一种强化处理的类金刚石薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于类金刚石薄膜制备的技术领域，公开了一种强化处理的类金刚石薄膜及其制备方法。所述方法：将类金刚石涂层样品进行深冷处理，获得强化处理的类金刚石薄膜；所述类金刚石涂层样品中类金刚石涂层的sp3C体积含量为42％

【技术实现步骤摘要】
一种强化处理的类金刚石薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属表面改性技术，特别涉及一种强化处理的类金刚石薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]类金刚石涂层是由sp3C形成空间网络并含sp2C的非晶或非晶
‑
纳米晶复合结构组成的材料。类金刚石涂层具有优异的物理、力学、化学、光学、电学、热学性能，尤其具有高硬度、低摩擦系数、宽范围光波透过性、优异的场发射电子性能、生物相容性等，在诸多领域得到广泛应用。在先进制造业的工模具、齿轮、轴承、生物医学植入器件、MEMS及传感器等表面通过类金刚石涂层改性可以大幅度地提高工件/元器件的使用寿命。类金刚石涂层的诸多性能受制于其组成相(杂化sp3C及杂化sp2C)的相对含量，尤其sp3C的相对含量对涂层的力学性能起着决定性作用。
[0003]类金刚石涂层sp2C/sp3C含量比值的调控方法主要包括：1)涂层制备中工艺参数、掺杂，如专利申请CN109402576A在类金刚石薄膜中掺氟、CN111020512A在涂层中掺银/铜；2)涂层后处理手段，如专利申请CN113355644A报道的离子浸没植入、CN109943824A报道的退火后处理等。当前所有的类金刚石涂层后处理方法带来的突出问题是：处理后无一例外地导致类金刚石涂层中sp3C含量减少、硬度降低。迄今缺少行之有效的提高类金刚石涂层中sp3C含量、使涂层获得强化的后处理技术。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种强化处理的类金刚石薄膜及其制备方法。本专利技术采用类金刚石涂层的深冷后处理、通过深冷实现sp2C
→
sp3C的相转变，达成了提高类金刚石涂层中sp3C含量、使涂层强化的目标。
[0005]本专利技术同时解决了以下主要技术问题：1)实现上述深冷相变必须满足的类金刚石涂层初始组织条件，尤其涂层初始sp3C含量；2)优化的深冷处理工艺参数。
[0006]根据碳的压力(P)
‑
温度(T)相图，低温状态时在较低的压力下sp3C可处于稳定态，导致sp2C
→
sp3C相转变，但必须克服转变能垒。分子动力学模拟表明室温下当局部应力达到20GPa时可实现上述相转变。类金刚石涂层由刚性sp3C框架及易于滑动变形的无序石墨及无序石墨团簇组成。深冷处理可为诱导sp2C＝C
→
sp3C
‑
C相转变创造以下条件：1)因为组成相及缺陷的热膨胀系数差异、刚性sp3C框架对涂层中易滑动sp2碳团簇的限制，深冷处理将在涂层内部产生巨大的局部压应力；2)微区碳簇内发生的相转变所释放的弹性能足以克服所需的转变能垒。因此，要求初始涂层具有适量的框架刚性，即具有适量的sp3C含量范围。如果刚性不足，则对碳团簇约束不够，不足以产生足够大的局部内应力和弹性能累积，则sp2C
→
sp3C的相转变不能发生；如果刚性太大，积累太大的局部内应力将导致刚性框架的溃塌，也不利于上述转变的产生。因此类金刚石涂层的初始组织调控及深冷工艺参数将确定上述相转变的可行性。
[0007]本专利技术首先低成本地制备sp3C含量适中的DLC涂层，然后通过设计的深冷处理方式使涂层中的局部区域发生sp2C
→
sp3C的相转变，从而通过深冷后处理提高涂层sp3C含量及涂层的硬度。
[0008]本专利技术目的通过如下技术方案实现：
[0009]一种强化处理的类金刚石薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0010]将类金刚石涂层样品进行深冷处理，获得强化处理的类金刚石薄膜；
[0011]所述类金刚石涂层样品中类金刚石涂层的sp3C体积含量为42％
‑
75％；
[0012]所述深冷处理的条件：于
‑
100～
‑
196℃保温处理4～8h，优选为
‑
120～
‑
160℃处理4～8h。
[0013]深冷处理时，先以1～10℃/min的速率降温至深冷处理的温度，保温，再以1～10℃/min的速率升温至室温。
[0014]所述深冷处理具体为将类金刚石涂层样品置于程控深冷处理装置中，先以1～10℃/min的速率降温至深冷处理的温度，保温，再以1～10℃/min的速率升温至室温。
[0015]所述强化处理的类金刚石薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
[0016]S1)刻蚀活化：采用等离子体将表面洁净的导电金属样品进行刻蚀活化；步骤S1的具体步骤：经过超声清洗后的导电金属样品置于高等离子体密度的气相沉积装备的真空室中，利用氩等离子体对施加负脉冲偏压的导电金属样品表面进行刻蚀活化；
