專利名稱：一種可以實(shí)現(xiàn)在三維工件表面高速率沉積類金剛石膜的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鍍膜領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種可以提高鍍膜速率、同時(shí)對(duì)各種絕緣材質(zhì)和導(dǎo)電材質(zhì)的工件內(nèi)外表面進(jìn)行鍍膜的等離子全方位離子沉積設(shè)備。
背景技術(shù)：
等離子全方位離子沉積技術(shù)(Plasma Immersion Ion Deposition),簡(jiǎn)稱為PIID技術(shù)，它是等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)的一種。利用PIID技術(shù)可以制備出類金剛石涂層，簡(jiǎn)稱DLC涂層。盡管DLC涂層具有高硬度、低摩擦系數(shù)、耐磨耐腐蝕能多種優(yōu)異的性能，隨著科技的進(jìn)步，對(duì)材料性能的要求就越來(lái)越苛刻。傳統(tǒng)的類金剛石涂層已經(jīng)不能滿足工業(yè)化更高品質(zhì)，更好層次產(chǎn)品的需求。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于類金剛石涂層的研究主要集中在以下幾個(gè)方面 I、高速率沉積類金剛石膜。傳統(tǒng)工藝制備類金剛石膜的厚度很難達(dá)到微米級(jí)別，然而在實(shí)際工況條件下的工件往往面臨著耐腐蝕、耐磨、耐沖蝕的多重要求，因此如何提高鍍膜速率，獲得厚的類金剛石膜是研究的重點(diǎn)；2、對(duì)金屬工件和非金屬工件的鍍膜。傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)對(duì)金屬工件的處理方法很簡(jiǎn)單，只需要將其和電源相連就可以鍍膜，然而對(duì)于陶瓷、玻璃、塑料、橡膠等絕緣材料而言，如何在其表面鍍膜變得非常困難；3、三維工件內(nèi)外表面的全方位鍍膜。對(duì)于具有內(nèi)孔的復(fù)雜三維工件，使用物理氣相沉積PVD和傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積CVD技術(shù)鍍膜非常困難，因?yàn)镻VD的顆粒不能繞過(guò)障礙物而在內(nèi)部鍍膜，CVD也有相似的弱點(diǎn)。等離子全方位離子處理(PIIP)技術(shù)是一種對(duì)工件表面進(jìn)行改性的技術(shù)，它是將工件表面施加脈沖直流或者純直流，工件表面釋放電子與真空室內(nèi)的氣體發(fā)生碰撞，產(chǎn)生了等離子體，帶正電的離子和被激活的分子在工件表面成膜。真空室內(nèi)產(chǎn)生等離子體的方式有很多種，其中等離子源包括電子回旋共振等離子源,helicon等離子體源，電感稱合等離子源,RF勵(lì)磁,直流輝光放電等。由于直流輝光放電產(chǎn)生等離子體的方式最簡(jiǎn)單，且不需要其他的等離子輔助源，因此是目前使用的最為廣泛。等離子全方位離子沉積(PIID)技術(shù)為PIIP技術(shù)的一種，圖I為典型的PIID技術(shù)的原理圖，將被鍍工件4置于真空室2內(nèi)，通過(guò)人機(jī)控制系統(tǒng)6開啟抽氣系統(tǒng)7后，將真空室內(nèi)的氣壓抽至10_3Pa以下(由真空檢測(cè)系統(tǒng)I測(cè)量)，開啟充氣系統(tǒng)3，向真空室充入Ar氣，調(diào)整氣體流量和擋板的角度，使氣壓基本穩(wěn)定在l 2Pa。并在工件上施加高壓脈沖電壓r-4KV)，脈沖電源系統(tǒng)5另一端接真空壁，真空壁作為陽(yáng)極接地。由于工件表面聚集了大量的自由電子，且氣壓滿足輝光放電的氣壓工作區(qū)間，此時(shí)，工件表面不斷向真空室內(nèi)釋放電子，在加速到真空壁的過(guò)程中，電子與Ar原子發(fā)生碰撞使其電離，高能量的電子造成了 Ar原子大量電尚，加之一個(gè)電子會(huì)與Ar原子產(chǎn)生多次碰撞,此時(shí),整個(gè)真空室內(nèi)部都充滿了等離子體，因工件表面的電子能量最高，造成其表面等離子體強(qiáng)度更高，到真空壁附近逐漸衰減。