[发明专利]高界面强度类金刚石薄膜材料的常温沉积设备及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种DLC类金刚石薄膜材料的沉积方法和设备，特别是涉及一种高界面结合强度多孔非连续表面类金刚石薄膜材料的常温沉积设备及其常温沉积方法。

背景技术

类金刚石薄膜（Diamond-like Carbon Films，简称DLC薄膜）是一类硬度、光学、电学、化学和摩擦学等特性都类似于金刚石的非晶碳膜。例如，它具有高硬度、抗摩擦、化学惰性、低介电常数、宽光学带隙、良好的生物相容性等特点。它可以应用于机械、电子、化学、军事、航空航天等领域，具有广阔的应用前景。

目前，制备DLC类金刚石薄膜的方法主要包括物理气相沉积和化学气相沉积，例如离子束沉积、阴极弧沉积、溅射沉积和等离子体增强化学气相沉积等。虽然其中的大多数方法能沉积出质量较好的类金刚石薄膜，但是气相合成实验装置的复杂性和基底的高温都导致了这些方法具有一定的局限性，在一定程度上限制了DLC类金刚石薄膜的实际应用。

类金刚石（DLC）薄膜材料在低摩擦固体润滑耐磨材料中是最有代表性的一类材料，90年代国外已实现了产业化。但是为了拓宽其应用范围，需要进一步提高其界面强度，如何能够进一步提高其界面强度是各国研究的技术重点。现已开发了多种中间过渡介质材料技术，如对于机械零件的复合表面处理DLC类金刚石薄膜构造有：Si＋DLC、浸碳＋Cr＋DLC、Cr/W＋DLC和原子注入氮化处理+DLC等。随着不断的技术开发和研究，其制造方法也不断地增多，例如：PVD物理气相沉积法技术的改进，已可以生产无氢DLC类金刚石薄膜，并成功地用于汽车发动机活塞环和连杆曲轴的制造。国内目前DLC类金刚石薄膜材料还处于研究阶段，并不具有产业化生产技术，但有不少单位也在积极地研究开发中，如北京科技大学、上海交大、广东有色金属研究院、胜利油田东营迪孚公司、吉林大学、北京天地金刚石公司等。

目前，对于DLC类金刚石薄膜材料制造技术方面存在的关键问题是没有很好地解决界面强度问题，从而导致无法实际应用。据报道，最近北京科技大学通过涂硼予处理已解决了界面强度问题。其实硼化物、硅、金属碳化物、金属氮化物等作为中间过渡层都能够解决DLC类金刚石薄膜的界面问题，但是涂覆和沉积的两道工序将导致DLC类金刚石薄膜的高成本和制造设备的复杂化，同时容易产生过程污染，对复杂结构零部件（凹凸结构）的加工也有相当大的难度。

关于DLC类金刚石薄膜材料制备方面的专利文献报道也有不少，例如：1、申请号为200910066757.X、发明名称为“ 一种低温沉积折射率可变的类金刚石薄膜的方法”的发明专利，该发明专利采用已有的真空室及工艺配置；在室温下，调节基底至有栅Kaufman离子源之间的距离；调节真空室的真空度达到2×10^-3Pa量级；选择CH₄和H₂作为先驱气体，按4∶1的比例，输送到有栅Kaufman 离子源中，沉积开始前，要先在基底上施加-20V的负偏压；沉积开始后，真空室的真空度保持在1×10^-2Pa量级，控制有栅Kaufman 离子源的放电电流为120mA。离子束能量在100eV-600eV时，可在基底上得到折射率为1.7-2.3之间的类金刚石薄膜。2、申请号为200810103011.7、发明名称为“一种低电压液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法”的发明专利，该发明专利以氧化铟锡导电玻璃为阴极，铂片为阳极，甲酰胺为电解液，在常温条件下，通过在阴阳两电极之间施加3～30V的直流电压，可在氧化铟锡导电玻璃阴极上沉积出类金刚石薄膜。该方法具有设备简单、能耗低、沉积速率快及成膜均一性好等优点，易于实现工业化生产。3、申请号为200810110529.3、发明名称为“一种TiC/DLC多层薄膜的沉积方法”的发明专利，该发明专利采用磁过滤钛电弧源沉积Ti层；采用脉冲石墨电弧源沉积DLC层；采用磁过滤钛电弧源和脉冲石墨电弧源共同沉积TiC层，通过调节脉冲石墨电弧源的脉冲频率来控制TiC层中的Ti含量。采用电弧离子镀技术沉积的TiC/DLC多层薄膜内应力小于类金刚石单层薄膜的内应力，同时保持了类金刚石薄膜高硬度和低摩擦系数的性能特点，沉积的TiC/DLC多层膜总厚度可以达到2μm，且具有优异的耐磨损性能。 

发明内容