Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，包括基材和靶材的準備、基材離子清洗、薄膜制備三個步驟，選擇合適的工藝參數(shù)，采用直流磁控和射頻磁控共濺射，在基材上制備Cr-B-C納米復(fù)合薄膜。本發(fā)明提供的方法可以在室溫下沉積薄膜，大大降低了對基材選擇的限制，并且Cr-B-C中金屬Cr、非金屬B和C的含量可以通過直流和射頻磁控濺射靶功率進行調(diào)節(jié)，制備工藝簡單，操作能動性好。
【專利說明】Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及摩擦學及表面工程領(lǐng)域，具體的說，涉及的是一種Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硼(B4C)具有僅次于金剛石和立方氮化硼的硬度，也因其具有高彈性模量、良好穩(wěn)定的化學和力學性質(zhì)、較低的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良性能，作為耐磨材料引起了摩擦學界的重視。然而經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)，碳化硼的斷裂韌性低、抗氧化能力差、對金屬的穩(wěn)定性差，在使用過程中容易發(fā)生斷裂，對環(huán)境要求和工件材料的選擇比較苛刻。為了進一步改善以上提到的缺點，國內(nèi)外學者們發(fā)現(xiàn)在B-C基的基礎(chǔ)上加入過渡族金屬元素可以降低B4C薄膜的摩擦系數(shù)和磨損量，并可以提高其抗腐蝕和抗氧化的能力。作為過渡族元素的Cr具有良好的綜合性能(耐磨性和抗腐蝕性)，將其引入到B4C薄膜中，制備出Cr-B-C納米復(fù)合薄膜，不僅僅可以克服B4C薄膜自身的缺陷，還能使其具有多功能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，采用直流磁控和射頻磁控共濺射的方法，可以在較低的溫度下沉積Cr-B-C納米復(fù)合薄膜。
[0004]該方法包括以下步驟:
1)基材和靶材的準備:將基材打磨拋光并清洗吹干后裝夾在載物臺上，正對離子束源；將直流磁控靶材和射頻磁控靶材分別安裝到相應(yīng)的儀器上，所述的直流磁控靶材、射頻磁控靶材含有Cr、B或Cr、B、C元 素；
2)基材離子清洗:用Ar+離子束轟擊基材，清洗和活化基材；
3)薄膜制備:通入高純氬氣或氬氣和乙炔混合氣體，采用直流磁控和射頻磁控共濺射，在基材上制備Cr-B-C納米復(fù)合薄膜，工藝參數(shù)為:氣壓4.0-5.0X KT1Pa ;直流磁控濺射功率5(Tl50W ;射頻磁控濺射功率5(T250W ;負偏壓(TlOOV ；占空比20%~80% ;載物臺旋轉(zhuǎn)速度(TlOOrpm ;制備溫度Rt~300°C ;制備時間3~4h。
[0005]進一步改進，所述的基材是單晶Si片、不銹鋼、鈦合金、玻璃的任一種。
[0006]進一步改進，所述步驟2)的基材離子清洗工藝參數(shù)為:真空度10_4Pa，Ar氣流量(T50sccm，基材負偏壓(T1200V，占空比0~100%。
[0007]進一步改進,所述步驟3)的磁控派射前,控制Ar氣流量(T50sccm,開啟直流和射頻電源，讓靶材空跑5-10分鐘，去除靶材表面的氧化物。
[0008]進一步改進,所述的直流磁控派射使用Cr IE ;射頻磁控派射使用B4C IE ;步驟3)通入高純氬氣，腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0-5.0X KT1Pa ;直流磁控濺射功率5(Tl50W ;射頻磁控濺射功率50~250W ;基材負偏壓是0V-100V ;占空比為20%_80% ;基材溫度Rt~300°C;沉積時間為4h。
[0009]進一步改進，直流磁控濺射使用CrB2靶；射頻磁控濺射使用C靶；步驟3)通入高純氬氣，腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0-5.0 X KT1Pa ;直流磁控濺射功率50~150W ;射頻磁控濺射功率50~250W ;基材負偏壓是OV-1OOV ;占空比為20%_80% ;基材溫度Rt_300°C;沉積時間為4h0 [0010]進一步改進，直流磁控濺射使用CrBjE ;射頻磁控濺射使用C靶；步驟3)通入高純氬氣和乙炔混合氣體，腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0-5.0XKT1Pa ;直流磁控濺射功率50~150W ;射頻磁控濺射功率5(T250W ;基材負偏壓是0V-100V ；占空比為20%_80% ;基材溫度Rt-300°C ;沉積時間為3h。
