專利名稱：一種高性能摻雜類金剛石膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種摻雜多種元素的高性能類金剛石(DLC)膜的制備技術(shù)，屬于 DLC膜材料的復(fù)合制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
類金剛石膜具有高硬度、高彈性模量、優(yōu)異的摩擦磨損性能、化學(xué)穩(wěn)定性及生物相 容性，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。但內(nèi)應(yīng)力大、膜/基結(jié)合力差、熱穩(wěn)定性差、脆性大等限制 了 DLC膜在苛刻服役條件下的應(yīng)用。 采用優(yōu)化的梯度過渡層可緩解DLC膜的內(nèi)應(yīng)力和提高DLC膜的膜/基結(jié)合力；通 過摻雜金屬元素形成以非晶碳膜為基體的復(fù)相結(jié)構(gòu)會改善DLC膜的綜合性能，但摻雜金屬 會導(dǎo)致DLC膜的摩擦系數(shù)較高，不能獲得低的摩擦系數(shù)。摻雜非金屬元素F、 H可以顯著降 低DLC膜在特種條件下的摩擦系數(shù)，摻雜Si、 Si02等非金屬組分可調(diào)控DLC膜的結(jié)構(gòu)和性 能。在DLC膜中同時摻入金屬元素和非金屬元素，實現(xiàn)不同摻雜元素的取長補短，是獲得高 性能DLC膜的一條有效途徑，但目前這方面的研究還未見諸報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前DLC膜制備技術(shù)和摻雜方案存在的不足，本發(fā)明專利提出了 一種新
型的DLC膜復(fù)合沉積技術(shù)，其特征在于在離子束沉積合成DLC膜的過程中，除了向離子
源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任何一種含碳?xì)怏w外，還同時通入包括硅烷、硼烷、磷
烷、四氟化碳等含非碳元素氣體源的任何一種氣體，并開啟金屬濺射源摻雜金屬元素，合成
多元摻雜DLC膜，所述方法包括以下步驟 (1)首先利用超聲波清洗技術(shù)去除基體表面污染層； (2)然后利用離子束輔助沉積技術(shù)制備梯度過渡層； (3)最后在梯度過渡層上利用離子束沉積+磁控濺射合成多元摻雜DLC膜。 在上述制備方法中，步驟(2)離子源可采用陽極層離子源、卡夫曼離子源、霍爾離
子源、射頻感應(yīng)耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源。 在上述制備方法中，步驟(2)離子源產(chǎn)生的離子束的組成為氬離子、氬/氮混合離
子、氬/碳混合離子或氬/氮/碳混合離子，不同離子的比例根據(jù)需要控制。 在上述制備方法中，步驟(2)離子束的離子能量為50eV 500eV。 在上述制備方法中，步驟(2)的蒸發(fā)/濺射源可采用磁控濺射靶、陰極電弧蒸發(fā)
源、空心陰極電弧蒸發(fā)源中的任何一種。 在上述制備方法中，步驟(2)的蒸發(fā)/濺射源耙材為Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一種 金屬。 在上述制備方法中，按照權(quán)利要求1所述的多元摻雜DLC膜制備方法，其特征在 于步驟(2)所述的過渡層包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/CrC、Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、W/ WC、 Nb/NbN/NbC等梯度過渡層。
在上述制備方法中，步驟(3)的離子源可采用陽極層離子源、卡夫曼離子源、霍爾
離子源、射頻感應(yīng)耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源。 在上述制備方法中，步驟(3)除了向離子源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任
