一种非晶金刚石涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开一种非晶金刚石涂层的制备方法，在氖气气氛或含氖气的混合气氛中对基材进行磁控溅射沉积，功率为0.3‑5kW，衬底偏压为‑50～‑500V，沉积时间为1～3小时，得到非晶金刚石涂层，所述磁控溅射沉积采用的磁控源为纯度大于99.9％的单质石墨靶。该方法具有成本低、制备速度快、可大面积均匀沉积、适应复杂沉积表面的优点，具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于磨具
，涉及一种非晶金刚石涂层的制备方法。技术背景碳基涂层(如金刚石、类金刚石DLC、非晶金刚石ta-C等)具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数和热膨胀系数、高弹性模量、良好的化学稳定性以及与非铁族亲和弱等优异性能，被广泛应用于刀具、模具、精密零部件、微电子等领域。其中，非晶金刚石ta-C是一种四面体无定形非晶碳，其金刚石sp3键含量高达80％以上，结构和性能非常接近金刚石(100％sp3)，具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦自润滑性、高热导系数、等特性低热膨胀系数、良好的化学稳定性以及与非铁族亲和弱等优异性能。相比传统的DLC涂层(a-C或a-C:H)，ta-C涂层sp3键含量高，且不含有氢，具有更高的硬度(高达80GPa)、密度和热稳定性(>500℃)。此外，与金刚石涂层相比，ta-C涂层具有(1)无晶界的光滑表面；(2)低温生长(<150C)(金刚石涂层沉积通常>700C)；(3)工艺参数可调，使涂层结构和性能可在大范围内剪裁等优点。因此，ta-C涂层有望取代昂贵的CVD沉积微晶金刚石涂层应用在钻头，刀片，立铣刀等刀具上，进一步应用于轻合金(铝合金)、金属基复合材料、工程陶瓷、纤维增强复合塑料等难加工材料的切削加工。同时，ta-C作为理想的耐磨材料，还应用于内表面要求耐磨和低粗糙度的场合，如内燃机活塞环、拉丝模、紧压模、各种模具等。非晶金刚石ta-C的制备关键是sp3键的形成，需要高离化率的碳离子束流。目前ta-C的制备技术主要有电弧蒸发沉积(Cathodic arc evaporation,CVA)、激光蒸发沉积(Pulsed laser deposition,PLD)、磁控溅射等技术。CVA和PLD虽然能获得较高离化率的碳粒子束，但石墨靶材的蒸发易产生大颗粒，而且涂层横向沉积速率不均匀，不能大面积镀膜。现在较为主流的制备技术是FCVA，采用电磁过滤系统将宏观大颗粒过滤，获得离化率接近100％的碳离子束流，但过滤导致沉积速率大幅下降，涂层成本提升。此外，受磁场约束的碳离子流横截面小，很难应用于大尺寸工件镀膜。而磁控溅射不会产生大颗粒，能实现大面积均匀沉积，但是传统磁控溅射难以获得高离化率的碳粒子束合成sp3键。因此，寻求一种能、大面积、快速、低成本、适应复杂工件表面均匀沉积、高质量的非晶金刚石制备方法是目前实现非晶金刚石涂层推广应用所急需解决的问题。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供提供一种非晶金刚石涂层的制备方法，该方法中的磁控溅射碳离化率高，制备的非晶金刚石涂层具有高密度、高sp3键含量优点，具有成本低、制备速度快、可大面积均匀沉积、适应复杂沉积表面的优点，具有很好的应用前景。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种非晶金刚石涂层的制备方法，在氖气气氛或含氖气的混合气氛中对基材进行磁控溅射沉积，功率为0.3-5kW，衬底偏压为-50～-500V，沉积时间为1～3小时，得到非晶金刚石涂层，所述磁控溅射沉积采用的磁控源为纯度大于99.9％的单质石墨靶。本专利技术所用的基材包括硅片和合金基材，具体没有特殊限制。优选的，对上述基材的待沉积表面进行辉光预处理，具体是在氩气气氛中对基材进行轰击刻蚀，以除去表面的氧化层，提高涂层与基材的结合力。优选的，所述预处理过程中，所述氩气气氛的压力为0.5～1Pa。优选的，所述预处理过程中，衬底偏压设置为-100～-1000V，时间为30-180min。优选的，所述氖气或含氖气的混合气氛的压强为0.3～3Pa。优选的，所述含氖气的混合气氛为氖气和氩气的混合气氛，所述混合气氛中氖气的分压百分比为10％～90％。