[00034378]一种超硬非晶碳薄膜的制备装置和工艺

一、项目简介 1.基本情况 碳基薄膜包括种类很多，例如石墨、金刚石、非晶碳、石墨烯、碳纳米管、碳化硅、碳化钛等，因此碳基材料具有非常丰富的物理化学特性，一直是科学家研究的重点。 碳基薄膜中C有四个价电子,可以有包含sp3、sp2和sp1三种杂化方式。在sp3 键组态中,碳原子的4个价电子分别与相邻碳原子结合,形成一个正四面体取向主时，呈现了金刚石特性，通常称为金刚石或类金刚石膜(DLC)。 金刚石薄膜具有高硬度、低摩擦系数、导热、绝缘、吸收紫外、抗辐射损伤、耐腐蚀等诸多优良的物理化学特性一直是科学家研究的热点课题。 金刚石薄膜分为单晶、多晶和非晶态材料，单晶和多晶金刚石材料常常是在高温下形成，而DLC是在常温下形成的一种亚稳态的非晶态材料，可分为含氢类金刚石膜（hydrogenatedamorphouscarbon，简称a-C:H）和不含氢类（amorphous carbon，简称a-C）。一般a-C的sp3键含量高于a-C:H，所以也具有更高的硬 度。当a-C中sp3键含量达70%以上，被称为非晶四面体碳（tetrahedralamorphous carbon，简称ta-C）。 本项目即为ta-c薄膜制备技术。 衡量金刚石薄膜质量的方法主要是看其SP3结构含量，含量越高，其性质越 接近天然金刚石，如何得到高含量的sp3键是科学家们研究的重点。而目前国际 --163-- 西安交通大学国家技术转移中心 上制备的金刚石薄膜以ta-c的SP3含量最高，可以达到85%以上，因此其性质最 接近天然金刚石。 本项目目前达到的水平为：SP3 结构达到87%，薄膜硬度HV≥85Gpa，平整度 0.2nm，摩擦系数≤0.08，紫外吸收97%以上。 2.国内外技术发展现状与趋势 本技术自从1991年由澳大利亚的D.R.Mckenzie和D.Muller研制成功，目前美国、英国、德国、新加坡、日本、韩国、澳大利亚、以色列、香港各国科学家都在努力将该技术应用于工业生产中。 二、技术性能指标 1.该技术与市场现有的部分硬质镀膜技术的比较 该膜层可沉积在金属、陶瓷和介电材料等基体上，膜厚可从几纳米到几微米，均匀度误差达±1%，是目前其它方法无法达到的。采用该方法镀制的膜层，其硬度和耐磨性能高于其它方法。表1为目前国内常用的一些耐磨损涂层的显微硬度和摩擦系数。 表1目前市场使用的常用的薄膜材料特性 涂层 摩擦系数 （以玻璃为底材） 显微硬度Gpa 抗高温氧化性能 TiN 0.84 20～25 一般 TiC 0.6-0.7 25～30 一般 CrN 0.83 15～20 一般 TiCN / 25～30 一般 CrAlN 0.66 / / CrTiAlN 0.55～0.6 / 很好 TiAlN 0.77 28～32 很好 Al2O3 0.5 25～30 很好 DLC 0.09～0.1 35～40 / 表2为ta-c薄膜的物理特性 --164-- 西安交通大学国家技术转移中心 膜层厚度 2nm～1µm 镀层结构 sp3≥80% 硬度 HV≥80Gpa 表面平整度 0.2nm 膜的纯度 99.99%C 均匀度 ±1% 沉积温度 <80℃ 沉积速度 1nm/s 电阻率 108-1010Ω.cm 光学带隙 2.6eV 摩擦系数 ≤0.08 热导率18w/cm2.k 耐磨性试验 采用摩擦磨损仪，加载500克，压头为4毫米直径钢球，样品台转速500转/分钟，出现磨痕为止进行实验，未镀膜高速钢为15分钟，硬质合金25分钟；镀膜后分别超过30小时和40小时；其他耐磨性能分别提高：玻璃1219倍，聚酯镜片14.7倍，不锈钢278倍，镀金试件167倍。 结合力试验 划痕法测定镀膜剥离临界载荷：高速钢和硬质合金上，达到125N; 200℃加热，自来水中激冷，20次热震循环，镀膜未见剥落。 切削实验 成都刀具量具研究所检测结果，6-8的丝锥，涂层200-300纳米，攻碳钢可提高4-6倍使用寿命，攻不锈钢可提高2-4倍使用寿命；片铣刀涂层300纳米，可提高可提高4-6倍使用寿命，硬质合金刀头涂层300-400纳米，可提高2-4倍使用寿命。 耐候试验用功率为3300W/m2强紫外线照射240小时后，不鼓泡、起皮，耐磨性不变。室外暴露100天，不鼓泡，不起皮剥落，耐磨性不下降。5%盐水煮沸4小时，取出冷至室温，2个循环，不起皮剥落。 通过比较可以看出，ta-c薄膜的特性远远优于目前市场使用的各种涂层。 