專(zhuān)利名稱(chēng)：強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金剛石涂層技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，可應(yīng)用于對(duì)制品表面涂敷金剛石涂層。
背景技術(shù)：
以化學(xué)氣相沉積方法制備的金剛石涂層具有許多獨(dú)特的特性，如高硬度、高彈性模量、低摩擦系數(shù)、高熱導(dǎo)率、寬光學(xué)透過(guò)波段、高介電性能、高化學(xué)惰性等，是一種極為優(yōu)異的多功能材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。
制備金剛石涂層可以采用多種多樣的化學(xué)氣相沉積方法，其最主要的特征是其各自的等離子體產(chǎn)生技術(shù)。熱絲法使用大量并行排列、被加熱至熾熱狀態(tài)的金屬絲作為等離子體源。其缺點(diǎn)是數(shù)量巨大的熱絲組的穩(wěn)定性和壽命較低。微波法使用高頻率的電磁波產(chǎn)生無(wú)電極放電的等離子體，其缺點(diǎn)是設(shè)備和運(yùn)行成本高、而能夠產(chǎn)生的等離子體的面積小。直流電弧噴射法由噴射狀流動(dòng)的高速電弧產(chǎn)生等離子體，其缺點(diǎn)是能夠產(chǎn)生的等離子體的面積小、且高速?lài)娚涞碾娀?huì)對(duì)被涂層制品產(chǎn)生很高的熱沖擊，其溫度很難得到控制。
制備金剛石涂層的另一種方法是所謂的強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積方法。在這一方法中，相距較遠(yuǎn)的陰陽(yáng)兩極之間發(fā)生直流電弧放電而形成一電弧弧柱，而被涂層的制品被放置在電弧弧柱的周?chē)?。電弧弧柱產(chǎn)生的等離子體對(duì)反應(yīng)氣體實(shí)現(xiàn)激發(fā)，從而可在制品的表面上沉積出金剛石涂層。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是1.提供的等離子體的面積很大，因而可以同時(shí)對(duì)大量制品進(jìn)行金剛石涂層。
2.強(qiáng)電流電弧可激發(fā)高密度的等離子體，因而可對(duì)反應(yīng)氣體實(shí)現(xiàn)有效的激發(fā)，有助于提高金剛石涂層的質(zhì)量和其沉積速率。
在上述的強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置中，使用了能夠發(fā)射高強(qiáng)度電子流的陰極裝置(I.Reineck et al，Diamond and Related Materials，5(1996)819)。它由一根很長(zhǎng)的被電流加熱至熾熱狀態(tài)的W絲所組成。由于需要發(fā)射的電流的強(qiáng)度很高，因而所需的W絲的表面積就很大，即W絲的長(zhǎng)度要很長(zhǎng)。例如，要想產(chǎn)生150A的電子流發(fā)射，需要使用1mm直徑的W金屬絲0.5m。維持如此長(zhǎng)的熾熱W絲在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定工作，在技術(shù)上是很困難的。正因?yàn)槿绱?，W絲陰極的壽命和其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是限制整個(gè)強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的一個(gè)重要因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，延長(zhǎng)了陰極的壽命和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而直接提高了整個(gè)強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的可靠性。
本發(fā)明由陰極部分、陽(yáng)極、真空室、真空泵系統(tǒng)、壓力測(cè)控裝置、直流電弧弧柱、制品架、電源、磁場(chǎng)線(xiàn)圈組成。陰極部分1和陽(yáng)極8處于圓桶狀真空室2軸線(xiàn)的兩端。一對(duì)磁場(chǎng)線(xiàn)圈12、13同軸地處于真空室2外的上下兩側(cè)。真空室2與真空泵系統(tǒng)3、壓力測(cè)控裝置4由真空管路相連接。
陰極部分1由陰極桿6、陰極體7、保護(hù)氣體通道體14、反應(yīng)氣體通道體15以及絕緣體17、18所組成；在保護(hù)氣體通道體14、反應(yīng)氣體通道體15的下方是陰極噴口16；陰極桿6由W金屬所制成，其直徑范圍為2-15mm，長(zhǎng)度范圍為8-30mm，且根據(jù)所需發(fā)射的電子流的強(qiáng)度不同而不同。陰極體7、保護(hù)氣體通道體14、反應(yīng)氣體通道體15之間由絕緣體17、18所絕緣。
在真空室2的軸線(xiàn)處，陰極部分1和陽(yáng)極8之間形成一直流電弧弧柱9。電源5、電源11分別對(duì)直流電弧弧柱9和磁場(chǎng)線(xiàn)圈12、13提供電能。被涂層的制品可順序安放于直流電弧弧柱9周?chē)闹破芳?0上。
由W制成的陰極桿6是強(qiáng)電子流的發(fā)射體，它在強(qiáng)電子流流過(guò)的同時(shí)被加熱至高溫狀態(tài)，因而自身具備了發(fā)射強(qiáng)電子流的能力。陰極體7為陰極桿6提供了電流的通路，同時(shí)對(duì)陰極桿6起著冷卻的作用。在保護(hù)氣體通道體14之內(nèi)為陰極桿6提供所需的保護(hù)氣體，后者還有穩(wěn)定電弧的作用。在反應(yīng)氣體通道體15和保護(hù)氣體通道體14之間流過(guò)的反應(yīng)氣體將直接進(jìn)入電弧弧柱9，增加了它的化學(xué)活性。另外，此氣流也對(duì)電弧弧柱9起著冷卻的作用，從而使其保持在陰極噴口16的中心位置。陰極噴口16的作用是使所形成的電弧弧柱9維持在自身的軸線(xiàn)上。
