一种高性能掺杂类金刚石膜的制备方法.pdf

一种高性能掺杂类金刚石膜的制备方法，其特征是该方法首先利用超声波清洗技术去除基体表面污染层；然后利用离子束辅助沉积技术制备梯度过渡层；最后利用离子束沉积+磁控溅射合成多元掺杂DLC膜，在此步骤除了向离子源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任何一种含碳气体外，还同时通入包括硅烷、硼烷、磷烷、四氟化碳等含非碳元素气体源的任何一种气体，并开启金属溅射源掺杂金属元素。本发明可合成同时掺杂金属元素和非金属元素的多元掺杂DLC膜，充分发挥掺杂金属元素和非金属元素的优势互补，显著改善DLC膜的综合性能。

1.  一种多元掺杂类金刚石(DLC)膜的制备方法，其特征在于：在离子束沉积合成DLC膜的过程中，除了向离子源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任何一种含碳气体外，还同时通入包括硅烷、硼烷、磷烷、四氟化碳等含非碳元素气体源的任何一种气体，并开启金属溅射源掺杂金属元素，合成多元掺杂DLC膜，所述方法包括以下步骤：
(1)首先利用超声波清洗技术去除基体表面污染层；
(2)然后利用离子束辅助沉积技术制备梯度过渡层；
(3)最后在梯度过渡层上利用离子束沉积+磁控溅射合成多元掺杂DLC膜。

2.  按照权利要求1所述的多元掺杂DLC膜制备方法，其特征在于：步骤(2)的离子源可采用阳极层离子源、卡夫曼离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源；离子源产生的离子束的组成为氩离子、氩/氮混合离子、氩/碳混合离子或氩/氮/碳混合离子，不同离子的比例根据需要控制；离子束的离子能量为50eV～500eV。

3、  按照权利要求1所述的多元掺杂DLC膜制备方法，其特征在于：步骤(2)的蒸发/溅射源可采用磁控溅射靶、阴极电弧蒸发源、空心阴极电弧蒸发源中的任何一种；蒸发/溅射源靶材为Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一种金属。

4.  按照权利要求1所述的多元掺杂DLC膜制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的过渡层包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/CrC、Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、W/WC、Nb/NbN/NbC等梯度过渡层。

5.  按照权利要求1所述的多元掺杂DLC膜制备方法，其特征在于：步骤(3)的离子源可采用阳极层离子源、卡夫曼离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。

6.  按照权利要求1所述的多元掺杂DLC膜制备方法，其特征在于：步骤(3)除了向离子源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任何一种含碳气体外，还同时通入包括硅烷、硼烷、磷烷、四氟化碳等含非碳元素气体源的任何一种气体；通过控制通入离子源的含非碳元素气体源与含碳气体的流量比调整DLC膜的非金属元素掺入量。

7.  按照权利要求1所述的多元掺杂DLC膜制备方法，其特征在于：步骤(2)离子束的离子能量为50eV～1000eV。

8.  按照权利要求1所述的多元掺杂DLC膜制备方法，其特征在于：步骤(3)的磁控溅射源可采用直流磁控溅射、中频磁控溅射、射频磁控溅射中的任何一种磁控溅射方式。

9.  按照权利要求1所述的多元掺杂DLC膜制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的磁控溅射源靶材为W、Cr、Ti、Nb、Mo、Zr、Ag、Cu、Co等金属元素的任何一种；通过控制磁控溅射靶的功率调整DLC膜的金属元素掺入量。

