[发明专利]一种Cu-Al梯度薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Cu‑Al梯度薄膜材料及其制备方法，所述方法以商业铜箔或钠钙玻璃为基底，以高纯铜靶材铝靶材为溅射材料，高真空多靶磁控溅射设备为制备工具，通过在共溅射沉积的过程中固定铜靶靶位溅射功率、改变铝靶靶位的溅射功率实现膜材料中铜、铝相对含量的调节，通过改变共溅射时间来控制制备薄膜的厚度，最终制备了厚度可变的Cu‑Al梯度薄膜材料。本发明所述方法制备流程短、操作简单，参数控制范围宽，容易实现，梯度层厚度可随意控制等特点，具有良好的商业化前景。

技术领域

本发明涉及梯度薄膜材料制备领域，具体涉及一种利用磁控溅射技术制备二元合金梯度薄膜材料的方法，尤其涉及一种利用高真空双靶磁控溅射制备Cu-Al梯度薄膜材料的方法。

背景技术

梯度材料是一类新型的复合材料，它是选用两种(或多种)性能不同的材料，通过连续改变这两种(或多种)材料的组成和结构使其界面消失，导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化。由于梯度材料的组分在一定的空间方向上连续变化，不存在明显界面，所以相邻层之间性能相似，材料整体的性能呈连续变化。梯度材料可以用作界面层来连接不相容的两种材料，大大地提高粘结强度，也可以用作界面层减小残余应力和热应力，同时消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性；用梯度材料代替传统的均匀材料，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

目前，Cu 基梯度材料主要以Cu 和另一种金属材料制成，如Cu-Mo、Cu-W 系列梯度材料等。制备Cu基梯度材料的方法较多，如放电等离子烧结、热压烧结、电沉积、气相沉积和自蔓延高温合成法等。通过不同方法将铜和另一种材料叠层合成得到梯度材料，使得材料既具备高的机械强度和良好的韧性，又具有良好的摩擦学性能和导电性，作为电力机车从接触网线导入电能的滑板材料具有很好的应用背景。同时，作为梯度材料，这两种材料之间的结合面呈逐渐过渡，面与面之间的成分变化较小，有效降低了两侧之间的热应力，减小了材料在使用过程中由于热应力不匹配而造成裂纹产生的几率，延长了材料使用寿命。

随着全球经济的快速发展，在石油、化工、能源、电力、冶金、航空航天等工业中，存在大量在高温、腐蚀等恶劣环境下使用的摩擦运动副零部件，不仅要求材料具有良好的耐磨性，耐蚀性和抗氧化能力，还需要有优异的强韧性。而性质均一的单一材料，往往难于满足上述具有多种应用要求的领域。

磁控溅射技术是将欲沉积成膜的材料制成靶材置于溅射沉积系统的阴极，待溅射系统抽至高真空后充入氩气和特定反应气体（可以没有反应气体）；气体在高压下电离形成的等离子体在电场和交变磁场的作用下被加速，轰击靶材表面致使靶材表面的原子脱离原晶格逸出，转移到阳极样品台的基体表面而沉积成膜。磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。通过在不同的靶位安装不同材质的靶材，利用多靶磁控溅射，就可获得不同组元的膜材料。用该方法制备的薄膜材料中组元的相对含量与不同靶位靶材在基底上的沉积速率有关。而某种组元的沉积速率取决于该组元本身的性质、所在靶位的溅射功率以及所在靶位靶材平面中心与沉积样品台中心的距离。这样，通过改变靶位的溅射功率以及靶材平面中心与沉积样品台中心的距离就可实现膜材料中组元相对含量的调节。多靶磁控溅射技术的这些特点使其适合用于制备梯度薄膜材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种Cu-Al合金梯度薄膜材料；本发明还提供了一种成本低廉、工艺简单的利用高真空双靶磁控溅射技术制备Cu-Al梯度薄膜材料的方法。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案如下：

在铜箔基底或钠钙玻璃基底上，磁控溅射双靶共沉积Cu-Al薄膜，磁控溅射的同时在300 ℃条件下原位退火；在靶材平面中心与沉积样品台中心的距离固定的前提下，通过改变两个靶位的溅射功率调节Cu-Al薄膜中铜和铝的相对含量；与基底接触的是内层纯铜层，梯度层由内向外为铜含量逐渐减少而铝含量逐渐升高。

所述的双靶为铜靶和铝靶，铜靶的含铜量大于99.99%、铝靶的含铝量大于99.99%。