功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品技术

本发明专利技术涉及一种功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品。该功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法包括：(1)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在工件表面沉积金属基底层；(2)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在所述金属基底层的表面沉积金属氮化物过渡层；(3)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属氮化物过渡层的表面沉积碳化钨梯度层；(4)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述碳化钨梯度层的表面沉积类金刚石碳装饰层。本发明专利技术提供的制备方法制得功能梯度的类金刚石碳薄膜不仅具有高光泽度、高界面结合强度、高表面硬度的优点，并且耐磨损、耐腐蚀、防刮花性能优良。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜材料
，特别是涉及功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品。
技术介绍
类金刚石碳(Diamond-like Carbon，DLC)薄膜是一种与金刚石膜性能相似的新型薄膜材料，它具有较高的硬度，良好的热传导率，极低的摩擦系数，优异的电绝缘性能，高的化学稳定性及红外透光性能等，已被广泛应用到机械、电子、光学和医学等各个领域。类金刚石薄膜涂层的表面由大量非晶碳簇束组成，其表面均匀、致密，是一种优异的表面抗磨损改性膜。相对一般金刚石膜层而言，类金刚石薄膜沉积温度较低，沉积面积大，膜面平整光滑，工艺比较成熟，并且其弹性模量较小、热膨胀系数较大，可在一定程度下缓解金刚石晶粒之间的相互作用、缓冲薄膜内应力，从而表现出更好的附着力。目前，类金刚石薄膜摩擦性能的研究主要集中考察其在惰性气体和空气条件下的摩擦学行为，而在水润滑和油润滑方面的研究工作基本尚未开展；同时，DLC膜还存在薄膜-基体结合力差、高温不稳定、摩擦磨损性能受环境影响大等缺陷。研究表明，通过在DLC薄膜中掺杂其他的金属元素(Ag、Cr、Cu、Fe、Ti等)或者非金属元素(N、Si、F、P、Cl等)可以较好地提高薄膜的力学和摩擦学性能。非金属元素掺杂一般用来降低表面能和改善热稳定性，而金属元素掺杂用来提高硬度和耐磨性，降低摩擦系数。但是由于掺杂对类金刚石薄膜摩擦性能影响的规律比较复杂，许多问题还需要进行更深入的研究。同时，掺杂元素在类金刚石薄膜中的存在状态及其掺杂对类金刚石薄膜质量及性能的影响规律等还存在着一些争议。因此，需要进一步深化对掺杂类金刚石膜的掺杂机理研究，不断完善掺杂理论和掺杂工艺方法从而解决实际应用中存在的问题。进一步地，DLC薄膜中sp2和sp3的含量、H的含量以及薄膜的微观结构是影响DLC薄膜性能的主要参数，而薄膜中sp2和sp3杂化键含量、H含量以及薄膜的微观结构与制备方法及工艺密切相关。目前，DLC薄膜的制备主要采用气相沉积方法。根据气相沉积方法原理的不同，可分为物理气相沉积(Physical Vapor Deposition)和化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)。物理气相沉积方法的成膜过程比较易控制，膜层致密，但均匀性较差；化学气相沉积方法镀膜面积较大，均匀性较好，可绕射性好，但是成膜温度高，且膜层致密性较差。此外，传统离子镀膜技术多为单一的阴极弧离子镀或磁控溅射离子镀，分别存在着表面大颗粒污染使薄膜表面粗糙度偏高以及离化率偏低导致薄膜结构不够致密等技术缺陷。低温制备类金刚石薄膜的新型制备工艺主要包括电子回旋微波等离子体沉积、磁过滤真空阴极电弧沉积、等离子注入沉积和高功率脉冲磁控溅射及其复合工艺等。例如，现有技术采用高功率脉冲磁控放电等离子注入沉积的方法在SU201不锈钢基体上制备了包含高结晶度CrN纳米粒子的DLC薄膜，结果发现该方法所制备DLC膜具有很好的薄膜-基体结合力(临界载荷66.8N)和较高的纳米硬度(最高可达24.3GPa)。然而，由于诸如电子回旋微波等离子体沉积、磁过滤真空阴极电弧沉积、等离子注入沉积和高功率脉冲磁控溅射等离子镀膜技术所带来的高昂工艺成本，使得这些新型工艺技术远未达到商业化推广程度。此外，目前关于DLC薄膜的沉积工艺研究重点关注于提高膜-基体结合力、硬度和韧性的理想匹配等，大都忽略了高表面光洁度和色泽等装饰需求，例如生产环节的中间层或过渡层薄膜沉积过程中不可避免产生的大颗粒等，必然会影响DLC薄膜装饰层的表面质量。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种具有高光泽度、高界面结合强度、高表面硬度，并且耐磨损、耐腐蚀、防刮花性能优良的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法。一种功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在工件的表面沉积金属基底层；(2)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在所述金属基底层的表面沉积金属氮化物过渡层；(3)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属氮化物过渡层的表面沉积碳化钨梯度层；(4)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述碳化钨梯度层的表面沉积类金刚石碳装饰层。在其中一个实施例中，步骤(1)之前还包括金属离子和高能电子联合轰击的清洗与刻蚀步骤，所述清洗与刻蚀步骤在离子镀膜机中进行，所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材以及用于放置所述工件的反应炉；所述清洗与刻蚀步骤的工艺条件如下：保持所述反应炉内的真空度为2×10-3～5×10-3Pa；所述空心阴极电子枪的电流为80A～120A；对所述工件施加的脉冲负偏压为-1000V～-400V；所述阴极金属靶材的弧靶电流为80A～120A；所述清洗与刻蚀的时间为10min～20min，并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。进行该清洗与刻蚀步骤时，所述阴极金属靶材优选为与金属基底层的材料相同。上述清洗与刻蚀步骤的工艺条件优选如下：保持所述反应炉内的真空度为2×10-3～3×10-3Pa；所述空心阴极电子枪的电流为100A～120A；对所述工件施加的脉冲负偏压为-800V～-500V；所述阴极金属靶材的弧靶电流为100A～120A；所述清洗与刻蚀的时间为10min～20min，并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。