專利名稱：在球面襯底上制造金剛石涂層的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用化學(xué)氣相沉積法在球面襯底上制備金剛石涂層的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
目前，化學(xué)氣相沉積法(簡稱CVD)金剛石的力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)等各項性能已經(jīng)達到或接近天然金剛石的性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。在零件表面沉積一層CVD金剛石膜，可以大大提高零件的力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)和化學(xué)等各項性能，增強零件的使用性能。由于制備平面CVD金剛石膜時襯底的溫度場較容易控制，目前各種平面CVD金剛石膜的制備技術(shù)發(fā)展較快。而制備曲面CVD金剛石膜，由于襯底是空間曲面，目前的各種金剛石膜的制備方法均存在溫度場難于均勻控制的問題。襯底溫度是制備金剛石膜的最重要參數(shù)之一，襯底溫度場不均勻直接影響金剛石的成核與生長，很難在空間曲面上制備出高質(zhì)量的均勻一致的CVD金剛石膜。對于曲率半徑較小的球體，在其表面采用化學(xué)氣相沉積的方法沉積CVD金剛石涂層時球體表面的溫度場更難均勻控制。
目前CVD法制備的金剛石涂層的晶粒為微米級，微米級的晶粒粗大，金剛石涂層表面粗糙，其內(nèi)部存在一定的缺陷使得膜內(nèi)存在較大的應(yīng)力，這種缺陷使得金剛石涂層的耐磨性呈現(xiàn)各向異性。CVD金剛石涂層表面粗糙，未經(jīng)拋光處理的CVD金剛石涂層不能直接作為軸承的耐磨涂層使用，而拋光處理CVD金剛石涂層增加了成本。目前金剛石的拋光處理效率低，成本高，特別是精密加工的成本非常高，同時金剛石膜內(nèi)存在的應(yīng)力在加工過程中會造成膜出現(xiàn)微裂紋，這些都制約了金剛石膜作為涂層的應(yīng)用。由納米顆粒組成的納米金剛石膜除了具備金剛石膜高硬度、導(dǎo)熱性極好，摩擦系數(shù)低等優(yōu)越性能之外，它克服了微米級金剛石膜難加工的不利影響，NCD膜具有韌性高這一新的性能，納米金剛石涂層表面粗糙度低，不需要進一步加工就可以直接使用。
目前，CVD方法制得的金剛石涂層均為平面產(chǎn)品，球面類金剛石涂層的制造方法及其設(shè)備尚未見相關(guān)報道，而隨著科技進步的發(fā)展，對球面進行金剛石沉積的要求將越來越多，其應(yīng)用范圍也將越來越廣(如耐磨球軸承等)，因此開發(fā)一種在球面上制造金剛石涂層，尤其是納米級涂層的方法及裝置是當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的一是提供一種在球面襯底上獲得均勻的金剛石(包括納米級金剛石)涂層的方法。
本發(fā)明的另一個目的是設(shè)計一種與上述方法配套的制造裝置。
本發(fā)明的第一目的可通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種在球面襯底上制造金剛石涂層的方法，其特征是包括以下步驟(1)將球面襯底呈多列均勻排放在襯底工作臺上，在工作臺的下方安裝一個帶動球面襯底旋轉(zhuǎn)的錐形輥，使得球面襯底表面溫度處于動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)；(2)在工作臺的上方、水冷進氣室的下方、沿球面襯底列的方向直線排列若干根加熱燈絲，使得加熱燈絲對球面襯底的表面輻射均勻；(3)向真空室內(nèi)通入反應(yīng)氣體，并使所述的錐形輥動作，即可在球面襯底表面通過化學(xué)氣相沉積形成均勻的金剛石涂層。
