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硬质合金上MPCVD法沉积金刚石薄膜的研究

柴欣  
【摘要】: 本文系统地研究了在硬质合金上MPCVD沉积金刚石薄膜的实验过程中,甲烷浓度、沉积气压、气体流量、基体温度等不同实验工艺参数对金刚石薄膜质量的影响。确立了最佳的实验工艺参数。比较了不同预处理工艺对金刚石薄膜质量及薄膜与基底间结合力的影响。 详细介绍了自行研制的2450MHz/5KW带有石英玻璃窗、水冷却不锈钢腔体微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置。论述了包括微波系统、气路系统、真空系统、检测系统和保障系统等各部分的结构组成及基本功能。 金刚石薄膜的一个重要用途是用做加工非金属、非铁金属和合金的刀具涂层。但是,通常用MPCVD法直接在WC-Co基体上沉积的金刚石薄膜的附着力很差,因而金刚石薄膜涂层硬质合金刀具的性能并不令人满意。其原因是在沉积过程中,基体中所含的钴会引起碳的溶解和扩散,从而导致金刚石成核密度的降低和石墨的形成。 本研究中,用自行研制的微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置对在硬质合金基体上金刚石的涂层进行了研究。为降低成核及成膜过程中钴的副作用,国内外通常采用的方法是将硬质合金基体在室温下用稀酸溶液浸泡一定时间,从而除去基体表面的钴。但在MPCVD沉积过程中,基体内部的钴仍会溢出,因而如何有效地抑制钴的溢出是非常重要的。本研究将经过酸洗法和化学反应替代法不同的去钴处理,使钴与反应液发生化学反应,达到去除钴的目的。经过以上化学预处理过程后,基体表面会由于形成许多细小沟槽和空洞而变得很粗糙,这些均有利于金刚石成核密度和薄膜涂层附着力的提高。当然,用金刚石粉进行超声研磨以提高金刚石 武汉理工大学硕士学位论文 成核密度也是需要的。在硬质合金基体上金刚石镀膜后,分别用Raman光 谱、X衍射(XRDL扫描电镜uEM)和偏光显微镜对薄膜进行了表征。 结果表明,简单合适的基体预处理可以有效的控制MPCVD过程中钻的溢 出和抑制钻的催石墨化作用,从而大大提高了MPCVD法生成的硬质合金 基体上金刚石薄膜涂层的附着力。


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