在其中一个实施例中，步骤(2)沉积所述金属氮化物过渡层后，还包括金属氮化物过渡层的后处理步骤：所述后处理步骤在离子镀膜机中进行，所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪以及用于放置沉积有所述金属氮化物过渡层的工件的反应炉；所述后处理步骤的工艺条件如下：于所述反应炉中通入N2和/或Ar，并保持所述反应炉内真空度为2×10-2～5×10-2Pa；所述空心阴极电子枪的电流为120A～160A；对沉积有所述金属氮化物过渡层的工件施加的脉冲负偏压为-200V～-100V；所述后处理的时间为2min～10min，离子轰击的能量控制为1KeV～3KeV，并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。上述后处理步骤的工艺条件优选如下：于所述反应炉中通入Ar或N2和Ar，并保持所述反应炉内真空度为2×10-2～3×10-2Pa；最优选为同时通入N2和Ar，二者的流量比为Ar：N2＝60～70％：25～40％；所述空心阴极电子枪的电流为120A～160A；对沉积有所述金属氮化物过渡层的工件施加的脉冲负偏压为-200V～-190V；所述后预处理的时间为3min～7min，轰击的能量控制为1KeV～2KeV，并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。在其中一个实施例中，步骤(1)在离子镀膜机中进行，所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材以及用于放置所述工件的反应炉；步骤(1)的工艺条件如下：于所述反应炉中通入适量Ar，并保持所述反应炉内真空度为2.0×10-3～5.0×10-3Pa；所述空心阴极电子枪的电流为80A～120A；对所述工件施加的脉冲负偏压为-200V～-100V；所述阴极金属靶材的弧靶电流为50A～100A；所述沉积的时间为5min～10min，并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。步骤(1)的工艺条件优选如下：于所述反应炉中通入适量Ar，并保持所述反应炉内真空度为2×10-3～3×10-3Pa；所述空心阴极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在工件的表面沉积金属基底层；(2)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在所述金属基底层的表面沉积金属氮化物过渡层；(3)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属氮化物过渡层的表面沉积碳化钨梯度层；(4)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述碳化钨梯度层的表面沉积类金刚石碳装饰层。

【技术特征摘要】
1.一种功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在工件的表面沉积金属基底层；(2)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在所述金属基底层的表面沉积金属氮化物过渡层；(3)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属氮化物过渡层的表面沉积碳化钨梯度层；(4)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述碳化钨梯度层的表面沉积类金刚石碳装饰层。2.权利要求1所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)之前还包括金属离子和高能电子联合轰击的清洗与刻蚀步骤，所述清洗与刻蚀步骤在离子镀膜机中进行，所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材以及用于放置所述工件的反应炉；所述清洗与刻蚀步骤的工艺条件如下：保持所述反应炉内的真空度为2×10-3～5×10-3Pa；所述空心阴极电子枪的电流为80A～120A；对所述工件施加的脉冲负偏压为-1000V～-400V；所述阴极金属靶材的弧靶电流为80A～120A；所述清洗与刻蚀的时间为10min～20min，并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。3.权利要求1所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)沉积所述金属氮化物过渡层后，还包括所述金属氮化物过渡层的后处理步骤：所述后处理步骤在离子镀膜机中进行，所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪以及用于放置沉积有所述金属氮化物过渡层的工件的反应炉；所述后处理步骤的工艺条件如下：于所述反应炉中通入N2和/或Ar，并保持所述反应炉内真空度为2×10-2～5×10-2Pa；所述空心阴极电子枪的电流为120A～160A；对沉积有所述金属氮化物过渡层的工件施加的脉冲负偏压为-200V～-100V；所述后处理的时间为2min～10min，离子轰击的能量控制为1KeV～3KeV，并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。4.权利要求1-3任一项所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)在离子镀膜机中进行，所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材以及用于放置所述工件的反应炉；步骤(1)的工艺条件如下：于所述反应炉中通入适量Ar，并保持所述反应炉内真空度为2.0×10-3～5.0×10-3Pa；所述空心阴极电子枪的电流为80A～120A；对所述工件施加的脉冲负偏压为-200V～-100V；所述阴极金属靶材的弧靶电流为50A～100A；所述沉积的时间为5min～10min，并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。5.权利要求1-3任一项所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)在离子镀膜机中进行，所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材以及用于放置沉积有所述金属基底层的工件的反应炉；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵可沦，王永宁，彭继华，刘海华，宋鹏涛，
申请(专利权)人：珠海罗西尼表业有限公司，华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44