[0011]進一步改進，直流磁控濺射使用Cr靶；射頻磁控濺射使用B靶；步驟3)通入高純氬氣和乙炔混合氣體，腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0-5.0XKT1Pa ;基材負偏壓是0V-100V ;占空比為20%-80% ;基材溫度Rt-300°C ;沉積時間為3h。
[0012]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
1)可以在室溫下沉積薄膜，大大降低了對基材選擇的限制；
2)Cr-B-C中金屬Cr、非金屬B和C的含量可以通過直流和射頻磁控濺射靶功率進行調(diào)
節(jié);
3)制備工藝簡單，操作能動性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是采用本發(fā)明工藝實施例1制備的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的粘附力；
圖2是采用本發(fā)明工藝實施例1制備的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的接觸角；
圖3是采用本發(fā)明工藝實施例1制備的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的顯微硬度；
圖4是采用本發(fā)明工藝實施例1制備的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的X射線衍射光譜；
圖5是采用本發(fā)明工藝實施例1制備的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的掃描電鏡圖；
圖6是采用本發(fā)明工藝實施例2制備的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的接觸角；
圖7是采用本發(fā)明工藝實施例1、2、3中，基材在金屬Cr靶和B4C靶中間的布局示意圖。
[0014]圖8是采用本發(fā)明工藝實施例4、5、6中，固定基材位置在金屬Cr靶和B4C靶中間的布局示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明:
實施例1
I)基材及靶材準備
用5 X 5cm2的單晶Si(IOO)片和030 X 6mm3的316L醫(yī)用不銹鋼作為基材，316L醫(yī)用不銹鋼打磨并拋光至粗糙度Ra=50nm，然后將單晶Si (100)片和316L醫(yī)用不銹鋼依次在丙酮，酒精和去離子水中進行超聲清洗，最后用電吹風吹干。將金屬Cr和B4C靶分別裝夾在直流磁控濺射靶和射頻磁控濺射靶上。
[0016]2)靶材及基材離子清洗
等本底真空度達到10_4Pa數(shù)量級，將單晶Si(IOO)片和316L醫(yī)用不銹鋼正對離子束源，通入16sccm的Ar氣,設(shè)定基材負偏壓600V,占空比50%,利用Ar+離子轟擊單晶Si (100)片和316L醫(yī)用不銹鋼表面，進一步清除基材表面的污染物并活化沉積表面。清洗完基材后，調(diào)節(jié)Ar氣流量至lOsccm，開啟直流磁控濺射和射頻磁控濺射靶電源，讓金屬Cr和B4C靶空跑5分鐘，以去除靶表面的氧化物。
[0017]3)薄膜制備
保持單晶Si (100)片和316L醫(yī)用不銹鋼與金屬Cr和B4C靶的距離保持在7cm，通入高純氬氣lOsccm，等腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0X KT1Pa后，調(diào)節(jié)直流磁控金屬Cr靶的濺射功率100W，射頻磁控B4C靶的濺射功率100W，保持負偏壓100V，占空比60%，設(shè)定基材的旋轉(zhuǎn)速度IOrpm,在室溫(Rt)下制備4h。
[0018]4)薄膜的檢測
①粘附力的檢測:通過MFT-4000劃痕儀測試Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的粘附力，如圖1所示 ο
