專利名稱：摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及人工制造金剛石薄膜領域，特指一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法與裝置，尤其適用于制備大面積的金剛石薄膜。
背景技術：
金剛石薄膜有多方面的優良性能，如高的硬度和好的耐磨性，極好的化學穩定性和高熱傳導性，以及耐高溫和抗輻射等性能而備受人們的關注，金剛石薄膜因其眾多優異性能而在許多工業和新技術領域有著重要的作用。現在人們已有多種方法制備金剛石薄膜，并已經初步應用在機、電、光、聲等方面。1955年，美國通用電氣公司的Bimdy等人用石墨作為碳源，用i^e、Ni、Co等過渡金屬作為催化劑在1500K的高溫和SGPa的高壓條件下首次合成人工金剛石，這種方法也稱高壓熔媒法。1961年，人們在不采用催化劑的情況下，通過30GPa的超高壓和1500K的高溫條件下直接將石墨轉化成金剛石。自從1974年，日本的ktaka、Matsumoto等人采用熱燈絲、微波和直流放電等方法激發CH4等含碳氣體，在金剛石籽晶和非金剛石的基底材料上進行金剛石膜的研究，制備出金剛石薄膜后，人們已開發出多種低壓氣相沉積法，均成功地制備出金剛石薄膜。低壓氣相合成金剛石技術可以分為下面三種類型第一是化學氣相沉積(CVD)；第二類是物理氣相沉積(PVD)；第三類是化學氣相輸運沉積(CVT)。根據激發方式的不同，CVD技術主要分為熱絲化學氣相沉積、等離子體化學氣相沉積、燃燒火焰化學氣相沉積等制備方法。另外利用等離子制備薄膜的設備也成為一種具有很大的應用前景，如直流等離子體噴射在制備金剛石薄膜方面已取得進展。上述的各種制備金剛石薄膜的方法，存在設備龐大，控制復雜，制備的金剛石薄膜厚度較薄且薄膜與基材結合強度較低的問題，因這些缺點限制了制備金剛石薄膜工業化的推廣。同時隨著金剛石刀具在現代機械加工、建筑裝飾等行業的廣泛應用，人們對刀具的抗壓強度、使用效能和使用壽命提出了越來越高的要求，因此對大面積金剛石薄膜的表面改性顯得十分重要。

發明內容
本發明的目的是針對以上技術的不足，提供一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法。該方法創新采用高功率脈沖激光裝置發出的強激光聚焦到石墨靶材上誘導大量的等離子體高速轟擊預先均勻加熱的基材表面，在基材表面形成金剛石薄膜，同時借助準分子激光器對金剛石薄膜摻雜金屬粒子，實現了金剛石薄膜的表面改性，增強了金剛石薄膜的抗壓強度和耐磨性。該方法制備金剛石薄膜的反應產率高，薄膜層純度高，可實現自動化，安全可靠，尤其是能制備大面積的金剛石薄膜同時還能實現金剛石薄膜表面改性。摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備具體方法是高功率脈沖激光裝置發出的強激光經準直擴束鏡透過耐高壓玻璃窗口 B聚焦到在真空條件下的高純石墨靶材表面上，石墨靶材以一定的速度自轉，高能量的激光誘導出大量的等離子體高速轟擊預先均勻加熱的基材表面，在基材表面快速形成金剛石薄膜。移動工作臺使基材和靶材處于不同的相對位置，從而實現制備大面積的金剛石薄膜。準分子激光器發出的激光經聚焦透鏡A 透過耐高壓玻璃窗口 A聚焦到以一定速度自傳的金屬靶材上，高能量密度的激光在金屬靶材表面誘導出的由大量的金屬粒子構成的等離子體高速轟擊已制備的金剛石薄膜表面，大量的金屬粒子有效地緊密填補金剛石薄膜顆粒表面的縫隙，形成了一層均勻的金屬膜，從而實現了金剛石薄膜表面的改性，提高了金剛石薄膜的抗壓強度、耐磨性等性能。