一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜（简称DLC薄膜）制备方法，利用弧靶中毒效应，采用阴极弧沉积设备，连续进行DLC薄膜多层结构的制备，调控润滑层与基体材料的结合状态，提高结合强度，降低DLC薄膜的脆性、增加其承载能力；同时在DLC薄膜中均匀掺杂金属相，进一步提高DLC薄膜的韧性达到提高薄膜耐磨、润滑性、承载能力及结合强度的目的。所述DLC薄膜多层结构，包括金属结合层（a）、承载层及过度层（b）、金属掺杂DLC润滑层（c）。本发明专利技术制备过程连续性好，设备简单、工艺实施方便，不需要多个弧靶及气体离子源系统，填补了国内外进行相关模具防护涂层的市场空白，具有巨大的潜在应用及推广价值。

A preparation method of diamond-like carbon film based on poisoning effect of arc target

The invention discloses a preparation method of diamond like film (DLC film) based on the effect of arc target poisoning. By using the arc target poisoning effect, the cathode arc deposition equipment is used to prepare the multilayer structure of the DLC film continuously, regulate the bonding state between the lubricating layer and the matrix material, improve the bonding strength and reduce the brittleness of the DLC film. At the same time, the bearing capacity of the DLC film is increased and the metal phase is evenly doped in the film. The toughness of the DLC film can be further improved to improve the wear resistance, lubricity, bearing capacity and bonding strength of the film. The DLC film multilayer structure comprises a metal bonding layer (a), a bearing layer and an excessive layer (b), and a metal doped DLC lubricating layer (c). The preparation process of the invention has good continuity, simple equipment and convenient process, and does not need multiple arc targets and gas ion source systems. It fills the market blank of related mold protection coatings at home and abroad, and has great potential application and popularization value.

【技术实现步骤摘要】
一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法
本专利技术属于表面工程、耐磨润滑防护、类金刚石薄膜
，涉及一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法。
技术介绍
