專利名稱：一種金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及的是一種復(fù)合薄膜技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，具體是一種金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
類金剛石碳(DLC)膜因兼具一系列優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和摩擦學(xué)特性等而受到廣泛關(guān)注。然而，DLC薄膜通常具有較高的內(nèi)應(yīng)力且韌性較差、摩擦性能對(duì)環(huán)境濕度敏感性強(qiáng)，實(shí)際工作中的摩擦學(xué)應(yīng)用受到了制約。對(duì)DLC薄膜進(jìn)行元素?fù)诫s，不僅能夠有效降低其內(nèi)應(yīng)力，還可同時(shí)改善其他性能，如力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等。其中，通過金屬摻雜行程的金屬碳化物納米晶分散于非晶碳骨架中，能夠避免滑動(dòng)過程中微裂紋的萌生和擴(kuò)散，顯著提高碳膜的韌性。而通過摻硫改性，則可以顯著降低摩擦系數(shù)對(duì)環(huán)境濕度的敏感性，使其在相對(duì)較高濕度下仍能保持較低的摩擦系數(shù)。因此，研究者通過金屬硫化物摻雜，綜合發(fā)揮兩者的作 用，對(duì)于克服DLC薄膜的不足，提高其摩擦學(xué)應(yīng)用具有重要意義。專利CN 101550535A是利用射頻濺射MoS2/WS2(質(zhì)量比2 3)復(fù)合靶制備了 DLC復(fù)合薄膜° “Friction of self-lubrication ff-S-C sputtered coatings sliding underincreasing load”(Plasma processes and polymers)中涉及利用磁控灘射制備的具有較低摩擦系數(shù)的ws2/dlc復(fù)合薄膜的技術(shù)。但制備的復(fù)合薄膜中硫含量較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬硫化物中金屬與硫的化學(xué)配比，對(duì)于改善金屬硫化物/DLC復(fù)合薄膜的摩擦學(xué)性能不利。對(duì)于化學(xué)成分可控的金屬硫化物/DLC復(fù)合薄膜的制備技術(shù)的研究，對(duì)于DLC膜才苛刻服役條件下的應(yīng)用具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
為克服目前DLC薄膜應(yīng)用中所面臨的不足，本發(fā)明提供了一種金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，特征在于將離子束濺射與離子束輔助沉積技術(shù)結(jié)合起來，制備金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜，該方法依次包括以下步驟1、首先使用去離子水利用超聲波清洗技術(shù)去除工件表面污染物；2、將工件置于真空室內(nèi)樣品臺(tái)上，抽真空至本底真空后通入工質(zhì)氣體；3、利用離子源產(chǎn)生的惰性氣體離子束分別對(duì)工件以及靶材表面進(jìn)行離子束刻蝕清洗；4、開啟開啟濺射源與輔助源濺射沉積制備過渡層；5、在沉積的過渡層上利用雙濺射源分別濺射石墨靶與金屬硫化物復(fù)合靶沉積制備金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜；所述真空室本底真空優(yōu)于2. OX 10_4Pa。所述工質(zhì)氣體可以為氬氣(Ar)、氦氣(He)、氖氣(Ne)、氪氣(Kr)中的任何一種氣體或幾種氣體的混合氣體，且在工質(zhì)氣體通入過程中真空室的壓強(qiáng)不高于1. 5X10_2Pa。所述濺射離子源與輔助源均為Kaufman型離子源。
所述刻蝕清洗的過程中，濺射離子源清洗靶材表面，屏極電壓根據(jù)靶材不同調(diào)整范圍為2. O 3. 5KV，離子束流調(diào)整范圍20 150mA ;輔助源濺射清洗工件表面，其屏極電壓根據(jù)條件不同調(diào)整范圍為O.1 1. 0KV，離子束流為20 150mA，束流刻蝕時(shí)間10 30mino所述過渡層為梯度過渡層，包括金屬層金屬碳化物成層兩層。所述過渡層制備過程中，先在工件表面采用濺射源濺射金屬靶材沉積金屬過渡層，所用所用金屬靶材可以為T1、Cr、Zr、W中的任何一種金屬，濺射源屏極電壓2. O 3. 0KV,離子束流為20 IOOmA ;輔助源屏極電壓范圍為O.1 1. 0KV,離子束流為20 IOOmA,沉積時(shí)間為10 15min。然后在制備的金屬層上制備碳化物層，所用金屬祀與金屬層材料相同，石墨靶為純度大于99. 7%的高純度石墨靶，金屬靶濺射源屏極電壓2. O 2. 5KV，束流20 50mA ;石墨靶濺射源屏極電壓2. 2 2. 7KV，束流20 IOOmA ;輔助源屏極電壓范圍為O.1 1. 