同時等離子體中大量的帶電粒子與金剛石薄膜表面的碳原子發生化學反應生成金屬碳化物，形成了結合牢固的過渡層，提高了金屬膜和金剛石薄膜之間的結合強度，延長了金屬薄膜的使用壽命ο本發明的裝置包括控制系統、靶材系統、工件控制系統和輔助系統。所述的控制系統包括計算機、數字控制器和激光控制器。數字控制器上端與計算機相連，下端與激光控制器相連，激光控制器分別與高功率脈沖激光裝置和準分子激光器相連。計算機控制馬達A和馬達B，同時通過數字控制器分別控制激光控制器和工作臺。激光控制器控制高功率脈沖激光裝置和準分子激光器。所述的靶材系統包括旋轉底座固定裝置、旋轉底座A、馬達A、金屬靶材支架、金屬靶材、旋轉底座B、馬達B、石墨靶材支架和石墨靶材。旋轉底座固定裝置固定在密閉工作腔的頂上方。金屬靶材支架用于固定金屬靶材，并與馬達A的轉動軸相連，馬達A轉動帶動金屬靶材自轉，馬達A固定在旋轉底座A上，旋轉底座A安裝在旋轉底座固定裝置的下左側。石墨靶材支架用于固定石墨靶材，并與馬達B的轉動軸相連，馬達B轉動帶動石墨靶材自轉，馬達B固定在旋轉底座B上，旋轉底座B安裝在旋轉底座固定裝置的下右側。旋轉底座A和旋轉底座B在旋轉底座固定裝置上成左右對稱分布。通過旋轉旋轉底座A和旋轉底座B來分別調節金屬靶材和石墨靶材與基材表面水平方向上的夾角。所述的工件控制系統包括計算機、數字控制器、基材、加熱裝置、基材固定裝置和工作臺。基材夾緊在加熱裝置上并和加熱裝置一起固定在基材固定裝置上。計算機控制加熱裝置，數字控制器通過控制工作臺來調節基材與和靶材之間的相對位置。所述的輔助系統包括準直擴束鏡、真空泵、溫度傳感器、溫度顯示器、壓力傳感器和壓力顯示器。準直擴束鏡在耐高壓玻璃窗口 B的右邊，所述的準直擴束鏡包括聚焦透鏡B 和凹透鏡。真空泵位于密閉工作腔的右下端。溫度傳感器安置在基材左側并與密閉工作腔外的溫度顯示器相連，溫度傳感器和溫度顯示器分別用于測量和觀察基材的工作溫度。壓力傳感器位于密閉工作腔的右下部并與密閉工作腔外的壓力顯示器相連，壓力傳感器和壓力顯示器分別用于測量和觀察密閉工作腔內的壓強。本發明的特征須在特定的工藝條件下實現，其工藝條件為基材上表面到金屬靶材和石墨靶材最下端的垂直距離為2mm 3mm;所述的基材為硅基合金，所述的金屬靶材為含量99. 9%的鈦或鎳，所述的石墨靶材為含量99. 99%的石墨；馬達A和馬達B的轉速分別為6r/min和lOr/min ；金屬靶材和石墨靶材與基材表面水平方向上的夾角分別為133° 137°和43° 47° ；基材的工作溫度為200°C 250°C;密閉工作腔里的壓強為IXlO-3Pa ^XlO-3Pa ；高功率脈沖激光裝置的脈寬為20ns，脈沖重復頻率50Hz，功率密度為IO9 W/ cm2 ；準分子激光器的脈寬為25ns，脈沖頻率為10Hz，能量密度為3. OJ/cm2。
本發明技術的創新，在于克服了現有技術設備龐大，控制復雜，制備的金剛石薄膜厚度較薄和厚度分布不均勻等缺點，制備出了大面積的厚度分布均勻的金剛石薄膜，同時實現了金剛石薄膜表面的改性，獲得了摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜。高功率脈沖激光裝置發出的強激光聚焦到高純石墨靶材表面上誘導出大量的等離子體高速轟擊基材表面，在基材表面快速沉積形成金剛石薄膜。通過加熱裝置對基材進行均勻加熱，基材表面溫度的均勻分布對沉積大面積、高質量的金剛石薄膜創造了有利條件，使金剛石薄膜厚度分布均勻，提高了金剛石薄膜和基材的結合度。準分子激光器發出的激光在金屬靶材表面誘導出的由大量的金屬粒子構成的等離子體高速轟擊已制備的金剛石薄膜表面，不僅有效地緊密填補金剛石薄膜顆粒表面的縫隙，而且等離子體中大量的帶電粒子與金剛石薄膜表面的碳原子發生化學反應生成金屬碳化物，形成了結合牢固的過渡層，提高了金屬膜和金剛石薄膜之間的結合強度，延長了金剛石薄膜的使用壽命，提高了抗壓強度和耐磨性， 這對金剛石薄膜的應用如金剛石刀具等有非常重要的意義。本發明方法具體實施步驟
