[发明专利]一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，涉及一种集高硬度，耐摩擦磨损，抗腐蚀性能于一体的碳基薄膜的制备方法。

背景技术

材料腐蚀是指材料受环境作用而发生破坏或变质从而失去原有功能的现象。腐蚀遍及各行各业，其中以海洋中钢铁腐蚀消耗最为严重，且防腐蚀成本较大。类金刚石薄膜主要由金刚石结构的sp³碳原子和石墨结构的sp²碳原子相互混杂而成的三维网络结构，具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀性和化学稳定性好等众多优良的性能，几乎不溶于任何酸、碱和有机溶液。因此用它作为防护薄膜，不仅可以提供一般薄膜不具备的机械力学性能，还可以有效阻挡氧气和溶液的渗透，从而满足特殊环境下使用的钢材的表面防护。但薄膜自身的缺陷，如针孔、界面结合弱等严重削弱薄膜的抗腐蚀性能，降低其服役寿命。铬元素易被氧化，能迅速形成Cr₂O₃钝化膜隔绝氧化介质起到防腐蚀目的，因而被广泛应用在钢材防腐蚀中。若能实现铬元素和类金刚石薄膜性能的复合，有效弥补类金刚石薄膜的缺陷，那么获得集硬度高、耐摩擦磨损，耐腐蚀等众多优良性能于一体防护薄膜成为可能。

磁过滤真空阴极电弧设备集成碳等离子体脉冲阴极弧发生器、磁分离金属等离子体直流弧蒸发器和离子溅射源。具有输出的等离子体能量高，膜基结合力强，成膜速率快，适合工业生产等优点。其中碳等离子体脉冲阴极弧发生器利用在电场作用下产生的脉冲阴极弧不断侵蚀碳靶表面使其蒸发生成碳等离子体，在基底负偏压作用下轰击基底形成非晶碳膜；磁分离金属等离子体直流弧蒸发器通过在真空中的点弧装置引燃点弧，在电源和磁场共同作用下，阴极弧在金属靶表面游动并使金属蒸发，大部分蒸发金属在靶前高势垒的场致效应下被离化成金属离子，通过磁场过滤高速轰击基底形成金属薄膜或实现金属元素掺杂；离子溅射源主要用来刻蚀活化基底，增加基底材料表面能，提高结合力。

对非晶碳膜的缺陷做了针对性研究：强度低主要是由于薄膜中的残余应力和膜基间晶格结构和物理性能错配造成，可通过离子轰击基底、采用室温镀膜、添加铬过渡层及退火处理提高结合力；针孔表明薄膜不够致密，通过调节薄膜制备参数用高能量碳离子沉积、元素掺杂和退火处理也可以提高薄膜致密度。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法，选用磁过滤真空阴极电弧设备对真空室中旋转夹上金属材料用高能氩离子轰击，待真空室冷却至室温，用磁分离金属等离子体直流弧蒸发器沉积一定厚度的铬过渡层，接着同时启动磁过滤直流阴极弧和脉冲阴极弧蒸发制备铬掺杂非晶碳膜，并惰性气氛围中选用合适温度和时间做退火处理，具体包括如下步骤：

第一步：金属材料表面预处理；

第二步：预处理后的金属材料表面刻蚀活化；

第三步：在活化后的金属材料表面蒸镀一定厚度的铬过渡层；

第四步：在铬过渡层上施镀铬掺杂类金刚石碳基薄膜；

第五步：将第五步制备的薄膜在惰性气氛中表面退火处理。

第一步中，预处理是指将金属材料依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声预处理10-20min。

第二步中，刻蚀活化是指利用钨丝使氩气离化成高能氩离子轰击金属基材表面并持续10-20min。

第三步中，铬过渡层采用磁过滤直流阴极弧蒸发装置蒸镀，直流阴极弧电流为5～300A，铬过渡层厚度为10-200nm。

第四步中，施镀铬掺杂类金刚石碳基薄膜磁过滤直流阴极弧蒸发装置和脉冲阴极弧蒸发装置，直流阴极弧电流为5～300A，脉冲频率为5～35Hz，铬掺杂类金刚石碳基薄膜为200～500nm。

第五步中，惰性气氛为氮气或氩气等气体，退火温度为200～450℃，退火时间为20～60min。

本发明的优点如下：(1)选用磁过滤真空阴极电弧设备，可以利用磁场过滤筛除大颗粒，调控等离子体能量，提高薄膜的质量和性能(2)采用室温沉积降低薄膜的残余应力，设计的铬过渡层提高膜基间结合强度，铬掺杂有效改善薄膜的缺陷提高薄膜性能(3制备的薄膜具有众多优良性能，如硬度大，耐摩擦磨损，抗腐蚀等性能，满足一些特殊环境中使用的金属材料表面防护，涡轮发动机叶片，化工品容器等。

附图说明

附图1是实施实例1制备的薄膜Raman光谱图。

附图3是实施实例2制备薄膜的表面形貌及接触角。

附图4是实施实例2制备薄膜的硬度与弹性模量。