类金刚石（Diamond-likecarbon，简称DLC）薄膜是一种由金刚石相（sp3）和石墨相（sp2）组成的亚稳态非晶态碳膜，具有高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光透过性、化学惰性等一系列优异性能，其诸多特性取决于sp3和sp2的相对数量及相互转变，从而具有很宽的调控范围。DLC薄膜目前已应用于机械制造、地质钻探、微电子系统、光学、航空航天（飞机前视红外窗口、导弹头罩窗口和宇航探测器）等领域，特别是在摩擦磨损防护方面，DLC薄膜是少数具有很低摩擦系数（一般条件下低于0.1）的硬质薄膜之一，欧洲空间摩擦实验室在评价了空间中使用的各种固体材料之后，推荐DLC薄膜作为未来空间润滑摩擦表面涂层，认为其具有良好的应用前景。但是，由于DLC膜存在脆性大、内应力高（通常在GPa数量级，这将导致膜基结合力差和难于得到厚膜）和热稳定性较差（通常在250℃就会由于氢的析出而发生石墨化）等问题，限制了DLC膜的工程应用，为此，人们分别提出了外加粒子掺杂形成非晶碳基复相结构或者添加过渡层薄膜的方法来提高材料的稳定性，改善材料的内应力，提高膜基结合力，以用于摩擦磨损防护。德国的KirstenI.Schitfmann发现：DLC膜的磨损率会随金属掺杂比例达到10%～30%范围时降到特别低的数值；美国的魏秋明用脉冲激光法制备研究了掺银、铜、钛的梯度DLC膜的力学性能，当薄膜中银与铜的原子含量不超过4%，钛的原子含量不超过7%时他发现，梯度DLC膜的附着性能远优于单层DLC膜；Narayan在DLC膜中掺杂钛、铜、银、硅后发现薄膜应力都显著下降；而M.Weber等人采用Cr-CrN-Cr-DLC的方式制备的复合薄膜，洛氏结合强度分级从2.5上升到了5，临界载荷从26N提升到了55.6N；GuosongWu等采用CrN作为中间层制备的DLC薄膜，同样结合强度明显上升；B.Ramamoorthy等人采用的DLC/TiN/Ti/Cu/Ni结构制备的DLC多层薄膜，其表面质量、结合强度明显得到了改善，并将其归因于这种多层结构具有连续、均匀、无裂纹的特点。这些研究中表面制备过渡层及进行金属掺杂是提高DLC薄膜耐磨性的重要解决方法。DLC膜制备方法多样，包括液相沉积、化学气相沉积和物理气相沉积方式。其中液相沉积方式获得的薄膜质量差、膜基结合弱的问题严重，同时其石墨相含量较高也是制约其发展的主要因素；而化学气相沉积是较为成熟的一种DLC薄膜制备方式，包括热丝化学气相沉积、光化学气相沉积和等离子辅助化学气相沉积等，但要实现气体与基体界面的化学反应，在沉积过程需提供足够的激活能量，满足含碳气体的反应生成DLC薄膜，导致制备的温度高、易被污染、适用基体受限，成本较高，并难以进行掺杂及过渡层制备，目前常用于光电领域的大面积涂覆。物理气相沉积方法是DLC薄膜应用于磨损领域的主要制备手段，可采用石墨靶材或者含碳气体，利用靶材或气体，离化形成碳离子进行沉积，适用于各种基体，沉积速率高，处理温度低：其中采用石墨作为靶材的弧沉积的方式可获得高质量的DLC薄膜，但直接沉积方式获得的DLC薄膜颗粒大、质量差；而采用磁过滤手段获得的DLC薄膜，耗能高、沉积速度低，沉积区域小，同时进行掺杂制备时需要靶材数量多，难以进行大面积、高质量的DLC薄膜制备。而采用含碳类气体，通过气体离化产生碳或碳氢离子，通过获得的离子能量作用于衬底表面最终形成DLC膜，可配合其他金属靶材进行过渡层、掺杂制备，但目前该类制备方法需配备离子源系统离化气体，提高了对沉积设备的要求，增加了制备成本，并降低了镀膜连续性和稳定性。弧靶中毒效应是在磁控溅射或弧沉积过程中加入活性气体时常见的一种现象，过量的活性气体粒子与靶面原子相碰撞产生化学反应生成化合物原子，这些化合物覆盖靶材，降低了惰性气体离子对靶材刻蚀，溅射速率下降，通常导致沉积过程不稳定，因此弧靶中毒现象是反应沉积过程要避免的现象。但是在此过程中，中毒靶材表面在受到离子轰击后，会释放大量的二次电子，而在靶面附近受到磁场作用，仍会有大量的活性气体被离化，同时金属靶材的熔溅降低，产出降低，形成类似气体离子源的作用。就目前的研究来看，国内外对于带有过渡层的掺杂DLC薄膜的制备方法多采用磁控溅射、阴极弧和离子源气体离化方式进行，但是仍然存在许多缺点与不足：①直接采用磁控溅射或阴极弧源制备的DLC薄膜的耐磨、润滑效果还有待于进一步提高；②采用过滤阴极弧或气体源离化方式制备的DLC薄膜需复杂的磁过滤系统或离子源系统进行气体离化，设备复杂、成本高；③制备带有过渡层的掺杂DLC薄膜时，需碳靶、金属靶在内的多个靶材，提高了镀膜系统的复杂程度，增加了制造成本。