A.用無水乙醇和去離子水清洗基材表面，以除去表面的污染物；
B.把預處理后的基材夾緊在加熱裝置上，金屬靶材和石墨靶材分別固定在金屬靶材支架和石墨靶材支架上；
C.轉動旋轉底座A和旋轉底座B分別調節金屬靶材和石墨靶材與基材表面水平方向上的夾角；
D.在基材側面貼上溫度傳感器，移動工作臺調節好基材表面到石墨靶材最下端的垂直距離。真空泵抽密閉工作腔內的氣體，計算機控制加熱裝置對進行基材均勻加熱；
E.打開馬達B電源和高功率脈沖激光裝置，通過激光控制器設置激光能量、脈沖寬度等參數。高功率脈沖激光裝置發出強激光聚焦到自轉的石墨靶材上，并誘導大量的等離子體高速轟擊基材表面，在基材表面沉積形成金剛石薄膜。F.關閉馬達B和高功率脈沖激光裝置，調節工作臺到合適的位置。打開馬達A和準分子激光器，設置準分子激光器的參數。準分子激光器發出激光聚焦到金屬靶材上，激光在金屬靶材表面誘導出的由大量的金屬粒子構成的等離子體高速轟擊已制備的金剛石薄膜表面，形成了一層均勻的金屬膜。待反應完成后，關閉所有電源，取下基材。本法明的優點如下
1.本發明方法制備的金剛石薄膜層純度高且金剛石薄膜厚度厚，薄膜與基材結合強度高；
2.本發明方法能制備大面積的金剛石薄膜，金剛石薄膜厚度分布均勻；
3.和其他方法相比，本發明方法制備的摻雜金剛石薄膜抗壓強度高、耐磨性好；
4.本發明方法制備金剛石薄膜的反應產率高，無污染；
5.該方法可實現自動化，控制簡單，安全可靠。


圖1 摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法的裝置原理圖。附圖中標號1.壓力傳感器；2.壓力顯示器；3.溫度顯示器；4.準分子激光器； 5.聚光透鏡A;6.耐高壓玻璃窗口 A ;7.旋轉底座A;8.馬達A;9.金屬靶材支架；10.金屬靶材；11.基材；12.溫度傳感器；13.基材固定裝置；14.工作臺；15.旋轉底座固定裝置； 16.旋轉底座B ;17.馬達B ；18.石墨靶材支架；19.石墨靶材；20.等離子體；21.密閉工作腔；22.耐高壓玻璃窗口 B ；23.激光束；24.金剛石薄膜；25.加熱裝置；26.計算機；27.準直擴束鏡；28.聚焦透鏡B;29.凹透鏡；30.高功率脈沖激光裝置；31.真空泵；32.數字控制器；33.激光控制器。
具體實施例方式下面結合附圖并使用實例來詳細說明本發明提出的方法和裝置的工作情況，但不用來限制本發明。實例1
用無水乙醇和去離子水清洗硅基合金的表面，把清洗后的硅基合金夾緊在加熱裝置25 上，然后把金屬靶材10和石墨靶材19分別固定在金屬靶材支架9和石墨靶材支架18上，調節旋轉底座A 7和旋轉底座B16使金屬靶材10和石墨靶材19與硅基合金表面水平方向上的夾角為135°和45°，在硅基合金的側面貼上溫度傳感器12后，調節工作臺14的位置， 使硅基合金上表面到石墨靶材19最下端的垂直距離為2. 5mm。用真空泵31抽密閉工作腔 21內的氣體，觀察壓力顯示器2，使內壓達到3X 10_3Pa，計算機沈控制加熱裝置25對硅基合金加熱，觀察溫度顯示器3，使硅基合金溫度為200°C，待硅基合金溫度穩定后打開馬達 B17電源和高功率脈沖激光裝置30，調節高功率脈沖激光裝置30的參數，脈寬為20 ns，脈沖重復頻率50Hz，功率密度為IO9 W/cm2。高功率脈沖激光裝置30發出強激光經準直擴束鏡27透過耐高壓玻璃窗口 B22聚焦到自轉速度為lOr/min的石墨靶材19上，并誘導大量的等離子體20高速轟擊硅基合金表面，在硅基合金表面沉積形成金剛石薄膜24。關閉馬達 B17和高功率脈沖激光裝置30，調節工作臺14到合適的位置。打開馬達A8和準分子激光器4，通過激光控制器33設置參數，脈寬為25ns，脈沖頻率為10Hz，能量密度為3. OJ/cm2。 準分子激光器4發出激光經聚焦透鏡A5聚焦到自轉速度為6r/min的金屬靶材10上，激光在金屬靶材10表面誘導出的由大量的金屬粒子構成的等離子體高速轟擊已制備的金剛石薄膜M表面，形成了一層金屬膜。待反應完成后，關閉所有電源，取下硅基合金。
