一種類金剛石厚膜及其制備方法及一種工件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種類金剛石厚膜及其制備方法及一種工件。
【背景技術(shù)】
[0002]類金剛石(Diamond-like Carbon，簡稱DLC)膜是指碳原子主要以sp2和sp 3雜化鍵結(jié)合，性能非常類似于金剛石的非晶碳膜。類金剛石膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性以及良好的化學穩(wěn)定性、導熱性、電絕緣性、光透過性和生物相容性，具有廣闊的應用前景。但是，DLC膜并未能在世界范圍內(nèi)獲得廣泛應用，主要技術(shù)障礙之一就是DLC膜具有較高內(nèi)應力，很難制備與基材具有良好結(jié)合力的厚膜(比如厚度大于2微米)，不能滿足實用化要求。類金剛石膜較高的內(nèi)應力主要來源于沉積過程中sp3雜化鍵的扭曲，及復雜且高度交聯(lián)碳網(wǎng)絡的嚴重變形。有時內(nèi)應力高達lOGPa，導致制備出的DLC膜鼓包、起皮并從基材脫落。
[0003]為降低類金剛石膜的內(nèi)應力，申請公布號為CN101787512A的發(fā)明專利公開了一種多元金屬元素摻雜類金剛石膜的制備方法，采用離子束沉積和鑲嵌復合靶磁控濺射合成多元金屬元素摻雜的類金剛石膜，常用摻雜的異質(zhì)元素包括T1、Cr、W、Zr、Nb、Ta等。申請公布號為CN101748381A的發(fā)明專利公開了一種高性能摻雜類金剛石膜的制備方法，采用尚子束?幾積+磁控派射合成問時慘雜金屬兀素和非金屬兀素的多兀慘雜DLC I旲。但是，由于引入異質(zhì)摻雜元素，形成碳化物鑲嵌在類金剛石膜的復合結(jié)構(gòu)，該專利方法制備的類金剛石膜，摩擦系數(shù)增加，力學性能惡化。申請公布號為CN103510046A的發(fā)明專利公開了一種含金屬摻雜的類金剛石厚膜及其制備方法，以及授權(quán)公告號為CN203546141U的實用新型專利公開了一種含金屬摻雜的類金剛石厚膜。上述兩個專利采用功能層與類金剛石層交替疊加，制備類金剛石厚膜，其中功能層為DLC-W結(jié)構(gòu)。同樣，由于異質(zhì)元素的存在，改變了功能層的性質(zhì)，導致功能層(DLC-W)與類金剛石層之間在物理、力學性能上的匹配度降低，實際應用中常常在層與層之間發(fā)生剝離失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種類金剛石厚膜及其制備方法及一種工件，本發(fā)明提供的類金剛石厚膜無異質(zhì)元素摻雜，層與層之間結(jié)合力較強。
[0005]本發(fā)明提供了一種類金剛石厚膜，包括:
[0006]結(jié)合層；
[0007]復合于結(jié)合層的過渡層；
[0008]復合于過渡層的類金剛石膜層；所述類金剛石膜層由SP3鍵含量不同的類金剛石子膜疊加而成。
[0009]優(yōu)選的，所述類金剛石膜層為高SP3鍵含量類金剛石子膜與低sp 3鍵含量類金剛石子膜交替疊加而成，所述過渡層與所述高SP3鍵含量類金剛石子膜復合或與低SP 3鍵含量類金剛石子膜復合；所述高SP3鍵含量類金剛石子膜的SP 3鍵含量為50%?80%，所述低SP 3鍵含量類金剛石子膜的Sp3鍵含量為10%?40%。
[0010]優(yōu)選的，所述類金剛石膜層厚度為2?20 μπι。
[0011]優(yōu)選的，所述結(jié)合層為鈦層、硅層或鉻層。
[0012]優(yōu)選的，所述過渡層為金屬碳化物過渡層。
[0013]本發(fā)明還提供了一種類金剛石厚膜的制備方法，包括以下步驟:
[0014]在待鍍工件表面依次沉積結(jié)合層和過渡層；
[0015]通過改變碳離子或碳-氫離子團能量在過渡層表面疊加沉積SP3鍵含量不同的類金剛石子膜，所述sp3鍵含量不同的類金剛石子膜疊加而成復合于過渡層的類金剛石膜層。
[0016]優(yōu)選的，所述改變碳離子或碳-氫離子團能量的方法為:對碳離子或碳-氫離子團施加不同偏壓或采用高能量惰性氣體粒子轟擊已沉積的類金剛石子膜表面。
[0017]優(yōu)選的，所述對碳離子或碳-氫離子團施加不同偏壓的方法為:
[0018]在磁控濺射石墨靶材方式下，對工件施加-20?-200V的偏壓以獲得高sp3鍵含量類金剛石子膜層；對工件施加偏壓-300?-600V以獲得低sp3鍵含量類金剛石子膜層；
[0019]所述高sp3鍵含量類金剛石子膜的sp 3鍵含量為50%?80%，所述低sp 3鍵含量類金剛石子膜的sp3鍵含量為10%?40%。
[0020]優(yōu)選的，所述對碳離子或碳-氫離子團施加不同偏壓的方法為:
[0021]在過濾陰極弧石墨靶材方式下，對工件施加偏壓O?-100V以獲得高sp3鍵含量類金剛石子膜層；對工件施加偏壓-2400?-3000V以獲得低sp3鍵含量類金剛石子膜層；
[0022]所述高sp3鍵含量類金剛石子膜的sp 3鍵含量為50%?80%，所述低sp 3鍵含量類金剛石子膜的sp3鍵含量為10%?40%。