[0019]②接觸角表面能的檢測:通過SL200B型光學動/靜態(tài)接觸角測定儀測定Cr_B_C納米復(fù)合薄膜與去離子水的接觸角，如圖2所示。
[0020]③硬度的測定:通過顯微硬度測量儀測量Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的顯微硬度，如圖3所示。
[0021]④晶相的測定:通過X射線衍射光譜測定薄膜的晶相結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
[0022]⑤表面形貌測定:通過SEM觀察薄膜表面形貌，如圖5所述。
[0023]實施例2
I)基材及靶材準備
用天然金剛石刀將單晶Si (100)切割成尺寸為5X5cm2的小塊，然后將單晶Si (100)片在丙酮，酒精和去離子水中進行超聲清洗，最后用電吹風吹干。將金屬Cr和B4C靶分別裝夾在直流磁控濺射靶和射頻磁控濺射靶上。
[0024]2)靶材及基材離子清洗
等本底真空度達到10_4Pa數(shù)量級，將單晶Si (100)片正對離子束源，通入7SCCm的Ar氣，設(shè)定基材負偏壓600V，占空比50%，利用Ar+離子轟擊單晶Si (100)片表面，進一步清除基材表面的污染物和活化沉積表面。清洗完基材后，調(diào)節(jié)Ar氣流量至lOsccm，開啟直流磁控濺射和射頻磁控濺射靶電源，讓金屬Cr和B4C靶空跑5分鐘，以去除靶表面的氧化物。
[0025]3)薄膜制備
保持單晶Si (100)片與金屬Cr和B4C祀的距離在8cm,通入高純気氣16sccm,等腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在5.0 X KT1Pa后，設(shè)定直流磁控金屬Cr靶的濺射功率100W，射頻磁控B4C靶的濺射功率200W，調(diào)節(jié)負偏壓200V，占空比60%，設(shè)定基材的旋轉(zhuǎn)速度20rpm，室溫下制備4h。
[0026]實施例3
O 基材及靶材準備
用天然金剛石刀將單晶Si (100)切割成尺寸為5X5cm2的小塊，然后將單晶Si (100)片在丙酮，酒精和去離子水中進行超聲清洗，最后用電吹風吹干。將金屬Cr和B4C靶分別裝夾在直流磁控濺射靶和射頻磁控濺射靶上。
[0027]2)靶材及基材離子清洗
等本底真空度達到10_4Pa數(shù)量級，將單晶Si(IOO)片正對離子束源，通入16SCCm的Ar氣，設(shè)定基材負偏壓600V，占空比50%，利用Ar+離子轟擊單晶Si (100)片表面，進一步清除基材表面的污染物和活化沉積表面。清洗完基材后，調(diào)節(jié)Ar氣流量至lOsccm，開啟直流磁控濺射和射頻磁控濺射靶電源，讓金屬Cr和B4C靶空跑5分鐘，以去除靶表面的氧化物。
[0028]3)薄膜制備
保持單晶Si (100)片與金屬Cr和B4C祀的距離在7cm,通入高純U1氣IOsccm,等腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0 X KT1Pa后，設(shè)定直流磁控金屬Cr靶的濺射功率100W，射頻磁控B4C靶的濺射功率200W，設(shè)定負偏壓80V，占空比60%，設(shè)定基材的旋轉(zhuǎn)速度30rpm，調(diào)節(jié)制備溫度200°C，保持制備時間為4h。
[0029]上述三個實施例中基材的布局如圖7所示。
[0030]實施例4
本實施例中所有的步驟和參數(shù)都和實施例1中相同，只需將實施例1中的基材位置固定在金屬Cr靶和B4C靶的中間位置靜止(如圖8所示)。
[0031]實施例5
本實施例中所有的步驟和參數(shù)都和實施例2中相同，只需將實施例2中的基材位置固定在金屬Cr靶和B4C靶的中間位置靜止(如圖8所示)。
[0032]實施例6
本實施例中所有的步驟和參數(shù)都和實施例3中相同，只需將實施例3中的基材位置固定在金屬Cr靶和B4C靶的中間位置靜止(如圖8所示)。
[0033]實施例7
本實施例中所有的步驟和參數(shù) 都和實施例1中相同，只需將實施例1中的直流磁控靶換為CrB2靶，射頻磁控靶換為C靶。
[0034]實施例8
本實施例中所有的步驟和參數(shù)都和實施例2中相同，只需將實施例2中的直流磁控靶換為CrB2靶，射頻磁控靶換為C靶。
[0035]實施例9
本實施例中所有的步驟和參數(shù)都和實施例3中相同，只需將實施例3中的直流磁控靶換為CrB2靶，射頻磁控靶換為C靶。
