[发明专利]薄膜涂层微纳米织构制备方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面工程的薄膜涂层，特别是薄膜涂层微纳米织构制备方法及其装置。

背景技术

薄膜涂层是表面工程独立于热处理、电镀、热喷涂等，成为独立技术领域的关键性标志。在传统摩擦学材料的基础上，表面减摩抗磨薄膜涂层为优化机械系统摩擦学性能、解决材料磨损提供了一条有效、也是极具生命力的方案和途径。

薄膜涂层的制备方法主要有物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、离子束辅助沉积及离子注入等；在组分上由单一组分向三组分或四组分发展，同时还寻求新的涂层材料。但是，为寻求更好的减摩抗磨效果，国内外又提出了材料表面织构新技术。大量的文献报道，在材料表面制备具有特定图案的织构对于减摩抗磨具有很好的作用。通过在常规材料表面制备特定尺寸、走向的图案化织构，然后在其上制备自组装膜、DLC薄膜、CNx膜、MoS₂膜或它们的复合膜，从而实现具有特定织构的复合涂层，起到减摩抗磨的效果，也是获得超低摩擦的有效手段之一。当织构的特征尺寸在微米、亚微米甚至纳米量级时，在其上进行薄膜涂层的制备会在很大程度上影响织构的形状、尺寸，甚至将微纳米织构全部覆盖，增加了微纳米织构设计和制造的难度。

发明内容

本发明的目的是要提供一种：能够协调微纳米织构制造和薄膜涂层沉积的薄膜涂层微纳米织构制备方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：制备方法包括前期准备、薄膜涂层沉积、微纳米织构制备和后处理，其步骤如下：

前期准备：首先准备好薄膜涂层微纳米织构制备所需的光滑样品、建立多光束脉冲激光微纳米织构处理系统装置，准备建立多光束脉冲激光微纳米织构处理系统装置所需的三大模块组件，三大模块组件即脉冲激光模块、光路传输模块、精密扫描模块，按照脉冲激光模块、光路传输模块、精密扫描模块依次连接；

薄膜涂层沉积：控制多光束脉冲激光在样品表面的扫描速度0.01~10mm/s，调节反应气体的化学反应速度，从而调控薄膜涂层的沉积速度，最终决定薄膜涂层沉积的厚度0~10μm；通过计算机控制三维平台的运动实现激光在样品表面扫描速度的调节，从而在样品表面特定区域进行薄膜涂层的沉积；反应气体由一路或者多路的不同气体同时输入或者不同气体分阶段输入，对样品的不同成分、不同梯度的复合涂层沉积；在薄膜涂层沉积时，充入沉积涂层或复合涂层所需的反应气体，反应气体为WF₆/C₆H₆、SiH₄/NH₃或Si₂H₆/O₂组合；薄膜涂层沉积完毕后，关闭反应气体；

微纳米织构制备：多光束脉冲激光的干涉可以在样品表面得到各种各样、不同尺寸的干涉条纹，三维平台携带样品在计算机的控制下进行三维平动，计算机控制激光干涉光斑在样品表面按照程序设定的轨迹扫描，实现可控的微纳米织构制备；进行微纳米织构制备时，调节激光在样品表面的扫描速度为0.01~10mm/s之间，先把反应室抽真空，真空度10^-3Pa以上，然后保持该真空度或再充入背景气体，所述的背景气体为刻蚀气体，所述的刻蚀气体有SF₆、Cl₂或N₂，计算机程序控制激光干涉光斑在样品表面的扫描路径，对样品进行微纳米织构制备，最终得到的织构尺寸范围为：横向0.02~100μm、纵向从零至薄膜厚度；

后处理：关闭多光束脉冲激光微纳米织构处理系统装置，取出样品，自然干燥或在80~100℃下烘干30min。

本发明制备方法的专用装置为多光束脉冲激光微纳米织构处理系统装置，多光束脉冲激光微纳米织构处理系统装置包括脉冲激光模块、光路传输模块和精密扫描模块，脉冲激光模块、光路传输模块和精密扫描模块顺序连接。

所述的脉冲激光模块包括计算机、控制器和脉冲激光器，计算机、控制器和脉冲激光器顺序连接；所述的脉冲激光器的脉宽为5fs~100ns、激光波长为197~400nm。

所述的光路传输模块包括反射镜、扩束镜、反射镜组、聚焦镜组和透光玻璃，反射镜、扩束镜、反射镜组、聚焦镜组和透光玻璃顺序连接；所述的反射镜组由四个光学镜片组成，用以调节四光束的夹角；所述的聚焦镜组由四个聚焦透镜组成，分别对四路激光束进行聚焦。

所述的精密扫描模块包括步进电机、三维平台、样品和反应室，在反应室内有三维平台，三维平台穿出反应室与步进电机连接，在三维平台上连接有样品，步进电机与计算机的输出端连接。