所述的加熱燈絲與球面襯底之間的距離與相鄰加熱燈絲之間的關(guān)系為h＝(1.2～1.6)L，其中h為加熱燈絲與球面襯底最高點之間的距離，L為相鄰加熱燈絲之間的距離。
為了在球面襯底有面得到納米級的沉積層，提高耐磨性，本發(fā)明通過在向真空室內(nèi)通入反應(yīng)氣體的同時加入Ar氣，通過Ar氣的協(xié)同作用在球面襯底表面化學(xué)氣相沉積得到納米級金剛石涂層。
在所述的加熱燈絲和反應(yīng)用氣室之間設(shè)有加速反應(yīng)氣體分解的柵極電場。
本發(fā)明的另一目的可通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)一種在球面襯底上制造金剛石涂層的裝置，包括密閉的真空室和位于真空室內(nèi)的工作臺8，工作臺8中安裝有調(diào)節(jié)其溫度的冷卻水管10，其特征是工作臺8上設(shè)有若干列與球面襯底7相配的球形通孔，在工作臺8的下方設(shè)有若干列錐形軸輥9，每列錐形軸輥9上的錐形輥子11的數(shù)量與每列球面襯底7的數(shù)量相等，加熱燈絲6呈直線陣列安裝在工作臺8的上方，在加熱燈絲6的上方安裝有水冷進氣室4，水冷進氣室4通過進氣口3與氣源相連，在水冷進氣室4的出氣端和加熱燈絲6之間加有使反應(yīng)氣流5發(fā)生分解的柵極電場2；在加熱燈絲6和工作臺8之間還安裝有測溫計或溫度傳感器1。錐形軸輥9、加熱燈絲6、水冷進氣室4、進氣口3、柵極電場2等均位于真空室內(nèi)。
所述的錐形軸輥9由軸12和安裝在軸12上的錐形輥子11組成，軸12既作旋轉(zhuǎn)運動又作軸向竄動。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明解決了球面襯底上CVD金剛石的成形以及成形的均勻性、粗糙度等問題，不僅可在球面襯底上得到普通尺寸的沉積層，而且通過加入Ar氣可使成形的金剛石顆粒達到納米級，為球面襯底的工業(yè)化制造提供了先進的方法及裝置。通過實驗證實本發(fā)明的方法及裝置可在碳化硅陶瓷軸承滾動球體表面得到厚度約5μm的納米金剛石涂層，涂層表面粗糙度值Ra＜0.1μm，該涂層的耐磨性比碳化硅陶瓷襯底的耐磨性提高5倍。


圖1是本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的錐形軸輥的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為陶瓷球體表面上制備出的納米金剛石涂層的掃描電鏡(SEM)照片。圖中看到薄膜表面連續(xù)、平整，表面粗糙度值很小。
圖4為陶瓷球體表面上制備出的納米金剛石涂層的拉曼光譜(Raman)。圖中1332cm-1是金剛石sp3結(jié)構(gòu)的特征峰，1140cm-1峰是納米金剛石的特征峰。
圖5為陶瓷球體表面上制備出的納米金剛石涂層的原子力顯微鏡(AFM)照片。薄膜表面顆粒的尺寸均在80納米左右。
圖6為陶瓷球體表面上制備出的納米金剛石涂層的x射線衍射譜(XRD)。圖中可見到金剛石(111)和(220)峰。由金剛石衍峰射的半高寬，可以根據(jù)謝樂公式估算出金剛石膜層的平均晶粒大小約為70nm。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖1～6所示。
