[发明专利]一种改善Cu基体与碳基薄膜结合力的方法

说明书

本发明公开一种提高Cu基体与碳基薄膜结合力的方法。该方法是通过以下步骤实现的：采用双辉渗金属技术在覆有模板的Cu基体表面制备亲碳金属过渡层骨架，去除模板后采用该技术对基体及骨架表面进行高密度Ar⁺轰击刻蚀处理，提高碳原子的成核密度，最后通过溅射镀膜或等离子化学气相沉积法在图形化的基体上沉积碳基薄膜，提高碳基薄膜与Cu基体的结合力。该方法具有过程简单、可控性好、绿色环保等优点。

技术领域

本发明涉及一种利用双辉渗金属技术制备亲碳金属过渡层进而改善Cu基体与碳基薄膜结合力的方法，属于改善碳基薄膜结合力的技术领域。

背景技术

Cu因其良好的导电性和延展性在工业中得到广泛应用，但硬度低、表面耐磨性差等缺点，使其在一些应用中存在局限性。传统工业中通过将Cu和其它金属混合制备合金来改善Cu的硬度与表面耐磨性，但存在着制备成本高、导电性下降等问题。

将涂层技术应用于Cu基体，在其表面制备碳基薄膜材料，既增加了Cu基体的表面硬度与耐磨性，同时也不破坏其本身物理性质。同时，碳基薄膜材料由于具有良好的化学稳定性、生物相容性、高硬度、低的摩擦系数和磨损率等优点，在航空航天、生物医学、海洋防腐等领域有重要的应用前景和价值。该类薄膜主要是由sp³C、sp²C和H原子构成的三维网络结构，根据各元素原子含量不同，理化性能不同，但由于本身结构的化学惰性和高内应力，导致薄膜与基体材料的结合力差。

目前，主要通过溅射梯度层或者过渡层的方法改善薄膜与基体的结合力，但由于溅射粒子本身提供的能量相对较低，导致薄膜与基体的化学键合作用较弱、结合力较差，容易在高载、高温等环境中剥落。因此，亟需进一步地开发和探索，本发明拟提供一种利用双辉渗金属技术改善Cu基体与碳基薄膜结合力的方法。

双辉渗金属技术属于等离子表面冶金技术，主要通过在真空容器中阳极与阴极（工件）、阳极和源极间各设一个直流可调电源，当真空容器抽气并通入惰性气体达到一定工作气压后，接通两个直流电源，是阳极与阴极、阳极与源极之间分别产生辉光放电，即“双层辉光放电现象”。通过双辉离子渗金属，可以在基体表面形成与之结合牢固的含有欲渗金属元素的表面合金层。同时考虑到溅射或等离子沉积的碳基薄膜可以与含有强碳金属的表面形成牢固的碳化物及强的化学键合，来进一步提高碳基薄膜与Cu基体的结合性能。

发明内容

本发明旨在提供一种利用双辉渗金属技术在覆有模板的Cu基体表面制备亲碳金属过渡层（如W、Ta、Mo等）骨架，再对该处理基体进行高密度Ar⁺ 轰击刻蚀处理，用于改善Cu基体与碳基薄膜结合力。该方法基于亲碳金属通过双辉渗金属技术可以在覆有模板的Cu基体表面形成与基体冶金结合的金属骨架，再利用高密度Ar⁺轰击刻蚀处理可以增加表面微缺陷，提高碳原子的成核密度，同时由于亲碳金属与碳原子所需结合性能较低，通过控制溅射（或等离子体化学气相沉积）的电流、温度和时间等参数，在图形化的基体表面沉积碳基薄膜，进而提高碳基薄膜与Cu基体的结合力。该方法具有基体材料与渗层材料可选择范围广、制备过程简单、可控性好、绿色环保等优点。

所述的制备方法可通过如下技术方案实现：

A. 利用双辉渗金属技术在覆有模板的Cu基体表面制备亲碳金属过渡层（如W、Ta、Mo等）骨架：将光滑、洁净的Cu基底置于渗金属炉的真空腔室内基台架上，然后抽真空至10Pa以下，通入氩气作为离化气体，对磁性基台加偏压，由于基台处磁场对等离子体的束缚作用，Ar等离子体对基台的轰击作用增强，轰击产生的高能粒子直接沉积到基底表面；

B. 利用双辉渗金属技术对覆有亲碳金属过渡层骨架的Cu基体表面进行高密度Ar⁺轰击刻蚀处理：A步骤结束后，将模板去除，关闭双辉渗金属炉，抽真空至5Pa以下，通入Ar作为离化气体，打开工件极电源，设定工件极电压高于源极电压100-300V，对覆有亲碳金属过渡层骨架的Cu基体表面进行高密度Ar⁺轰击刻蚀处理。