聚碳酸酯表面碳基薄膜的制备及其光学性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)机械工程与自动化学院东北大学 作者:程春玉

  用射频等离子体增强化学气相沉积( RF-PECVD) 方法在聚碳酸酯( PC) 片上沉积类金刚石( DLC) 薄膜,用射频磁控溅射方法制备过渡层以提高膜基结合力及控制光路。本文利用激光拉曼光谱检测薄膜的微观结构,利用X 射线光电子能谱分析试样中元素组成,利用扫描电子显微镜观察薄膜的表面形貌,利用摩擦磨损试验机测试薄膜的摩擦学性能,利用紫外-可见光分光光度计研究试样在沉积碳膜后的光学性能。结果表明: 利用RF-PECVD 方法在PC 片上沉积的薄膜为DLC 薄膜,试样的摩擦系数与薄膜中sp3 百分比有关,其光学特性与薄膜中sp2 百分比有关,通过对不同过渡层的研究发现使用Si 过渡层对形成高质量高透光率的DLC 薄膜更加有利。

  光学塑料( 聚碳酸酯等) 因具有重量轻、成本低、韧性高和光学性能优异等特点,正逐步取代玻璃,得到广泛的应用,例如汽车的前灯、矫正视力的镜片和塑料容器等。但是聚碳酸酯( PC) 材料本身是柔软的,容易被划伤或磨损,因此它们的使用往往被限制在相对温和的条件。近年来,研究人员通过在这类聚合物上沉积适当的薄膜以克服它们的缺点。最大的挑战就是基片材料与薄膜的结合力问题。目前,研究人员已成功的应用各种技术将类金刚石( DLC) 薄膜沉积在这类聚合物表面,以改善其表面性能,使其具有高的硬度、低的摩擦系数和高的化学惰性等。因射频等离子体增强化学气相沉积( RF-PECVD) 技术是在低温( < 190℃) 下进行镀膜的,可以避免聚合物的分解,故非常合适在PC 材料表面沉积薄膜。使用RF-PECVD 技术沉积DLC薄膜作为聚甲基丙烯酸甲酯的涂层的可行性已在以前的研究中被证明是可行的。本文采用RFPECVD技术在PC 材料表面沉积DLC 薄膜,研究DLC 薄膜和PC 基片系统的摩擦学和光学性能。

1、试验部分

  1.1、试样制备

  本文采用平板电容耦合RF-PECVD 系统制备DLC 薄膜,Si 和SiOx过渡层的制备采用的是超高真空磁控与离子束联合溅射镀膜机,有关实验设备的详细情况在文献中已经论述。实验选用10 mm × 10 mm、厚2 mm 的PC 片作为基片。气源为甲烷( 纯度99.99%) 和氩气(纯度99.9%) 。制备薄膜前对PC 片进行超声波清洗,吹干后放入真空室中。沉积薄膜前先用Ar 离子对基片进行溅射清洗,以提高基片表面的活性。采用的具体工艺参数见表1。

表1 RF-PECVD 方法沉积薄膜的工艺参数

RF-PECVD 方法沉积薄膜的工艺参数

  本实验的部分样片采用了射频磁控溅射工艺制备了Si 和SiOx过渡层,镀膜时本底压力为8 × 10 -4 Pa。采用氩气作为溅射气体,工作压力为1 Pa,Si和SiOx膜的厚度为500 nm,基片温度约为120℃。

  1.2、表征与分析

  利用场致发射扫描电子显微镜( SEM) (JSM-6500F,JEOL,东京) 在常温下测试试样的表面形态,利用X 射线光电子能谱分析仪( XPS) ( PHI-5700,PHI,明尼苏达州,美国) 分析薄膜的组成元素,利用拉曼光谱仪( JY Labram HR 800, Jobin-Yvon,法国)对薄膜的结构进行分析。采用分光光度计( DR/4000U,Perkin-Elmer,美国) 测定试样的透光率。采用Motic BA400 光学显微镜观察试样的划痕形貌,分析不同工艺参数对薄膜的抗划擦性能的影响。采用精密球-盘式摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,将试样作为圆盘,载荷为0.2 N。

3、结论

  Ar /CH4流量比、入射功率和过渡层都会影响DLC 薄膜中sp3 和sp2 的百分比,从而影响试样的摩擦系数及其光学性能。在本实验条件下,Ar /CH4流量比采用10 /20时,沉积的DLC 薄膜sp3 百分比最大,摩擦系数最小; 随着入射功率增加,DLC 薄膜中sp3 百分比增加、sp2 百分比减少,使得试样摩擦系数减小、透光率下降; 采用适当的过渡层,有利于获得更小的摩擦系数,适当厚度的Si 过渡层还能起到增透的效果。

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