權利要求
1.一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法，其特征在于，步驟為A.用無水乙醇和去離子水清洗基材(11)表面；B.把預處理后的基材(11)夾緊在加熱裝置(25)上，金屬靶材(10)和石墨靶材(19)分別固定在金屬靶材支架(9)和石墨靶材支架(18)上；C.轉動旋轉底座A(7)和旋轉底座B (16)分別調節金屬靶材(10)和石墨靶材(19) 與基材(11)表面水平方向上的夾角；D.在基材(11)側面貼上溫度傳感器，移動工作臺(14)調節好基材(11)表面到石墨靶材(19)最下端的垂直距離，真空泵(31)抽密閉工作腔(21)內的氣體，計算機(26)控制加熱裝置(25)對進行基材(11)均勻加熱；E.打開馬達B(17)電源和高功率脈沖激光裝置(30)，通過激光控制器(33)設置激光能量、脈沖寬度等參數，高功率脈沖激光裝置(30)發出強激光(23)聚焦到自轉的石墨靶材 (19)上，并誘導大量的等離子體(20)高速轟擊基材(11)表面，在基材(11)表面沉積形成金剛石薄膜(24);F.關閉馬達B(17)和高功率脈沖激光裝置(30)，調節工作臺(14)到合適的位置；打開馬達A (8)和準分子激光器(4)，設置準分子激光器(4)的參數，準分子激光器(4)發出激光聚焦到金屬靶材(10)上，激光在金屬靶材(10)表面誘導出的由大量的金屬粒子構成的等離子體高速轟擊已制備的金剛石薄膜(24)表面，形成了一層均勻的金屬膜，待反應完成后，關閉所有電源，取下基材。
2.根據權力要求1所述的一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法，其特征在于，基材上表面到金屬靶材和石墨靶材最下端的垂直距離為2mm 3mm。
3.根據權力要求1或2所述的一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法，其特征在于，所述的基材為硅基合金，所述的金屬靶材為含量99. 9%的鈦或鎳，所述的石墨靶材為含量99. 99%的石墨。
4.根據權力要求1或2所述的一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法，其特征在于，馬達A和馬達B的轉速分別為6r/min和lOr/min。
5.根據權力要求1或2所述的一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法，其特征在于，金屬靶材和石墨靶材與基材表面水平方向上的夾角分別為133° 137° 和 43° 47°。
6.根據權力要求1或2所述的一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法，其特征在于，基材的工作溫度為200°C 250°C。
7.根據權力要求1或2所述的一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法，其特征在于，密閉工作腔里的壓強為IXlO-3Pa ^XlO-3Pa0