2.该技术达到的主要技术指标 （1）装置的技术水平达到国际先进 制备的薄膜均匀，重复性好、工艺稳定。 （2）制备的非晶碳薄膜SP3结构超过85%以上，摩擦系数小于0.1以下， 并可达到沉积工作条件为常温（80ºC）以下。 （3）可以根据不同基体设计不同涂层组合的复合涂层结构，并具有良好的附着力、耐磨损、摩擦系数小的良好特性。 （4）镀膜的均匀性在1%。 --165-- 西安交通大学国家技术转移中心 三、技术依托 课题组依托电子物理教育部重点实验室，具有人才、测试等方面的优势，每年招收十几个博士和四十几个硕士，具有教授10人，副教授20余人。具有齐全的薄膜检测设备，供课题使用。 目前实验室具有各种镀膜装置4台，扫描隧道显微镜一台，电子显微镜和俄歇谱仪各一台，X射线衍射仪一台，椭圆偏光薄膜测试仪一台，四极场质谱分析仪和超净台等设备。 电子材料教育部重点实验室具有英国VG公司生产的多用表面分析仪，英国 CAMSCAN公司生产的扫描电子显微镜。 金属材料国家重点实验室具有透射电子显微镜，X射线衍射结构分析仪等也可使用。拉曼光谱测试可以在西安交大能动学院、理学院和材料学院完成。 四、市场前景及应用 本课题为赵玉清教授团队经过近十年研究开发，形成了一些列成果包括： （1）离子镀膜装置； （2）离子源技术； （3）薄膜技术。 在实验和设备工艺方面具有丰富的实践经验和很高的造诣，先后获的国家和陕西省重大科技专项资助。目前已实现ta-c的部分工业产品的产业化生产。 应用领域： （1）工业领域 本项目也被广州钢铁集团在全国调研2年后选中的转型转产的重点项目，目前已为广钢集团研制6台设备。 （2）医疗领域 义齿、牙托和人造关节涂层及医用不锈钢刀具。 （3）切削刀具 本项目不仅可以实现硬质合金金属切削刀具，而且已推广到高速钢刀具金属切削、木材和家具加工的高速钢和碳钢刀具。ta-c刀具已得到部分单位应用， --166-- 西安交通大学国家技术转移中心 如：陕西百纳科技，关中工具厂，东方机械厂五分厂，成都光华数控刀具厂，陕西重型汽车有限公司，标准集团股份有限公司，长岭机器有限公司，神龙汽车有限公司。 五、技术成熟度 □概念验证□原理样机□工程样机中试□产业化 六、合作方式 □联合研发□技术入股□转让授权（许可）面议 附，获奖情况及专利列表： 1、获奖情况： （1）陕西省高等学校科技成果一等奖（带电粒子束源系列关键技术及其应 用）2008 （2）陕西省科技成果二等奖（带电粒子束源系列关键技术及其应用）2008 （3）2008年度国际电工技术委员会特别贡献奖（ＩＥＣ1908奖） （4）四川省科技成果奖三等奖，RKDZQ270-1A型电子束蒸发源 （5）中国标准创新贡献奖一等奖，（IEC60519-7:2008电热装置的安全第七部分对电子枪装置的特殊要求、IEC60703:2008具有电子枪的电热设备的试验方法）（中国国家标准化管理化委员会；中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局） （6）电工行业国际标准化贡献突出奖，中国电器工业协会，2009 2、专利列表： （1）赵玉清沈伯礼赵鑫朱克志李冬梅专利号：ZL200410026395.6一种金属离子源，授权日：2007，3，7（发明专利） （2）赵玉清专利号：ZL01247041.4一种用于工业省生产中制备超 硬薄膜的离子源装置，授权日：2002，6，26（实用新型） （3）赵玉清专利号：ZL01247038.4制备超硬薄膜的离子源装置的滤质 --167-- 西安交通大学国家技术转移中心 器授权日：2002，7，31（实用新型） （4）赵玉清专利号：ZL01247042.4阴极靶修磨器，授权日：2002，6， 19（实用新型） （5）朱克志，李东生，赵玉清，专利号：ZL01265913.4固体离子源支撑支架，授权日：2002，9，18（实用新型） （6）朱克志，李东生，赵玉清专利号：ZL01265931.2一种用于离子镀膜室的分度回转工作台，授权日：2002，9，11（实用新型） （7）赵玉清等，硬质合金、高速钢材料表面制备非晶碳复合涂层的方法（发 明专利，已授权）：ZL201110136163.4 （8）赵玉清等：一种树脂镜片、有机玻璃片表面超硬涂层方法（发明专利，已授权时间：2011,7,27） （9）赵玉清等：一种医用不锈钢刀锯表面制备非晶碳涂层的方法（已授权 2011,7,27）