一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法。采用离子源辅助阴极电弧沉积技术，配置两个不同特性的双激发源阴极电弧镀膜装置，其中一个为直流电弧蒸发阴极源，用于安装铝靶材，另一个为脉冲电弧蒸发阴极源，用于安装石墨靶；沉积过程中以氮气作为反应气体，利用离子源将氮气(N2)电离为离子氮(N+)，通过旋转工件，使安装在直流电弧蒸发阴极源和脉冲电弧蒸发阴极源的铝靶和石墨靶，实现在工件表面的溅射沉积，获得成分可控的铝氮共掺类金刚石复合薄膜。本发明专利技术中，N以离子形式掺入，促使类金刚石复合薄膜中形成硬质氮化铝（AlN）和金属Al纳米晶颗粒；具有表面光滑、高硬度、高韧性、低应力的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法
本专利技术涉及一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法，属于类金刚石复合薄膜制备

技术介绍
类金刚石薄膜作为固体润滑涂层中最重要的一类薄膜，被广泛的应用在高速切削刀具以及模具保护等方面。然而，类金刚石薄膜自身仍然存在一些亟需解决的问题如：类金刚石薄膜的高内应力及高内应力而引起膜基结合强度低等问题发生分层、剥落或失效；同时为了解决其内应力而进行掺杂金属元素所造成的薄膜硬度下降等问题。因此，解决上述制约类金刚石薄膜应用的问题显得尤为关键和迫切。类金刚石薄膜与基体材料的热膨胀系数不匹配造成的界面应力或热应力是膜基结合强度低的原因之一。综合国内外研究分析，为了减小膜基之间物性差异，常在类金刚石薄膜中掺入异质元素来缓解类金刚石薄膜内应力积累和薄膜脆性的问题。研究表明，通过合理控制掺杂元素与类金刚石薄膜中相互交联碳基质网络的成键方式、薄膜表面化学状态、薄膜成分，可以提高膜基结合强度及机械强度。首先，对于金属元素Al掺杂类金刚石薄膜而言，“中等硬度”的Al元素掺入类金刚石薄膜中，可与碳形成弱键合碳化物，将大幅度提高薄膜的韧性，但会在一定程度上降低薄膜的硬度。在类金刚石薄膜中掺入非金属元素N后，N原子将取代薄膜中C-C键中的碳原子，促使薄膜中的sp2杂化键向sp3杂化键转变，提高薄膜的金刚石特性，但不会明显改善薄膜的韧性。然而，对于Al、N双元素共掺类金刚石薄膜的研究少见。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法，结合金属掺杂和非金属掺杂类金刚石薄膜的优势，选择非金属N元素和金属Al元素作为掺杂剂，该方法通过合理调控薄膜的微观结构和成分，可以制备出包含AlN纳米颗粒强化相、单质Al纳米颗粒增韧相的铝氮共掺类金刚石复合薄膜。本专利技术中，N以离子形式掺入，促使类金刚石复合薄膜中形成氮化铝AlN和金属Al纳米晶颗粒；氮化铝纳米晶颗粒作为机械强化相能够提高类金刚石薄膜的硬度，Al纳米晶颗粒均匀镶嵌在非晶碳网络基质中，能够充分发挥金属塑性变形作用，通过释放应变，极大地提高薄膜的韧性。在采用阴极电弧沉积技术制备Al、N双元素共掺类金刚石薄膜过程中，金属靶材和石墨靶材在高温电弧的作用下容易产生大量的宏观颗粒，导致薄膜表面变得粗糙而大大降低了薄膜的性能。为了消除宏观颗粒在类金刚石薄膜沉积过程中的不利影响，本专利技术改变了氮源的掺入方式，采用离子源辅助阴极电弧沉积技术将惰性的氮气(N2)电离为高活性离子氮(N+)，配合直流和脉冲双激发源阴极等离子体沉积装置，在工件表面制备了表面光滑的铝氮共掺类金刚石复合薄膜。通过合理控制薄膜中铝氮两种元素的含量，可以达到类金刚石薄膜的韧性与硬度最佳匹配。这对类金刚石薄膜在工程领域应用的进一步推广至关重要。