專利名稱：一種b-c-n三元薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種材料表面涂層的制備方法，尤其是一種B-C-N三元薄膜的制備方法。
背景技術：
根據金剛石和立方BN (c-BN)的機構相似性，人們理論上預期能夠合成B_C_N三元薄膜，并期望其能夠兼具金剛石的超高硬度以及c-BN高溫穩定性、抗氧化性等。而經過廣泛的實驗研究證實，合成B-C-N三元薄膜確實可行，并且B-C-N三元薄膜也確實與金剛石和立方BN —樣具有超高的硬度，此外，與金剛石、氮化碳等硬質涂層相比，其還具有高溫化學穩定性優異、薄膜的內應力低等無可比擬的使用優點。因此，B-C-N三元薄膜不但成為了硬質涂層領域的研究熱點，其在相應領域的實際應用也日益廣泛，具有不可估量的巨大性能潛力和廣泛應用前景。而用于制備B-C-N三元薄膜的方法也非常普遍，例如化學氣相沉積法和物理氣相沉積法等常規的薄膜合成制備方法都可以用來制備B-C-N三元薄膜。但是使用化學氣相沉積方法時，往往其硼源氣體等都具有毒性，給環境和生產安全都造成很大的壓力；不但如此，研究表明化學氣相沉積方法制備的結果，都趨向于得到六角型B-C-N三元薄膜而非立方B-C-N三元薄膜。相比較而言，以濺射為特征的物理氣相沉積方法，因其通常使用固相靶源，則更為安全方便，尤其重要的是其趨向于制得立方B-C-N三元薄膜。然而，對于B-C-N三元薄膜的組成控制、與基體的緊密附著、薄膜內應力的消除等問題上，仍然存在各種各樣的不足，成為制約B-C-N三元薄膜廣泛應用的障礙。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的即在于為射頻磁控濺射B-C-N三元薄膜制備方法選擇合適的工藝參數，從而獲得一種與基體結合緊密的高性能硬質B-C-N三元薄膜的制備方法。為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案如下首先，將金屬基體材料表面拋光，并分別用丙酮、酒精和去離子水等在超聲波清洗器中各清洗約IOmin后，用氮氣吹干備用。隨后，將基體材料置于真空室內的樣品臺上，并將Ti靶和石墨/硼復合靶分別置于不同的靶位，其中所述的石墨/硼復合靶是將環狀的硼套在圓片狀的石墨外，且石墨與硼的面積比在2. 5 1-2 1之間，石墨的純度為99. 999%、硼的純度為99.9%，石墨/硼復合靶與基體材料距離為7-8cm。隨后將真空室內真空度抽到彡5X 10_4Pa，同時通入流量為8-lOsccm的Ar，當真空室氣壓為2-4 時，預濺射2-3min，預濺射的功率為50-70W，以進一步清洗基體材料的成膜表面。隨后維持Ar的流量為8-10SCCm，控制基體材料溫度為40-50°C，當真空室氣壓為1-1. 5Pa時，向基體材料施加100-150V的負偏壓，同時移開Ti靶的擋板，以50-70W的功率進行濺射，濺射時間為5-lOmin，以形成一層純Ti薄膜。隨后開始通入流量為0. 3-0. 6sccm的N2,并維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1-1. 5Pa、基體材料的負偏壓為100-150V、基體材料的溫度為40_50°C，繼續以50-70W 的功率進行濺射，濺射時間為15-25min，以形成一層Ti-N 二元薄膜。隨后維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1_1. 5Pa、基體材料的負偏壓為 100-150V,升高基體材料的溫度為250-300°C，N2的流量為0. 8-lsccm,移開石墨/硼復合靶的擋板，Ti靶維持以50-70W的功率進行濺射，而石墨/硼復合靶以100-110W功率進行濺射，濺射時間為15-25min，以形成Ti-B-C-N四元薄膜。隨后維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1_1. 5Pa、基體材料的負偏壓為 100-150V、基體材料的溫度為250-300°C，關閉Ti靶擋板而維持石墨/硼復合靶濺射,N2的流量升高為3. 5-4. kccm，濺射功率升高至130-140W，濺射時間為80_100min，以形成B-C-N
三元薄膜。本發明的優點是在金屬基體表面形成了 Ti、TiN, Ti-B-C-N多層過渡薄膜，以提高B-C-N薄膜與金屬基體良好的結合性能；同時，選用了合適的石墨/硼復合靶以及相應的濺射工藝參數，獲得了接近于BC2N化學計量比的高性能薄膜。
