[发明专利]一种碳基复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种碳基复合薄膜及其制备方法，属于表面工程领域。本发明以碳靶和金属碳化物靶为溅射靶材，基于闭合场非平衡磁控溅射等离子体空间分布特点及样品转架转速对薄膜结构的影响规律，仅通过样品转架旋转“快‑慢”的周期性控制，在沉积过程中自发形成兼具纳米层结构和纳米复合结构的双结构的碳基复合薄膜，碳靶和金属碳化物靶在真空腔体中相对放置，当转架转速快时，沉积出具有纳米复合结构的复合薄膜，当转架转速慢时，沉积出具有纳米多层结构复合薄膜，通过转架转速的调节可实现纳米复合结构中纳米晶的尺寸和纳米多层结构中的调制周期，通过控制样品转架转速周期性调节的时间可实现纳米复合结构层和纳米多层结构层的厚度。

技术领域

本发明涉及表面工程技术领域，尤其涉及一种碳基复合薄膜及其制备方法。

背景技术

类金刚石碳基薄膜是目前唯一兼具高硬度与自润滑特性的固体润滑薄膜材料。强韧与润滑一体化碳基薄膜是机械装备关键零部件在重载、高速、冲击等苛刻工况下可靠与长寿命运行的重要保障。然而碳基薄膜的硬度和韧性相互制衡，如何实现类金刚石碳基薄膜集高硬度、高韧性、低摩擦和低磨损于一体是该领域公认的关键技术难题。

在改善类金刚石碳基薄膜综合性能的过程中，薄膜结构调控和多尺度设计被认为是解决其高应力、高脆性及摩擦行为环境敏感性的有效途径之一。近年来研究发现，通过构筑多层膜的方法可以使碳基复合薄膜获得更加优异的力学和摩擦学性能。多层结构中异质界面处的共格、半共格及非共格应变能够显著降低薄膜内应力。与此同时，大量的异质层间界面能够有效抑制裂纹扩展，从而改善薄膜韧性。与单层膜相比，多层膜在硬度、断裂韧性和耐磨损性能等方面均有较明显的提高。尤其是纳米尺度的多层薄膜体中薄膜的性能会随调制周期的变化而发生变化，且在某一特定范围内出现超硬等异常效应。通过构筑纳米多层结构将高硬度、高热稳定、高耐磨的过渡族金属碳化物和非晶碳基体进行复合可实现二者性能优势的有机结合。然而，纳米多层结构设计虽能显著改善该类复合薄膜的强韧性，但在摩擦过程中滑动界面处的金属碳化物硬质颗粒增大了薄膜摩擦系数及产生磨料磨损的几率，导致其摩擦学性能相较于非晶碳基薄膜有恶化趋势。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳基复合薄膜及其制备方法。本发明通过制备纳米多层-纳米复合双结构复合薄膜，实现了薄膜强韧性和摩擦学性能的同时提升，实现了碳基薄膜的强韧与润滑一体化。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳基复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：

对金属基底进行活化，得到活化的金属基底；

以金属靶、碳靶和金属碳化物靶为溅射靶材，对所述活化的金属基底进行闭合场非平衡磁控溅射，形成梯度过渡层；

以碳靶和金属碳化物靶为溅射靶材，在所述梯度过渡层的表面进行磁控沉积，形成纳米多层-纳米复合双结构，得到所述碳基复合薄膜；

当所述磁控沉积的样品转架转速为0.5～5rpm时，形成纳米多层结构，当所述磁控沉积的样品转架转速为5～8rpm时，形成纳米复合结构；

所述金属碳化物靶均为Cr₃C₂靶、WC靶或TiC靶。

优选地，所述活化的过程为当闭合场非平衡磁控溅射沉积腔体真空度达到2×10^-4～5×10^-4Pa时，通入氩气，气压控制为0.5～2.0Pa，在直流偏压-300～-500V下对所述活化的金属基底的表面用Ar⁺轰击清洗15～20min。