[发明专利]一种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，属于硅表面改性技术领域。

背景技术

机械零部件和器械表面因摩擦磨损造成的低效率、低寿命、资源和能源浪费等问题在工业化生产和应用中时常可见，如发动机部件、切削刀具等。对基体材料进行表面涂层处理是减少或消除摩擦磨损的有效措施之一。类金刚石碳薄膜具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、化学惰性、良好生物相容性等优异性能，被广泛用作零部件、工（模）具、器械表面的耐磨层和保护层。在发动机部件(汽缸、挺杆、活塞等)的表面引入高硬、低摩擦系数的类金刚石膜，可降低因磨损带来的油耗达2%左右。将剥离性好、摩擦阻力小的类金刚石膜应用到硬质合金刀具上，在减少粘刀问题的同时显著降低刀具的磨损，提高其使用寿命。然而，类金刚石薄膜在实际应用过程中却常因膜基结合强度低等问题发生分层、剥落和失效，极大地限制其应用推广。因此，解决类金刚石薄膜引入后的低膜基结合强度问题显得尤为关键和迫切。

类金刚石薄膜与基体材料的热膨胀系数不匹配造成的界面应力或热应力是膜基结合强度低的原因之一。综合国内外文献分析，为了减小膜基之间物性差异，常引入中间层（过渡层或梯度层）制备类金刚石基多层薄膜来改善界面应力。与单纯类金刚石薄膜相比，多层薄膜体系具有较高的粘合强度、摩擦性能和相对低的内应力。此外，这样的多层体系可以提供独特的表面结构，例如在表面上形成纳米晶体，而纯类金刚石膜一般表现出无定形表面形貌。显然，当金属层厚度在纳米尺度时，其厚度将对多层薄膜的组成和结构产生特定的影响，如金属表面对碳团簇的合成起到催化或抑制效果，特别是对于在界面上发生扩散和化学相互作用过程的情况。注意到在反应介质中引入纳米颗粒能够显著增强固体表面对结构特征、动力学和化学作用过程的催化活性。由于钛可以与碳原子形成化学键，并且钛层经常作为多层体系的中间层或缓冲层。因此，钛功能层与类金刚石薄膜之间可以形成原子混合的扩散结合界面或化学键合界面，获得更佳的机械、化学联结和更匹配的热膨胀系数，从而减小膜内应力，提高结合强度。

发明内容

本发明旨在提供一种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，所得薄膜产品在硅基片上具有高硬度和高膜基结合强度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明采用一种直流和脉冲双激发源阴极电弧镀膜装置，包括真空室、直流阴极电弧装置、脉冲阴极等离子弧装置和真空退火装置；真空室后壁安装直流钛阴极弧源和脉冲碳阴极弧源，钛阴极靶外部设有上下一组相结合的偏转磁过滤系统；真空室底部装有圆形旋转样品台，样品台中心正对脉冲石墨阴极电弧靶，样品台下端在真空室外部连接偏压电源；脉冲碳阴极靶外圈设有石墨阳极靶，上方设有溅射离子源；真空室后壁下方设有抽气通道，外侧连接抽真空装置，真空室上部设有进气孔，进气孔前端设有流量计；所述真空退火装置包括小型真空室、加热板和引入电极。

一种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，采用单晶硅片作为基底，通过离子源对硅基片表面进行溅射清洗；以高纯的金属钛和石墨作为靶材，采用直流和脉冲双激发源阴极等离子体放电技术，分别制备钛纳米功能层和类金刚石薄膜；最后进行退火处理制得。

所述的含有钛纳米功能层的类金刚石多层薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)基体表面处理：将单晶硅片依次放入丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水中分别进行超声清洗10min，除去表面的油脂及其他污染物，然后将基体置于烘箱干燥待用；

(2)将预处理过的硅基片固定在阴极电弧装置的真空室内的旋转样品台上，高纯钛靶和石墨靶分别安装在直流阴极电弧和脉冲阴极电弧的蒸发器上；

(3)用抽真空装置对真空室抽真空，使真空度达到4×10^?4~6×10^?4Pa；通过进气口通入氩气到真空室内，氩气的流量由流量计控制，使真空室气压稳定在3×10^?2~6×10^?2Pa；开启旋转样品台，采用离子源对硅基片进行溅射清洗，然后冷却至室温；

(4)关闭氩气进气口，开启直流阴极电弧蒸发电源，调节阴极电压到60~90V，阴极电流为60-70A，在旋转的硅基片上沉积钛功能层，沉积时间1-7min；

(5)钛功能层沉积完毕后，在真空室内放置至20~40℃；开启脉冲阴极电弧蒸发源，调节阴极电压在300~350V，脉冲频率为3~6Hz，在预制的钛功能层上沉积类金刚石薄膜；