電子經(jīng)過(guò)多次碰撞后，能量消失殆盡，靠近真空壁附近最終被真空壁(陽(yáng)極)捕獲，形成回路。電離后的Ar+帶正電，受到工件(帶負(fù)電)的吸引而加速，在加速過(guò)程中可能會(huì)與其他原子(離子)發(fā)生多次碰撞，但不影響最終的結(jié)果，工件表面受到加速后的Ar+的轟擊，表面的氧化物和雜質(zhì)被刻蝕，實(shí)現(xiàn)了工件表面的等離子體清洗，Ar+從工件表面獲得電子后恢復(fù)到基態(tài)。一般而言，等離子清洗這一過(guò)程需要2-3小時(shí)。和等離子清洗原理相似，工件經(jīng)清洗完畢后，在不降低電壓的情況下，向真空內(nèi)直接充入碳?xì)錃怏w等，電子轟擊這些氣體分子將其電離，和Ar氣不同的是，帶正電的這些離子轟擊到工件表面，獲得電子后不會(huì)變成氣體脫離表面(Ar氣則直接脫離工件表面)，而是以固態(tài)的形式直接沉積下來(lái)，形成了碳?xì)渫繉?，也就是類金剛石涂層，其中含?0%左右的固態(tài)氫，因此比 金剛石韌性高，硬度能達(dá)到金剛石的25-30%。如果使用傳統(tǒng)的PIID技術(shù)很難制備厚的DLC膜，這是因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力比較大容易崩裂所致，其次，該技術(shù)不能在絕緣材料表面進(jìn)行鍍膜，另外，如果有復(fù)雜內(nèi)外表面的三維工件需要鍍膜，傳統(tǒng)PIID技術(shù)一般只能在內(nèi)表面鍍膜，不能實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)外表面同時(shí)鍍膜。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的提供一種可以實(shí)現(xiàn)在三維工件表面高速率沉積類金剛石膜的設(shè)備，即金屬罩法PIID設(shè)備。該設(shè)備對(duì)三維復(fù)雜工件的內(nèi)外表面全方位鍍膜具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使用該設(shè)備還能在絕緣基體和金屬工件表面實(shí)現(xiàn)高速率沉積類金剛石膜。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下方案一種可以實(shí)現(xiàn)在三維工件表面高速率沉積類金剛石膜的設(shè)備，該設(shè)備包括真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、人機(jī)控制系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、高壓電源系統(tǒng)，所述真空鍍膜室內(nèi)設(shè)有絕緣支架，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于，該設(shè)備還設(shè)置有金屬罩裝置，所述金屬罩裝置由位于絕緣支架上的金屬板、設(shè)有電子逃逸孔的金屬罩組成；所述金屬罩和高壓脈沖電源相連。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還在于所述金屬罩為網(wǎng)狀金屬材質(zhì)。所述金屬罩的網(wǎng)格孔徑為I mm2—I cm2。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在本實(shí)用新型與傳統(tǒng)的物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積技術(shù)相比，該設(shè)備具有復(fù)雜工件內(nèi)外表面的全方位鍍膜、對(duì)除金屬外的絕緣工件表面低溫鍍膜等優(yōu)勢(shì)。工件鍍膜時(shí)，將被鍍工件置于金屬罩內(nèi)，并將金屬罩和高壓脈沖電源相連，在金屬罩上加載高壓負(fù)脈沖后，金屬罩內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生等離子體，由于電子被束縛在金屬罩內(nèi)與更多的氣體粒子發(fā)生碰撞，因而可以產(chǎn)生更多的等離子體，從而提高鍍膜速率，并能提高涂層的均勻性，而且它可以對(duì)三維復(fù)雜工件內(nèi)外表面同時(shí)進(jìn)行鍍膜。本實(shí)用新型可以對(duì)金屬、陶瓷、玻璃、橡膠、塑料等多種類型的材料進(jìn)行鍍膜，現(xiàn)有的等離子全方位離子沉積技術(shù)只能適合于金屬材質(zhì)的基體鍍膜，因此本發(fā)明基體適應(yīng)面廣。

