[发明专利]一种抗结焦的类金刚石膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料化学技术领域，尤其涉及一种韧性好、硬度高、抗磨损及抗结焦性强的类金刚石膜的制备方法。

背景技术

类金刚石(Diamond-like Carbon，简称DLC)薄膜是一种短程有序而长程无序的具有非晶态和微晶结构的含氢碳膜，是人工合成的含有sp³碳和sp²碳混杂的非晶亚稳态结构。由于类金刚石膜具有类似金刚石膜的高硬度、高化学稳定性、高热传导率、高电阻率、高耐磨和抗腐蚀性、优异的生物兼容性，以及它特有的比金刚石膜更好的极低真空摩察系数等特性，使其在光学、机械、热学、声学、生物医学、电子、计算机硬盘和红外光窗口等领域都有着广阔的应用前景。

自1971年Aissenberg等采用离子束方法制备出类金刚石薄膜以来，先后涌现出了一系列物理气相沉积、化学气相沉积以及液相法制备类金刚石薄膜的新方法和新技术。近年来，等离子体浸没离子注入与沉积(Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition，PIIID)技术因具有费用低、非视线性、薄膜厚度可控及能处理大靶、复杂形状靶等优点而得到了迅速发展，例如中国专利文献CN 102994967A正是利用该技术制得超厚的类金刚石涂层，其具体制备方法如下：(1)将丙酮和酒精超声清洗后的钢片(1Cr18Ni9Ti)置于等离子体浸没离子注入和高密度等离子体化学气相沉积一体化装备的真空腔中，抽本底真空至2×10^-1Pa后，通入氩气，利用高压直流脉冲电源在硅片上施加5KV的负脉冲偏压，脉冲频率为1.4KHz，占空比为30％，保持真空度为1.3Pa，对钢片实施20min的等离子体清洗和活化；(2)按氩气和硅烷1.5：1的混合比例通入硅烷气体，负脉冲偏压调至25KV，保持真空度为2Pa，对钢片实施30min的硅元素注入；(3)按氩气、硅烷和乙炔1：1：3的混合比例通入乙炔和硅烷，利用低压直流脉冲电源在钢片上施加650V的负脉冲偏压，脉冲频率为800Hz，占空比为50％，保持真空度为3.5Pa，沉积低掺杂硅含量的类金刚石15min；(4)按氩气、硅烷和乙炔2：1：5的混合比例减少硅烷和增加氩气流量，将钢片上的负脉冲偏压调至800V，沉积高掺杂硅含量的类金刚石5min；(5)重复步骤3和4，沉积140min后，最终在钢片上获得16微米厚的类金刚石涂层。

上述技术采用PIIID方法制得的类金刚石涂层虽然具有较高的膜基结合强度、低的摩擦系数、及良好的抗磨损性能，但由于该技术在沉积碳素的同时通过周期改变硅含量而交替沉积了硅元素，使得制得的类金刚石涂层中掺杂了硅，虽然硅的引入有利于提高涂层的硬度，但同时又会导致涂层中的各层之间、及膜层与基体之间的结合力减弱，增大了涂层的内应力，从而降低了涂层的韧性。再者，上述技术在沉积碳素和硅元素的过程中采用的是低压直流脉冲电源，施加在钢片上的负脉冲偏压只有650～800V，这样即便能够获得较厚的类金刚石涂层，但该涂层势必非常松散、致密性差，进而影响涂层的抗磨性能。

另外，对于化工管道中的类金属石硬质涂层而言，不仅要求其能够经受磨损，同时还希冀该场合下的涂层具备一定的抗结焦性能，以有效延长管道的使用寿命。因此，如何对现有的类金刚石涂层的制备方法进行改进以获得韧性好、抗磨损及抗结焦性能高的类金刚石涂层，依旧是本领域亟待解决的一大技术难题。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有的类金刚石涂层所存在的韧性差、抗磨损性能不佳的缺陷，进而提供一种韧性好、抗磨损及抗结焦性能高的类金刚石膜的制备方法。

为此，本发明实现上述目的的技术方案为：

一种抗结焦的类金刚石膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将基体置于真空环境中，向所述基体施加负脉冲偏压，并向所述真空环境中通入氩气，利用氩等离子体对所述基体的表面进行活化处理；

(2)向步骤(1)的真空环境中通入氮气，利用氮等离子体对经活化后的所述基体的表面实施氮元素注入；

(3)向步骤(2)的真空环境中通入乙炔气体，将施加在所述基体上的负脉冲偏压调整为20～30KV，脉冲频率为650～950Hz，占空比不超过1％，保持真空度为0.5～2Pa，即可在所述基体的表面沉积一层类金刚石膜。

所述真空环境由等离子体浸没离子注入与沉积一体化装置提供，所述一体化装置包括真空室、等离子体源、供气系统、抽气系统、电脑操作控制台、及负高压电源系统。

所述一体化装置的工作原理为：