超硬无氢非晶金刚石膜的某些特性及其工程应用

摘要

采用过滤阴极真空电弧离子镀膜技术在不同基材上沉积无氢非晶金刚石膜,并对镀膜试样进行纳米压入硬度,弹性模量,膜/基结合力,摩擦系数,耐磨性,耐蚀性,耐候性,透光性和生物相容性试验。结果表明,这种无氢非晶金刚石膜的硬度HV高达74.8~84.0GPa,杨氏弹性模量E高达750.8~829.7GPa,摩擦系数μ为0.092~0.105,并有良好的膜/基结合力,高耐磨性,高耐蚀性,良好的耐候性,高的透光率和优良的生物相容性。文中还系统介绍了非晶金刚石膜的应用领域和某些应用案例。

一、前言

30多年前,Aisenberg和Chabot用高能离子束在室温下沉积成功类金刚石碳膜,此后,在世界上便兴起了类金刚石膜的研究和应用开发热潮。类金刚石膜通常为非晶态或含有部分纳米晶,是金刚石结构(SP³)和石墨结构(SP²)的混合物,其硬度,弹性模量等性能主要取决于膜中的SP³结构的含量。当SP³≥20%,硬度HV≥2000时,称为类金刚石碳膜(DLC)；当SP³≥70%,硬度HV≥7000时,称为非晶金刚石膜,因属于四面体金刚石结构,又称为四面体非晶金刚石碳膜(ta-c)。

无氢的类金刚石碳膜沉积技术主要有直接离子束沉积、电弧放电沉积、磁控溅射沉积、离子辅助沉积、激光蒸发沉积、质量选择离子束沉积和过滤阴极真空电弧沉积等技术。过滤阴极真空电弧离子镀膜技术(FCVA)代表最新一代镀膜技术。

过滤阴极真空电弧离子镀膜机具有以下特点:配备有高效的电磁过滤系统,可将石墨固体离子源产生的等离子体中的宏观碳粒子、离子团(Cn^m+ )过滤干净,保证进入真空室沉积的离子为一价碳离子(C⁺ ),使得镀膜达到原子级光洁度,实现针孔率极低的纳米级镀膜；配备有气体离子源清洗系统,能有效清除工件表面吸附的气体和污染物,活化表面,并产生较多的表面空穴,从而可有效提高膜/基结合力；配备有离子扫描装置,能方便地实现大面积镀膜；真空电弧系统远离镀膜室,使工艺温度低于80℃；各种本征物理沉积参量可控制,有利于对非晶金刚石膜生长过程的深入研究和精细调节镀膜的性能。本文的非晶金刚石膜就是用这种设备制备的。

本文着重介绍在非晶金刚石膜与其应用密切相关的一些性能特性方面的研究成果,并介绍非晶金刚石膜的生产应用效果及应用前景。

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