0KV，離子束流為20 100mA，沉積時(shí)間為10 15min。制備的梯度 過渡層包括Ti/TiC、Cr/CrC, Zr/ZrC、W/WC梯度過渡層。所述復(fù)合薄膜制備過程中，石墨靶為純度大于99. 7%的高純度石墨靶；硫化物鑲嵌靶為石墨與硫的鑲嵌塊鑲嵌于金屬硫化物基礎(chǔ)靶材中構(gòu)成，在濺射束斑范圍內(nèi)，鑲嵌塊均勻分布且基礎(chǔ)靶材與鑲嵌塊均勻分布。其中基礎(chǔ)靶材的材料可以為WS2、MoS2，F(xiàn)eS, ZnS,PbS, ZnS, CuS, Ag2S中的任何一種,鑲嵌塊由固體硫粉與石墨粉均勻混合壓制而成,均勻分布在基礎(chǔ)靶材鑲嵌區(qū)。所述過渡層制備過程中濺射石墨靶的濺射源屏極電壓為2. 2 3. 0KV,束流為20 IOOmA ;硫化物復(fù)合靶的濺射源屏極電壓應(yīng)低于石墨靶濺射源屏極電壓，調(diào)整范圍為
2.O 2. 7KV，束流為20 IOOmA ;輔助源屏極電壓調(diào)整范圍O. 2 1. 0KV,束流范圍為20 100mA，沉積時(shí)間為60min 180min，沉積制備過程中，保證工件溫度不高于150°C。本發(fā)明專利的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合離子束刻蝕與離子束輔助沉積技術(shù)，利用離子束濺射獲得原子級(jí)的清潔表面，利用離子束輔助沉積技術(shù)制備具有高膜基結(jié)合力梯度過渡層，且薄膜化學(xué)成分可控的高性能金屬硫化物/DLC復(fù)合薄膜。實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明專利作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明專利的限定。實(shí)施例1首先使用去離子水利用超聲波清洗技術(shù)去除硬質(zhì)合金刀片表面污染層；將刀片固定于設(shè)備真空室內(nèi)旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)上，抽真空至2. OX 10_4Pa后通入Ar，真空室氣壓為1.2X 10_2Pa ;調(diào)整濺射源屏極電壓為2. 7KV，束流為IOOmA刻蝕清洗靶材表面15min，然后調(diào)整輔助源屏極電壓為O. 8KV，束流IOOmA清洗工件表面20min ;兩靶工作靶面采用W，調(diào)節(jié)輔助源屏極電壓為O. 2KV，束流25mA，調(diào)節(jié)濺射離子源屏極電壓2. 5KV，束流為75mA濺射沉積Cr過渡層15min，然后將其中一個(gè)靶面調(diào)整為石墨靶，金屬靶濺射源屏極電壓2. 2KV，束流25mA，石墨靶濺射源屏極電壓2. 5KV，束流75mA，輔助源參數(shù)不變。調(diào)整工作靶面為石墨靶和WS2復(fù)合靶，輔助源參數(shù)不變，石墨靶濺射離子源屏極電壓2. 7KV，束流IOOmA，硫化物復(fù)合靶濺射離子源屏極電壓2. 2KV，束流80mA，沉積制備WS2/DLC復(fù)合薄膜，沉積時(shí)間120min，待工件溫度降至接近室溫后取出，即在硬質(zhì)合金刀片表面獲得WS2/DLC復(fù)合薄膜。
實(shí)施例2首先使用去離子水利用超聲波清洗技術(shù)去除不銹鋼表面污染層；將樣品固定于設(shè)備真空室內(nèi)旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)上，抽真空至2. OX 10_4Pa后通入He，真空室氣壓為1. 4X 10_2Pa ;調(diào)整濺射源屏極電壓為2. 7KV，束流為IOOmA刻蝕清洗靶材表面15min，然后調(diào)整輔助源屏極電壓為O. 8KV，束流IOOmA清洗工件表面20min ;兩靶工作靶面采用Ti，調(diào)節(jié)輔助源屏極電壓為O. 4KV，束流20mA，調(diào)節(jié)濺射離子源屏極電壓2. 7KV，束流為80mA濺射沉積Ti過渡層15min，然后將其中一個(gè)靶面調(diào)整為石墨靶，金屬靶濺射源屏極電壓2. 0KV，束流30mA，石墨靶濺射源屏極電壓2. 7KV，束流60mA，輔助源參數(shù)不變；調(diào)整工作靶面為石墨靶和MoS2復(fù)合靶，輔助源參數(shù)不變，石墨靶濺射離子源屏極電壓2. 7KV，束流100mA，硫化物復(fù)合靶濺射離子源屏極電壓2. 2KV，束流80mA，沉積制備MoS2/DLC復(fù)合薄膜， 沉積時(shí)間120min，待工件溫度降至接近室溫后取出，即在硬質(zhì)合金刀片表面獲得MoS2/DLC復(fù)合薄膜。
權(quán)利要求
1.一種金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，特征在于將離子束刻蝕與離子束輔助沉積技術(shù)結(jié)合起來，制備金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜，該方法依次包括以下步驟 a、首先使用去離子水利用超聲波清洗技術(shù)去除工件表面污染物； b、將工件置于真空室內(nèi)樣品臺(tái)上,抽真空至本底真空后通入工質(zhì)氣體； C、利用離子源產(chǎn)生的惰性氣體離子束分別對(duì)工件以及靶材表面進(jìn)行離子束刻蝕清洗； d、開啟開啟濺射源與輔助源濺射沉積制備過渡層； e、在沉積的過渡層上利用雙濺射源分別濺射石墨靶與金屬硫化物復(fù)合靶沉積制備金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜；
