本發(fā)明屬于磨具技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種非晶金剛石涂層的制備方法。

技術(shù)背景

碳基涂層(如金剛石、類金剛石DLC、非晶金剛石ta-C等)具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)、高彈性模量、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及與非鐵族親和弱等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于刀具、模具、精密零部件、微電子等領(lǐng)域。其中，非晶金剛石ta-C是一種四面體無定形非晶碳，其金剛石sp3鍵含量高達(dá)80％以上，結(jié)構(gòu)和性能非常接近金剛石(100％sp3)，具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦自潤滑性、高熱導(dǎo)系數(shù)、等特性低熱膨脹系數(shù)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及與非鐵族親和弱等優(yōu)異性能。相比傳統(tǒng)的DLC涂層(a-C或a-C:H)，ta-C涂層sp3鍵含量高，且不含有氫，具有更高的硬度(高達(dá)80GPa)、密度和熱穩(wěn)定性(>500℃)。此外，與金剛石涂層相比，ta-C涂層具有(1)無晶界的光滑表面；(2)低溫生長(<150C)(金剛石涂層沉積通常>700C)；(3)工藝參數(shù)可調(diào)，使涂層結(jié)構(gòu)和性能可在大范圍內(nèi)剪裁等優(yōu)點(diǎn)。因此，ta-C涂層有望取代昂貴的CVD沉積微晶金剛石涂層應(yīng)用在鉆頭，刀片，立銑刀等刀具上，進(jìn)一步應(yīng)用于輕合金(鋁合金)、金屬基復(fù)合材料、工程陶瓷、纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料等難加工材料的切削加工。同時(shí)，ta-C作為理想的耐磨材料，還應(yīng)用于內(nèi)表面要求耐磨和低粗糙度的場合，如內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)、拉絲模、緊壓模、各種模具等。

非晶金剛石ta-C的制備關(guān)鍵是sp3鍵的形成，需要高離化率的碳離子束流。目前ta-C的制備技術(shù)主要有電弧蒸發(fā)沉積(Cathodic arc evaporation,CVA)、激光蒸發(fā)沉積(Pulsed laser deposition,PLD)、磁控濺射等技術(shù)。CVA和PLD雖然能獲得較高離化率的碳粒子束，但石墨靶材的蒸發(fā)易產(chǎn)生大顆粒，而且涂層橫向沉積速率不均勻，不能大面積鍍膜?，F(xiàn)在較為主流的制備技術(shù)是FCVA，采用電磁過濾系統(tǒng)將宏觀大顆粒過濾，獲得離化率接近100％的碳離子束流，但過濾導(dǎo)致沉積速率大幅下降，涂層成本提升。此外，受磁場約束的碳離子流橫截面小，很難應(yīng)用于大尺寸工件鍍膜。而磁控濺射不會(huì)產(chǎn)生大顆粒，能實(shí)現(xiàn)大面積均勻沉積，但是傳統(tǒng)磁控濺射難以獲得高離化率的碳粒子束合成sp3鍵。因此，尋求一種能、大面積、快速、低成本、適應(yīng)復(fù)雜工件表面均勻沉積、高質(zhì)量的非晶金剛石制備方法是目前實(shí)現(xiàn)非晶金剛石涂層推廣應(yīng)用所急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供提供一種非晶金剛石涂層的制備方法，該方法中的磁控濺射碳離化率高，制備的非晶金剛石涂層具有高密度、高sp3鍵含量優(yōu)點(diǎn)，具有成本低、制備速度快、可大面積均勻沉積、適應(yīng)復(fù)雜沉積表面的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種非晶金剛石涂層的制備方法，在氖氣氣氛或含氖氣的混合氣氛中對(duì)基材進(jìn)行磁控濺射沉積，功率為0.3-5kW，襯底偏壓為-50～-500V，沉積時(shí)間為1～3小時(shí)，得到非晶金剛石涂層，所述磁控濺射沉積采用的磁控源為純度大于99.9％的單質(zhì)石墨靶。

本發(fā)明所用的基材包括硅片和合金基材，具體沒有特殊限制。

優(yōu)選的，對(duì)上述基材的待沉積表面進(jìn)行輝光預(yù)處理，具體是在氬氣氣氛中對(duì)基材進(jìn)行轟擊刻蝕，以除去表面的氧化層，提高涂層與基材的結(jié)合力。

優(yōu)選的，所述預(yù)處理過程中，所述氬氣氣氛的壓力為0.5～1Pa。

優(yōu)選的，所述預(yù)處理過程中，襯底偏壓設(shè)置為-100～-1000V，時(shí)間為30-180min。

優(yōu)選的，所述氖氣或含氖氣的混合氣氛的壓強(qiáng)為0.3～3Pa。

優(yōu)選的，所述含氖氣的混合氣氛為氖氣和氬氣的混合氣氛，所述混合氣氛中氖氣的分壓百分比為10％～90％。

本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明采用電離能高的氖氣或含氖氣的混合氣體作為濺射氣體，能提高電子溫度，進(jìn)而提高碳粒子離化率，獲得高sp3鍵含量的非晶金剛石ta-C涂層，同時(shí)本發(fā)明的方法能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、大面積、快速沉積得到涂層，且能適應(yīng)復(fù)雜表面實(shí)現(xiàn)均勻沉積，所制備的非晶金剛石ta-C涂層sp3含量高、結(jié)構(gòu)致密，性能優(yōu)異。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明可通過如下的實(shí)施例進(jìn)一步的說明，但實(shí)施例不是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

