[发明专利]带有Al过渡层的低摩擦系数SiC-Al薄膜材料的沉积方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种SiC薄膜材料的制备方法，特别是涉及一种带有Al过渡层的低摩擦系数SiC-Al薄膜材料的沉积方法。 

背景技术

SiC材料具有优良的耐腐蚀性、耐热性、耐磨损和高的机械强度，它的硬度（H_v：3300）仅次于金刚石和C-BN材料，在1300～1800℃的高温下合成的SiC材料，700℃时仍然能维持93%的硬度，并且不被氧化。它可以用于在恶劣环境下使用的微米传感器、微纳米机械（MEM及NEMS）以及作为保护涂层提高耐磨性和防腐蚀等。但是作为固体润滑薄膜材料，不但要求保持SiC材料的优良特性，同时又必须具有较低的摩擦系数及与金属基材有高的界面结合强度。

SiC薄膜的制备主要有CVD、PECVD、MBE和PVD等方法，其中CVD（化学气相沉积）和PECVD法（等离子增强化学气相沉积）需要1200℃以上的高温，大大地限制了基材的使用范围；PVD物理气相沉积法可以在低温下进行，其中RF射频非平衡磁控溅射能够获得很高的沉积速率，从而得以广泛的使用。

目前，现有PVD物理气相沉积法沉积的SiC薄膜虽具有0.13左右的摩擦系数，但与金属基材的结合强度很差，特别在循环载荷下，磨耗未达到基材前薄膜内发生破裂而脱落的情况经常发生，脱落是由于在界面上产生的疲劳剪切应力而引起。如果既能减小剪切应力又能降低摩擦系数是最理想的。为了提高薄膜材料的耐磨性，一般采用以下的方法，1）减小摩擦系数；2）增加薄膜自身的结合强度（如：提高薄膜硬度和弹性模量以及薄膜的断裂强度）；3）改善界面的结合强度等。另外，摩擦系数的降低可以达到节能和减少机体发热的目的。

通过原子掺杂能够改变薄膜的结构，从而使薄膜的物理化学性质发生变化，例如薄膜硬度、弹性模量以及晶格常数和化学键能等。通过掺入合适的杂质原子，能够有效地降低摩擦系数，改善薄膜的摩擦特性，一般的掺杂原子为软金属元素（例如Ag等）或具有自润滑特性的元素（例如F等）。

SiC薄膜与金属基材之间的结合强度差，主要是在薄膜沉积过程中，原子或离子对基材表面进行的轰击作用，使基材温度升高，而在冷却过程中，由于基材与SiC薄膜的热膨胀系数有较大的差异，致使在薄膜内产生较大的残余应力，表现在界面部产生较大的剪切应力而使薄膜脱落或崩裂。为了改善薄膜与金属基材之间的结合强度，一般采用中间过渡材料的方法，以缓解两者之间的热膨胀系数的差异，同时期望能够在界面上形成化学或金属键，提高界面处的粘合（或键合）强度，改善膜基结合力。

对于SiC薄膜材料的掺杂研究的报道不少，如在SiC薄膜中加入Mn、Co、Al等原子，其研究重点集中在半导体材料和发光材料方面的开发，以改变半导体材料的禁带宽和提高致光发光材料的性能，即研究主要针对SiC薄膜导电性能改善和光磁电感应方面的研究。但是，把SiC薄膜材料用于固体润滑材料的研究并不多见，这种耐磨材料在进一步降低其摩擦系数的基础上，能够制造成性能优良的固体润滑薄膜材料用于精密机械零部件的保护和润滑涂层。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了发挥SiC材料优良的耐腐蚀、耐磨损和高的机械硬度等方面的优势，克服目前SiC作为固体润滑薄膜材料存在的摩擦系数较大、与金属基材界面结合强度较低的缺陷；本发明提供一种具有低摩擦系数、与金属基材结合强度较高的带有Al过渡层的低摩擦系数SiC-Al薄膜材料的沉积方法，即提供一种带有Al过渡层的低摩擦系数SiC-Al薄膜材料的沉积方法。利用本发明技术方案，能够制备出一种具有低摩擦系数（0.04～0.1）、并且与金属基材具有较高界面结合强度的SiC-Al薄膜材料。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种带有Al过渡层的低摩擦系数SiC-Al薄膜材料的沉积方法，所述沉积方法包括以下步骤：

A、首先调整物理气相沉积设备中的SiC靶和Al靶与基材之间的距离，SiC靶与基材之间的距离为80mm，Al靶与基材之间的距离为380mm；然后在载物台上放置相应的基材，利用与沉积设备相连的抽真空装置，将沉积室内的真空压力抽至5×10^-4Pa；

B、分别将SiC靶和Al靶的挡板置于靶与基材之间，打开Ar气阀，将Ar气导入沉积室，调整Ar气流量至18sccm；然后打开RF射频电源，分别对SiC靶和Al靶表面进行等离子清洗，去除SiC靶和Al靶表面的污染物和氧化层；

C、关闭SiC靶电源，同时把Al靶的挡板撤去，维持Ar气流量18sccm，使Al靶对准基材，在基材上沉积Al中间过渡层；