2.按照權(quán)利I所述的金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于所述真空室本底真空優(yōu)于2. OX 10_4Pa，工質(zhì)氣體可以為氬氣(Ar)、氦氣(He)、氖氣(Ne)、氪氣(Kr)中的任何一種氣體或幾種氣體的混合氣體，且在工質(zhì)氣體通入過程中真空室的壓強(qiáng)不高于1. 5 X IO^2Pa0
3.按照權(quán)利I所述的金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于所述濺射離子源與輔助源均為Kaufman型離子源，在刻蝕清洗的過程中，濺射離子源清洗靶材表面，屏極電壓根據(jù)靶材不同調(diào)整范圍為2. 0 3. 5KV，離子束流調(diào)整范圍20 150mA ;輔助源濺射清洗工件表面，其屏極電壓根據(jù)條件不同調(diào)整范圍為0.1 1.0KV，離子束流為20 150mA，束流刻蝕時(shí)間10 30min。
4.按照權(quán)利I所述的金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于所述過渡層為梯度過渡層，包括金屬層金屬碳化物成層兩層。
5.按照權(quán)利I所述的金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于所述過渡層制備過程中，先在工件表面采用濺射源濺射金屬靶材沉積金屬過渡層，所用所用金屬靶材可以為T1、Cr、Zr、W中的任何一種金屬，濺射源屏極電壓2. 0 3. 0KV，離子束流為20 IOOmA ;輔助源屏極電壓范圍為0.1 1. 0KV，離子束流為20 100mA，沉積時(shí)間為10 15min。然后在制備的金屬層上制備碳化物層,所用金屬祀與金屬層材料相同,石墨革巴為純度大于99. 7 %的高純度石墨靶，金屬靶濺射源屏極電壓2. 0 2. 5KV，束流20 50mA ；石墨靶濺射源屏極電壓2. 2 2. 7KV，束流20 IOOmA ;輔助源屏極電壓范圍為0.1 1.0KV，離子束流為20 100mA，沉積時(shí)間為10 15min。制備的梯度過渡層包括Ti/TiC、Cr/CrC, Zr/ZrC、ff/WC 梯度過渡層。
6.按照權(quán)利I所述的金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于所述復(fù)合薄膜制備過程中，石墨靶為純度大于99. 7%的高純度石墨靶；硫化物鑲嵌靶為石墨與硫的鑲嵌塊鑲嵌于金屬硫化物基礎(chǔ)靶材中構(gòu)成，在濺射束斑范圍內(nèi)，鑲嵌塊均勻分布且基礎(chǔ)靶材與鑲嵌塊均勻分布。其中基礎(chǔ)靶材的材料可以為WS2、MoS2，F(xiàn)eS, ZnS, PbS, ZnS, CuS,Ag2S中的任何一種，鑲嵌塊由固體硫粉與石墨粉均勻混合壓制而成，均勻分布在基礎(chǔ)靶材鑲嵌區(qū)。
7.按照權(quán)利I所述的金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于所述過渡層制備過程中濺射石墨靶的濺射源屏極電壓為2. 2 3. 0KV，束流為20 IOOmA ;硫化物復(fù)合靶的濺射源屏極電壓應(yīng)低于石墨靶濺射源屏極電壓，調(diào)整范圍為2. 0 2. 7KV，束流為20 IOOmA ;輔助源屏極電壓調(diào)整范圍0. 2 1. 0KV，束流范圍為20 100mA，沉積時(shí)間 為60min 180min，沉積制備過程中，保證工件溫度不高于150°C。
全文摘要
一種金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法，特征是利用惰性氣體離子束同時(shí)濺射含硫復(fù)合靶與石墨靶，同時(shí)離子束輔助轟擊工件表面沉積制備金屬硫化物摻雜類金剛石薄膜。具體實(shí)施步驟為首先使用去離子水超聲波清洗工件表面，利用惰性氣體離子束對(duì)材料及靶材表面進(jìn)行濺射清洗，然后利用濺射離子束濺射制備金屬過渡層，再在過渡層上制備金屬硫化物摻雜類金剛石復(fù)合薄膜。本發(fā)明制備的薄膜在力學(xué)與摩擦學(xué)性能上相對(duì)其他方法制備的薄膜有很大的提高，并且具有制備工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/34GK102994964SQ20121051991
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者岳 文, 王松, 付志強(qiáng), 王成彪, 于翔, 彭志堅(jiān) 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)