具體實施例方式下面，通過具體的實施例對本發明進行詳細說明。一種B-C-N三元薄膜的射頻(13. 56MHz)磁控濺射制備方法，其包括以下制備步驟首先，選用W6Mo5Cr4V2高速鋼作為基體材料，將其表面拋光，并分別用丙酮、酒精和去離子水等在超聲波清洗器中各清洗約IOmin后，用氮氣吹干備用。隨后，將基體材料置于真空室內的樣品臺上，并將Ti靶和石墨/硼復合靶分別置于不同的靶位，其中所述的石墨/硼復合靶是將環狀的硼套在圓片狀的石墨外，且石墨與硼的面積比在2. 2 1，石墨的純度為99. 999%、硼的純度為99.9%，石墨/硼復合靶與基體材料距離為8cm。隨后將真空室內真空度抽到彡5X10_4Pa，同時通入流量為9sCCm的Ar，當真空室氣壓為3 時，預濺射2min，預濺射的功率為60W，以進一步清洗基體材料的成膜表面。隨后維持Ar的流量為9sCCm，控制基體材料溫度為40°C，當真空室氣壓為1. 5Pa 時，向基體材料施加130V的負偏壓，同時移開Ti靶的擋板，以60W的功率進行濺射，濺射時間為7min，以形成一層純Ti薄膜。隨后開始通入流量為0. 4sccm的N2,并維持Ar的流量為9sCCm、真空室氣壓為 1. 5Pa、基體材料的負偏壓為130V、基體材料的溫度為40°C，繼續以60W的功率進行濺射，濺射時間為20min，以形成一層Ti-N 二元薄膜。隨后維持Ar的流量為9sCCm、真空室氣壓為1. 5Pa、基體材料的負偏壓為130V，升高基體材料的溫度為270°C，N2的流量為0. 9sCCm，移開石墨/硼復合靶的擋板，Ti靶維持以60W的功率進行濺射，而石墨/硼復合靶以IlOW功率進行濺射，濺射時間為20min，以形成Ti-B-C-N四元薄膜。
隨后維持Ar的流量為9sCCm、真空室氣壓為1. 5Pa、基體材料的負偏壓為130V、基體材料的溫度為270°C，關閉Ti靶擋板而維持石墨/硼復合靶濺射，隊的流量升高為4sCCm， 濺射功率升高至140W，濺射時間為90min，以形成B-C-N三元薄膜。經測試，表面B-C-N薄膜的厚度約為150nm，薄膜表面的元素的原子百分含量為 23.4B-52. 2C-M.4N，表面的硬度約為15GPa。表面外觀平整光滑，5mN時摩擦系數約為 0. 11。在空氣中放置數日未有明顯開裂、突起的問題出現。
權利要求
1. 一種B-C-N三元薄膜的射頻(13.56MHz)磁控濺射制備方法，其特征是 首先，將金屬基體材料表面拋光，并分別用丙酮、酒精和去離子水等在超聲波清洗器中各清洗約IOmin后，用氮氣吹干備用。隨后，將基體材料置于真空室內的樣品臺上，并將Ti靶和石墨/硼復合靶分別置于不同的靶位，其中所述的石墨/硼復合靶是將環狀的硼套在圓片狀的石墨外，且石墨與硼的面積比在2. 5 1-2 1之間，石墨的純度為99. 999%、硼的純度為99.9%，石墨/硼復合靶與基體材料距離為7-8cm。隨后將真空室內真空度抽到彡5X10_4Pa，同時通入流量為8-lOsccm的Ar，當真空室氣壓為2-4 時，預濺射2-3min，預濺射的功率為50-70W，以進一步清洗基體材料的成膜表隨后維持Ar的流量為8-lOsccm，控制基體材料溫度為40-50 °C，當真空室氣壓為 1-1. 5Pa時，向基體材料施加100-150V的負偏壓，同時移開Ti靶的擋板，以50-70W的功率進行濺射，濺射時間為5-lOmin，以形成一層純Ti薄膜。隨后開始通入流量為0. 3-0. 6sccm的N2,并維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為 1-1. 5Pa、基體材料的負偏壓為100-150V、基體材料的溫度為40_50°C，繼續以50-70W的功率進行濺射，濺射時間為15-25min，以形成一層Ti-N 二元薄膜。隨后維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1_1. 5Pa、基體材料的負偏壓為 100-150V,升高基體材料的溫度為250-300°C，N2的流量為0. 8-lsccm,移開石墨/硼復合靶的擋板，Ti靶維持以50-70W的功率進行濺射，而石墨/硼復合靶以100-110W功率進行濺射，濺射時間為15-25min，以形成Ti-B-C-N四元薄膜。隨后維持Ar的流量為8-lOsccm、真空室氣壓為1_1. 5Pa、基體材料的負偏壓為 100-150V、基體材料的溫度為250-300°C，關閉Ti靶擋板而維持石墨/硼復合靶濺射,N2的流量升高為3. 5-4. kccm，濺射功率升高至130-140W，濺射時間為80_100min，以形成B-C-N 三元薄膜。
2.根據權利要求1所述的一種B-C-N三元薄膜的射頻(13. 56MHz)磁控濺射制備方法， 其特征是所述B-C-N薄膜的厚度約為150nm，硬度約為15GPa，并且元素的原子百分含量為 23. 4B-52. 2C-24. 4N。
全文摘要
一種B-C-N三元薄膜的射頻(13.56MHz)磁控濺射制備方法，其是在金屬基體表面形成了Ti、TiN、Ti-B-C-N多層過渡薄膜，以提高B-C-N薄膜與金屬基體良好的結合性能；同時，選用了合適的石墨/硼復合靶以及相應的濺射工藝參數，獲得了接近于BC2N化學計量比的高性能薄膜，薄膜中B-C-N的厚度約為150nm，薄膜表面的元素的原子百分含量為23.4B-52.2C-24.4N，表面的硬度約為15GPa。
文檔編號C23C14/34GK102409289SQ20111030733
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者戴圣英 申請人:寧波市瑞通新材料科技有限公司