薄膜中金屬鋁的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%-20%，余量為碳；金屬鋁以原子態(tài)分散于非晶類金剛石碳膜中， 鋁與碳不成鍵，薄膜厚度介于500-5000納米之間。
含鋁類金剛石碳膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟
a將不銹鋼片超聲清洗干凈，烘干后，固定在磁控濺射鍍膜設(shè)備真空室內(nèi)的 工件架上并抽真空，預(yù)抽真空至4xl(^Pa;
b將氬氣通入真空室，保持氣壓0.9-1.1 Pa，在樣品表面加-1000V的偏壓， 對樣品表面進(jìn)行輝光清洗和活化；
c將甲垸與氬氣混合氣體通入真空室，真空室內(nèi)總氣壓在0.6 Pa~l Pa之間， 并保持甲垸氣體的分壓在0.3 Pa~0.5 Pa之間；
d調(diào)整基底偏壓，基底偏壓范圍為-500V -2000V之間，脈沖占空比范圍為 15%~50%之間；然后開啟磁控濺射電源在樣品表面沉積含鋁類金剛石碳膜，保 持濺射靶電流密度為5-10 mA/mm2，薄膜沉積時間60分鐘至180分鐘；
e沉積結(jié)束，關(guān)閉磁控濺射鍍膜設(shè)備，并保持真空待樣品冷卻，在不銹鋼片 上得到含鋁類金剛石碳膜。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，將鋁加入到類金剛石碳膜中， 一方面由于鋁的硬 度較低、韌性好，摻入類金剛石碳膜中，非晶碳網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)應(yīng)力將會在鋁中釋放， 可降低薄膜的應(yīng)力；另一方面用于改善薄膜的摩擦學(xué)性能，鋁為弱碳化物形成元 素，摩擦過程中接觸表面的溫升將會導(dǎo)致鋁的固溶度發(fā)生變化而析出碳，碳遷移 至表面形成潤滑性很好的非晶碳膜可明顯降低薄膜的摩擦系數(shù)。因此，類金剛石 碳膜能在較低的薄膜內(nèi)應(yīng)力的條件下，在保持良好潤滑性能的同時還具有較高的 硬度。
本發(fā)明很好的解決了類金剛石碳膜的附著力、均勻性問題，鍍膜區(qū)域較大， 制備的含鋁類金剛石碳膜具有硬度高、摩擦系數(shù)低、附著力好、涂層表面質(zhì)量優(yōu) 良等特點(diǎn)。所制備含鋁類金剛石碳膜的硬度介于15GPa 25GPa之間，內(nèi)應(yīng)力介于0.2GPa 0.6GPa之間；膜基結(jié)合力介于20 N~40 N之間；在大氣環(huán)境下，所 制備的含鋁類金剛石碳膜與鋼對偶對摩的干摩擦系數(shù)低于0.15，與氮化硅對偶對 摩的干摩擦系數(shù)介于0.05-0.1之間。
本發(fā)明方法具有效率高、成本低、過程簡單等優(yōu)勢，能很好地進(jìn)行工業(yè)化生 產(chǎn)，因此具有極大應(yīng)用價值。
具體實施例方式
以下結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一歩說明 實施例1:
3.將不銹鋼片超聲清洗干凈，烘干后，固定在磁控濺射鍍膜設(shè)備真空室內(nèi)的工
件架上，保持靶基距為150mm，然后抽真空，預(yù)抽真空至4xl(^Pa;
b. 將氬氣通入真空室，保持氣壓為lPa，開啟基底偏壓電源在樣品表面加-1000 V的偏壓，對樣品表面進(jìn)行輝光清洗和活化，時間為20min;
c. 將甲垸與氬氣混合氣體通入真空室，真空室內(nèi)總氣壓為lPa，其中甲烷氣體 的分壓為0.5 Pa;
d. 調(diào)整基底偏壓為-500 V，脈沖占空比為50%;開啟磁控濺射電源在樣品表面 沉積含鋁類金剛石碳膜，保持濺射靶電流密度為8mA/mm、沉積薄膜60分 鐘；
e. 沉積結(jié)束，關(guān)閉磁控濺射鍍膜設(shè)備，并保持真空一定時間待樣品冷卻至IO(TC ， 然后取出不銹鋼片，得到含鋁類金剛石碳膜。
