透明DLC薄膜的制备与性能研究

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本文旨在玻璃基底上制备透明类金刚石(DLC)保护涂层,在保证玻璃透光率的同时防止玻璃制品在运输、使用过程中被划伤。实验初期运用等离子体辅助沉积(IBAD)、离子束沉积(IBD)、等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)三种方法制备DLC膜,其中IBAD法以石墨靶材为碳源,IBD和RF-PECVD法以甲烷气体为碳源,实验结果表明IBAD法制备的DLC膜石墨成分较多,力学性能较差;可见光区消光系数较大,透光率低。IBD法操作过程中问题较多,实验中生成较多石墨颗粒,对离子源本身和腔室污染严重,工作状态不稳定,连续工作时间较短,膜均匀性较差。PECVD制备的DLC膜消光系数最低,光学透过率高,膜层均匀,耐磨性较好,并且适合大面积沉积,经初期实验探索,这三种方法中PECVD更适合在玻璃表面沉积DLC膜。本文以PECVD为主要实验方法,研究了射频功率、甲烷气压、甲烷流量等工艺参数对玻璃基底上沉积的DLC膜的光学性能、膜中氢含量,耐磨损和耐划伤性能的影响。运用椭偏仪检测了DLC膜的消光系数和折射率,运用拉曼光谱检测了DLC膜的结构和氢含量,运用RGA监测了甲烷等离子体中的粒子种类。本文制备的DLC膜平均粗糙度分布在0.23-0.53nm之间,表面十分光滑。功率从100W增加到250W,粗糙度从0.35减小到0.29nm,功率增大到300W时,膜中的石墨成分增多粗糙度又增加到0.53nm;气压从0.13Pa增大到2.66Pa粗糙度从0.23增大到0.45nm。对变功率、变气压、变流量系列的样品进行了摩擦磨损实验,比较磨损程度得到了最佳工艺参数,射频功率为200W,甲烷气压为0.13Pa,甲烷流量为60sccm。采用最佳工艺参数制备了厚度小于10nm的超薄DLC膜,摩擦磨损实验结果表明厚度为8nm的DLC膜极大提高了玻璃的耐磨损性能,可见光透射比损失仅5%;划痕实验结果表明DLC保护涂层明显提高了玻璃的耐划伤性能,将临界载荷从10N提高到17N。
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