过滤阴极真空电弧离子镀膜技术在工程中的应用（上）

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超硬无氢非晶金刚石膜
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）。
- l* E1 p9 u" Y! g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。我们研发制造的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（Cnm+）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。
1 t' @+ d- K9 y! A8 h本文着重介绍我们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。
2、 非晶金刚石膜的性能特性
8 _- f' T' `( `" }6 f  R2.1非晶金刚石膜的基本特性
当非晶金刚石膜中SP3≥70%时，其物理、化学、力学性能与天然金刚石很相近。综合一些文献的研究成果，列于表1。
Tabele1.Basic properties of amorphous diamond coating
Amorphous diamond coating
$ O% a' O. o2 w  ~* H4 lSp3fraction
2 z  R* w! S: v4 D: U% L) GHardness/Gpa
; F+ H) T+ L, M% S! R, t# ]Density/g cm-3
Yang’s modulus/Gpa
Frication coefficient
# v5 t6 \, L7 a5 |  _5 i2 _6 ?Resistivity/Ω.cm
Thermal conductance rate/W(cm.K)-1
Optical gap/eV
针对我们用FCVA技术制备的非晶金刚石膜，我们进行了镀膜硬度，弹性模量，摩擦系数，膜/基结合力，耐磨性，耐候性，耐蚀性，生物相容性等实验研究。以下作分别介绍。
& Z# r5 `2 U5 {8 {+ w7 T. E2.2非晶金刚石膜的硬度和弹性模量研究
在0Cr18Ni9不锈钢基材上镀制约1350nm的非晶金刚石膜，在美国MTS公司生产的纳米硬度计（Nano Indenter XP）上测定膜层硬度和弹性模量。测定结果示于图1和表2。结果表明，非晶金刚石膜的硬度HV为74.831~84.072GPa，平均为79.516GPa；弹性模量E为750.815~829.723GPa，平均为794.093GPa。这表明，我们制备的非晶金刚石膜的硬度和弹性模量远远高于常见的同类膜的硬度（＜56GPa），已达到CVD技术制备的结晶金刚石膜的水平。从试验结果推测，试验膜中SP3含量应达80%以上。
9 i$ i) A; v0 s, P5 N& G2.3非晶金刚石膜的摩擦系数
用五种基材镀非晶金刚石膜，基材表面粗糙度约为0.1~0.2μm，在UMT-2M栓盘式摩擦试验机上以往复运动方式测定摩擦系数。测试条件：磨球直径Φ4mm,磨球材料为440-C,HRC62，相对运动速度为18mm/s,载荷为2N。测试结果示于表3。为了对比，同时列出几种常用的离子镀硬膜的摩擦系数。从表3可看出，在几种基材上镀覆的非晶金刚石膜与滚珠钢的摩擦系数μ为0.092～0.105，比常用的离子镀膜的摩擦系数低得多。一些文献报导，非晶金刚石膜的摩擦系数μ≤0.08，经深入了解其测试条件，得知测试磨头为兰宝石球，故而摩擦系数较低。
) f( s7 R- z5 J非晶金刚石膜由SP3和SP2杂化键合结构组成，它们都是具有低摩擦系数的同素异构体。而采用FCVA技术制备的镀膜极为均匀，致密，光滑，因而这种镀膜具有很低的摩擦系数，可看作是有自润滑功能的镀层。
Table3 Friction coefficient of amorphous diamond films and some hard films
) _7 ]- N% `$ c4 F) ]Friction coefficient
Cr12MoV(quenching)
TiNi记忆合金
2.4非晶金刚石膜与基体结合力
& T* T6 f( b7 q  [5 a; n2.4.1用划痕法测定结合力
Table4 Adhesion of Film/substrate measured by scratch test
Film thickness(nm)
Critical load Lc(N)
High-speed steel
" w, G; |) B/ k% U2.4.2.用热震法测定结合力
用热震法测定在玻片上20-30nm镀膜的结合力。将试片放入箱式电炉中加热到200℃，保温20分钟，然后在室温水中激冷为一个循环。经15个热震循环后，镀膜无鼓泡，无剥落现象。经验表明，镀膜经8~10个热震循环，不起皮剥落，其结合力可满足一般工程要求。
4 j  ?( [+ _+ }7 W1 k0 C2.5.非晶金刚石膜的耐磨性
按ISO3160-3：1993标准，在MS-2型摩擦试验机上进行栓盘耐磨性试验，磨头为直径Φ8mm钢球，硬度HRC61-64。载荷2N，转速120r/min，至出现可见的连续的磨痕的转数作为镀膜的磨损寿命。
Table5. Results of wear test on amorphous diamond films
8 }2 i3 L- e/ h- s/ @" YSteel cutter
Pre-coating
结果表明，不同材料经镀金刚石膜后，耐磨性都有显著提高。其中，提高最大的为硅片（7252倍），其次为玻片（1219倍），最小的为聚酯镜片（14倍）。镀膜的耐磨性主要影响因素为镀膜的硬度，摩擦系数，膜/基结合力，膜层厚度。聚合物材料提高较小，主要与其膜/基结合力较低相关（见表4）。
9 P$ Z" E) ?! L4 K文章关键词： 非晶金刚石膜