负责人：赵玉清

所在学院：电信学院

一、项目简介

1.基本情况

    碳基薄膜包括种类很多，例如石墨、金刚石、非晶碳、石墨烯、碳纳米管、碳化硅、碳化钛等，因此碳基材料具有非常丰富的物理化学特性，一直是科学家研究的重点。

    碳基薄膜中C有四个价电子,可以有包含sp³、sp²和sp¹三种杂化方式。在sp³键组态中,碳原子的4个价电子分别与相邻碳原子结合,形成一个正四面体取向的sp³杂化轨道,形成加强的σ键;在sp²组态中，4个价电子中的3个与相邻碳原子结合,形成平面三角形的sp²杂化轨道,也是σ键,第4个价电子则处在垂直于平面的轨道,形成较弱的π键;而在sp¹组态中,只有两个价电子形成σ键,其它的两个则形成π键，根据sp³、sp²和sp¹三种杂化方式的组合构成碳基材料的结构和物理特性。

    当薄膜中以SP²杂化键为主时，呈现出石墨的特性，当薄膜中以SP³杂化键为主时，呈现了金刚石特性，通常称为金刚石或类金刚石膜(DLC)。

    金刚石薄膜具有高硬度、低摩擦系数、导热、绝缘、吸收紫外、抗辐射损伤、耐腐蚀等诸多优良的物理化学特性一直是科学家研究的热点课题。

    金刚石薄膜分为单晶、多晶和非晶态材料，单晶和多晶金刚石材料常常是在高温下形成，而DLC是在常温下形成的一种亚稳态的非晶态材料，可分为含氢类金刚石膜（hydrogenated amorphous carbon，简称a-C:H）和不含氢类（amorphous carbon，简称a-C）。一般a-C的sp³键含量高于a-C:H，所以也具有更高的硬度。当a-C中sp³键含量达70%以上，被称为非晶四面体碳（tetrahedral amorphous carbon，简称ta-C）。

本项目即为ta-c薄膜制备技术。

    衡量金刚石薄膜质量的方法主要是看其SP³结构含量，含量越高，其性质越接近天然金刚石，如何得到高含量的sp³键是科学家们研究的重点。而目前国际上制备的金刚石薄膜以ta-c的SP³含量最高，可以达到85%以上，因此其性质最接近天然金刚石。  

   本项目目前达到的水平为：SP³结构达到87%，薄膜硬度HV≥85Gpa，平整度0.2nm，摩擦系数≤0.08，紫外吸收97%以上。

2.国内外技术发展现状与趋势

    本技术自从1991年由澳大利亚的D.R.Mckenzie和D.Muller研制成功，目前美国、英国、德国、新加坡、日本、韩国、澳大利亚、以色列、香港各国科学家都在努力将该技术应用于工业生产中。

二、技术性能指标

1. 该技术与市场现有的部分硬质镀膜技术的比较

    该膜层可沉积在金属、陶瓷和介电材料等基体上，膜厚可从几纳米到几微米，均匀度误差达±1%，是目前其它方法无法达到的。采用该方法镀制的膜层，其硬度和耐磨性能高于其它方法。表1为目前国内常用的一些耐磨损涂层的显微硬度和摩擦系数。

表1目前市场使用的常用的薄膜材料特性

 

表2为ta-c薄膜的物理特性

膜层厚度	2nm～1µm	镀层结构	sp3≥80%	硬   度	HV≥80Gpa
表面平整度	0.2nm	膜的纯度	99.99%C	均匀度	±1%
沉积温度	< 80℃	沉积速度	1nm/s	电阻率	108-1010Ω.cm
光学带隙	2.6eV	摩擦系数	≤0.08	热导率	18w/cm2.k
耐磨性试验	采用摩擦磨损仪，加载500克，压头为4毫米直径钢球，样品台转速500转/分钟，出现磨痕为止进行实验，未镀膜高速钢为15分钟，硬质合金25分钟；镀膜后分别超过30小时和40小时；其他耐磨性能分别提高：玻璃1219倍，聚酯镜片14.7倍，不锈钢278倍，镀金试件167倍。
结合力试验	划痕法测定镀膜剥离临界载荷：高速钢和硬质合金上，达到125N; 200℃加热，自来水中激冷，20次热震循环，镀膜未见剥落。
切削实验	成都刀具量具研究所检测结果，6-8的丝锥，涂层200-300纳米，攻碳钢可提高4-6倍使用寿命，攻不锈钢可提高2-4倍使用寿命；片铣刀涂层300纳米，可提高可提高4-6倍使用寿命，硬质合金刀头涂层300-400纳米，可提高2-4倍使用寿命。
耐候试验	用功率为3300W/m2强紫外线照射240小时后，不鼓泡、起皮，耐磨性不变。室外暴露100天，不鼓泡，不起皮剥落，耐磨性不下降。5%盐水煮沸4小时，取出冷至室温，2个循环，不起皮剥落。