[0019]圖I是傳統(tǒng)等離子全方位離子沉積設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖2是本實(shí)用新型設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖3是傳統(tǒng)PIID設(shè)備與本實(shí)用新型設(shè)備等離子體放電波形對(duì)比圖。圖4是傳統(tǒng)DLC膜和本實(shí)用新型DLC膜耐腐蝕性能對(duì)比圖。圖5是傳統(tǒng)DLC膜和本實(shí)用新型DLC膜耐腐蝕性能耐沖蝕性能對(duì)比圖。
以下結(jié)合附圖通過(guò)具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，金屬罩裝置由位于絕緣支架上的金屬板、設(shè)有電子逃逸孔的金屬罩組成；所述金屬罩和高壓脈沖電源相連；在金屬罩內(nèi)可以放置多種材質(zhì)的工件進(jìn)行鍍膜， 包括金屬10、陶瓷U、玻璃12等金屬和非金屬材質(zhì)。網(wǎng)罩通常由薄金屬網(wǎng)、金屬板或者金屬箔圍成，但是至少要有一個(gè)地方是開口的，目的是為了使氣體從這個(gè)開口的位置進(jìn)去、電子從這逃逸出來(lái)。本實(shí)施例以金屬網(wǎng)作為罩子，其孔徑大小在I _2 — I Cm2間，電子可以從網(wǎng)罩的空隙處逃逸出來(lái)。工件鍍膜時(shí)，首先將工件懸掛或置于金屬罩底部，并將金屬罩放置在一塊大金屬平板上，金屬平板下面需要有絕緣材料保持和真空壁電隔絕。然后，在金屬罩上加載一連串的高壓負(fù)脈沖(電壓為(Γ -6KV，方形波形輸出，見圖3)，并向真空室內(nèi)充入氣體時(shí)，從工件表面釋放出來(lái)的電子被束縛在金屬罩內(nèi)，與金屬罩內(nèi)的中性原子發(fā)生多次碰撞，因此可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)PIID技術(shù)密度更高的等離子體。經(jīng)過(guò)多次碰撞后最終電子能量消耗殆盡變成低能電子，飛向真空壁形成回路。如果向真空室內(nèi)充入Ar氣就可以對(duì)工件進(jìn)行等離子清洗，如果換成碳?xì)錃怏w，那就開始鍍DLC膜了。由于電子內(nèi)束縛在金屬罩內(nèi)多次碰撞，可以產(chǎn)生更高濃度的等離子體，因此在離子清洗的時(shí)候更多帶正電的離子會(huì)轟擊工件表面加快清洗速度，而且，在鍍膜過(guò)程中由于帶正電的碳?xì)潆x子的增加，因此加快了鍍膜速率。另外，更高的等離子體密度意味著更小的等離子鞘層，因此可以獲得更加勻質(zhì)的涂層。對(duì)于金屬基體的材料而言，一般只需要保證它和高壓電源之間良好導(dǎo)通，即可以在其表面成功鍍膜，然而，對(duì)于陶瓷、玻璃、塑料、橡膠這些不導(dǎo)電的材質(zhì)而言，通過(guò)以上方法并不能在其表面鍍上DLC膜，原因是其表面并沒有可以發(fā)射的自由電子，因此在其周圍并不能產(chǎn)生等離子體。在實(shí)際生活中，有很多的不導(dǎo)電材料也涉及到耐磨耐腐蝕問(wèn)題，如長(zhǎng)期在風(fēng)沙環(huán)境中工作的汽車擋風(fēng)玻璃、塑料模具、高檔密封圈等。從圖2中可以看出，將絕緣材料放置于不銹鋼網(wǎng)罩內(nèi)，在網(wǎng)罩金屬絲上加載高壓負(fù)脈沖可以在其表面鍍膜。