下面以在球面襯底表面制備納米級金剛石涂層為例對本發(fā)明的方法作進一步的說明(1)優(yōu)化加熱燈絲排布、優(yōu)化加熱燈絲與球面襯底之間的間距，使得加熱燈絲對球面襯底表面的輻射均勻，其對應(yīng)關(guān)系可參照公式h＝(1.2～1.6)L確定，其中h為加熱燈絲與球面襯底最高點之間的距離，L為相鄰加熱燈絲之間的距離，本實施例的h的取值為5～8mm，加熱燈絲的數(shù)量應(yīng)盡可能多以便球形表面的溫度場均勻一致。(2)球面襯底安放在溫度可以調(diào)節(jié)的襯底工作臺上，更換襯底工作臺以適應(yīng)不同大小的球面襯底。在工作臺的下方安裝一個由特種陶瓷制成的錐形輥，錐形輥帶動球面襯底旋轉(zhuǎn)，使得球面襯底表面溫度處于動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)。球面襯底表面的沉積溫度通過紅外溫度計測量。在襯底工作臺上，球面襯底呈多列均勻排放，每列均勻放置多枚球面襯底，這樣一次可以實現(xiàn)在多個球面襯底表面上沉積CVD金剛石涂層，大大提高CVD金剛石涂層的制備效率。(3)在H2-CH4體系的反應(yīng)氣體中加入Ar，通過Ar作用使得球體表面CVD金剛石涂層的顆粒為納米尺寸，降低涂層表面粗糙度，提高涂層韌性，在熱絲和反應(yīng)氣體入口處增加?xùn)艠O電場，加速反應(yīng)氣體分解率，使得納米金剛石涂層的制備效率提高。
制備非納米級普通顆粒直徑的金剛石涂層的不同之處是所加的反應(yīng)氣體中不需要加入Ar。
與上述方法相配的具體的裝置為圖1為在球體表面上制備金剛石涂層的裝置示意圖。圖中，球面襯底7放置在水冷襯底工作臺8上，襯底工作臺8上襯底球呈多列均勻排放，每列均勻放置多枚襯底球，錐形軸輥9轉(zhuǎn)動帶動球面襯底7旋轉(zhuǎn)，拉直狀態(tài)的直加熱燈絲6呈陣列位于球面襯底7的上方，在直加熱燈絲6陣列和水冷進氣室4之間施加?xùn)艠O電場2，反應(yīng)氣體(H2-CH4和Ar氣)通過進氣口3進入水冷進氣室4，反應(yīng)氣體在水冷進氣室4內(nèi)流出后形成均勻的反應(yīng)氣體流5，反應(yīng)氣體流5在由直加熱燈絲6組成的陣列的作用下發(fā)生分解，產(chǎn)生的活性物質(zhì)在球面襯底7表面沉積出均勻納米金剛石涂層，球面襯底7的表面沉積溫度通過紅外溫度計1測量。圖2為錐形軸輥9的傳動示意圖。圖中，錐形輥子11安裝在軸12上并與球面襯底7相接觸，軸12通過兩個軸承13支撐，在傳動機構(gòu)的帶動下，軸12帶動錐形輥子11旋轉(zhuǎn)并沿軸向作微小的往復(fù)竄動，而使軸12旋轉(zhuǎn)的同時作一定量的軸向竄動可通過簡單的機械結(jié)構(gòu)(如凸輪機構(gòu))加以實現(xiàn)。在錐形輥子11的帶動下，安放在水冷襯底工作臺8上的球面襯底7可以均勻的轉(zhuǎn)動，水冷襯底工作臺8內(nèi)的冷卻水管10內(nèi)通入流量可以調(diào)節(jié)的去離子水，使得襯底工作臺8溫度和球面襯底7的沉積溫度控制。
本實施例未涉及部分如真空室、電控裝置、機械傳動裝置、反應(yīng)氣體、加熱絲規(guī)格等均與現(xiàn)有技術(shù)相同。
具體例以襯底為陶瓷滾動軸承、內(nèi)直徑φ10mm的碳化硅陶瓷軸承滾動球體為例，表面經(jīng)過納米金剛石懸濁液拋光、去離子水清洗等表面預(yù)處理后放在襯底工作臺8上。碳化硅陶瓷軸承滾動球在襯底工作臺8上呈4列放置，每列放4枚。采用12根直徑為φ0.6mm的鉭絲作為熱絲，熱絲下端到襯底球表面距離為8mm。反應(yīng)氣體中CH4∶H2∶Ar＝1∶4∶95，熱絲溫度2650℃左右，襯底溫度750℃，反應(yīng)室壓力為3.0kPa，柵極電壓30V，經(jīng)過5小時后，在碳化硅陶瓷軸承滾動球體表面得到厚度約5μm的納米金剛石涂層，涂層表面粗糙度值Ra＜0.1μm，該涂層的耐磨性比碳化硅陶瓷襯底的耐磨性提高5倍。涂層的SEM照片、Raman光譜分析、AFM照片和XRD分析分別如圖3、4、5、6所示。
權(quán)利要求
