[发明专利]一种碳基薄膜内不同碳纳米结构的调控设计方法

说明书

本发明公开了一种碳基薄膜内不同碳纳米结构的调控设计方法。本发明采用PECVD技术在钢基表面上原位渗氮促进膜基结合力，同时调控参数实现类富勒烯碳、类石墨碳、洋葱碳等纳米结构之间相互转变，并通过引入其它元素气体掺入氮、氢、氟、硫、硅等元素，以提高薄膜与钢基结合力、硬度、表面光滑及超滑性能。

技术领域

本发明属于真空镀膜及表面工程技术领域，涉及一种碳基薄膜内不同碳纳米结构的调控设计方法。

背景技术

碳基薄膜以其高的硬度、低的摩擦系数、化学惰性、生物相容性等优异性能在机械、电子、生物等领域拥有广泛的应用前景。经过长期的努力，人们在该类薄膜的研究方面已取得了较大的进步；然而随着社会的发展，人们对材料的要求也越来越苛刻。虽然该类薄膜具有许多优异的性能，但是要满足实际工况的需求，还有许多问题需要解决。

目前该类薄膜面临以下问题：内应力随厚度增加累积进到导致性能下降；膜基结合力差；湿度敏感；在大气条件下较差摩擦磨损性能等。解决这问题方法主要集中在两种：微纳结构引入和其它元素掺入。例如，含氢类富勒烯碳薄膜具有在大气环境下优异超滑性能（μ~0.008）及机械性能（硬度为17-35GPa, 弹性恢复为78-90%）。例如，含氢和硅碳薄膜具有在大气环境下超低摩擦性能（μ~0.008）及很低的湿度敏感性。但是，目前碳基薄膜内纳米结构调控仍然没有一个明显的设计思路和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳基薄膜内不同碳纳米结构的调控设计方法。

一种碳基薄膜内不同碳纳米结构的调控设计方法，其特征在于具体步骤为：

1）经等离子体化学气相沉积技术沉积类富勒烯碳纳米结构薄膜，通入纯度大于99.99%的CH₄或C₂H₂气体，至800-1200 V，导通比0.5-0.7，频率30-80 KHz，甲烷气体气压保持在14-18 Pa，甲烷与氢气压比1:1-1:3可调，基底温度在100℃左右；测试结果薄膜硬度18-31GPa，厚度1-10微米，表面光洁度0.1-0.5nm；

2）经等离子体化学气相沉积技术通过提高基底温度实现类富勒烯碳与类石墨碳转变，采用辅助电源加热使基底温度控制在150-350℃，调整脉冲偏压至800-1000 V，导通比0.5-0.7，频率30-80 KHz，甲烷气体气压保持在14-18 Pa，甲烷与氢气压比1:1-1:3可调；测试结果薄膜硬度6-12GPa，厚度1-10微米，表面光洁度0.05-0.5nm；

3）经等离子体化学气相沉积技术通过提高基底偏压实现类富勒烯碳与洋葱碳转变，调整脉冲偏压至1200-1500V，导通比0.5-0.7，频率30-80 KHz，甲烷气体气压保持在14-18 Pa，甲烷与氢气压比1:1-1:3可调；测试结果薄膜硬度23-35GPa，厚度0.8-8微米，表面光洁度0.1-0.6nm；

4）经等离子体化学气相沉积技术通过减少氢和提高基底温度实现类石墨碳与石墨烯转变，采用辅助电源加热使基底温度控制在150-350℃，调整脉冲偏压至800-1000 V，导通比0.5-0.7，频率30-80 KHz，甲烷气体气压保持在14-18 Pa，甲烷与氢气压比1:0-1:1可调；测试结果薄膜硬度6-12GPa，厚度1-10微米，表面光洁度0.05-0.5nm。

所述沉积类富勒烯碳纳米结构薄膜过程中加入含氮、氢、氟、硫、硅元素的气体中的一种或几种。

本发明类富勒烯碳与类石墨碳通过提高基底温度进行转变；类富勒烯碳与洋葱碳通过提高基底偏压进行转变；类石墨碳与石墨烯经减少氢和提高基底温度来完成；基底材料可以为硅及钢材料。如图1所示。通过膜膜配对摩擦系数可以降低至0.01以下。