因此本专利技术针对以上制备带有过渡层的掺杂DLC薄膜过程中存在的问题，利用弧靶中毒效应，将过渡层、掺杂DLC薄膜的加工工艺复合在阴极弧沉积（镀膜）设备当中，避免了需要气体离化源及多个弧靶工作的缺陷，降低了制备难度及成本，专利技术了一种制备具有高结合强度、高耐磨润滑、长使用寿命的DLC防护薄膜的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的：针对现有类金刚石薄膜（简称DLC薄膜）制备过程中工艺、设备复杂、成本高的缺陷，设计一种简单易行的DLC薄膜连续制备方法，且解决DLC薄膜润滑性不足、结合强度低的问题，以保证DLC薄膜具有高附着力、承载力以及耐磨性的优异性能。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法，利用弧靶中毒效应，采用阴极弧沉积设备，连续进行DLC薄膜多层结构的制备，调控润滑层与基体材料的结合状态，提高结合强度，降低DLC薄膜的脆性、增加其承载能力；同时在DLC薄膜中均匀掺杂金属相，从而进一步提高DLC薄膜的韧性达到提高薄膜耐磨、润滑性、承载能力及结合强度的目的；所述DLC薄膜多层结构，包括金属结合层、承载层及过度层、金属掺杂DLC润滑层，每层结构具有不同的作用，分别起到结合、承载、耐磨及润滑作用，如图1所示；所述方法的步骤分为：（一）金属结合层的制备：采用图2所示阴极弧沉积设备中的弧靶（大面积平面阴极弧，结构如图3所示），通入惰性气体氩气，控制真空室气压到0.1～0.3Pa，在弧靶表面通过引弧针拉弧放电，形成如图4中的工作状态；通过外围和中心磁体对弧靶进行运动轨迹的约束，并约束靶面周围的气体离子，如图6所示，形成对靶材的碰撞，在靶面形成金属离子及熔融的金属粒子蒸气，在工件负偏压作用下进行了金属结合层的沉积，金属结合层沉积厚度可通过沉积时间及靶距控制。（二）承载层及过渡层的制备：具体为氮化物承载层及碳氮化物过渡层的制备，详细步骤为：结束金属结合层的制备后，不关闭靶材，在气路系统中充入氩气的同时，通入氮气，控制真空室气压到0.1～0.3Pa，通过靶面周围的气体离化过程，形成氮离子，在靶面周围与金属离子一同通过工件偏压系统沉积到工件表面，形成氮化物承载层；随后再在气路系统中通入乙炔或甲烷气体，调整其它气体流量，控制真空室气压到0.1～0.3Pa，形成离化的碳离子，与氮离子和金属离子一同沉积形成碳氮化物过渡层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，利用弧靶中毒效应，采用阴极弧沉积设备，连续进行DLC薄膜多层结构的制备，调控润滑层与基体材料的结合状态，提高结合强度，降低DLC薄膜的脆性、增加其承载能力；同时在DLC薄膜中均匀掺杂金属相，达到提高薄膜耐磨、润滑性、承载能力及结合强度的目的；所述DLC薄膜多层结构，包括金属结合层（a）、承载层及过度层（b）、金属掺杂DLC润滑层（c），每层结构具有不同的作用，分别起到结合、承载、耐磨及润滑作用。

【技术特征摘要】
1.一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，利用弧靶中毒效应，采用阴极弧沉积设备，连续进行DLC薄膜多层结构的制备，调控润滑层与基体材料的结合状态，提高结合强度，降低DLC薄膜的脆性、增加其承载能力；同时在DLC薄膜中均匀掺杂金属相，达到提高薄膜耐磨、润滑性、承载能力及结合强度的目的；所述DLC薄膜多层结构，包括金属结合层（a）、承载层及过度层（b）、金属掺杂DLC润滑层（c），每层结构具有不同的作用，分别起到结合、承载、耐磨及润滑作用。2.根据权利要求1所述的基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，步骤分为：（一）金属结合层的制备：采用阴极弧沉积设备中的弧靶，通入惰性气体氩气，控制真空室气压到0.1～0.3Pa，在弧靶表面通过引弧针拉弧放电；通过外围和中心磁体对弧靶进行运动轨迹的约束，并约束靶面周围的气体离子，形成对靶材的碰撞，在靶面...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘星，马国佳，孙刚，周树青，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11