一种快速制备类金刚石薄膜的方法与流程

1.本发明涉及一种快速制备类金刚石(dlc)薄膜的方法，属于材料表面改性技术领域。


背景技术：

2.类金刚石(dlc)薄膜就是一类具有sp2与sp3杂化的双重碳原子空间网络结构的非晶碳膜，其在性质上与金刚石类似。类金刚石碳膜作为一种新型的硬质薄膜材料，具备一系列优异的性能，如高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光学透明性、化学惰性等,可广泛用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域，同时制备工艺相对易于实现。因此，dlc薄膜的研究在近20年中得到了广泛关注。
3.目前dlc薄膜的制备方法主要分为物理气相沉积和化学气相沉积两大类以及在此基础上发展的制备方法，采用这些气相方法一般都可以得到高质量的dlc膜，沉积速度也很快。但是此类方法的制备工艺一般都较为复杂，设备运行及其成本昂贵，同时此类制备工艺对现有衬底材料和工艺环境要求严格，制备流程耗时长，大面积成膜较为困难，在一定程度上限制了类金刚石薄膜的进一步发展。所以研究一种操作方便且设备简易的制备工艺很有必要。发明专利201310301580.3公开了一种钢铁表面类金刚石复合渗碳层的制备方法，采用的电解液成分为甘油、乙醇、碳酸钠和氯化钠，本方法是在先制备出一定后的渗碳层的基础上，再处理时间0.5
‑
5min，所制备类金刚石复合渗碳层硬度仅为600hv左右，渗层中的类金刚石成分比例低，对材料表面硬度等性能的提升有限。
4.本发明通过采用改进装置、优选碳源、控制电极间距，优化电压参数等方法，利用阴极液相电化学沉积技术快速制备出一定厚度的类金刚石薄膜，所制备的薄膜层结构致密，sp3键比例高，且具有高的硬度、耐磨和耐蚀性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了提供一种快速制备类金刚石(dlc)薄膜的工艺方法，解决了现有传统制备工艺操作复杂，成本昂贵和耗时长等问题。通过对碳源、沉积电压、沉积电流以及沉积时间等工艺参数的控制，得到致密均匀的薄膜层，使得衬底上所得的dlc薄膜能够满足设计需要，有效提升衬底材料的性能。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.一种快速制备类金刚石(dlc)薄膜的方法，主要包括以下步骤：
8.(1)将样品或试样衬底经研磨、抛光后，采用去离子水、丙酮和酒精依次进行除油、除垢预处理；
9.(2)将预处理后的样品固定在特制的试样夹上，再将固定好的样品(阴极)和阳极电极固定在电解液容器(装置)的顶盖上，保证样品与电极平行，样品与电极的间距为5
‑
10mm；
10.(3)配置一定比例的碳源 电解质 水的电解液，在电解液容器(装置)中加入电解
液，保证电解液的液面高于阴极和阳极电极20mm以上，确保反应过程中样品始终处于电解液液面以下，盖上顶盖；
11.(4)开启电解液容器(装置)冷却循环水和电解液搅拌装置，启动电源，施加100
‑
350v的电压，保持3
‑
30min，即可制备出厚度为1
‑
30um的类金刚石(dlc)薄膜。
12.所述步骤(1)和步骤(2)中所用样品衬底可以是金属、单晶si以及ito玻璃等一系列材料中的任一种材料；
13.所述的样品衬底的预处理，若为碳钢、不锈钢等金属类材料，则需要先经过热处理工艺后再进行研磨、抛光和除油、除垢预处理；若为非金属类材料，直接进行研磨、抛光和除油、除垢预处理；
14.所述的特制的试样夹是铂片，或聚四氟乙烯材料制成的导电u型电极夹；所述的电解液容器(装置)是玻璃材质的烧杯、方形玻璃容器，或亚克力材质的方形耐高温容器；所述的电解液容器(装置)顶盖是特制尺寸的玻璃或亚克力树脂板；
15.所述的阳极电极为高纯石墨板、铂片或钛基金属氧化物涂层板等，在制备过程中，阴极样品与阳极电极始终保持平行，电解液的液面高于阴极和阳极电极20mm以上，保证反应过程中样品始终处于电解液液面以下；
16.所述的电解液中，碳源为20
‑
50％甲醇，或20
‑
50％二甲基亚砜，或20
‑
50％冰醋酸等含碳的有机物或无机物；电解质为2
‑
5％氯化钾或氯化钠或醋酸镍；所述的水为纯净水或去离子水；
17.所述的电解液搅拌装置为内置磁砖子或外置搅拌器。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.(1)可以实现在常温和低压下进行类金刚石(dlc)薄膜的沉积制备，降低了对基材以及工艺环境的要求。
20.(2)此工艺所采用的电解液来源广泛，制备过程中不会产生有害气体，清洁无污染。
21.(3)工艺制备流程简单，操作方便同时成本较低，只需更换碳源和一些工艺参数即可实现类金刚石(dlc)薄膜的可控制备，工艺可重复性强，生产效率高。
22.(4)此工艺很好解决了现有制备工艺耗时长的问题，可以快速制备符合实际要求所需的类金刚石(dlc)薄膜。
23.(5)此工艺所制备得到的类金刚石(dlc)薄膜层均匀致密，具有高的硬度、耐蚀性和耐磨性，可有效提高金属材料表面性能和使用寿命。
