[发明专利]一种强化处理的类金刚石薄膜及其制备方法

说明书

本发明属于类金刚石薄膜制备的技术领域，公开了一种强化处理的类金刚石薄膜及其制备方法。所述方法：将类金刚石涂层样品进行深冷处理，获得强化处理的类金刚石薄膜；所述类金刚石涂层样品中类金刚石涂层的sp³C体积含量为42％‑75％；所述深冷处理的条件：于‑100～‑196℃保温处理4～8h。本发明先制备sp³C体积含量为45‑75％的类金刚石涂层，然后通过深冷处理诱导涂层中部分sp²C转变为sp³C，从而提高涂层中的sp³C含量和涂层硬度。本发明的方法简单，通过深冷调控手段不仅无损且便于实现规模化量产。

技术领域

本发明涉及金属表面改性技术，特别涉及一种强化处理的类金刚石薄膜及其制备方法。

背景技术

类金刚石涂层是由sp³C形成空间网络并含sp²C的非晶或非晶-纳米晶复合结构组成的材料。类金刚石涂层具有优异的物理、力学、化学、光学、电学、热学性能，尤其具有高硬度、低摩擦系数、宽范围光波透过性、优异的场发射电子性能、生物相容性等，在诸多领域得到广泛应用。在先进制造业的工模具、齿轮、轴承、生物医学植入器件、MEMS及传感器等表面通过类金刚石涂层改性可以大幅度地提高工件/元器件的使用寿命。类金刚石涂层的诸多性能受制于其组成相(杂化sp³C及杂化sp²C)的相对含量，尤其sp³C的相对含量对涂层的力学性能起着决定性作用。

类金刚石涂层sp²C/sp³C含量比值的调控方法主要包括：1)涂层制备中工艺参数、掺杂，如专利申请CN109402576A在类金刚石薄膜中掺氟、CN111020512A在涂层中掺银/铜；2)涂层后处理手段，如专利申请CN113355644A报道的离子浸没植入、CN109943824A报道的退火后处理等。当前所有的类金刚石涂层后处理方法带来的突出问题是：处理后无一例外地导致类金刚石涂层中sp³C含量减少、硬度降低。迄今缺少行之有效的提高类金刚石涂层中sp³C含量、使涂层获得强化的后处理技术。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种强化处理的类金刚石薄膜及其制备方法。本发明采用类金刚石涂层的深冷后处理、通过深冷实现sp²C→sp³C的相转变，达成了提高类金刚石涂层中sp³C含量、使涂层强化的目标。

本发明同时解决了以下主要技术问题：1)实现上述深冷相变必须满足的类金刚石涂层初始组织条件，尤其涂层初始sp³C含量；2)优化的深冷处理工艺参数。

根据碳的压力(P)-温度(T)相图，低温状态时在较低的压力下sp³C可处于稳定态，导致sp²C→sp³C相转变，但必须克服转变能垒。分子动力学模拟表明室温下当局部应力达到20GPa时可实现上述相转变。类金刚石涂层由刚性sp³C框架及易于滑动变形的无序石墨及无序石墨团簇组成。深冷处理可为诱导sp²C＝C→sp³C-C相转变创造以下条件：1)因为组成相及缺陷的热膨胀系数差异、刚性sp³C框架对涂层中易滑动sp²碳团簇的限制，深冷处理将在涂层内部产生巨大的局部压应力；2)微区碳簇内发生的相转变所释放的弹性能足以克服所需的转变能垒。因此，要求初始涂层具有适量的框架刚性，即具有适量的sp³C含量范围。如果刚性不足，则对碳团簇约束不够，不足以产生足够大的局部内应力和弹性能累积，则sp²C→sp³C的相转变不能发生；如果刚性太大，积累太大的局部内应力将导致刚性框架的溃塌，也不利于上述转变的产生。因此类金刚石涂层的初始组织调控及深冷工艺参数将确定上述相转变的可行性。