[0017]S2)磁控溅射制备Cr
‑
WC过渡层：采用磁控溅射的方法在经过刻蚀活化的导电金属样品表面先沉积Cr层，然后沉积WC层，获得Cr
‑
WC过渡层；
[0018]S3)类金刚石涂层的制备：采用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)或物理气相沉积法(PVD)在Cr
‑
WC过渡层上制备类金刚石涂层；
[0019]S4)将上述类金刚石涂层的样品进行深冷处理，获得强化处理的类金刚石薄膜。
[0020]步骤S1)中所述导电金属为铁基、铜基、钛基等导电金属。
[0021]步骤S1)中所述刻蚀活化：在真空室的背底真空低于5x10
‑3Pa后，通过离子源通入氩气使真空室维持压强为0.05～0.15Pa，开启离子源轰击清洗试片施加工件偏压
‑
150～
‑
250V；期间维持直流弧电流为15～25A；离子轰击清洗的时间为30～60分钟；根据刻蚀时的上述条件样品温度达到60
‑
80℃；
[0022]步骤S2)中采用磁控溅射方法时，通入真空室氩气并维持压强为0.05～0.15Pa；首先开动Cr金属靶，沉积200～400nm厚Cr层后关闭；然后开动WC靶，沉积200～400nm后关闭；涂制结束后关闭磁控溅射；
[0023]所述磁控溅射采用双极脉冲直流电源，负脉冲电压
‑
500～
‑
750V，正脉冲电压+80～+120V，频率2000～3000Hz，占空比60～80％。在本专利技术的条件下，能够获得超细晶过渡层组织、同时降低残余内应力、提高膜基结合力。
[0024]步骤S3)中采用PECVD模式制备类金刚石涂层：
[0025]将碳氢气体或碳氢气和氩气的混合气体通入真空室，开通辅助直流线圈，调节电流强度设置闭合磁场强度，施加脉冲偏压于试样基底并在表面制备含氢的类金刚石涂层；
[0026]所述直流线圈以真空室轴线为对称轴对称布置，所获得磁场在真空室内均匀分布，该磁场使真空室内的荷电粒子获得洛伦兹力、运动轨迹呈螺旋线，增强粒子间的碰撞几率，从而调制真空室内等离子体的离化率，线圈电流1～3A；所述偏压为双极脉冲偏压，负脉<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强化处理的类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将类金刚石涂层样品进行深冷处理，获得强化处理的类金刚石薄膜；所述类金刚石涂层样品中类金刚石涂层的sp3C体积含量为42％
‑
75％；所述深冷处理的条件：于
‑
100～
‑
196℃保温处理4～8h。2.根据权利要求1所述强化处理的类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于：所述深冷处理的温度为
‑
120～
‑
160℃；深冷处理时，先以1～10℃/min的速率降温至深冷处理的温度，保温，再以1～10℃/min的速率升温至室温。3.根据权利要求1所述强化处理的类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1)刻蚀活化：采用等离子体将表面洁净的导电金属样品进行刻蚀活化；S2)磁控溅射制备Cr
‑
WC过渡层：采用磁控溅射的方法在经过刻蚀活化的导电金属样品表面先沉积Cr层，然后沉积WC层，获得Cr
‑
WC过渡层；S3)类金刚石涂层的制备：采用等离子体增强化学的气相沉积法或物理气相沉积法在Cr
‑
WC过渡层上制备类金刚石涂层；S4)将上述类金刚石涂层的样品进行深冷处理，获得强化处理的类金刚石薄膜。4.根据权利要求3所述强化处理的类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于：步骤S2)中磁控溅射制备Cr
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WC过渡层：向真空室通入氩气并维持压强为0.05～0.15Pa；首先开动Cr金属靶，Cr金属靶功率为3.0～4.5kW，沉积10～20分钟，沉积200～400nm厚Cr层后关闭Cr金属靶；然后开动WC靶，WC靶功率为3.5～4.5kW，沉积20～40分钟，沉积200～400nm度的WC层后关闭WC靶；涂制结束后关闭磁控溅射；所述磁控溅射采用双极脉冲直流电源，负脉冲电压
‑
500～
‑
750V，正脉冲电压+80～+120V，频率2000～3000Hz，占空比60～80％。5.根据权利要求3所述强化处理的类金刚石薄膜的制备方法，其特征在于：步骤S3)中采用等离子增强化学气相模式制备类金刚石涂层：将碳氢气体或碳氢气和氩气的混合气体通入真空室，维持真空室压强为0.8
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1.0Pa；开通辅助直...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭继华，彭瀛龙，肖扬，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：