一种类金刚石涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种类金刚石涂层及其制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：在惰性气体和烃类气体的混合气氛中对石墨靶进行电弧蒸发沉积，基体偏压设置为

【技术实现步骤摘要】
一种类金刚石涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及涂层
，更具体地，涉及一种类金刚石涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]类金刚石涂层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。类金刚石涂层制备技术主要有蒸发石墨靶沉积(包括电弧蒸发沉积法、激光蒸发沉积法等)、溅射石墨靶沉积(包括磁控溅射沉积法等)、含碳气源离化沉积(包括等离子增强化学气相沉积法PECVD、离子束沉积法等)等。其中，电弧蒸发沉积法、磁控溅射沉积法、PECVD等由于具备大面积沉积涂层的量产特性，现已被广泛应用实际生产。
[0003]电弧蒸发沉积法通过电弧蒸发石墨靶可获得较高离化率的碳粒子束，所制备类金刚石涂层金刚石键sp
3 C
‑
C含量高，因而具有较高硬度，但是其石墨靶材的蒸发易产生大颗粒，所制备涂层表面粗糙度大，对涂层使用造成影响；在此基础上采用电磁过滤系统，虽然能过滤石墨靶材产生的宏观大颗粒，但是该过滤操作导致涂层的沉积速率发生大幅下降，涂层的生产成本增大，而且电弧蒸发源的尺寸不变、涂层的沉积速率降低，会导致采用电磁过滤系统的电弧蒸发沉积法失去了大面积沉积涂层的优势。磁控溅射沉积法通过溅射石墨靶制备的类金刚石涂层表面光滑(表面粗糙度小)、无大颗粒，但是其涂层硬度不高，低于20GPa。等离子增强化学气相沉积法PECVD通过等离子体离化烃类气体(如CH4、C2H2等)制备的类金刚石涂层表面光滑，无大颗粒，表面粗糙度可达到原子级光滑，而且可实现在复杂表面上的大面积、均一化沉积；但是由于PECVD中烃类气体的离化率低，且含有C
‑
H等化学键，导致涂层硬度不高。
[0004]因此，开发一种能同时做到大面积沉积涂层、且使制备的涂层表面光滑、硬度高的类金刚石涂层的制备方法是具有重要意义的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的首要目的是克服现有技术不能同时做到大面积沉积涂层、且使制备的涂层表面光滑、硬度高的缺点，而提供一种类金刚石涂层的制备方法。
[0006]本专利技术的另一目的是提供一种类金刚石涂层。
[0007]本专利技术的另一目的是提供一种类金刚石涂层在表面防护领域中的应用。
[0008]本专利技术上述技术目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种类金刚石涂层的制备方法，包括如下步骤：
[0010]在惰性气体和烃类气体的混合气氛中对石墨靶进行电弧蒸发沉积，基体偏压设置为
‑
500～
‑
800V，即在基体表面得到所述类金刚石涂层；
[0011]所述惰性气体和烃类气体的混合气氛中，烃类气体的体积流量占混合气氛总体积流量的10～90％。
[0012]本专利技术以能进行大面积沉积涂层的电弧蒸发沉积技术为基础，在惰性气体和烃类气体的混合气氛中，通过调节烃类气体的体积流量和基体偏压，成功制备了涂层表面光滑(表面粗糙度≤25nm)、硬度高(＞25GPa)的类金刚石涂层。
[0013]具体地，本专利技术利用电弧蒸发石墨靶产生高离化的碳正离子和高浓度的热电子，一方面碳正离子可以提高类金刚石涂层中sp3键的含量，从而增大类金刚石涂层的硬度；另一方面热电子会攻击烃类气体得到烃类气体离子，而烃类气体离子除了与碳正离子生成类金刚石涂层以外，还会在高基体偏压的加速作用下，不断轰击类金刚石涂层的生长表面，刻蚀涂层表面的大颗粒，光整涂层表面，降低表面粗糙度；所以，本专利技术制备得到的类金刚石涂层表面光滑(表面粗糙度≤25nm)、硬度高(＞25GPa)。
