[发明专利]一种制备强韧化非晶碳基多相杂化薄膜的装置及方法

说明书

本发明公开了一种制备强韧化非晶碳基多相杂化薄膜的装置及方法。该装置为射频磁控溅射辅助直流和脉冲阴极电弧多激发源等离子体镀膜装置，制备方法包括：将预处理后的基体烘干，放置于多激发源等离子体镀膜装置的旋转样品台上；抽真空，通入氩气到真空室，采用离子源对基体表面进行溅射清洗；分别以高纯金属铝、钛和石墨片作为磁控溅射靶材、直流和脉冲阴极电弧的蒸发靶材，通入氩气和氮气，根据纳米晶和非晶相形成规律设计多相杂化薄膜结构，调节样品台转速，采用多激发源等离子体技术引入功能掺杂元素和梯度中间层制备非晶碳基多相杂化薄膜。本发明制备的非晶碳基多相杂化薄膜结构可调、相组成分布可控，具有高硬度、高粘附强度和强韧性。

技术领域

本发明涉及一种制备强韧化非晶碳基多相杂化薄膜的装置及方法，属于材料表面改性技术领域。

背景技术

摩擦磨损部件的表面涂层处理是降低资源和能源浪费的有效措施之一。非晶碳薄膜具有高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、良好的耐腐蚀和耐磨损等优异特性，可广泛用于机械零部件、工（模）具、电子和医疗器械等摩擦单元表面的功能层和防护层。然而，非晶碳薄膜在使用过程中常因高残余应力导致低膜-基粘附强度和低韧性等问题发生剥落、失效，严重影响其使用寿命和效率。非晶碳薄膜的残余应力与粘附强度、韧性相互制约，应力释放过程通常伴随着薄膜结构、组成和性能的变化。因此，解决非晶碳薄膜的强韧化问题是决定其应用推广的关键。

非晶碳薄膜的残余应力是本征应力和热应力的综合表现，两者共同降低或相互协调是非晶碳薄膜应力释放的理想预期。目前，国内外大部分研究采用掺杂和多层膜两种工艺来改善非晶碳膜的应力及其它性能。由于掺杂元素与碳原子成键能力的差异，非晶碳基薄膜的结构和性能极大的依赖于掺杂元素的含量及其在碳基质中的分布形式；合适的中间层设计可以减少膜-基之间的物性差异，在降低界面热应力的同时保持或改善非晶碳基多层膜的硬度、韧性和摩擦磨损性能。无论是掺杂异质原子还是引入中间层，非晶碳基薄膜的结构和性能均与界面间组成原子的物理-化学作用过程有关，即碳原子与异质原子的扩散和键合能力以及异质原子之间的相互作用决定了碳杂化键结构参数，进而影响薄膜的各项性能。因此，通过设计非晶碳基多元多界面耦合结构，借助界面间原子的物理-化学作用，形成可控分布的纳米晶/非晶相和软/硬梯度层界面等非均质结构，可制备低应力、高强韧的非晶碳基多相杂化薄膜。

发明内容

本发明旨在提供一种制备强韧化非晶碳基多相杂化薄膜的装置及方法，所得薄膜产品具有高膜基结合强度和高韧性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种制备强韧化非晶碳基多相杂化薄膜的装置，具体是一种多激发源等离子体镀膜装置，包括真空室、直流阴极电弧源和脉冲阴极电弧源、射频磁控溅射源、离子源；真空室后部左侧位置安装有上下一组相结合的磁分离单元和直流阴极电弧源，右侧位置安装脉冲阴极电弧源；真空室门上安装离子源和观察窗口；右侧壁安装射频磁控溅射源，左侧壁下方设有抽气通道和抽真空装置；真空室底部装有圆形旋转样品台，样品台下端在真空室外部连接偏压电源；真空室背部下方设有氩气进气孔和氮气进气孔，进气孔前端分别设有氩气流量计和氮气流量计；真空室内部金属阴极蒸发靶连接直流阴极电弧源，石墨阴极蒸发靶连接脉冲阴极电弧源，金属溅射靶连接射频磁控溅射源，样品台中心正对石墨阴极蒸发靶和金属溅射靶。

本发明提供了一种采用上述装置制备强韧化非晶碳基多相杂化薄膜的方法，包括以下步骤：

(1) 基体表面处理：首先将研磨、抛光后的基体用肥皂水清洗并用去离子水冲洗，然后依次放入丙酮溶液和无水乙醇溶液中分别进行超声清洗10 min，除去表面的油脂及其他污染物，然后将基体置于烘箱干燥待用；

(2) 将预处理过的硅基片固定在多激发源等离子体镀膜装置的真空室内的旋转样品台上，高纯钛靶和石墨靶分别安装在直流阴极电弧和脉冲阴极电弧的蒸发器上，高纯铝靶安装在射频磁控溅射靶头上；