8.根據權力要求1或2所述的一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法，其特征在于，高功率脈沖激光裝置的脈寬為20ns，脈沖重復頻率50Hz，功率密度為IO9 W/cm2 ；準分子激光器的脈寬為25ns，脈沖頻率為10Hz，能量密度為3. OJ/cm2。
9.實施權利要求1所述的一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法的裝置，其特征在于，由控制系統、靶材系統、工件控制系統和輔助系統組成，其控制系統包括計算機(26 )、數字控制器(32 )和激光控制器(33 )，數字控制器(32 )分別與計算機(26 )相連和激光控制器(33)相連，激光控制器(33)分別與高功率脈沖激光裝置(30)和準分子激光器(4)相連；靶材系統包括旋轉底座固定裝置(15)、旋轉底座A (7)、馬達A (8)、金屬靶材支架(9)、金屬靶材(10)、旋轉底座B (16)、馬達B (17)、石墨靶材支架(18)和石墨靶材 (19)，旋轉底座固定裝置(15)固定在密閉工作腔的頂上方，金屬靶材支架(9)用于固定金屬靶材(10)，并與馬達A (8)的轉動軸相連，馬達A (8)轉動帶動金屬靶材(10)自轉， 馬達A (8)固定在旋轉底座A (7)上，旋轉底座A (7)安裝在旋轉底座固定裝置(1 的下左側；石墨靶材支架(9)用于固定石墨靶材(19)，并與馬達B (17)的轉動軸相連，馬達B (17) 轉動帶動石墨靶材(19)自轉，馬達B (17)固定在旋轉底座B (16)上，旋轉底座B (16)安裝在旋轉底座固定裝置(1 的下右側；旋轉底座A(7)和旋轉底座B(16)在旋轉底座固定裝置(1 上成左右對稱分布；工件控制系統包括計算機(26)、數字控制器(32)、基材(11)、加熱裝置(25)、基材固定裝置(13) 和工作臺(14)，基材(11)夾緊在加熱裝置(25)上并和加熱裝置(25)—起固定在基材固定裝置(13)上，計算機(26)控制加熱裝置(25)，數字控制器(32)通過控制工作臺(14)來調節基材與和靶材之間的相對位置；輔助系統包括準直擴束鏡(27)、真空泵(31)、溫度傳感器(12)、溫度顯示器(3)、壓力傳感器(1)和壓力顯示器(2)，準直擴束鏡(27)在耐高壓玻璃窗口 B (22)的右邊，所述的準直擴束鏡(27)包括聚焦透鏡B (28)和凹透鏡(29)，真空泵(31)位于密閉工作腔(21)的右下端，溫度傳感器(12)安置在基材(11)左側并與密閉工作腔(21)外的溫度顯示器(3)相連，壓力傳感器(1)位于密閉工作腔(21)的右下部并與密閉工作腔(21)外的壓力顯示器(2)相連。
全文摘要
本發明涉及一種摻雜超細納米結構金屬粒子的金剛石薄膜制備方法與裝置，制備摻雜金屬粒子的金剛石薄膜裝置由控制系統、靶材系統、工件控制系統和輔助系統組成。高功率脈沖激光裝置發出的強激光聚焦到在真空條件下的高純石墨靶材表面上，高能量的激光誘導出大量的等離子體高速轟擊預先均勻加熱的基材表面，在基材表面快速相變形成金剛石薄膜。準分子激光器發出的激光聚焦到金屬靶材上，高能量密度的激光在金屬靶材表面誘導出的由大量的金屬粒子構成的等離子體高速轟擊已制備的金剛石薄膜表面，大量的金屬粒子有效地緊密填補金剛石薄膜顆粒表面的縫隙，形成了一層均勻的金屬膜，實現金剛石薄膜表面的改性，提高了金剛石薄膜的抗壓強度和耐磨性。
文檔編號C23C14/06GK102409291SQ20111036726
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者任旭東, 占秋波, 周建忠, 孫桂芳, 張永康, 戴峰澤, 楊慧敏, 皇甫喁卓, 阮亮 申請人:江蘇大學