由于在同等發(fā)射表面的情況下，相對(duì)于熾熱狀態(tài)的W絲陰極來(lái)說(shuō)，桿狀陰極6的長(zhǎng)度較小、直徑較大，因而其壽命與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都得到了大幅度的很高。因此，上述陰極部分的改變可直接提高整個(gè)強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的可靠性，改善其所沉積的金剛石涂層的質(zhì)量。
在本發(fā)明的裝置中進(jìn)行金剛石涂層沉積的方法是，在真空室2的軸線(xiàn)處，陰極部分1和陽(yáng)極8之間形成直流電弧弧柱9。電源5、電源11分別對(duì)直流電弧弧柱9和磁場(chǎng)線(xiàn)圈12、13提供電能。被涂層的制品可順序安放于直流電弧弧柱9周?chē)闹破芳?0上。反應(yīng)氣體、保護(hù)氣體由陰極部分1輸入圓桶狀的真空室2內(nèi)，而真空室2由真空泵系統(tǒng)3維持在0.5～25kPa的壓力范圍內(nèi)。壓力由壓力測(cè)控裝置4所監(jiān)控。直流強(qiáng)電流通路由電源5、陰極桿6、陰極體7、陽(yáng)極8和直流電弧弧柱9組成。電源11對(duì)真空室外側(cè)同軸安置的兩只磁場(chǎng)線(xiàn)圈12、13提供電流從而形成軸向的強(qiáng)磁場(chǎng)。強(qiáng)磁場(chǎng)的作用是對(duì)所形成的電弧弧柱9形成約束作用，使其保持于真空室2軸線(xiàn)的位置上，并由此確保電弧弧柱9外制品架10上安置的被涂層制品的溫度的一致性。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、在同等電流發(fā)射表面的情況下，由W棒制成的桿狀陰極比W絲陰極的長(zhǎng)度要小得多，而其直徑則要大得多，因此其壽命與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性將可獲得大幅度的改善。這將大大有助于強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置可靠性的提高。
2、由于陰極的穩(wěn)定性得到了改善，因而其所制備的金剛石涂層的質(zhì)量也可獲得顯著的改善。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，陰極部分1、真空室2、真空泵系統(tǒng)3、壓力測(cè)控裝置4、電源5、11、陰極桿6、陰極體7、陽(yáng)極8、直流電弧弧柱9、制品架10、磁場(chǎng)線(xiàn)圈12、13。
圖2是本發(fā)明裝置中陰極部分的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，陰極桿6、陰極體7、保護(hù)氣體通道體14、反應(yīng)氣體通道體15、陰極噴口16、絕緣體17、18。
具體實(shí)施方式
下面，結(jié)合實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)的技術(shù)方案進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明。
實(shí)施例1將欲涂敷金剛石涂層的制品安置于制品架上，采用表1列出的工藝條件對(duì)其進(jìn)行金剛石涂層表1金剛石涂層的工藝條件

其中，氬氣是所使用的保護(hù)氣體，而氫氣和甲烷則為沉積金剛石所必需的反應(yīng)氣體。調(diào)整真空室內(nèi)的壓力、直流放電電壓、電流分別為1kPa、120V和150A，而欲涂層的制品的表面溫度為900℃。對(duì)制品涂層處理6小時(shí)，獲得金剛石涂層。
權(quán)利要求1.一種強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，由陰極部分、陽(yáng)極、真空室、真空泵系統(tǒng)、壓力測(cè)控裝置、直流電弧弧柱、制品架、電源、磁場(chǎng)線(xiàn)圈組成；其特征在于陰極部分(1)和陽(yáng)極(8)處于圓桶狀真空室(2)軸線(xiàn)的兩端；一對(duì)磁場(chǎng)線(xiàn)圈(12)、(13)同軸地處于真空室(2)外的上下兩側(cè)；真空室(2)與真空泵系統(tǒng)(3)、壓力測(cè)控裝置(4)由真空管路相連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于陰極部分(1)由陰極桿(6)、陰極體(7)、保護(hù)氣體通道體(14)、反應(yīng)氣體通道體(15)以及絕緣體(17)、(18)所組成；在保護(hù)氣體通道體(14)、反應(yīng)氣體通道體(15)的下方是陰極噴口(16)；陰極桿(6)由W金屬所制成；陰極體(7)、保護(hù)氣體通道體(14)、反應(yīng)氣體通道體(15)之間由絕緣體(17)、(18)所絕緣。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種強(qiáng)電流直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積裝置，由陰極部分、陽(yáng)極、真空室、真空泵系統(tǒng)、壓力測(cè)控裝置、直流電弧弧柱、制品架、電源、磁場(chǎng)線(xiàn)圈組成；陰極部分(1)和陽(yáng)極(8)處于圓桶狀真空室(2)軸線(xiàn)的兩端；一對(duì)磁場(chǎng)線(xiàn)圈(12)、(13)同軸地處于真空室(2)外的上下兩側(cè)；真空室(2)與真空泵系統(tǒng)(3)、壓力測(cè)控裝置(4)由真空管路相連接。陰極部分(1)由陰極桿(6)、陰極體(7)、保護(hù)氣體通道體(14)、反應(yīng)氣體通道體(15)以及絕緣體(17)、(18)所組成；在保護(hù)氣體通道體(14)、反應(yīng)氣體通道體(15)的下方是陰極噴口(16)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于壽命與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性將可獲得大幅度的改善并可靠性提高。
文檔編號(hào)C23C16/27GK2793101SQ20042012100
公開(kāi)日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者唐偉忠, 李成明, 呂反修, 陳廣超, 佟玉梅, 宋建華, 劉素田 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)