何一種含碳?xì)怏w外，還同時通入包括硅烷、硼烷、磷烷、四氟化碳等含非碳元素氣體源任何
一種氣體。 在上述制備方法中，步驟(3)通過控制通入離子源的含非碳元素氣體源與含碳?xì)?體的流量比調(diào)整DLC膜的非金屬元素?fù)饺肓俊?在上述制備方法中，步驟(3)離子束的離子能量為50eV 1000eV。 在上述制備方法中，步驟(3)的磁控濺射源可采用直流磁控濺射、中頻磁控濺射、
射頻磁控濺射中的任何一種磁控濺射方式。在上述制備方法中，步驟(3)所述的磁控濺射源靶材為W、 Cr、 Ti、 Nb、 Mo、 Zr、 Ag、
Cu、 Co等金屬元素的任何一種。 在上述制備方法中，步驟(3)通過控制磁控濺射耙的功率調(diào)整DLC膜的金屬元素 摻入量。 本發(fā)明專利的優(yōu)點是充分發(fā)揮離子束輔助沉積結(jié)合、多元混合氣體的離子束沉 積、磁控濺射的優(yōu)勢，在離子束輔助沉積梯度制備的梯度過渡層基礎(chǔ)上合成同時摻雜金屬 元素和非金屬元素的多元摻雜DLC膜，實現(xiàn)金屬元素與非金屬元素的優(yōu)勢互補，顯著改善 DLC膜的綜合性能；通過改變通入離子源的氣體種類及流量、濺射靶材料和靶功率等因素 調(diào)控?fù)诫s元素種類和含量，獲得高性能的多元摻雜DLC膜。
實施方式 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明專利作進一步詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明專利的 限定。 實施例1 首先利用超聲波清洗技術(shù)去除GCrl5軸承表面油脂污染層；然后利用陽極層離子 源輔助直流磁控濺射沉積Cr/CrN/CrCN/CrC梯度過渡層，磁控濺射靶材料為Cr，通入陽極 層離子源的氣體包括氬氣、氮氣、乙炔，通過逐漸改變氬氣、氮氣、乙炔的流量實現(xiàn)過渡層的 梯度過渡，離子能量為-100 -SOOeV ;最后利用離子束沉積+磁控濺射技術(shù)在Cr/CrN/ CrCN/CrC梯度過渡層上合成同時摻雜Cr、Si、F的DLC膜，離子源采用陽極層離子源，通入陽 極層離子源的氣體包括氬氣、乙炔、硅烷和四氟化碳，磁控濺射源采用直流磁控濺射方式， 靶材為Cr ;通過改變氬氣、乙炔、硅烷和四氟化碳的流量、鉻濺射靶的濺射功率控制多元摻 雜DLC膜的Cr、Si、F含量。
實施例2 首先利用超聲波清洗技術(shù)去除發(fā)動機柱塞表面的油脂污染層；然后利用陽極層離 子源輔助直流磁控濺射沉積Cr/CrN/CrCN/CrC梯度過渡層，磁控濺射靶材料為Cr，通入陽 極層離子源的氣體包括氬氣、氮氣、苯，通過逐漸改變氬氣、氮氣、苯的流量實現(xiàn)過渡層的梯 度過渡，離子能量為-100 -SOOeV ;最后利用離子束沉積+磁控濺射技術(shù)在Cr/CrN/CrCN/ CrC梯度過渡層上合成同時摻雜Cr、F、N的DLC膜，離子源采用陽極層離子源，通入陽極層離 子源的氣體包括氬氣、苯、四氟化碳、氮氣，磁控濺射采用直流磁控濺射方式，耙材為Cr ;通 過改變氬氣、乙炔、四氟化碳、氮氣的流量、鉻濺射靶的濺射功率控制多元摻雜DLC膜的Cr、F、N含量。 實施例3 首先利用超聲波清洗技術(shù)去除高速鋼刀具表面油脂污染層；然后利用陽極層離子 源輔助陰極電弧沉積制備Ti/TiN/TiCN/TiC梯度過渡層，陰極電弧靶材料為Ti，通入陽極 層離子源的氣體包括氬氣、氮氣、甲烷，通過逐漸改變氬氣、氮氣、甲烷的流量實現(xiàn)過渡層的 梯度過渡，離子能量為-100 -SOOeV ;最后利用離子束沉積+磁控濺射技術(shù)在Ti/TiN/ TiCN/TiC梯度過渡層上合成同時摻雜Ti、Si、F、Si(^的DLC膜，離子源采用陽極層離子源， 通入陽極層離子源的氣體包括氫氣、甲烷、硅烷、四氟化碳、水蒸氣，磁控濺射采用直流磁控 濺射方式，耙材為Ti ;通過改變氫氣、甲烷、硅烷、四氟化碳、水蒸氣的流量、鈦濺射靶的濺 射功率控制多元摻雜DLC膜的Ti、 Si、 F、 Si02含量。
權(quán)利要求
