[发明专利]一种高sp3

说明书

本发明公开了一种高spsupgt;3/supgt;C含量的含氢碳基薄膜及其制备方法，步骤包括将表面经过处理后的导电金属工件置于真空镀膜装置的真空室中，真空室内安装了至少一个磁控靶阴极和至少一个离化源电极，采用等离子体对导电金属工件的表面进行刻蚀活化；采用磁控溅射的方式先沉积靶材Me层，然后沉积靶材Me与C混合的含碳梯度层Me/C层，从而形成Me‑Me/C过渡层；采用至少一个离化源电极在Me‑Me/C过渡层上制备厚度为1～6微米的含氢碳基涂层，得到高spsupgt;3/supgt;C含量的含氢碳基薄膜。采用本发明方法制得的高spsupgt;3/supgt;C含量的含氢碳基薄膜的生长速率达到100～150nm/min，含氢碳基涂层的spsupgt;3/supgt;C体积含量超过45％。

技术领域

本发明涉及金属表面改性技术领域，尤其涉及一种高sp³C含量的含氢碳基薄膜及其制备方法。

背景技术

富sp³C含氢碳基涂层中H含量相对较高，有别于传统的类金刚石(DLC)薄膜，但仍然是一种sp³C键形成空间网络、并含sp²C的非晶复合结构组成的材料，同其它DLC一样具有优异的物理、力学、化学、光学、电学、热学性能，尤其具有高硬度、高阻值、低摩擦系数等性能，在先进制造业的工模具、齿轮、轴承、密封、化工等有苛刻的耐磨耐蚀需求领域通过碳基涂层改性元器件可以大幅度地提高其使用寿命。碳基涂层的耐磨耐蚀性能主要由涂层中的sp³C含量决定。为满足更高耐磨耐蚀性能的涂层需求，必须开发经济有效的制备高sp³C含氢的碳基涂层制备技术。

目前，已开发了各种各样制备DLC涂层的方法，许多方法已进入商业化应用，主流技术包括采用碳靶为主要碳源的物理气相沉积，如TEER公司；以及采用碳氢气体为碳源的等离子增强类化学气相沉积，如Balzers和Hauzer公司。这些制备DLC涂层的装备均非常昂贵，且DLC涂层的生长速率通常低于15nm/分钟，制备成本高、效率低。国内近年来也开展了大量DLC制备技术研发，除线性离子源制备DLC获得产业化应用外，进入商用者不多。注意到中国专利CN101701332A采用对磁控电极表面生成碳化物，然后利用该表面溅射出来的碳化物与碳物质共同沉积在表面形成掺金属的DLC，该法限制了只能制备掺金属的DLC涂层，可是能掺入的金属量还难以控制，及涂层成分的均匀一致性难以得到保障。类似的，CN108374148A公开了阴极电弧靶表面通入含碳气体后中毒制备DLC，该法即使成功，同样也只能制备掺杂的DLC涂层，且中毒后靶表面释放出的成分难以控制。CN105525258A采用柱状Cr靶和柱状碳靶沉积的Cr-DLC涂层sp³C含量低，涂层不能达到某些应用对表面硬度的需求。

综上所述，当前采用柱状磁控靶或采用靶面中毒等技术制备碳基涂层存在的最大问题是：(1)涂层成分均匀一致性难以保证；(2)涂层中sp³C含量相对较低，不利于高耐磨高耐蚀的需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种高sp³C含量的含氢碳基薄膜及其制备方法，采用特殊磁场结构和表面覆盖高阻值碳基涂层的柱状磁控电极作为离化源电极，大幅度地提高真空室内碳氢气体的离化率，与其它无覆盖碳基涂层的传统柱状磁控电极作为磁控靶阴极一起配合制备高sp³C含量、高性能的含氢碳基薄膜。

本发明解决了以下主要核心技术问题：(1)离化源电极仅作为碳氢气体离化源，避免释出靶的金属物质；2)实现靶周围碳氢工作气体的高度离化，以制备高sp³C含量碳基涂层。