本专利技术提供了一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法，采用离子源辅助阴极电弧沉积技术，配置两个不同特性的双激发源阴极电弧镀膜装置，其中一个为直流电弧蒸发阴极源，用于安装铝靶材，另一个为脉冲电弧蒸发阴极源，用于安装石墨靶；薄膜沉积之前，先通入Ar和N2混合气体，采用离子源对工件表面进行溅射清洗；薄膜沉积过程中，以氮气作为反应气体，利用离子源将氮气(N2)电离为离子氮(N+)，通过旋转工件，使安装在直流电弧蒸发阴极源和脉冲电弧蒸发阴极源的的铝靶和石墨靶，实现在工件表面的溅射沉积，获得成分可控的包含AlN纳米颗粒强化相、单质Al纳米颗粒增韧相的铝氮共掺类金刚石复合薄膜。所述的双激发源阴极电弧镀膜装置，该装置包括真空室、直流铝阴极靶、脉冲石墨阴极靶；真空室后壁安装直流铝阴极电弧电源和脉冲石墨阴极电弧电源，铝阴极靶外部设有上下一组相结合的偏转磁过滤装置，真空室底部装有圆形旋转样品台，样品台下端在真空室外部连接偏压电源；脉冲石墨阴极靶下方设有脉冲石墨阳极靶；直流阴极靶下方设有溅射离子源；真空室后壁下方设有抽气通道，外侧连接抽真空装置，真空室上部和侧面分别设置氩气和氮气进气孔，进气孔外部连接有气体流量计。上述铝氮共掺类金刚石复合薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：(1)工件表面处理：将工件依次放入丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水中分别进行超声清洗10min，除去表面的油脂及其他污染物，然后将基体置于烘箱干燥待用；(2)将处理过的工件固定在双激发源阴极电弧镀膜装置的真空室内旋转样品台上，高纯铝靶和石墨靶分别安装在直流阴极电弧和脉冲阴极电弧的蒸发器上；(3)用抽真空装置对真空室抽真空，使真空度达到4×10−4~6×10−4Pa；通过进气口通入氩气到真空室内，氩气流量由流量计控制，调节氩气流量计进气流量，使真空室气压稳定在3×10−2~8×10−2Pa；开启旋转样品台，采用离子源对工件表面进行溅射清洗，然后冷却至室温；(4)关闭氩气进气口，打开氮气进气口，调节氮气流量计进气流量，使真空室气压稳定在3×10−2~8×10−2Pa；采用离子源电离氮气(N2)产生氮离子束(N+)；同时开启直流阴极电弧蒸发电源和脉冲阴极电弧蒸发源，调节直流阴极电压为60~90V，直流阴极电流为60~70A；调节脉冲阴极电压为300~350V，脉冲频率为3~10Hz，在旋转的工件上沉积铝氮共掺类金刚石复合薄膜。上述制备方法中，所述步骤（3）中，溅射清洗的离子源为氩离子，氩气流量为30~60sccm，溅射清洗的时间为10~15min，氩离子的能量和束流密度分别为2~4keV和15~25A/m2。上述制备方法中，所述步骤（4）中，通入氮气流量20~50sccm，氮离子能量为120~150eV。上述制备方法中，所述步骤(4)中脉冲阴极电弧制备类金刚石膜时，脉冲数为370-3000。上述制备方法中，所述步骤(3)、(4)中溅射清洗和沉积薄膜时样品台的转速为1-3r/min。上述制备方法中，所得复合薄膜的薄膜厚度为1.0μm~1.2μm。采用本专利技术制备的铝氮共掺类金刚石复合薄膜中可以形成热力学稳定的氮化铝纳米晶，该纳米晶一方面可以被非晶碳基质隔离，易于释放内应力，阻止裂纹的进一步扩展，另一方面可以阻止位错和晶界的滑移，从而可以有效地提高复合薄膜的硬度、降低薄膜的内应力。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术在常规阴极电弧沉积装置上安装离子源，用于激发N2产生N+，使氮以离子形式掺入，有利于提高薄膜中Al、C、N原子之间的键合作用，降低薄膜表面的粗糙度，极大地改善了薄膜表面质量。