[发明专利]一种以Cr/CrAlN为过渡层在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种以Cr/CrAlN为过渡层在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：不锈钢样品前处理：将不锈钢样品进行砂纸打磨，用丙酮和无水乙醇超声处理，烘干备用；S2：不锈钢表面沉积Cr/CrAlN过渡层：将S1步骤中的不锈钢样品装入磁控溅射设备的样品台，将Cr、Al靶材安装到靶座上，在不锈钢基底表面沉积Cr膜及CrAlN薄膜，得到含Cr/CrAlN过渡层的不锈钢样品；S3：在不锈钢表面制备金刚石薄膜：将S2步骤中含Cr/CrAlN过渡层的不锈钢样品进行超声种晶，利用热丝HFCVD进行沉积金刚石薄膜，实现在含Cr/CrAlN为过渡层的不锈钢表面上制备金刚石薄膜。采用本发明的技术，使金刚石膜与不锈钢之间结合力高，在洛氏硬度计150 kg载荷作用下薄膜未发生脱落。

技术领域

本发明属于金刚石薄膜制备领域，具体涉及一种以Cr/CrAlN为过渡层在不锈钢表面制备的金刚石薄膜结合力好且整个薄膜硬度高的方法。

背景技术

金刚石是碳的一种同素异形体，也是目前自然界中最硬的天然物质。在金刚石晶体中每个碳原子都以sp³杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。金刚石中的C–C键很强，所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，这种特殊的结构赋予了金刚石优异的性能，如高强度、高硬度、良好的化学稳定性、高热导率和良好的生物相容性。不锈钢是一类重要的金属材料，具有良好的力学性能和较好的耐腐蚀性能，广泛应用于食品、医疗器械等产品中，但是它还存在耐磨性不足、生物相容性不足和导热性差等问题。如果将金刚石以薄膜形式沉积在不锈钢表面上，则其耐磨性能、生物相容性、导热性能和寿命都会得到明显提高。因此，不锈钢表面沉积金刚石膜具有重要的意义。

然而，在不锈钢表面直接沉积金刚石薄膜存在如下问题：（1）碳在不锈钢中具有较高的扩散速率，当 CVD气氛中的碳到达不锈钢表面时会快速向不锈钢内扩散，导致无法达到金刚石形核所需临界碳浓度而难以形成金刚石薄膜。（2）不锈钢中Fe 、Ni元素的石墨催化作用，会使样品表面优先形成一层疏松的石墨层，导致薄膜脱落。（3）不锈钢与金刚石薄膜之间存在巨大热膨胀系数差，使得在CVD降温工艺阶段，金刚石薄膜与不锈钢之间形成巨大的热应力导致薄膜脱落。解决上述问题的方法是在不锈钢与金刚石薄膜之间引入过渡层。到目前为止，已经被研究的过渡层有：Cr、Al、Al/AlN、Al/W、Cr/CrN、Cr/CrN/CrTiAlN和Fe₂B等。在这些过渡层中，CrN过渡层由于在CVD过程中会形成碳化物Cr₃C₂或Cr₇C₃，它们与金刚石之间存在共价键，整个薄膜表现出良好的结合力。但是，由于CrN过渡层的硬度为18GPa，比金刚石低很多，导致整个薄膜硬度偏低，影响使用性能和寿命。如果能提高CrN的硬度，并保持其优异的膜基结合力，则可以提高金刚石薄膜的使用性能和寿命。因此，在CrN膜的基础上开发一种具有更高硬度且保持优异膜基结合力的过渡层并沉积金刚石膜具有重要的意义。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用Cr/CrAlN作为过渡层在不锈钢基底上沉积出连续致密附着力好的金刚石薄膜且整个薄膜具有高硬度的方法。

所述一种以Cr/CrAlN为过渡层在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：不锈钢样品前处理：将不锈钢样品进行砂纸打磨，用丙酮和无水乙醇超声处理，烘干备用；

S2：不锈钢表面沉积Cr/CrAlN过渡层：将S1步骤中的不锈钢样品装入磁控溅射设备的样品台，将Cr、Al靶材安装到靶座上，在不锈钢基底表面沉积Cr膜及CrAlN薄膜，得到含Cr/CrAlN过渡层的不锈钢样品；

S3：在不锈钢表面制备金刚石薄膜：将S2步骤中含Cr/CrAlN过渡层的不锈钢样品进行超声种晶，利用热丝HFCVD进行沉积金刚石薄膜，实现在含Cr/CrAlN为过渡层的不锈钢表面上制备金刚石薄膜。