    通过比较可以看出，ta-c薄膜的特性远远优于目前市场使用的各种涂层。

2.该技术达到的主要技术指标

（1）装置的技术水平达到国际先进

制备的薄膜均匀，重复性好、工艺稳定。

（2）制备的非晶碳薄膜SP³结构超过85%以上，摩擦系数小于0.1以下，并可达到沉积工作条件为常温（80ºC）以下。

（3）可以根据不同基体设计不同涂层组合的复合涂层结构，并具有良好的附着力、耐磨损、摩擦系数小的良好特性。

（4）镀膜的均匀性在1%。

三、技术依托

    课题组依托电子物理教育部重点实验室，具有人才、测试等方面的优势，每年招收十几个博士和四十几个硕士，具有教授10人，副教授20余人。具有齐全的薄膜检测设备，供课题使用。

    目前实验室具有各种镀膜装置4台，扫描隧道显微镜一台，电子显微镜和俄歇谱仪各一台，X射线衍射仪一台，椭圆偏光薄膜测试仪一台，四极场质谱分析仪和超净台等设备。

    电子材料教育部重点实验室具有英国VG公司生产的多用表面分析仪，英国CAMSCAN公司生产的扫描电子显微镜。

    金属材料国家重点实验室具有透射电子显微镜，X射线衍射结构分析仪等也可使用。拉曼光谱测试可以在西安交大能动学院、理学院和材料学院完成。

四、市场前景及应用

    本课题为赵玉清教授团队经过近十年研究开发，形成了一些列成果包括：

（1）离子镀膜装置；

（2）离子源技术；

（3）薄膜技术。

    在实验和设备工艺方面具有丰富的实践经验和很高的造诣，先后获的国家和陕西省重大科技专项资助。目前已实现ta-c的部分工业产品的产业化生产。

应用领域：

（1）工业领域

    本项目也被广州钢铁集团在全国调研2年后选中的转型转产的重点项目，目前已为广钢集团研制6台设备。

（2）医疗领域

    义齿、牙托和人造关节涂层及医用不锈钢刀具。

（3）切削刀具

    本项目不仅可以实现硬质合金金属切削刀具，而且已推广到高速钢刀具金属切削、木材和家具加工的高速钢和碳钢刀具。ta-c刀具已得到部分单位应用，如：陕西百纳科技，关中工具厂，东方机械厂五分厂，成都光华数控刀具厂，陕西重型汽车有限公司，标准集团股份有限公司，长岭机器有限公司，神龙汽车有限公司。

五、技术成熟度

□概念验证   □原理样机  □工程样机  □中试    R产业化

获奖情况：

（1）陕西省高等学校科技成果一等奖（带电粒子束源系列关键技术及其应用）2008

（2）陕西省科技成果二等奖（带电粒子束源系列关键技术及其应用）2008

（3）2008年度国际电工技术委员会特别贡献奖（ＩＥＣ1908奖）

（4）四川省科技成果奖三等奖，RKDZQ270-1A型电子束蒸发源

（5）中国标准创新贡献奖一等奖，（IEC 60519-7:2008 电热装置的安全第七部分对电子枪装置的特殊要求、IEC60703:2008具有电子枪的电热设备的试验方法）（中国国家标准化管理化委员会；中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局）

（6）电工行业国际标准化贡献突出奖，中国电器工业协会，2009

专利列表：

（1）赵玉清 沈伯礼 赵鑫 朱克志 李冬梅 专利号： ZL2004 1 0026395.6  一种金属离子源，授权日：2007，3，7（发明专利）

（2）赵玉清  专利号：ZL012 47041. 4    一种用于工业省生产中制备超硬薄膜的离子源装置， 授权日：2002，6，26（实用新型）

（3）赵玉清 专利号：ZL012 47038. 4  制备超硬薄膜的离子源装置的滤质器 授权日：2002，7，31（实用新型）

（4）赵玉清  专利号：ZL012 47042. 4  阴极靶修磨器，授权日：2002，6，19（实用新型）

（5）朱克志，李东生，赵玉清，专利号：ZL012 65913. 4 固体离子源支撑支架，授权日：2002，9，18（实用新型）

（6）朱克志，李东生，赵玉清 专利号：ZL012 65931. 2  一种用于离子镀膜室的分度回转工作台，授权日：2002，9，11（实用新型）

（7）赵玉清等，硬质合金、高速钢材料表面制备非晶碳复合涂层的方法（发明专利，已授权）：ZL 2011 1 0136163.4

（8）赵玉清等：一种树脂镜片、有机玻璃片表面超硬涂层方法（发明专利，已授权时间：2011,7,27）

（9）赵玉清等：一种医用不锈钢刀锯表面制备非晶碳涂层的方法（已授权2011,7,27） 

六、合作方式

□联合研发  □技术入股  □转让   £授权（许可） R面议