一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法技术

本发明专利技术提供了一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法，属于金属加工技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法


[0001]本专利技术属于金属加工
，涉及一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法
。

技术介绍

[0002]超纳米金刚石层
(UNCD)
专指晶粒尺寸在
10nm
以下的金刚石晶粒，超纳米金刚石涂层的生长依赖于金刚石的高密度形核，晶粒尺寸不随涂层厚度的变化而增减；超纳米金刚石涂层的平均晶粒尺寸在
10nm
以下，因此晶界占据着大量比例，与晶粒内Ｃ原子的
sp3
杂化不同，晶界处的Ｃ原子是以
sp2
杂化的
。
因此超纳米金刚石薄膜具有其独特的力学与物化性质，使得其在
MEMS、
超级密封
、
探测器和传感器以及生物医学领域有着广阔的应用前景
。
[0003]UNCD
的硬度低于微米金刚石，但是仍然远高于其他的材料
。
而且金刚石的热膨胀系数小
、
摩擦系数低，在切屑加工领域的优势尤为明显
。
硬质合金涂层刀具具有硬质合金的高韧性和金刚石的高硬度等特性，在机加工领域得到广泛应用
。UNCD
涂层刀具表面非常光滑，能够实现超精密度加工
。
[0004]目前大多数金刚石涂层刀具通常都是微米金刚石涂层刀具或者复合型金刚石涂层；其中，微米金刚石涂层刀具需要对刃口进行研磨处理，成本较高，而且加工精度随着时间的延长急剧下降，这是由于刃口处金刚石晶粒掉落之后表层变得非常粗糙
。
[0005]复合型金刚石涂层刀具内层是微米级金刚石或者亚微米级金刚石，外层是纳米金刚石薄膜或
UNCD
薄膜
。UNCD
涂层刀具表面无需进行开刃处理，大大降低了刀具的生产成本，另外超纳米金刚石涂层刀具的断裂韧性比微米金刚石刀具高，耐冲击性较强，一定程度的磨损不会降低加工精度，大大延长了刀具的使用寿命
。
[0006]UNCD
涂层刀具的广泛应用能够大大推进中国加工领域尤其是超精密加工领域的快速发展
。
[0007]然而，
UNCD
涂层的制备方法主要以
MPCVD/HFCVD
为主，采用
CH4
，
C2H2
等作为碳源，不同于微米金刚石以
H2
为主要沉积气氛，
UNCD
的制备主要是在惰性气体
Ar
或
N2
中进行
。
[0008]在没有添加氢气或少量氢气的情况下，等离子体中
C2
基团浓度较高，
C2
基团既是超纳米金刚石生长的前驱体，也是石墨的前驱体，生长的超纳米金刚石易含有石墨相，而此时缺乏原子氢会促使已经生成的超纳米金刚石极易向石墨和非晶碳转变，因此制备的超纳米金刚石
sp2
相含量大，质量较差；而随着氢气浓度的增大，
C2
基团浓度逐渐减小，生成的石墨减小，增多的原子氢也会使得大量的非晶碳和石墨被刻蚀掉，因而薄膜的质量逐渐变好，但是超纳米晶粒会变大超出
10 nm
的界限转变为纳米金刚石甚至为微米金刚石
。
[0009]由于
UNCD
涂层的生长环境是采用高碳富氩贫氢条件，氢气的含量低，在生长中不能完全刻蚀晶粒上的石墨相和非晶碳等杂质，而且
UNCD
涂层中晶界比例高，因此晶界处存在着大量的石墨相和非晶碳等杂质，这些石墨相会使晶粒与基体之间的附着性较差，涂层中各晶粒之间的连接也不是很稳固，这就导致
UNCD
涂层的力学性能大大劣于纳米金刚石涂层和微米金刚石涂层，用于硬质合金刀具加工时无法有较长的寿命
。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法，在热丝化学气相沉积设备（
HFCVD
）上使用
CH4
‑
Ar
‑
H2
体系制备超纳米金刚石涂层
。
[0011]本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法，其特征在于，包括高密度平行排布的热丝，热丝化学气相沉积设备上的金刚石涂层生长工艺分为四段，分别为：第一段：采用高碳富氩贫氢条件在短时间内生成超纳米金刚石；第二段：采用纯氢气条件吹扫冲击第一段生成的超纳米金刚石，清除晶界处的石墨相并刻蚀超纳米金刚石晶粒使其缺陷增加，二次形核点增加；第三段：在高碳富氩贫氢条件之外加入硼原子提高二次形核密度，且本段形成渗硼超纳米金刚石层；第四段：纯氢气条件吹扫冲击第三段生成的超纳米金刚石，清除晶界处的石墨相并刻蚀超纳米金刚石晶粒使其缺陷增加，二次形核点增加；在上述的一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法中，所述的热丝高密度平行排布间距为5‑
7mm。
[0012]在上述的一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法中，形核阶段的工艺为：沉积压力
1.0kpa
；甲烷浓度
9.9%
；氩气浓度
89.1%
；氢气浓度
2.0%
；形核时间
35min
；基体温度
860
‑
890
度
。
[0013]在上述的一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法中，生长工艺第一段：沉积压力
1.4
‑
2.1kpa
；甲烷浓度
7.0
‑
9.9%
；氩气浓度
86
‑
92%
；氢气浓度
1.0
‑
5.0%
；生长时间2‑
4min
；基体温度
860
‑
890
度
。
[0014]在上述的一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法中，生长工艺第二段：沉积压力
1.4
‑
2.1kpa
；甲烷浓度0；氩气浓度0；氢气浓度
100%
；刻蚀时间1‑
2min
；基体温度
860
‑
890
度
。
[0015]在上述的一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法中，生长工艺第三段：沉积压力沉积压力
1.4
‑
2.1kpa
；
甲烷浓度
7.0
‑
9.9%
；氩气浓度
86
‑
92%
；硼源浓度
0.25%
；氢气浓度
1.0
‑
5.0%
；生长时间2‑
4min
；基体温度
860
‑
890
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法，其特征在于，包括高密度平行排布的热丝，热丝化学气相沉积设备上的金刚石涂层生长工艺分为四段，分别为：第一段：采用高碳富氩贫氢条件在短时间内生成超纳米金刚石；第二段：采用纯氢气条件吹扫冲击第一段生成的超纳米金刚石，清除晶界处的石墨相并刻蚀超纳米金刚石晶粒使其缺陷增加，二次形核点增加；第三段：在高碳富氩贫氢条件之外加入硼原子提高二次形核密度，且本段形成渗硼超纳米金刚石层；第四段：纯氢气条件吹扫冲击第三段生成的超纳米金刚石，清除晶界处的石墨相并刻蚀超纳米金刚石晶粒使其缺陷增加，二次形核点增加
。2.
根据权利要求1所述的一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法中，其特征在于，所述的热丝高密度平行排布间距为5‑
7mm。3.
根据权利要求1所述的一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法中，其特征在于，形核阶段的工艺为：沉积压力
1.0kpa
；甲烷浓度
9.9%
；氩气浓度
89.1%
；氢气浓度
2.0%
；形核时间
35min
；基体温度
860
‑
890
度
。4.
根据权利要求1所述的一种制备高纯度超纳米金刚石涂层的方法中，其特征在于，生长工艺第一段：沉积压力
1.4
‑
2.1kpa
；甲烷浓度
7.0
‑
9.9%
；氩气浓度
86
‑
92%
；氢气浓度
1.0
‑
5.0%
；生长时间2‑
4min...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪文，张小龙，邱跃武，
申请(专利权)人：卡美隆浙江硬质合金有限公司，
类型：发明
国别省市：