CN100335677C - 直流电弧等离子体化学气相沉积装置及金刚石涂层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了直流电弧等离子体化学气相沉积装置及金刚石涂层方法。该涂层装置由阴极部分、阳极、真空室、真空泵系统、压力测控装置、直流电弧弧柱、制品架、电源、磁场线圈组成；阴极部分(1)和阳极(8)处于圆桶状真空室(2)轴线的两端；一对磁场线圈(12)、(13)同轴地处于真空室(2)外的上下两侧；真空室(2)与真空泵系统(3)、压力测量和控制装置(4)由真空管路相连接。阴极部分(1)由阴极杆(6)、阴极体(7)、保护气体通道体(14)、反应气体通道体(15)以及绝缘体(17)、(18)所组成；在保护气体通道体(14)、反应气体通道体(15)的下方是阴极喷口(16)。本发明的优点在于：寿命与结构稳定性将大幅度的改善并可靠性提高，显著的改善金刚石涂层质量。
Description
技术领域
本发明属于金刚石涂层技术领域，特别是提供了一种强电流直流电弧等离子体化学气相沉积装置及金刚石涂层方法，可应用于对制品表面涂敷金刚石涂层。
背景技术
以化学气相沉积方法制备的金刚石涂层具有许多独特的特性，如高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、高热导率、宽光学透过波段、高介电性能、高化学惰性等，是一种极为优异的多功能材料，在国民经济的各个领域中有着广泛的应用前景。
制备金刚石涂层可以采用多种多样的化学气相沉积方法，其最主要的特征是其各自的等离子体产生技术。热丝法使用大量并行排列、被加热至炽热状态的金属丝作为等离子体源。其缺点是数量巨大的热丝组的稳定性和寿命较低。微波法使用高频率的电磁波产生无电极放电的等离子体，其缺点是设备和运行成本高、而能够产生的等离子体的面积小。直流电弧喷射法由喷射状流动的高速电弧产生等离子体，其缺点是能够产生的等离子体的面积小、且高速喷射的电弧会对被涂层制品产生很高的热冲击，其温度很难得到控制。
制备金刚石涂层的另一种方法是所谓的强电流直流电弧等离子体化学气相沉积方法。在这一方法中，相距较远的阴阳两极之间发生直流电弧放电而形成一电弧弧柱，而被涂层的制品被放置在电弧弧柱的周围。电弧弧柱产生的等离子体对反应气体实现激发，从而可在制品的表面上沉积出金刚石涂层。这一方法的优点是：
1.提供的等离子体的面积很大，因而可以同时对大量制品进行金刚石涂层。
2.强电流电弧可激发高密度的等离子体，因而可对反应气体实现有效的激发，有助于提高金刚石涂层的质量和其沉积速率。
在上述的强电流直流电弧等离子体化学气相沉积装置中，使用了能够发射高强度电子流的阴极装置(I.Reineck et al，Diamond and Related Materials，5(1996)819)。它由一根很长的被电流加热至炽热状态的W丝所组成。由于需要发射的电流的强度很高，因而所需的W丝的表面积就很大，即W丝的长度就很长。例如，要想产生150A的电子流发射，需要使用1mm直径的W金属丝0.5m。维持如此长的炽热W丝在长时间内稳定工作，在技术上是很困难的。正因为如此，W丝阴极的寿命和其结构的稳定性是限制整个强电流直流电弧等离子体化学气相沉积装置的一个重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种强电流直流电弧等离子体化学气相沉积装置及金刚石涂层方法，延长了阴极的寿命和结构稳定性，从而直接提高了整个强电流直流电弧等离子体化学气相沉积装置的可靠性。
本发明由阴极部分、阳极、真空室、真空泵系统、压力测控装置、直流电弧弧柱、制品架、电源、磁场线圈组成。阴极部分1和阳极8处于圆桶状真空室2轴线的两端。一对磁场线圈12、13同轴地处于真空室2外的上下两侧。真空室2与真空泵系统3、压力测控装置4由真空管路相连接。
阴极部分1由阴极杆6、阴极体7、保护气体通道体14、反应气体通道体15以及绝缘体17、18所组成；在保护气体通道体14、反应气体通道体15的下方是阴极喷口16；阴极杆6由W金属所制成，其直径范围为2-15mm，长度范围为8-30mm，且根据所需发射的电子流的强度不同而不同。阴极体7、保护气体通道体14、反应气体通道体15之间由绝缘体17、18所绝缘。
在真空室2的轴线处，阴极部分1和阳极8之间形成一直流电弧弧柱9。电源5、电源11分别对直流电弧弧柱9和磁场线圈12、13提供电能。被涂层的制品可顺序安放于直流电弧弧柱9周围的制品架10上。
由W制成的阴极杆6是强电子流的发射体，它在强电子流流过的同时被加热至高温状态，因而自身具备了发射强电子流的能力。阴极体7为阴极杆6提供了电流的通路，同时对阴极杆6起着冷却的作用。在保护气体通道体14之内为阴极杆6提供所需的保护气体，后者还有稳定电弧的作用。在反应气体通道体15和保护气体通道体14之间流过的反应气体将直接进入电弧弧柱9，增加了它的化学活性。另外，此气流也对电弧弧柱9起着冷却的作用，从而使其保持在阴极喷口16的中心位置。阴极喷口16的作用是使所形成的电弧弧柱9维持在自身的轴线上。