所制備的膜層的厚度為1000 nm，鋁含量為3%,表面平整(表面起伏小于 15nm)，納米硬度為21GPa，薄膜的內(nèi)應(yīng)力為0.4 GPa，膜基結(jié)合力為20N;在 大氣環(huán)境下，與鋼對偶對摩的摩擦系數(shù)為0.15，與氮化硅對偶對摩的摩擦系數(shù)為 0.09。采用球盤摩擦試驗機(jī)，干摩擦條件下釆用旋轉(zhuǎn)的方式，滑動速度為0.1m/s， 載荷為2N，摩擦對偶為04mm的Si3N4陶瓷球，經(jīng)過3><105次滑動，所制得的 含鋁類金剛石碳膜的摩擦系數(shù)均保持在O.l以下，平均摩擦系數(shù)為0.09。
實施例2:
a. 將不銹鋼片超聲清洗干凈，烘干后，固定在磁控濺射鍍膜設(shè)備真空室內(nèi)的工 件架上，保持靶基距為150mm，然后抽真空，預(yù)抽真空至4xl0—spa;
b. 將氬氣通入真空室，保持氣壓為lPa，開啟基底偏壓電源在樣品表面加-1000V的偏壓，對樣品表面進(jìn)行輝光清洗和活化，時間為20min;
c. 將甲烷與氬氣混合氣體通入真空室，真空室內(nèi)總氣壓為lPa;
d. 調(diào)整基底偏壓為-500 V，脈沖占空比為50%;然后開啟磁控濺射電源在樣品 表面沉積含鋁類金剛石碳膜，保持濺射靶電流密度為8 mA/mm2;采用梯度 過渡，氣氛中甲烷氣體分壓逐漸由0Pa增大到0.5Pa，每十分鐘增加0.1 Pa 分壓，增大到0.5Pa分壓后，沉積150分鐘。
e. 沉積結(jié)束，關(guān)閉磁控濺射鍍膜設(shè)備，并保持真空一定時間待樣品冷卻至10(TC， 然后取出不銹鋼片，得到含鋁類金剛石碳膜。
所制備的膜層的厚度達(dá)5000 nm，鋁含量為3%,表面平整(表面起伏小于 30nm)，納米硬度為20GPa，薄膜的內(nèi)應(yīng)力為0.6 GPa，膜基結(jié)合力為40N;在 大氣環(huán)境下，與鋼對偶對摩的平均摩擦系數(shù)低于0.15，與氮化硅對偶對摩的摩擦 系數(shù)介于0.08。
權(quán)利要求
1、一種含鋁類金剛石碳膜，其特征在于薄膜為類金剛石結(jié)構(gòu)，薄膜中金屬鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％-20％，余量為碳；金屬鋁以原子態(tài)分散于非晶類金剛石碳膜中，鋁與碳不成鍵，薄膜厚度介于500-5000納米之間。
2、 如權(quán)利要求1含鋁類金剛石碳膜的制備方法，其特征在于該方法包括以 下歩驟a將不銹鋼片超聲清洗干凈，烘干后，固定在磁控濺射鍍膜設(shè)備真空室內(nèi)的 工件架上并抽真空，預(yù)抽真空至4xl(^Pa;b將氬氣通入真空室，保持氣壓0.9-1.1 Pa，在樣品表面加-1000 V的偏壓， 對樣品表面進(jìn)行輝光清洗和活化；c將甲烷與氬氣混合氣體通入真空室，真空室內(nèi)總氣壓在0.6Pa lPa之間， 并保持甲烷氣體的分壓在0.3 Pa 0.5Pa之間；d調(diào)整基底偏壓，基底偏壓范圍為-500V—2000V之間，脈沖占空比范圍為 15%~50%之間；然后開啟磁控濺射電源在樣品表面沉積含鋁類金剛石碳膜，保 持濺射靶電流密度為5-10 mA/mm2，薄膜沉積時間60分鐘至180分鐘；e沉積結(jié)束，關(guān)閉磁控濺射鍍膜設(shè)備，并保持真空待樣品冷卻，在不銹鋼片 上得到含鋁類金剛石碳膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含鋁類金剛石碳膜及其制備方法。薄膜為類金剛石結(jié)構(gòu)，薄膜中金屬鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％-20％，余量為碳；金屬鋁以原子態(tài)分散于非晶類金剛石碳膜中，鋁與碳不成鍵，薄膜厚度介于500-5000納米之間。本發(fā)明的含鋁類金剛石碳膜具有很低的內(nèi)應(yīng)力、較高的硬度、良好膜/基結(jié)合力和良好的耐磨性能。
文檔編號C23C14/06GK101665904SQ200810150860
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者張廣安, 王立平, 薛群基 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所