實(shí)施例1

非晶金剛石ta-C涂層的制備具體如下：

用酒精超聲波清洗硅片基體，然后用去離子水漂洗，用干燥壓縮空氣吹干，在高功率脈沖等離子體增強(qiáng)型復(fù)合磁控濺射設(shè)備GDUT-HAS500型鍍膜機(jī)(磁控濺射源為純度為99.9％的石墨靶)的真空室中將基體置于工件支架上，將真空室抽真空至5.0×10^-3Pa以下，向真空室通入100sccm氬氣，使真空室壓力為1Pa，開啟襯底偏壓進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過程設(shè)置襯底偏壓-500V，預(yù)處理時(shí)間為30分鐘；然后開啟磁控濺射源進(jìn)行磁控濺射沉積，沉積過程中向真空室通入10sccm氖和90sccm氬(氖氣占10％)，控制氣壓0.5Pa，設(shè)置功率為2kW，偏壓為-100V，沉積時(shí)間為2小時(shí)，沉積完成后待真空室溫度降至室溫，即在基體表面制備得到非晶金剛石ta-C涂層。

對(duì)硅片上制備的ta-C涂層樣品進(jìn)行測試，具體采用D8 Discover型XRR測試涂層密度達(dá)2.8g/cm³，采用AXIS ULTRADLD型X光電子譜測得sp³鍵含量62％、用NANO G200納米壓痕測試測得涂層的硬度達(dá)到30GPa。

實(shí)施例2

用酒精超聲波清洗硅片基體，然后用去離子水漂洗，用干燥壓縮空氣吹干，在高功率脈沖等離子體增強(qiáng)型復(fù)合磁控濺射設(shè)備GDUT-HAS500型鍍膜機(jī)(磁控濺射源為純度為99.9％的石墨靶)的真空室中將基體置于工件支架上，將真空室抽真空至5.0×10^-3Pa以下，向真空室通入100sccm氬氣，使真空室壓力為1Pa，開啟襯底偏壓進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過程設(shè)置襯底偏壓-500V，預(yù)處理時(shí)間為30分鐘；然后開啟磁控濺射源進(jìn)行磁控濺射沉積，沉積過程中向真空室通入90sccm氖氣和10sccm氬氣(氖氣占90％)，控制氣壓0.5Pa，設(shè)置磁控濺射功率2kW，同時(shí)偏壓設(shè)置為-100V，沉積時(shí)間為2小時(shí)，沉積完成后待真空室溫度降至室溫，即在基體表面制備得到非晶金剛石ta-C涂層。

參照實(shí)施例1的測試方法，測得所制備的非晶金剛石ta-C涂層的密度達(dá)3.3g/cm³，sp³鍵含量在75％以上，硬度達(dá)到38GPa。

實(shí)施例3

用酒精超聲波清洗硅片基體，然后用去離子水漂洗，用干燥壓縮空氣吹干，在高功率脈沖等離子體增強(qiáng)型復(fù)合磁控濺射設(shè)備GDUT-HAS500型鍍膜機(jī)(磁控濺射源為純度為99.9％的石墨靶)的真空室中將基體置于工件支架上，將真空室抽真空至5.0×10^-3Pa以下，向真空室通入100sccm氬氣，使真空室壓力為1Pa，開啟襯底偏壓進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過程設(shè)置偏壓-500V，預(yù)處理時(shí)間為30分鐘；然后開啟磁控濺射源進(jìn)行磁控濺射沉積，沉積過程中向真空室通入50sccm氖氣和50sccm氬氣(氖氣占50％)，控制氣壓0.5Pa，設(shè)置磁控濺射功率2kW，同時(shí)偏壓設(shè)置為-100V，沉積時(shí)間為2小時(shí)，沉積完成后待真空室溫度降至室溫，即在基體表面制備得到非晶金剛石ta-C涂層。

參照實(shí)施例1的制備方法，經(jīng)過密度、X光電子譜、納米壓痕測試，所制備的非晶金剛石ta-C涂層的密度達(dá)3g/cm³，sp3鍵含量為65％，硬度達(dá)到34GPa。

對(duì)比實(shí)施例

用酒精超聲波清洗硅片基體，然后用去離子水漂洗，用干燥壓縮空氣吹干，在高功率脈沖等離子體增強(qiáng)型復(fù)合磁控濺射設(shè)備GDUT-HAS500型鍍膜機(jī)(磁控濺射源為純度為99.9％的石墨靶)的真空室中將基體置于工件支架上，將真空室抽真空至5.0×10^-3Pa以下，向真空室通入100sccm氬氣，使真空室壓力為1Pa，開啟襯底偏壓行預(yù)處理，預(yù)處理過程設(shè)置偏壓-500V，預(yù)處理時(shí)間為30分鐘；然后開啟磁控濺射源進(jìn)行磁控濺射沉積，沉積過程中向真空室通入100scmm氬氣，控制氣壓0.5Pa，設(shè)置磁控濺射功率2kW，同時(shí)偏壓設(shè)置為-100V，沉積時(shí)間為2小時(shí)，，沉積完成后待真空室溫度降至室溫，即在基體表面制備得到非晶金剛石ta-C涂層。

參照實(shí)施例1的測試方法，測得所制備的對(duì)比非晶金剛石ta-C涂層的密度為2g/cm³，sp3鍵含量為40％，硬度為18GPa。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行若干推演或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。