專利名稱：非晶碳基薄膜與金屬基體間梯度過渡層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及金屬基體上具有膜基結(jié)合力強、高承載、低摩擦磨損特性非晶碳基薄膜與金屬基體間的梯度過渡層的制備方法，所得薄膜可廣泛用于各種金屬材料的表面保護和潤滑方面。
背景技術(shù)：
非晶碳基薄膜(類金剛石膜)在水中具有低摩擦、低磨損和優(yōu)異的耐腐蝕性，是水潤滑系統(tǒng)中理想的表面保護自潤滑材料。然而，由于非晶碳基薄膜與金屬材料的結(jié)合力較低，薄膜的內(nèi)應(yīng)力高、缺乏韌性，摩擦過程中易產(chǎn)生微裂紋，同時缺乏對薄膜沉積方法和工藝的系統(tǒng)研究，沉積過程中膜內(nèi)易產(chǎn)生微納米空隙或缺陷等原因，在水中摩擦易發(fā)生局部剝落，從而引起潤滑失效，缺乏足夠的承載能力，難以滿足水潤滑系統(tǒng)對長壽命的要求，有必要探索一種能有效提高膜基結(jié)合力、所得薄膜致密的沉積方法。 從近年來國內(nèi)外的研究成果來看，引入梯度過渡層可提高膜基結(jié)合力，從而提高薄膜的承載力。然而，目前所用梯度過渡層的沉積方法主要為濺射和反應(yīng)濺射法，沉積成膜的粒子主要為中性原子，沉積速率低，等離子體弱，不利于化合物即過渡層的沉積。同時，由于濺射靶帶有負的自偏壓，會引起離子化的反應(yīng)性成分在靶材表面沉積，導致靶中毒及濺射率的降低。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高碳基薄膜的承載力，本發(fā)明提供一種非晶碳基薄膜與金屬基體間的梯度過渡層的制備方法，該方法可增強膜基結(jié)合力與薄膜致密度，顯著提高薄膜的承載能力。為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是一方面選用金屬為基體，引入薄膜側(cè)以碳為主、基體側(cè)以金屬為主、中間為呈漸進變化的化合物層、與薄膜和基體均有較強結(jié)合力的梯度過渡層，緩和從薄膜到基體之間在組成和力學特性上的突然變化，從而增強膜基結(jié)合力，提高薄膜與基體界面對外應(yīng)力的承載能力；另一方面采用濺射、反應(yīng)濺射與射頻氣相化學沉積或微波化學氣相沉積相結(jié)合的技術(shù)沉積梯度過渡層。在金屬靶、反應(yīng)性成分源和基體的相對位置適當，用反應(yīng)濺射進行沉積的同時，施加射頻或微波功率。不僅可以使反應(yīng)性成分主要沉積在基體表面，防止靶中毒的發(fā)生，而且也會使基體周圍的中性粒子，包括源于濺射的靶材成分和反應(yīng)性成分進一步等離子體化，從而提高薄膜的均勻度與致密度。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
采用濺射、反應(yīng)濺射與射頻或微波化學氣相沉積法相結(jié)合的技術(shù)進行制備，所用設(shè)備包括一個或兩個及以上的金屬濺射靶，連接有射頻或直流濺射電源；金屬靶材為鉻、鈦、銅、鋁、錳、鎢、鑰、鐵、硅、鋅、鎂、錫、鎳、鈷、銦、鍺和鎵中的一種純金屬或含有其中至少一種元素的合金，采用兩個或以上金屬濺射靶時，采用相同或不同的靶材；濺射氣體為氬氣或氦氣；反應(yīng)氣體為室溫下飽和蒸汽壓在0. IPa以上的有機化合物，或含有氮、硅、硼、磷、硫、鹵素或氧元素的化合物，或氮氣中的一種或兩種及以上；金屬基體通過樣品臺接有射頻或微波電源，在進行濺射或反應(yīng)濺射的同時，在金屬基體上施加射頻或微波功率。在沉積金屬層或化合物層的同時，金屬基體上施加有射頻或微波功率；梯度過渡層之上的非晶碳基薄膜層制備方法是沉積上述梯度過渡層時的射頻化學氣相沉積或微波化學氣相沉積，或者是任何常用的非晶碳基薄膜沉積方法。在沉積金屬層或化合物層時，金屬基體上射頻或微波功率的施加方式是連續(xù)施加方式或者間斷或部分施加方式。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著進步 本發(fā)明的優(yōu)點是可提高非晶碳基薄膜的膜基結(jié)合力及承載力，所得薄膜均勻致密。


圖I是本方法采用的實驗設(shè)備簡圖。圖中，I.直流或射頻濺射電源；2.濺射靶，附有外部可控開關(guān)的擋板；3.濺射氣體；4.反應(yīng)氣體；5.樣品臺；6.射頻或微波電源；7.金屬基體；8.真空泵。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合

如下
實施例一
參見圖1，本非晶碳基薄膜與金屬基體間的梯度過渡層的制備方法，先選用不銹鋼為基體，鈦金屬為濺射靶(2)，氬氣為濺射氣體(3)，采用直流濺射電源(I)進行濺射，并在金屬基體上施加射頻功率(6);然后通入六甲基二硅氧烷反應(yīng)氣體(4)，并逐步增加其流量，以通過反應(yīng)濺射和射頻氣相化學沉積法進行組成和力學性能均呈漸進變化的化合物層；最后關(guān)閉濺射電源(I )，停止導入濺射氣體氬氣(3)，導入甲苯氣體(4)，以通過射頻化學氣相沉積法進行非晶碳基薄膜的制備。在進行濺射或反應(yīng)濺射的同時，在金屬基體(7)上始終施加有射頻功率。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下