（2）采用本专利技术的制备方法，可以通过改变脉冲阴极电弧蒸发源电流脉冲频率和直流阴极电弧蒸发电源电流大小，控制等离子体能量密度，调控薄膜中铝、氮元素的含量，实现高硬度、高韧性的类金刚石复合薄膜的制备。（3）未与碳发生键合的Al原子可以通过发挥金属强塑性变形的特性进一步提高薄膜的韧性。与单纯的类金刚石薄膜相比，铝氮共掺类金刚石复合薄膜的残余应力明显降低，硬度和韧性大幅度提高，抗磨损能力增强。附图说明图1为本专利技术镀膜装置结构示意图；图2为实施例1制备的铝氮共掺类金刚石复合薄膜表面的原子力显微镜三维照片；图3为实施例2制备的铝氮共掺类金刚石复合薄膜表面的原子力显微镜三维照片；图4为实施例1制备的铝氮共掺类金刚石复合薄膜中Al2pXPS光谱及其拟合峰；图5为实施例2制备的铝氮共掺类金刚石复合薄膜中Al2pXPS光谱及其拟合峰；图6为实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法，其特征在于：采用离子源辅助阴极电弧沉积技术，配置两个不同特性的双激发源阴极电弧镀膜装置，其中一个为直流电弧蒸发阴极源，用于安装铝靶材，另一个为脉冲电弧蒸发阴极源，用于安装石墨靶；薄膜沉积之前，先通入Ar和N2混合气体，采用离子源对工件表面进行溅射清洗；薄膜沉积过程中，以氮气作为反应气体，利用离子源将氮气电离为离子氮，通过旋转工件，使安装在直流电弧蒸发阴极源和脉冲电弧蒸发阴极源的的铝靶和石墨靶，实现在工件表面的溅射沉积，获得成分可控的包含AlN纳米颗粒强化相、单质Al纳米颗粒增韧相的铝氮共掺类金刚石复合薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法，其特征在于：采用离子源辅助阴极电弧沉积技术，配置两个不同特性的双激发源阴极电弧镀膜装置，其中一个为直流电弧蒸发阴极源，用于安装铝靶材，另一个为脉冲电弧蒸发阴极源，用于安装石墨靶；薄膜沉积之前，先通入Ar和N2混合气体，采用离子源对工件表面进行溅射清洗；薄膜沉积过程中，以氮气作为反应气体，利用离子源将氮气电离为离子氮，通过旋转工件，使安装在直流电弧蒸发阴极源和脉冲电弧蒸发阴极源的的铝靶和石墨靶，实现在工件表面的溅射沉积，获得成分可控的包含AlN纳米颗粒强化相、单质Al纳米颗粒增韧相的铝氮共掺类金刚石复合薄膜。2.根据权利要求1所述的制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)工件表面处理：将工件依次放入丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水中分别进行超声清洗10min，除去表面的油脂及其他污染物，然后将基体置于烘箱干燥待用；(2)将处理过的工件固定在双激发源阴极电弧镀膜装置的真空室内旋转样品台上，高纯铝靶和石墨靶分别安装在直流阴极电弧和脉冲阴极电弧的蒸发器上；(3)用抽真空装置对真空室抽真空，使真空度达到4×10−4~6×10−4Pa；通过进气口通入氩气到真空室内，氩气流量由流量计控制，调节氩气流量计进气流量，使真空室气压稳定在3×10−2~6×10−2Pa；开启旋转样品台，采用离子源对工件表面进行溅射清洗，然后冷却至室温；(4)关闭氩气进气口，打开氮气进气口，调节氮气流量计进气流量，使真空室气压稳定在3×10−2~6×10−2Pa；采用离子源电离氮气产生氮离子束；同时开启直流阴极电弧蒸发电源和脉冲阴极电弧蒸发源，调节直流阴极电压为60~90V，直流阴极电流为...

【专利技术属性】
技术研发人员：周兵，刘竹波，高洁，于盛旺，王志峰，徐斌，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14