其鍍膜的基本原理是在高壓負(fù)脈沖的作用下，金屬網(wǎng)表面自由電子擺脫其內(nèi)部的束縛向外圍發(fā)射電子，朝著真空壁方向的電子會(huì)與氣體發(fā)生碰撞，所以在網(wǎng)的外面可以看到淡淡的等離子體；對(duì)于網(wǎng)的內(nèi)表面釋放的電子，由于受到網(wǎng)本身的束縛，它會(huì)與網(wǎng)內(nèi)部的氣體分子發(fā)生多次碰撞，直至能量喪失殆盡，最終逃逸出來(lái)，達(dá)到真空壁形成循環(huán)。由于網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生了多次電子與氣體分子的碰撞，產(chǎn)生了的等離子體量較普通輝光放電而言，其強(qiáng)度高出了幾十倍，因此，網(wǎng)內(nèi)充滿了大量的等離子體，這些等離子將陶瓷、橡膠、玻璃、塑料這類絕緣材料湮沒，大量的激活態(tài)分子和離子在表面沉積，形成DLC膜。通常，我們把這種原理稱為空心陰極放電(Hollow Cathode Discharge)現(xiàn)象,其放電電流一般是僅外表面鍍膜電流的10倍以上。[0028]圖3為傳統(tǒng)PIID設(shè)備(右)與本實(shí)用新型設(shè)備(左)等離子體放電波形對(duì)比圖，圖像上半部分為電壓波形，下半部分為電流波形，其中示波器上顯示1V相對(duì)于1KV，1V相對(duì)于4A。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，金屬罩法產(chǎn)生的電流峰值是傳統(tǒng)PIID技術(shù)的2. 5倍，說(shuō)明等離子體密度更高。表I傳統(tǒng)PIID設(shè)備與本實(shí)用新型設(shè)備沉積幾種類金剛石膜的鍍膜參數(shù)及鍍膜速率對(duì)比
權(quán)利要求1.一種可以實(shí)現(xiàn)在三維工件表面高速率沉積類金剛石膜的設(shè)備，該設(shè)備包括真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、人機(jī)控制系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、高壓電源系統(tǒng)，所述真空鍍膜室內(nèi)設(shè)有絕緣支架，其特征在于，該設(shè)備還設(shè)置有金屬罩裝置，所述金屬罩裝置由位于絕緣支架上的金屬板、設(shè)有電子逃逸孔的金屬罩組成；所述金屬罩和高壓脈沖電源相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種可以實(shí)現(xiàn)在三維工件表面高速率沉積類金剛石膜的設(shè)備，其特征在于，所述金屬罩為網(wǎng)狀金屬材質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可以實(shí)現(xiàn)在三維工件表面高速率沉積類金剛石膜的設(shè)備，其特征在于，金屬罩的網(wǎng)格孔徑為I mm2—lcm2。
專利摘要一種可以實(shí)現(xiàn)在三維工件表面高速率沉積類金剛石膜的設(shè)備，該設(shè)備包括真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、人機(jī)控制系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、高壓電源系統(tǒng)等部分，所述真空鍍膜室內(nèi)設(shè)有絕緣支架，其特征在于，還設(shè)置有金屬罩裝置，金屬罩裝置由位于絕緣支架上的金屬板、金屬罩組成。將被鍍工件置于金屬罩內(nèi)，并將金屬罩和高壓脈沖電源相連，在金屬罩上加載高壓負(fù)脈沖后，金屬罩內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生等離子體，由于電子被束縛在金屬罩內(nèi)與更多的氣體粒子發(fā)生碰撞，因而可以產(chǎn)生更多的等離子體，從而提高鍍膜速率，并能提高涂層的均勻性，而且它可以對(duì)三維復(fù)雜工件內(nèi)外表面同時(shí)進(jìn)行鍍膜。
文檔編號(hào)C23C14/06GK202558926SQ20122025105
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者李燦民, 陶滿 申請(qǐng)人:合肥永信等離子技術(shù)有限公司