[发明专利]一种在管状工件内壁沉积高品质金刚石涂层的方法

说明书

本发明提供一种在管状工件内壁沉积高品质金刚石涂层的方法。本方法先利用电弧放电在管状工件内部形成等离子体，再利用强直流电弧伸展等离子体化学气相沉积技术在管状工件内壁沉积高品质金刚石涂层。所涉及的装置包括：真空室(1)，陶瓷工件架(2)，管状工件(3)，阳极(4)，等离子柱(5)，阴极(6)，电磁线圈(7)组成的金刚石涂层沉积系统。其中，陶瓷工件架(2)将管状工件(3)与真空室(1)绝缘。电弧放电在管状工件内形成高密度等离子体，能够使管状工件内壁表面形成并保持高浓度原子氢。高浓度原子氢的存在能够使碳的sp²键完全转化为sp³键，促进金刚石相的形成，从而最终实现管状工件内壁的高品质金刚石涂层的沉积。

技术领域

本发明属于金刚石涂层制备领域，涉及一种在管状工件内壁沉积高品质金刚石涂层的新方法。

背景技术

众所周知，金刚石具有极其优异的物理和化学性能。在机械加工、耐磨、耐腐蚀、声学、光学和导热等领域应用广泛。金刚石单晶成本很高，而与之性能相似的金刚石涂层因较高的性价比拥有着更大的发展空间。

金刚石涂层沉积采用的是等离子化学气相沉积技术，与普通等离子辅助化学气相沉积技术不同的是金刚石涂层沉积过程中必须有足够的原子氢存在。这主要是由于在沉积过程中，稳定态的sp²杂化的碳原子会优先在工件表层形成石墨相。原子氢能够刻蚀sp²杂化的石墨相的碳原子，生成稳定的sp³杂化的金刚石相，从而促进金刚石涂层的沉积。

1982年日本的Matsumoto等人首次用热丝化学气相沉积(HFCVD)法成功的制备出金刚石涂层。但由于热丝法能够产生的等离子密度较小，其激发出的原子氢的浓度相对较低，因此，制备的金刚石涂层中残余的sp²杂化的石墨相较多，影响了金刚石涂层的品质。随后出现了可以制备高品质金刚石涂层的微波等离子体化学气相沉积法、直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法以及强直流电弧伸展等离子体化学气相沉积法等方法，其特征是能够产生较高的等离子密度(大于10¹⁷ions/m³)，获得高浓度的原子氢。

目前，金刚石涂层的沉积大多是在工件外表面进行的。在管状工件内壁进行镀膜的较少，尤其是在长径比大于3的管状工件内壁沉积高品质金刚石涂层是个难点。这是因为在管状工件内壁沉积高品质金刚石涂层除了需要合适的温度和恰当比例的反应气体外，还必须在管内形成高密度的等离子体，从而电离出足够高浓度的原子氢。在管内形成高密度等离子体难度很大。在管状工件外部产生高密度等离子体很难扩散进长径比大于3的管状工件内部，主要集中在管口附近，造成金刚石涂层沉积的不均匀。而管状工件内部空间有限，复杂的结构难以进入管内。微波可以导入管状工件内部，但由于微波等离子化学气相沉积涉及到波的传导及反射、共振等问题，非常复杂。目前研究的结果表明：微波以驻波形式形成等离子体是高品质金刚石涂层沉积的主要方式，但对长径比大的管状工件来说，管内部必然会形成多个驻波，导致管内轴向等离子密度和原子氢的分布不均匀，使得金刚石涂层的沉积在管内壁沿轴向方向的不均匀。微波以行波的形式可以在100Pa以下的低气压区形成均匀的等离子体，但是由于气压过低，等离子体内的原子氢浓度不足，因此也无法获得高品质金刚石涂层。