[0023]優(yōu)選的，所述通過采用高能量惰性氣體粒子轟擊已沉積類金剛石子膜表面的方法為:
[0024]A)向真空腔體內(nèi)通入氬氣與含碳氫元素氣體的混合氣體，陽極層離子源在高電壓低電流放電模式下運行，產(chǎn)生氬離子或者碳-氫離子團等；
[0025]B)開啟偏壓電源，設置偏壓值在-1200?-3000V之間，獲得高sp3鍵含量類金剛石子膜層；
[0026]C)真空腔體內(nèi)通入氬氣，陽極層離子源在高電壓低電流放電模式下運行，產(chǎn)生氬離子；
[0027]D)開啟偏壓電源，設置偏壓值在-800?-1200V之間，轟擊高sp3鍵含量類金剛石子膜層，獲得低SP3鍵含量類金剛石子膜層；
[0028]所述高sp3鍵含量類金剛石子膜的sp 3鍵含量為50%?80%，所述低sp 3鍵含量類金剛石子膜的sp3鍵含量為10%?40%。
[0029]優(yōu)選的，所述通過采用高能量惰性氣體粒子轟擊已沉積類金剛石子膜表面的方法為:
[0030]A)在磁控濺射石墨靶材方式下，對工件施加偏壓-20?-200V以獲得高sp3鍵含量類金剛石子膜層，偏壓電源可以為直流電源或者脈沖電源；
[0031]B)關(guān)閉磁控濺射電源，陽極層離子源在高電壓低電流放電模式下運行，產(chǎn)生氬離子；
[0032]C)開啟偏壓電源，設置偏壓值在-800?-1200V之間，使得氬離子轟擊高sp3鍵含量類金剛石子膜層，獲得低sp3鍵含量類金剛石子膜層；
[0033]所述高sp3鍵含量類金剛石子膜的sp 3鍵含量為50%?80%，所述低sp 3鍵含量類金剛石子膜的sp3鍵含量為10%?40%。
[0034]本發(fā)明還提供了一種鍍膜工件，包括工件和復合在所述工件表面的上述的類金剛石厚膜或按上述制備方法制備的類金剛石厚膜，所述類金剛石厚膜的結(jié)合層與工件表面復入口 ο
[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種類金剛石厚膜，包括:結(jié)合層；復合于結(jié)合層的過渡層；復合于過渡層的類金剛石膜層；所述類金剛石膜層由SP3鍵含量不同的類金剛石子膜疊加而成。本發(fā)明通過將SP3鍵含量不同的類金剛石子膜疊加，得到類金剛石膜層，其中不涉及到引入外加異質(zhì)元素，有效避免了異質(zhì)元素摻雜導致膜層力學性能惡化的難題。并且，本發(fā)明通過將SP3鍵含量不同的類金剛石子膜進行疊加，大大降低了層與層之間的應力，層與層之間結(jié)合力較強，不會發(fā)生剝離。
[0036]結(jié)果表明，本方法提供的類金剛石厚度可達2微米以上，類金剛石厚膜層與工件的結(jié)合力可達70N以上。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明所提供的類金剛石厚膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0038]本發(fā)明提供了一種類金剛石厚膜，包括:
[0039]結(jié)合層；
[0040]復合于結(jié)合層的過渡層；
[0041]復合于過渡層的類金剛石膜層；所述類金剛石膜層由SP3鍵含量不同的類金剛石子膜疊加而成。
[0042]在本發(fā)明中，所述類金剛石厚膜包括結(jié)合層，所述結(jié)合層是將待鍍工件與類金剛石厚膜結(jié)合的膜層，其中，結(jié)合層優(yōu)選為過渡元素金屬，更優(yōu)選為鈦、硅或鉻。所述結(jié)合層的厚度為0.05?0.3 μ m，優(yōu)選為0.10?0.25 μ m。
[0043]本發(fā)明所述的類金剛石厚膜還包括復合于結(jié)合層的過渡層，所述過渡層為金屬碳化物過渡層，所述金屬為過渡元素金屬，更優(yōu)選為鈦、硅或鉻。所述結(jié)合層的厚度為0.1?0.3 μ m，優(yōu)選為 0.15 ?0.25 μ m。
[0044]本發(fā)明所述的類金剛石厚膜還包括復合于過渡層的類金剛石膜層，所述類金剛石膜層由sp3鍵含量不同的類金剛石子膜疊加而成。
[0045]所述類金剛石膜層為高SP3鍵含量類金剛石子膜與低sp 3鍵含量類金剛石子膜交替疊加而成，所述過渡層與所述高SP3鍵含量類金剛石子膜復合或與低SP 3鍵含量類金剛石子膜復合。所述高SP3鍵含量類金剛石子膜的SP 3鍵含量為50%?80%，所述低SP 3鍵含量類金剛石子膜的sp3鍵含量為10%?40%。
[0046]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明所提供的類金剛石厚膜進行詳細說明，具體見圖1，圖1為本發(fā)明所提供的類金剛石厚膜的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，A為高sp3鍵含量類金剛石子膜，B為低SP3鍵含量類金剛石子膜。(a)中，所述高SP 3鍵含量類金剛石子膜復合于過渡層中，類金剛石厚膜的最外層為低sp3鍵含量類金剛石子膜，所述類金剛石膜層由N層sp 3鍵含量不同的類金剛