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用电离能高的氖气或含氖气的混合气体作为溅射气体，能提高电子温度，进而提高碳粒子离化率，获得高sp3键含量的非晶金刚石ta-C涂层，同时本专利技术的方法能够实现低成本、大面积、快速沉积得到涂层，且能适应复杂表面实现均匀沉积，所制备的非晶金刚石ta-C涂层sp3含量高、结构致密，性能优异。具体实施方式本专利技术可通过如下的实施例进一步的说明，但实施例不是对本专利技术保护范围的限制。实施例1非晶金刚石ta-C涂层的制备具体如下：用酒精超声波清洗硅片基体，然后用去离子水漂洗，用干燥压缩空气吹干，在高功率脉冲等离子体增强型复合磁控溅射设备GDUT-HAS500型镀膜机(磁控溅射源为纯度为99.9％的石墨靶)的真空室中将基体置于工件支架上，将真空室抽真空至5.0×10-3Pa以下，向真空室通入100sccm氩气，使真空室压力为1Pa，开启衬底偏压进行预处理，预处理过程设置衬底偏压-500V，预处理时间为30分钟；然后开启磁控溅射源进行磁控溅射沉积，沉积过程中向真空室通入10sccm氖和90sccm氩(氖气占10％)，控制气压0.5Pa，设置功率为2kW，偏压为-100V，沉积时间为2小时，沉积完成后待真空室温度降至室温，即在基体表面制备得到非晶金刚石ta-C涂层。对硅片上制备的ta-C涂层样品进行测试，具体采用D8 Discover型XRR测试涂层密度达2.8g/cm3，采用AXIS ULTRADLD型X光电子谱测得sp3键含量62％、用NANO G200纳米压痕测试测得涂层的硬度达到30GPa。实施例2用酒精超声波清洗硅片基体，然后用去离子水漂洗，用干燥压缩空气吹干，在高功率脉冲等离子体增强型复合磁控溅射设备GDUT-HAS500型镀膜机(磁控溅射源为纯度为99.9％的石墨靶)的真空室中将基体置于工件支架上，将真空室抽真空至5.0×10-3Pa以下，向真空室通入100sccm氩气，使真空室压力为1Pa，开启衬底偏压进行预处理，预处理过程设置衬底偏压-500V，预处理时间为30分钟；然后开启磁控溅射源进行磁控溅射沉积，沉积过程中向真空室通入90sccm氖气和10sccm氩气(氖气占90％)，控制气压0.5Pa，设置磁控溅射功率2kW，同时偏压设置为-100V，沉积时间为2小时，沉积完成后待真空室温度降至室温，即在基体表面制备得到非晶金刚石ta-C涂层。参照实施例1的测试方法，测得所制备的非晶金刚石ta-C涂层的密度达3.3g/cm3，sp3键含量在75％以上，硬度达到38GPa。实施例3用酒精超声波清洗硅片基体，然后用去离子水漂洗，用干燥压缩空气吹干，在高功率脉冲等离子体增强型复合磁控溅射设备GDUT-HAS500型镀膜机(磁控溅射源为纯度为99.9％的石墨靶)的真空室中将基体置于工件支架上，将真空室抽真空至5.0×10-3Pa以下，向真空室通入100sccm氩气，使真空室压力为1Pa，开启衬底偏压进行预处理，预处理过程设置偏压-500V，预处理时间为30分钟；然后开启磁控溅射源进行磁控溅射沉积，沉积过程中向真空室通入50sccm氖气和50sccm氩气(氖气占50％)，控制气压0.5Pa，设置磁控溅射功率2kW，同时偏压设置为-100V，沉积时间为2小时，沉积完成后待真空室温度降至室温，即在基体表面制备得到非晶金刚石ta-C涂层。参照实施例1的制备方法，经过密度、X光电子谱、纳米压痕测试，所制备的非晶金刚石ta-C涂层的密度达3g/cm3，sp3键含量为65％，硬度达到34GPa。对比实施例用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非晶金刚石涂层的制备方法，在氖气气氛或含氖气的混合气氛中对基材进行磁控溅射沉积，功率为0.3‑5kW，衬底偏压为‑50～‑500V，沉积时间为1～3小时，得到非晶金刚石涂层，所述磁控溅射沉积采用的磁控源为纯度大于99.9％的单质石墨靶。

【技术特征摘要】
1.一种非晶金刚石涂层的制备方法，在氖气气氛或含氖气的混合气氛中对基材进行磁控溅射沉积，功率为0.3-5kW，衬底偏压为-50～-500V，沉积时间为1～3小时，得到非晶金刚石涂层，所述磁控溅射沉积采用的磁控源为纯度大于99.9％的单质石墨靶。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氖气或含氖气的混合气氛的压强为0.3～3Pa。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含氖气的混合气氛为氖气和氩气的混合气氛，所述混合气氛中氖气...

【专利技术属性】
技术研发人员：代伟，王启民，刘景茂，耿东森，高翔，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44