在沉積金屬層或化合物層的同時，金屬基體(7)上施加有射頻或微波功率；梯度過渡層之上的非晶碳基薄膜層制備方法是沉積上述梯度過渡層時的射頻化學氣相沉積或微波化學氣相沉積，或者是任何常用的非晶碳基薄膜沉積方法。在沉積金屬層或化合物層時，金屬基體(7)上射頻或微波功率的施加方式是連續(xù)施加方式，或者是間斷或部分施加方式。實施例三
本實施例與實施例一或二基本相同，特別之處如下 適當延長化合物層的沉積時間，其后不進行非晶碳基薄膜的沉積，所得薄膜為硬質(zhì)化合物薄膜，可直接用于金屬材料的保護。
實施例四
非晶碳基薄膜與金屬基體間的梯度過渡層的制備方法，其特征在于制備工藝步驟如
下
I)將設(shè)備抽真空后，導入氬氣濺射氣體，氣流量為20sscm。打開射頻功率源(6)，調(diào)節(jié)電流為0. 15A，電壓為950V，自偏壓420V，以除去基體表面的污染物和氧化物層。2)10min后，打開直流濺射電源(1)，調(diào)節(jié)電流為0. 3A，電壓為430V，以除去純鈦靶材表面的污染物和氧化物層。3) 5min后，打開濺射靶擋板，調(diào)節(jié)DC電流為0. 3A，電壓385V。4) IOmin后，調(diào)節(jié)Ar氣流量為18sscm，導入反應(yīng)性氣體六甲基二硅氧烷(HDMS)，流量為2sscm ；DC電流0. 25A,電壓為370V。5) 5min，調(diào)節(jié) Ar 氣流量為 15sscm, HDMS 為 5sscm ；DC 電流 0. 2A,電壓為 350V。6) 5min，調(diào)節(jié) Ar 氣流量為 IOsscm, HDMS 為 IOsscm ；DC 電流 0. 15A,電壓為 350V。7) 5min后，關(guān)閉直流濺射電源及靶材擋板，停止導入Ar。
8) IOmin后，導入甲苯氣體，流量為5sscm。9) IOmin 后，調(diào)節(jié)甲苯流量為 10 sscm, HDMS 為 5sscm。10) 60min后，關(guān)閉射頻電源(6)，停止導入甲苯和HDMS，實驗終止。上述步驟中的第3至第6步為梯度過渡層的制備過程，也可進一步增加或減少一些步驟，或改變氣體流量、濺射功率、時間間隔等以得到不同組成的梯度過渡層及非晶碳基薄膜，均可得到較好的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種非晶碳基薄膜與金屬基體間的梯度過渡層的制備方法，其特征在于采用濺射、反應(yīng)濺射與射頻或微波化學氣相沉積法相結(jié)合的技術(shù)進行制備，所用設(shè)備包括一個或兩個及以上的金屬濺射靶(2)，連接有射頻或直流濺射電源(I);金屬靶材為鉻、鈦、銅、鋁、錳、鎢、鑰、鐵、硅、鋅、鎂、錫、鎳、鈷、銦、鍺和鎵中的一種純金屬或含有其中至少一種元素的合金，采用兩個或以上金屬濺射靶(2)時，采用相同或不同的靶材；濺射氣體(3)為氬氣或氦氣；反應(yīng)氣體(4)為室溫下飽和蒸汽壓在0. IPa以上的有機化合物，或含有氮、硅、硼、磷、硫、鹵素或氧元素的化合物，或氮氣中的一種或兩種及以上；金屬基體(7)通過樣品臺(5)接有射頻或微波電源(6)，在進行濺射或反應(yīng)濺射的同時，在金屬基體(7)上施加射頻或微波功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶碳基薄膜與金屬基體間的梯度過渡層的制備方法，其特征在于在沉積金屬層或化合物層的同時，金屬基體(7)上施加有射頻或微波功率；梯度過渡層之上的非晶碳基薄膜層制備方法是沉積上述梯度過渡層時的射頻化學氣相沉積或微波化學氣相沉積，或者是任何常用的非晶碳基薄膜沉積方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的非晶碳基薄膜與金屬基體間的梯度過渡層的制備方法，其特征在于，在沉積金屬層或化合物層時，金屬基體(7)上射頻或微波功率的施加方式是連續(xù)施加方式或者間斷或部分施加方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非晶碳基薄膜與金屬基體間梯度過渡層的制備方法。本方法采用濺射、反應(yīng)濺射與射頻或微波化學氣相沉積法相結(jié)合的技術(shù)進行制備，所用設(shè)備包括一個或兩個及以上的金屬濺射靶，連接有射頻或直流濺射電源；金屬靶材為鉻、鈦、銅、鋁、錳、鎢、鉬、鐵、硅、鋅、鎂、錫、鎳、鈷、銦、鍺和鎵中的一種純金屬或含有其中至少一種元素的合金，采用兩個或以上金屬濺射靶時選用相同或不同的靶材；濺射氣體為氬氣或氦氣；反應(yīng)氣體為室溫下飽和蒸汽壓在0.1Pa以上的有機化合物或含有氮、硅、硼、磷、硫、鹵素或氧元素的化合物或氮氣中的一種或兩種及以上；金屬基體通過樣品臺接有射頻或微波電源，在進行濺射或反應(yīng)濺射的同時，在金屬基體上施加射頻或微波功率。采用本方法制備梯度過渡層，可增加膜基結(jié)合力與薄膜致密度，從而提高薄膜的承載能力。
文檔編號C23C16/505GK102703859SQ20121019679
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者華子愷, 吳行陽, 張建華, 黃一鳴 申請人:上海大學