[发明专利]人造金刚石薄膜快速生长的方法

说明书

本发明涉及一种人造金刚石薄膜快速生长的方法，属于化学气相沉积领域。

金刚石的物理、电、气、光、热及电子特性在许多方面都优于其它材料，其最显著的特性包括高热导率、硬度比其它的涂层材料高几个数量级和高的迁移率。金刚石薄膜的应用十分广泛，遍布在各个领域，特别是近年来人造金刚石薄膜技术引起世界各国广泛的重视，出现蓬勃发展的局面，当前金刚石合成方法有很多种，主要是向保护减压下的等离子发生室及反应室导入含有碳化氢或氧化碳形成薄膜的气体，从外部对该气体施加磁场以及微波电力，使其在10^-5Pa直至常压下均可生长成金刚石膜，这就是近期发展的化学气相沉积（CVD）制造金刚石薄膜的方法，全部反应过程是在微波等离子体CVD设备内完成的。日本特开平5-5179公开了用抽真空加热工件，通入等离子气体和碳化氢气体形成沉积薄膜。欧洲专利923036909公开了抽真空通入等离子体碳化氢气体和粉沫金属或非金属材料形成薄膜。日本特开平4-280894公开了在工件上涂覆微粉金属或非金属材料形成薄膜，这些方法普遍存在成膜时间长（10μm/h），成本高，涂覆层与金属件结合不牢固，且难以工业化生产等缺陷。

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种新的人造金刚石薄膜快速生长技术，采用在工件表面涂覆碳氢化物催化剂，沉积速度可达1.5mm/时，工件表面温度也由过去高温条件下降到700℃，降低了成本，使等离子化学气相沉积工艺向实用化迈出一大步。

实现本发明的技术方案是：

1.制备含催化剂涂覆料

将催化剂甲苯与聚乙烯进行混溶，然后加入粒度＜1.5μm的金刚石微粉进行充分搅拌使其混匀，其比例甲苯、聚乙烯、金刚石微粉为7～9.5∶3～0.5∶1～4。

2.金刚石薄膜快速生长工艺

金属材料钼、钛工件，用粒度＜1.5μm的金刚石微粉打磨其表面，清除油污增强附着力，然后涂覆有催化剂甲苯、聚乙烯与金刚石微粉混合在一起的涂覆料，经涂覆后的工件放入微波等离子体合成金刚石薄膜装置的真空反应区内，抽真空使其真空度达到Pa^-1后，系统中的氧气含量不得超过0.05‰，先充入氢气，再通入甲烷气或碳氢化合物，其比例氢气∶甲烷气或碳氢化合物为99～99.8∶1～0.2，打开微波电源微波放电，在反应室内发生电离，甲烷气或碳氢化物分解，混合气流量为0.3～0.5m³/分，反应区的压力为0.3Pa，工件表面温度为700～1050℃，微波电离反应时间1小时，放入反应室的工件表面，热沉上1.5mm厚的人造金刚石薄膜，沉积速度为1.5mm/h。

3.微波等离子体CVD设备

本发明选用的MWPCVD设备系中科院沈阳仪器制作中心产品，主要技术指标：

本底真空度：6.6×10^-3Pa

工作真空度：1-10^-4Pa

工作主要气体：氢气、碳氢化物、甲烷气。

该设备参见示意图1，一根石英玻璃放电管（1）插入在微波谐振腔（2）中，与圆波导谐振腔（2）共轴，腔的一个端面是一个可调谐的活塞（3），微波功率通过耦合器输入谐振腔（2）。放电管的一端输入反应气体（4），另一端与反应室（5）相通，并对着工件台面（6）上的工件，反应室（5）与真空系统（7）连接，在注入反应气体之前，系统抽真空，注入气体（8）之后，真空系统抽速与注入气体流量两个因素一起控制放电管和反应室的工作压强。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明生产工艺采用含碳氢化物催化剂涂装在工件表面，通过微波化学气相沉积生产类金刚石薄膜沉积速度可达1.5mm/h。

2.本发明生产工艺其工件表面温度，由过去高温条件下降到700℃，降低了成本。

3.本发明等离子化学气相沉积技术，在金属钼、钛部件上沉积的是以无定形金刚石为基础的硬层沉积方法，大大改进了部件表面性能，特别是提高其耐磨性或耐腐蚀性，适合工业部门大规模生产。

4.本发明生产工艺可广泛用于工业各部门，如五金刀具、磨料割具、燃气轮机活塞、缸体、模具内腔保护层、机械传动部件抗磨擦部位、有机玻璃抗磨擦保护层等。

附图：

图1：微波等离子体气体沉积设备示意图

图示：1-石英放电图  2-谐振腔  3-可调谐活塞

4-反应气体入口  5-反应器  6-基片台

7-接真空系统  8-气体注入口

实施例：