一種多元摻雜類金剛石(DLC)膜的制備方法，其特征在于在離子束沉積合成DLC膜的過程中，除了向離子源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任何一種含碳?xì)怏w外，還同時通入包括硅烷、硼烷、磷烷、四氟化碳等含非碳元素氣體源的任何一種氣體，并開啟金屬濺射源摻雜金屬元素，合成多元摻雜DLC膜，所述方法包括以下步驟(1)首先利用超聲波清洗技術(shù)去除基體表面污染層；(2)然后利用離子束輔助沉積技術(shù)制備梯度過渡層；(3)最后在梯度過渡層上利用離子束沉積+磁控濺射合成多元摻雜DLC膜。
2. 按照權(quán)利要求l所述的多元摻雜DLC膜制備方法，其特征在于步驟(2)的離子 源可采用陽極層離子源、卡夫曼離子源、霍爾離子源、射頻感應(yīng)耦合離子源、電子回旋共振 離子源中的任何一種離子源；離子源產(chǎn)生的離子束的組成為氬離子、氬/氮混合離子、氬/ 碳混合離子或氬/氮/碳混合離子，不同離子的比例根據(jù)需要控制；離子束的離子能量為 50eV 500eV。
3. 按照權(quán)利要求1所述的多元摻雜DLC膜制備方法，其特征在于步驟(2)的蒸發(fā)/濺 射源可采用磁控濺射靶、陰極電弧蒸發(fā)源、空心陰極電弧蒸發(fā)源中的任何一種；蒸發(fā)/濺射 源靶材為Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一種金屬。
4. 按照權(quán)利要求1所述的多元摻雜DLC膜制備方法，其特征在于步驟(2)所述的過 渡層包括Ti/TiN/TiCN/TiC、 Cr/CrN/CrCN/CrC、 Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、 W/WC、 Nb/NbN/NbC等梯 度過渡層。
5. 按照權(quán)利要求1所述的多元摻雜DLC膜制備方法，其特征在于步驟(3)的離子源 可采用陽極層離子源、卡夫曼離子源、霍爾離子源、射頻感應(yīng)耦合離子 源、電子回旋共振離 子源中的任何一種離子源。
6. 按照權(quán)利要求1所述的多元摻雜DLC膜制備方法，其特征在于步驟(3)除了向離 子源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任何一種含碳?xì)怏w外，還同時通入包括硅烷、硼烷、 磷烷、四氟化碳等含非碳元素氣體源的任何一種氣體；通過控制通入離子源的含非碳元素 氣體源與含碳?xì)怏w的流量比調(diào)整DLC膜的非金屬元素?fù)饺肓俊?br> 7. 按照權(quán)利要求1所述的多元摻雜DLC膜制備方法，其特征在于步驟(2)離子束的 離子能量為50eV 1000eV。
8. 按照權(quán)利要求1所述的多元摻雜DLC膜制備方法，其特征在于步驟(3)的磁控濺 射源可采用直流磁控濺射、中頻磁控濺射、射頻磁控濺射中的任何一種磁控濺射方式。
9. 按照權(quán)利要求1所述的多元摻雜DLC膜制備方法，其特征在于步驟(3)所述的磁 控濺射源靶材為W、 Cr、 Ti、 Nb、 Mo、 Zr、 Ag、 Cu、 Co等金屬元素的任何一種；通過控制磁控濺 射靶的功率調(diào)整DLC膜的金屬元素?fù)饺肓俊?br> 全文摘要
一種高性能摻雜類金剛石膜的制備方法，其特征是該方法首先利用超聲波清洗技術(shù)去除基體表面污染層；然后利用離子束輔助沉積技術(shù)制備梯度過渡層；最后利用離子束沉積+磁控濺射合成多元摻雜DLC膜，在此步驟除了向離子源中通入甲烷、乙炔、苯、乙醇、丙酮等任何一種含碳?xì)怏w外，還同時通入包括硅烷、硼烷、磷烷、四氟化碳等含非碳元素氣體源的任何一種氣體，并開啟金屬濺射源摻雜金屬元素。本發(fā)明可合成同時摻雜金屬元素和非金屬元素的多元摻雜DLC膜，充分發(fā)揮摻雜金屬元素和非金屬元素的優(yōu)勢互補，顯著改善DLC膜的綜合性能。
文檔編號C23C16/27GK101748381SQ20091021754
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者于翔, 付志強, 岳 文, 彭志堅, 王成彪 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)