一种高性能掺杂类金刚石膜的制备方法
所属技术领域：
本发明专利涉及一种掺杂多种元素的高性能类金刚石(DLC)膜的制备技术，属于DLC膜材料的复合制备技术。
背景技术：
类金刚石膜具有高硬度、高弹性模量、优异的摩擦磨损性能、化学稳定性及生物相容性，具有非常广泛的应用前景。但内应力大、膜/基结合力差、热稳定性差、脆性大等限制了DLC膜在苛刻服役条件下的应用。
采用优化的梯度过渡层可缓解DLC膜的内应力和提高DLC膜的膜/基结合力；通过掺杂金属元素形成以非晶碳膜为基体的复相结构会改善DLC膜的综合性能，但掺杂金属会导致DLC膜的摩擦系数较高，不能获得低的摩擦系数。掺杂非金属元素F、H可以显著降低DLC膜在特种条件下的摩擦系数，掺杂Si、SiO₂等非金属组分可调控DLC膜的结构和性能。在DLC膜中同时掺入金属元素和非金属元素，实现不同掺杂元素的取长补短，是获得高性能DLC膜的一条有效途径，但目前这方面的研究还未见诸报道。
发明内容：
为了克服目前DLC膜制备技术和掺杂方案存在的不足，本发明专利提出了一种新型的DLC膜复合沉积技术，其特征在于：在离子束沉积合成DLC膜的过程中，除了向离子源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任何一种含碳气体外，还同时通入包括硅烷、硼烷、磷烷、四氟化碳等含非碳元素气体源的任何一种气体，并开启金属溅射源掺杂金属元素，合成多元掺杂DLC膜，所述方法包括以下步骤：
(1)首先利用超声波清洗技术去除基体表面污染层；
(2)然后利用离子束辅助沉积技术制备梯度过渡层；
(3)最后在梯度过渡层上利用离子束沉积+磁控溅射合成多元掺杂DLC膜。
在上述制备方法中，步骤(2)离子源可采用阳极层离子源、卡夫曼离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。
在上述制备方法中，步骤(2)离子源产生的离子束的组成为氩离子、氩/氮混合离子、氩/碳混合离子或氩/氮/碳混合离子，不同离子的比例根据需要控制。
在上述制备方法中，步骤(2)离子束的离子能量为50eV～500eV。
在上述制备方法中，步骤(2)的蒸发/溅射源可采用磁控溅射靶、阴极电弧蒸发源、空心阴极电弧蒸发源中的任何一种。
在上述制备方法中，步骤(2)的蒸发/溅射源靶材为Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一种金属。
在上述制备方法中，按照权利要求1所述的多元掺杂DLC膜制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的过渡层包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/CrC、Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、W/WC、Nb/NbN/NbC等梯度过渡层。
在上述制备方法中，步骤(3)的离子源可采用阳极层离子源、卡夫曼离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。
在上述制备方法中，步骤(3)除了向离子源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任何一种含碳气体外，还同时通入包括硅烷、硼烷、磷烷、四氟化碳等含非碳元素气体源任何一种气体。
在上述制备方法中，步骤(3)通过控制通入离子源的含非碳元素气体源与含碳气体的流量比调整DLC膜的非金属元素掺入量。
在上述制备方法中，步骤(3)离子束的离子能量为50eV～1000eV。
在上述制备方法中，步骤(3)的磁控溅射源可采用直流磁控溅射、中频磁控溅射、射频磁控溅射中的任何一种磁控溅射方式。
在上述制备方法中，步骤(3)所述的磁控溅射源靶材为W、Cr、Ti、Nb、Mo、Zr、Ag、Cu、Co等金属元素的任何一种。
在上述制备方法中，步骤(3)通过控制磁控溅射靶的功率调整DLC膜的金属元素掺入量。
本发明专利的优点是充分发挥离子束辅助沉积结合、多元混合气体的离子束沉积、磁控溅射的优势，在离子束辅助沉积梯度制备的梯度过渡层基础上合成同时掺杂金属元素和非金属元素的多元掺杂DLC膜，实现金属元素与非金属元素的优势互补，显著改善DLC膜的综合性能；通过改变通入离子源的气体种类及流量、溅射靶材料和靶功率等因素调控掺杂元素种类和含量，获得高性能的多元掺杂DLC膜。
实施方式：
下面结合具体实施例对本发明专利作进一步详细描述，但不作为对本发明专利的限定。
实施例1
首先利用超声波清洗技术去除GCr15轴承表面油脂污染层；然后利用阳极层离子源辅助直流磁控溅射沉积Cr/CrN/CrCN/CrC梯度过渡层，磁控溅射靶材料为Cr，通入阳极层离子源的气体包括氩气、氮气、乙炔，通过逐渐改变氩气、氮气、乙炔的流量实现过渡层的梯度过渡，离子能量为-100～-800eV；最后利用离子束沉积+磁控溅射技术在Cr/CrN/CrCN/CrC梯度过渡层上合成同时掺杂Cr、Si、F的DLC膜，离子源采用阳极层离子源，通入阳极层离子源的气体包括氩气、乙炔、硅烷和四氟化碳，磁控溅射源采用直流磁控溅射方式，靶材为Cr；通过改变氩气、乙炔、硅烷和四氟化碳的流量、铬溅射靶的溅射功率控制多元掺杂DLC膜的Cr、Si、F含量。
实施例2
首先利用超声波清洗技术去除发动机柱塞表面的油脂污染层；然后利用阳极层离子源辅助直流磁控溅射沉积Cr/CrN/CrCN/CrC梯度过渡层，磁控溅射靶材料为Cr，通入阳极层离子源的气体包括氩气、氮气、苯，通过逐渐改变氩气、氮气、苯的流量实现过渡层的梯度过渡，离子能量为-100～-800eV；最后利用离子束沉积+磁控溅射技术在Cr/CrN/CrCN/CrC梯度过渡层上合成同时掺杂Cr、F、N的DLC膜，离子源采用阳极层离子源，通入阳极层离子源的气体包括氩气、苯、四氟化碳、氮气，磁控溅射采用直流磁控溅射方式，靶材为Cr；通过改变氩气、乙炔、四氟化碳、氮气的流量、铬溅射靶的溅射功率控制多元掺杂DLC膜的Cr、F、N含量。
实施例3
首先利用超声波清洗技术去除高速钢刀具表面油脂污染层；然后利用阳极层离子源辅助阴极电弧沉积制备Ti/TiN/TiCN/TiC梯度过渡层，阴极电弧靶材料为Ti，通入阳极层离子源的气体包括氩气、氮气、甲烷，通过逐渐改变氩气、氮气、甲烷的流量实现过渡层的梯度过渡，离子能量为-100～-800eV；最后利用离子束沉积+磁控溅射技术在Ti/TiN/TiCN/TiC梯度过渡层上合成同时掺杂Ti、Si、F、SiO₂的DLC膜，离子源采用阳极层离子源，通入阳极层离子源的气体包括氢气、甲烷、硅烷、四氟化碳、水蒸气，磁控溅射采用直流磁控溅射方式，靶材为Ti；通过改变氢气、甲烷、硅烷、四氟化碳、水蒸气的流量、钛溅射靶的溅射功率控制多元掺杂DLC膜的Ti、Si、F、SiO₂含量。