附图说明
24.图1是实施案例2对衬底工件分别处理后所得到的laman谱图；
25.图2是实施案例2对衬底工件分别处理后所得到的xps谱图；
26.图3是aisi 420基体以及实施案例2和实施案例3下的衬底工件分别处理后所得到的表面硬度。
具体实施方式
27.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
29.实施案例1：一种快速制备类金刚石(dlc)薄膜的方法，主要包括以下步骤：
30.(1)衬底的清洗，利用丙酮、去离子水以及无水乙醇等试剂对衬底分别进行一系列的超声波清洗，除去衬底表面的油脂、杂质和污染物，并用吹风机进行干燥处理；此外，需要注意的是如果基底为si，则在进行清洗之前需要对其进行去除氧化膜的处理；
31.(2)将预处理后的样品固定在特制的试样夹上，再将固定好的样品(阴极)和阳极电极固定在电解液容器(装置)的顶盖上，保证样品与电极平行，样品与电极的间距为5
‑
10mm；
32.(3)配置一定比例的碳源 电解质 水的电解液，在电解液容器(装置)中加入电解液，保证电解液的液面高于阴极和阳极电极20mm以上，确保反应过程中样品始终处于电解液液面以下，盖上顶盖，保证反应过程中反应液充足且均匀防止因碳源损失过多导致工艺过程中断。
33.(4)开启电解液容器(装置)冷却循环水和电解液搅拌装置，起到降温作用，防止因反应剧烈时电解液温度升高，启动电源，施加100
‑
350v的电压，使其表面出现辉光放电现象，保持3
‑
30min；
34.实施案例2：以50％甲醇去离子水溶液为电解液，以处理过的aisi 420不锈钢为衬底材料，首先按照权利要求所述分别用丙酮、去离子水和无水乙醇对aisi 420不锈钢衬底材料进行超声清洗，以除去表面油脂和杂质，然后用吹风机干燥，再将衬底材料放入工艺装置体系中。
35.当工艺装置搭建完毕后，启动电源设备和磁力搅拌设备，通过调节电压参数为250v，电极间距6mm，对aisi 420不锈钢衬底进行电化学沉积，使其表面出现辉光放电现象，沉积时间在15min，得到表面含有dlc薄膜的衬底材料。
36.实施例3：以50％二甲基亚砜去离子水溶液为电解液，以处理过的aisi 420不锈钢为衬底材料，首先按照权利要求所述分别用丙酮、去离子水和无水乙醇对aisi 420不锈钢衬底材料进行超声清洗，以除去表面油脂和杂质，然后用吹风机干燥，再将衬底材料放入工艺装置体系中。
37.启动电源设备和磁力搅拌设备，通过调节电压参数为250v，电极间距6mm，对aisi 420衬底进行电化学沉积，使其表面出现辉光放电现象，沉积时间在15min，得到表面含有dlc薄膜的衬底材料。
38.实施案例4：以50％二甲基亚砜去离子水溶液为电解液，以处理过的单晶si为衬底材料，首先按照权利要求所述分别用丙酮、去离子水和无水乙醇对单晶si衬底材料进行超声清洗，以除去表面油脂和杂质，然后用吹风机干燥，再将衬底材料放入工艺装置体系中。
39.启动电源设备和磁力搅拌设备，通过调节电压参数为250v，电极间距6mm，对单晶si衬底进行电化学沉积，使其表面出现辉光放电现象，沉积时间在15min，得到表面含有dlc薄膜的衬底材料。
40.实施案例5：以50％甲醇去离子水溶液为电解液，以处理过的aisi 420不锈钢为衬底材料，首先按照权利要求所述进行一系列清洗干燥后放入工艺装置体系中。
41.启动电源设备和磁力搅拌设备，通过调节电压参数为250v，电极间距10mm，对单晶si衬底进行电化学沉积，使其表面出现辉光放电现象，沉积时间在15min，得到表面含有dlc薄膜的衬底材料。
42.实施案例6：以50％甲醇去离子水溶液为电解液，以处理过的aisi 420不锈钢为衬底材料，首先按照权利要求所述进行一系列清洗干燥后放入工艺装置体系中。
43.启动电源设备和磁力搅拌设备，通过调节电压参数为230v，电极间距10mm，对单晶si衬底进行电化学沉积，使其表面出现辉光放电现象，沉积时间在10min，得到表面含有dlc薄膜的衬底材料。
44.实施案例7：以30％二甲基亚砜去离子水溶液为电解液，以处理过的aisi 420不锈钢为衬底材料，首先按照权利要求所述进行一系列清洗干燥后放入工艺装置体系中。
45.启动电源设备和磁力搅拌设备，通过调节电压参数为250v，电极间距6mm，对单晶si衬底进行电化学沉积，使其表面出现辉光放电现象，沉积时间在20min，得到表面含有dlc薄膜的衬底材料。
46.实施案例8：以30％二甲基亚砜去离子水溶液为电解液，以处理过的aisi 420不锈钢为衬底材料，首先按照权利要求所述进行一系列清洗干燥后放入工艺装置体系中。
47.启动电源设备和磁力搅拌设备，通过调节电压参数为230v，电极间距10mm，对单晶si衬底进行电化学沉积，使其表面出现辉光放电现象，沉积时间在5min，得到表面含有dlc薄膜的衬底材料。
48.上述八个实验工艺方案仅仅是本发明的普通实施工艺，较为详细地说明了本发明的技术构思和实施要点，并非是对本发明的保护范围进行了限制，凡是根据本发明实质所作的任何简单修改以及等效结构变换或者加减装置，均应该涵盖在本发明的保护范围内。