摘要
　　
　　采用過濾陰極真空電弧離子鍍膜技術在不同基材上沉積無氫非晶金剛石膜，并對鍍膜試樣進行納米壓入硬度，彈性模量，膜/基結合力，摩擦系數，耐磨性，耐蝕性，耐候性，透光性和生物相容性試驗。結果表明，這種無氫非晶金剛石膜的硬度HV高達74.8~84.0GPa，楊氏彈性模量E高達750.8~829.7GPa，摩擦系數μ為0.092~0.105，并有良好的膜/基結合力，高耐磨性，高耐蝕性，良好的耐候性，高的透光率和優良的生物相容性。文中還系統介紹了非晶金剛石膜的應用領域和某些應用案例。
　　
　　一、前言
　　
　　30多年前，Aisenberg和Chabot用高能離子束在室溫下沉積成功類金剛石碳膜，此后，在世界上便興起了類金剛石膜的研究和應用開發熱潮。類金剛石膜通常為非晶態或含有部分納米晶，是金剛石結構（SP3）和石墨結構（SP2）的混合物，其硬度，彈性模量等性能主要取決于膜中的SP3結構的含量。當SP3≥20%，硬度HV≥2000時，稱為類金剛石碳膜（DLC）；當SP3≥70%，硬度HV≥7000時，稱為非晶金剛石膜，因屬于四面體金剛石結構，又稱為四面體非晶金剛石碳膜（ta-c）。
　　
　　無氫的類金剛石碳膜沉積技術主要有直接離子束沉積、電弧放電沉積、磁控濺射沉積、離子輔助沉積、激光蒸發沉積、質量選擇離子束沉積和過濾陰極真空電弧沉積等技術。過濾陰極真空電弧離子鍍膜技術（FCVA）代表最新一代鍍膜技術。
　　
　　過濾陰極真空電弧離子鍍膜機具有以下特點：配備有高效的電磁過濾系統，可將石墨固體離子源產生的等離子體中的宏觀碳粒子、離子團（Cnm+ ）過濾干凈，保證進入真空室沉積的離子為一價碳離子（C+ ），使得鍍膜達到原子級光潔度，實現針孔率極低的納米級鍍膜；配備有氣體離子源清洗系統，能有效清除工件表面吸附的氣體和污染物，活化表面，并產生較多的表面空穴，從而可有效提高膜/基結合力；配備有離子掃描裝置，能方便地實現大面積鍍膜；真空電弧系統遠離鍍膜室，使工藝溫度低于80℃；各種本征物理沉積參量可控制，有利于對非晶金剛石膜生長過程的深入研究和精細調節鍍膜的性能。本文的非晶金剛石膜就是用這種設備制備的。
　　
　　本文著重介紹在非晶金剛石膜與其應用密切相關的一些性能特性方面的研究成果，并介紹非晶金剛石膜的生產應用效果及應用前景。
　　
　　二、 非晶金剛石膜的性能特性
　　
　　2.1非晶金剛石膜的基本特性
　　
　　當非晶金剛石膜中SP3≥70%時，其物理、化學、力學性能與天然金剛石很相近。綜合一些文獻的研究成果，列于表1。
　　
　　Tabele1.Basic properties of amorphous diamond coating
 

　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　

	Amorphous diamond coating	Diamond
Sp3fraction	70%~95%	100%
Hardness/Gpa	70-95	100-120
Density/g cm-3	3~3.5	3.515
Yang’s modulus/Gpa	≥700	1000-1200
Frication coefficient	0.08	0.08
Resistivity/Ω.cm	108~1012	1016
Thermal conductance rate/W(cm.K)-1	18	20
Optical gap/eV	2.6	5.45

　　針對用FCVA技術制備的非晶金剛石膜，進行了鍍膜硬度，彈性模量，摩擦系數，膜/基結合力，耐磨性，耐候性，耐蝕性，生物相容性等實驗研究。以下作分別介紹。
　　
　　2.2非晶金剛石膜的硬度和彈性模量研究
　　
　　在0Cr18Ni9不銹鋼基材上鍍制約1350nm的非晶金剛石膜，在美國MTS公司生產的納米硬度計（Nano Indenter XP）上測定膜層硬度和彈性模量。結果表明，非晶金剛石膜的硬度HV為74.831~84.072GPa，平均為79.516GPa；彈性模量E為750.815~829.723GPa，平均為794.093GPa。這表明，制備的非晶金剛石膜的硬度和彈性模量遠遠高于常見的同類膜的硬度（＜56GPa），已達到CVD技術制備的結晶金剛石膜的水平。從試驗結果推測，試驗膜中SP3含量應達80%以上。