[发明专利]一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法

说明书

本发明公开了一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜（简称DLC薄膜）制备方法，利用弧靶中毒效应，采用阴极弧沉积设备，连续进行DLC薄膜多层结构的制备，调控润滑层与基体材料的结合状态，提高结合强度，降低DLC薄膜的脆性、增加其承载能力；同时在DLC薄膜中均匀掺杂金属相，进一步提高DLC薄膜的韧性达到提高薄膜耐磨、润滑性、承载能力及结合强度的目的。所述DLC薄膜多层结构，包括金属结合层（a）、承载层及过度层（b）、金属掺杂DLC润滑层（c）。本发明制备过程连续性好，设备简单、工艺实施方便，不需要多个弧靶及气体离子源系统，填补了国内外进行相关模具防护涂层的市场空白，具有巨大的潜在应用及推广价值。

技术领域

本发明属于表面工程、耐磨润滑防护、类金刚石薄膜技术领域，涉及一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法。

背景技术

类金刚石（Diamond-like carbon，简称DLC）薄膜是一种由金刚石相（sp³）和石墨相（sp²）组成的亚稳态非晶态碳膜，具有高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光透过性、化学惰性等一系列优异性能，其诸多特性取决于sp³和sp²的相对数量及相互转变，从而具有很宽的调控范围。DLC薄膜目前已应用于机械制造、地质钻探、微电子系统、光学、航空航天（飞机前视红外窗口、导弹头罩窗口和宇航探测器）等领域，特别是在摩擦磨损防护方面，DLC薄膜是少数具有很低摩擦系数（一般条件下低于0.1）的硬质薄膜之一，欧洲空间摩擦实验室在评价了空间中使用的各种固体材料之后，推荐DLC薄膜作为未来空间润滑摩擦表面涂层，认为其具有良好的应用前景。但是，由于DLC膜存在脆性大、内应力高（通常在GPa数量级，这将导致膜基结合力差和难于得到厚膜）和热稳定性较差（通常在250℃就会由于氢的析出而发生石墨化）等问题，限制了DLC膜的工程应用，为此，人们分别提出了外加粒子掺杂形成非晶碳基复相结构或者添加过渡层薄膜的方法来提高材料的稳定性，改善材料的内应力，提高膜基结合力，以用于摩擦磨损防护。德国的Kirsten I. Schitfmann发现：DLC 膜的磨损率会随金属掺杂比例达到10%～30%范围时降到特别低的数值；美国的魏秋明用脉冲激光法制备研究了掺银、铜、钛的梯度 DLC膜的力学性能，当薄膜中银与铜的原子含量不超过4%，钛的原子含量不超过7%时他发现，梯度DLC膜的附着性能远优于单层DLC膜；Narayan在DLC膜中掺杂钛、铜、银、硅后发现薄膜应力都显著下降；而M.Weber等人采用Cr-CrN-Cr-DLC的方式制备的复合薄膜，洛氏结合强度分级从2.5上升到了5，临界载荷从26 N提升到了55.6 N；Guosong Wu等采用CrN作为中间层制备的DLC薄膜，同样结合强度明显上升；B.Ramamoorthy等人采用的DLC/TiN/Ti/Cu/Ni结构制备的DLC多层薄膜，其表面质量、结合强度明显得到了改善，并将其归因于这种多层结构具有连续、均匀、无裂纹的特点。这些研究中表面制备过渡层及进行金属掺杂是提高DLC薄膜耐磨性的重要解决方法。