在铜和硬质合金上金刚石膜的沉积研究

2008-10-27 剑气书生真空技术网整理

金刚石薄膜有许多优异的性质，存在着广阔的工业应用前景。但在金刚石薄膜的应用中，存在着一些相关的技术或经济困难：如金刚石薄膜与基体的附着较差，产品的成本过高等问题。本论文就金刚石薄膜在铜上的制备及其附着力进行了详细的讨论。另外，利用Cu植入后改善了金刚石薄膜在WC-Co硬质合金上的附着力，并探讨了微波法中利用乙醇和氢气作为气源时金刚石薄膜的沉积工艺。

铜上金刚石薄膜的制备有很大的困难，主要原因在于铜与金刚石之间没有化学反应，无相应的碳化物生成；同时铜和金刚石的热膨胀系数的差异过大。本文首先研究了高纯铜片上金刚石的形核，采用亚微米金刚石涂层显著地增强了金刚石在铜上的形核密度，并且通过氢等离子体的处理将金刚石小颗粒部分地嵌入到铜基体内，使金刚石薄膜和铜基体之间形成机械锚合，有利于金刚石薄膜附着力的提高。其次采用镍作为中间过渡层，着重讨论了施加镍过渡层后金刚石薄膜的制备工艺。研究表明：镍过渡层在高温氢等离子体的处理下形成的铜镍合金增强了铜基体的强度，在引入碳的情况下经高温氢等离子体处理形成的铜镍碳氢共晶体系可有效地抑制镍的促石墨化作用。碳的引入可以通过金刚石研磨或含碳的等离子体处理两种方法。镍过渡层可显著地增强金刚石薄膜的附着力，其主要原因在于铜镍碳氢共晶体系的生成，位于共晶体表面的碳原子或碳原子团起到了金刚石晶核的作用，在此基础上生长的金刚石薄膜与基体的结合由原来的物理吸附或机械锚合变为化合键结合。在利用镍过渡层增强薄膜的附着力的同时，提出三步法以释放金刚石薄膜的热应力，得到附着良好，较为平坦的金刚石/铜复合材料。

利用金刚石薄膜涂层制备的硬质合金薄膜工具可以显著的增加工具的使用寿命和加工性能，并用来加工一些非铁金属，如Al及其合金。但硬质合金中Co的存在降低了金刚石薄膜与硬质合金的黏附性能，酸蚀脱Co可以抑制钴的催化作用，但由于脱钴对基体强度的破坏，金刚石薄膜的附着力仍然较差。本文采用铜植入层替代硬质合金表面的钴，很好地抑制了钴的催化作用，同时又基本上没有破坏基体表面的硬度和韧性，在此基础上研究了沉积条件对金刚石薄膜的制备及附着力的影响，分析了金刚石薄膜附着力得到加强的机制，得到了较为优化的制备条件。另外采用Cu/Ti复合过渡层研究了WC-TiC-Co硬质合金基体上金刚石薄膜的制备及其黏附性能。

化学气相沉积制备金刚石薄膜的研究工作大量采用CH₄-H₂气体。而甲醇、乙醇、丙酮作为气源的研究主要出现在热丝法中。本文利用微波等离子体以乙醇作为含碳气源研究了金刚石薄膜的制备工艺，着重讨论了乙醇浓度、沉积温度和气压对金刚石薄膜的质量和沉积速率的影响。在较低气压和低衬底温度下金刚石薄膜的制备具有良好的红外透过率和表面光洁度，在光学窗口及其保护涂层方面有良好的应用价值。