[0036]實施例10
本實施例中所有的步驟和參數(shù)都和實施例1中相同，只需將實施例1中的直流磁控靶換為Cr靶，射頻磁控靶換為B靶，通入氬氣和乙炔混合氣體。
[0037]實施例11
本實施例中所有的步驟和參數(shù)都和實施例1中相同，只需將實施例1中的直流磁控靶換為CrB2靶，通入氬氣和乙炔混合氣體。
[0038]本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)基材和靶材的準備:將基材打磨拋光并清洗吹干后裝夾在載物臺上，正對離子束源；將直流磁控靶材和射頻磁控靶材分別安裝到相應(yīng)的儀器上，所述的直流磁控靶材、射頻磁控靶材含有Cr、B或Cr、B、C元素； 2)基材離子清洗:用Ar+離子束轟擊基材，清洗和活化基材； 3)薄膜制備:通入高純氬氣或氬氣和乙炔混合氣體，采用直流磁控和射頻磁控共濺射，在基材上制備Cr-B-C納米復(fù)合薄膜，工藝參數(shù)為:氣壓4.0-5.0X KT1Pa ;直流磁控濺射功率5(Tl50W ;射頻磁控濺射功率5(T250W ;負偏壓(TlOOV ；占空比20%~80% ;載物臺旋轉(zhuǎn)速度(TlOOrpm ;制備溫度Rt~300°C ;制備時間3~4h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:所述的基材為單晶Si片、不銹鋼、鈦合金、玻璃的任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟2)的基材離子清洗工藝參數(shù)為:真空度10_4Pa，Ar氣流量(T50sCCm，基材負偏壓(T1200V，占空比 0~100%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟3)的磁控濺射前，控制Ar氣流量(T50SCCm，開啟直流和射頻電源，讓靶材空跑5_10分鐘，去除靶材表面的氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:所述的直流磁控濺射使用Cr靶；射頻磁控濺射使用B4C靶；步驟3)通入高純氬氣，腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0-5.0X KT1Pa ;直流磁控濺射功率5(Tl50W ;射頻磁控濺射功率5(T250W ;基材負偏壓是0V-100V ;占空比為2.0%-80% ;基材溫度Rt~300°C ;沉積時間為4h。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:直流磁控濺射使用CrB2靶；射頻磁控濺射使用C靶；步驟3)通入高純氬氣，腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0-5.0X KT1Pa ;直流磁控濺射功率5(Tl50W ;射頻磁控濺射功率5(T250W ;基材負偏壓是0V-100V ;占空比為20%-80% ;基材溫度Rt-300°C ;沉積時間為4h。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:直流磁控濺射使用CrB2靶；射頻磁控濺射使用C靶；步驟3)通入高純氬氣和乙炔混合氣體，腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0-5.0X KT1Pa ;直流磁控濺射功率5(Tl50W ;射頻磁控濺射功率5(T250W ;基材負偏壓是0V-100V ；占空比為20%-80% ;基材溫度Rt-300°C ;沉積時間為3h。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Cr-B-C納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于:直流磁控濺射使用Cr靶；射頻磁控濺射使用B靶；步驟3)通入高純氬氣和乙炔混合氣體，腔體內(nèi)的氣壓穩(wěn)定在4.0~5.0X KT1Pa ;基材負偏壓是0V-100V ；占空比為20%_80% ;基材溫度Rt_300°C;沉積時間為3h。
【文檔編號】C23C14/06GK103469169SQ201310397132
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】王謙之, 周飛, 陳建云 申請人:南京航空航天大學