1.一種在球面襯底上制造金剛石涂層的方法，其特征是包括以下步驟(1)將球面襯底呈多列均勻排放在襯底工作臺上，在工作臺的下方安裝一個帶動球面襯底旋轉(zhuǎn)的錐形輥，使得球面襯底表面溫度處于動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)；(2)在工作臺的上方、水冷進氣室的下方、沿球面襯底列的方向直線排列若干根加熱燈絲，使得加熱燈絲對球面襯底的表面輻射均勻；(3)向真空室內(nèi)通入反應(yīng)氣體，并使所述的錐形輥動作，即可在球面襯底表面通過化學(xué)氣相沉積形成均勻的金剛石涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在球面襯底上制造金剛石涂層的方法，其特征是所述的加熱燈絲與球面襯底之間的距離與相鄰加熱燈絲之間的關(guān)系為h＝(1.2～1.6)L，其中h為加熱燈絲與球面襯底最高點之間的距離，L為相鄰加熱燈絲之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在球面襯底上制造金剛石涂層的方法，其特征是在向真空室內(nèi)通入反應(yīng)氣體的同時加入Ar氣，通過Ar氣的協(xié)同作用在球面襯底表面化學(xué)氣相沉積得到納米級金剛石涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在球面襯底上制造金剛石涂層的方法，其特征是在所述的加熱燈絲和水冷進氣室之間設(shè)有加速反應(yīng)氣體分解的柵極電場。
5.一種在球面襯底上制造金剛石涂層的裝置，包括密閉的真空室和位于真空室內(nèi)的工作臺(8)，工作臺(8)中安裝有調(diào)節(jié)其溫度的冷卻水管(10)，其特征是工作臺(8)上設(shè)有若干列與球面襯底(7)相配的球形通孔，在工作臺(8)的下方設(shè)有若干列錐形軸輥(9)，加熱燈絲(6)呈直線陣列安裝在工作臺(8)的上方，在加熱燈絲(6)的上方安裝有水冷進氣室(4)，水冷進氣室(4)通過進氣口(3)與氣源相連，在水冷進氣室(4)的出氣端和加熱燈絲(6)之間加有使反應(yīng)氣流(5)發(fā)生分解的柵極電場(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的在球面襯底上制造金剛石涂層的裝置，其特征是所述的錐形軸輥(9)由軸(12)和安裝在軸(12)上的錐形輥子(11)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的在球面襯底上制造金剛石涂層的裝置，其特征是在加熱燈絲(6)和工作臺(8)之間安裝有測溫計或溫度傳感器(1)。
全文摘要
本發(fā)明針對目前急需解決了球面襯底的CVD金剛石沉積成形問題，提出了一種在球面襯底上制造金剛石涂層的方法及其裝置，通過均勻表面溫度場，在球面襯底表面均勻制備CVD金剛石涂層，通過在工作臺的下方安裝一個由特種陶瓷制成的錐形輥，錐形輥帶動球面襯底旋轉(zhuǎn)，使得球面襯底表面溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)，通過沉積納米尺寸顆粒組成的CVD金剛石涂層來降低涂層表面粗糙度，提高涂層韌性。本發(fā)明保證了球面襯底表面沉積CVD金剛石膜時溫度場均勻、穩(wěn)定，使得CVD金剛石膜的成核和生長能夠均勻、穩(wěn)定地進行，沉積的納米CVD金剛石涂層的表面粗糙度很低，涂層不需要進一步加工就可以直接使用。
文檔編號C23C16/44GK1752278SQ200510094829
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者盧文壯, 左敦穩(wěn), 徐鋒, 黎向鋒, 王珉 申請人:南京航空航天大學(xué)