由于在同等发射表面的情况下，相对于炽热状态的W丝阴极来说，杆状阴极6的长度较小、直径较大，因而其寿命与结构稳定性都得到了大幅度的很高。因此，上述阴极部分的改变可直接提高整个强电流直流电弧等离子体化学气相沉积装置的可靠性，改善其所沉积的金刚石涂层的质量。
在本发明的装置中进行金刚石涂层沉积的方法是，在真空室2的轴线处，阴极部分1和阳极8之间形成直流电弧弧柱9。电源5、电源11分别对直流电弧弧柱9和磁场线圈12、13提供电能。被涂层的制品可顺序安放于直流电弧弧柱9周围的制品架10上。反应气体、保护气体由阴极部分1输入圆桶状的真空室2内，而真空室2由真空泵系统3维持在0.5～25kPa的压力范围内。压力由压力测控装置4所监控。直流强电流通路由电源5、阴极杆6、阴极体7、阳极8和直流电弧弧柱9组成。电源11对真空室外侧同轴安置的两只磁场线圈12、13提供电流从而形成轴向的强磁场。强磁场的作用是对所形成的电弧弧柱9形成约束作用，使其保持于真空室2轴线的位置上，并由此确保电弧弧柱9外制品架10上安置的被涂层制品的温度的一致性。
本发明的优点在于：
1、在同等电流发射表面的情况下，由W棒制成的杆状阴极比W丝阴极的长度要小得多，而其直径则要大得多，因此其寿命与结构稳定性将可获得大幅度的改善。这将大大有助于强电流直流电弧等离子体化学气相沉积装置可靠性的提高。
2、由于阴极的稳定性得到了改善，因而其所制备的金刚石涂层的质量也可获得显著的改善。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。其中，阴极部分1、真空室2、真空泵系统3、压力测控装置4、电源5、11、阴极杆6、阴极体7、阳极8、直流电弧弧柱9、制品架10、磁场线圈12、13。
图2是本发明装置中阴极部分的结构示意图。其中，阴极杆6、阴极体7、保护气体通道体14、反应气体通道体15、阴极喷口16、绝缘体17、18。
图3是使用本发明所提出的强电流直流电弧等离子体化学气相沉积装置获得的金刚石涂层的显微形貌。
具体实施方式
下面，结合实施例对本申请的技术方案进行简要的说明。
实施例1
将欲涂敷金刚石涂层的制品安置于制品架上，采用表1列出的工艺条件对其进行金刚石涂层：
表1 金刚石涂层的工艺条件
| 氩气流量(升/分) | 1.5 |
| 氢气流量(升/分) | 1.0 |
| 甲烷流量(毫升/分) | 15 |
| 压力(kPa) | 1.0 |
| 阴阳极间电压(V) | 120 |
| 电弧电流(A) | 150 |
| 温度(℃) | 900 |
其中，氩气是所使用的保护气体，而氢气和甲烷则为沉积金刚石所必需的反应气体。调整真空室内的压力、直流放电电压、电流分别为1kPa、120V和150A，而欲涂层的制品的表面温度为900℃。对制品涂层处理6小时，获得如图3所示的金刚石涂层。
Claims (3)
1、一种强电流直流电弧等离子体化学气相沉积装置，由阴极部分、阳极、真空室、真空泵系统、压力测控装置、直流电弧弧柱、制品架、电源、磁场线圈组成；其特征在于：阴极部分(1)和阳极(8)处于圆桶状真空室(2)轴线的两端；一对磁场线圈(12)、(13)同轴地处于真空室(2)外的上下两侧；真空室(2)与真空泵系统(3)、压力测控装置(4)由真空管路相连接。
2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：阴极部分(1)由阴极杆(6)、阴极体(7)、保护气体通道体(14)、反应气体通道体(15)以及绝缘体(17)、(18)所组成；在保护气体通道体(14)、反应气体通道体(15)的下方是阴极喷口(16)；阴极杆(6)由W金属所制成；阴极体(7)、保护气体通道体(14)、反应气体通道体(15)之间由绝缘体(17)、(18)所绝缘。
3、一种在权利要求1所述装置中进行的金刚石涂层沉积方法，其特征在于：在真空室(2)的轴线处，阴极部分(1)和阳极(8)之间形成直流电弧弧柱(9)、电源(5)、电源(11)分别对直流电弧弧柱(9)和磁场线圈(12)、(13)提供电能；被涂层的制品可顺序安放于直流电弧弧柱(9)周围的制品架(10)上，反应气体、保护气体由阴极部分(1)输入圆桶状的真空室(2)内，而真空室(2)由真空泵系统(3)维持在0.5～25kPa的压力范围内；电源(11)对真空室外侧同轴安置的两只磁场线圈(12)、(13)提供电流从而形成轴向的强磁场；强磁场的作用是对所形成的电弧弧柱(9)形成约束作用，使其对真空室(2)保持着轴对称的位置，并由此确保电弧弧柱(9)外制品架(10)上安置的被涂层制品的温度的一致性。
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