[0014]此外，由于烃类气体产生的烃类气体离子会刻蚀涂层表面的大颗粒，所以当烃类气体的体积流量占混合气氛总体积流量的百分数过小(＜10％)时，烃类气体产生的烃类气体离子数量过少，无法更好地刻蚀涂层表面的大颗粒，导致类金刚石涂层的表面粗糙度增大；而当烃类气体的体积流量占混合气氛总体积流量的百分数过大(＞90％)时，烃类气体产生的烃类气体离子数量过多，烃类气体离子不仅刻蚀涂层表面的大颗粒，还会刻蚀刚生成的类金刚石涂层，对类金刚石涂层造成损害，降低类金刚石涂层的硬度。
[0015]由于基体偏压能够加速烃类气体产生的烃类气体离子，帮助烃类气体离子轰击类金刚石涂层的生长表面，所以当基体偏压过低(＜500V)时，没有足够的能量加速烃类气体离子，使烃类气体离子不能更好地轰击类金刚石涂层的生长表面，最后导致制备的类金刚石涂层的表面粗糙度增大；而当基体偏压过低(＞800V)时，由于提供的能量过大导致烃类气体离子的速度过快，高速状态的烃类气体离子不仅能刻蚀涂层表面的大颗粒，还极易损伤刚生成的类金刚石涂层，同时会降低类金刚石涂层的硬度。
[0016]具体地，所述烃类气体的体积流量为10～90sccm。
[0017]具体地，所述惰性气体的体积流量为10～90sccm。
[0018]具体地，所述惰性气体和烃类气体的混合气氛的压强为1～3Pa。
[0019]具体地，所述烃类气体为烷烃、烯烃或炔烃中的一种或多种。
[0020]进一步地，所述烷烃为甲烷CH4、乙烷、丙烷或丁烷中的一种或多种。
[0021]进一步地，所述烯烃为乙烯C2H4、丙烯或丁烯中的一种或多种。
[0022]进一步地，所述炔烃为乙炔C2H2、丙炔或丁炔中的一种或多种。
[0023]具体地，所述类金刚石涂层的厚度为0.5～2μm。
[0024]具体地，所述石墨靶为纯度≥99.98％的石墨靶。
[0025]具体地，所述电弧蒸发沉积使用的电弧电流为60～80A。
[0026]具体地，所述电弧蒸发沉积的沉积时间为10～40min。
[0027]进一步地，所述电弧蒸发沉积的沉积时间为20～30min。
[0028]具体地，所述基体的材质为硅或合金中的一种或两种。
[0029]具体地，所述基体在使用前先进行辉光预处理。
[0030]在本专利技术中，对基体进行辉光预处理具体是指在惰性气体(比如氩气)气氛中对基体进行轰击刻蚀，以除去基体表面的氧化层，提高沉积涂层类金刚石涂层与基体之间的结合力。
[0031]进一步地，所述辉光预处理使用的惰性气体的压强为0.5～1Pa。
[0032]进一步地，所述辉光预处理的基体偏压设置为
‑
500～
‑
1000V。
[0033]进一步地，所述辉光预处理的时间为10～30min。
[0034]一种类金刚石涂层，由上述制备方法制备得到。
[0035]上述类金刚石涂层在表面防护领域中的应用也应在本专利技术的保护范围内，所述表面防护领域包括刀具、模具、精密零部件、微电子等领域。
[0036]本专利技术具有以下有益效果：
[0037]本专利技术以能进行大面积沉积涂层的电弧蒸发沉积技术为基础，在惰性气体和烃类气体的混合气氛中，通过调节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在惰性气体和烃类气体的混合气氛中对石墨靶进行电弧蒸发沉积，基体偏压设置为
‑
500～
‑
800V，即在基体表面得到所述类金刚石涂层；所述惰性气体和烃类气体的混合气氛中，烃类气体的体积流量占混合气氛总体积流量的10～90％。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述烃类气体的体积流量为10～90sccm。3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述惰性气体的体积流量为10～90sccm。4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：代伟，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：