[发明专利]Cr-B-C纳米复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及摩擦学及表面工程领域，具体的说，涉及的是一种Cr-B-C纳米复合薄膜的制备方法。

背景技术

    碳化硼（B₄C）具有仅次于金刚石和立方氮化硼的硬度，也因其具有高弹性模量、良好稳定的化学和力学性质、较低的热膨胀系数等一系列优良性能，作为耐磨材料引起了摩擦学界的重视。然而经过大量的研究发现，碳化硼的断裂韧性低、抗氧化能力差、对金属的稳定性差，在使用过程中容易发生断裂，对环境要求和工件材料的选择比较苛刻。为了进一步改善以上提到的缺点，国内外学者们发现在B-C基的基础上加入过渡族金属元素可以降低B₄C薄膜的摩擦系数和磨损量，并可以提高其抗腐蚀和抗氧化的能力。作为过渡族元素的Cr具有良好的综合性能（耐磨性和抗腐蚀性），将其引入到B₄C薄膜中，制备出Cr-B-C纳米复合薄膜，不仅仅可以克服B₄C薄膜自身的缺陷，还能使其具有多功能性。

发明内容

本发明提供一种Cr-B-C纳米复合薄膜的制备方法，采用直流磁控和射频磁控共溅射的方法，可以在较低的温度下沉积Cr-B-C纳米复合薄膜。

该方法包括以下步骤：

1）基材和靶材的准备：将基材打磨抛光并清洗吹干后装夹在载物台上，正对离子束源；将直流磁控靶材和射频磁控靶材分别安装到相应的仪器上，所述的直流磁控靶材、射频磁控靶材含有Cr、B或Cr、B、C元素；

2）基材离子清洗：用Ar⁺离子束轰击基材，清洗和活化基材；

 3）薄膜制备：通入高纯氩气或氩气和乙炔混合气体，采用直流磁控和射频磁控共溅射，在基材上制备Cr-B-C纳米复合薄膜，工艺参数为：气压4.0~5.0×10^-1Pa；直流磁控溅射功率50~150W；射频磁控溅射功率50~250W；负偏压0~100V；占空比20%~80%；载物台旋转速度0~100rpm；制备温度Rt~300℃；制备时间3~4h。

进一步改进，所述的基材是单晶Si片、不锈钢、钛合金、玻璃的任一种。

进一步改进，所述步骤2）的基材离子清洗工艺参数为：真空度10^-4Pa，Ar气流量0~50sccm，基材负偏压0~1200V，占空比0~100%。

进一步改进，所述步骤3）的磁控溅射前，控制Ar气流量0~50sccm，开启直流和射频电源，让靶材空跑5-10分钟，去除靶材表面的氧化物。

进一步改进，所述的直流磁控溅射使用Cr靶；射频磁控溅射使用B₄C靶；步骤3）通入高纯氩气，腔体内的气压稳定在4.0~5.0×10^-1Pa；直流磁控溅射功率50~150W；射频磁控溅射功率50~250W；基材负偏压是0V-100V；占空比为20%-80%；基材温度Rt~300℃；沉积时间为4h。

进一步改进，直流磁控溅射使用CrB₂靶；射频磁控溅射使用C靶；步骤3）通入高纯氩气，腔体内的气压稳定在4.0~5.0×10^-1Pa；直流磁控溅射功率50~150W；射频磁控溅射功率50~250W；基材负偏压是0V-100V；占空比为20%-80%；基材温度Rt-300℃；沉积时间为4h。

进一步改进，直流磁控溅射使用CrB₂靶；射频磁控溅射使用C靶；步骤3）通入高纯氩气和乙炔混合气体，腔体内的气压稳定在4.0~5.0×10^-1Pa；直流磁控溅射功率50~150W；射频磁控溅射功率50~250W；基材负偏压是0V-100V；占空比为20%-80%；基材温度Rt-300℃；沉积时间为3h。

进一步改进，直流磁控溅射使用Cr靶；射频磁控溅射使用B靶；步骤3）通入高纯氩气和乙炔混合气体，腔体内的气压稳定在4.0~5.0×10^-1Pa；基材负偏压是0V-100V；占空比为20%-80%；基材温度Rt-300℃；沉积时间为3h。

本发明的有益效果体现在：

1)     可以在室温下沉积薄膜，大大降低了对基材选择的限制；

2)     Cr-B-C中金属Cr、非金属B和C的含量可以通过直流和射频磁控溅射靶功率进行调节；

3)     制备工艺简单，操作能动性好。

附图说明

图1 是采用本发明工艺实施例1制备的Cr-B-C纳米复合薄膜的粘附力；