細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)腔空心陰極放電等離子體離子注入-沉積研究.pdf

1、管筒件內(nèi)表面處理一直是等離子體表面改性領(lǐng)域的難題，特別是內(nèi)徑較細(xì)及長(zhǎng)徑比較大的管件，等離子體難以進(jìn)入管件內(nèi)部，因而處理難度較大。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出了一種新的有效的管件內(nèi)表面處理的方法，空心陰極等離子體源內(nèi)表面改性法。本文首先研究了空心陰極放電等離子體特性，并對(duì)平面工件進(jìn)行了等離子體處理。同時(shí)，通過(guò)等離子體粒子模型研究了空心陰極管內(nèi)注入等離子體動(dòng)力學(xué)行為，在此基礎(chǔ)上對(duì)管件內(nèi)表面進(jìn)行了DLC膜層沉積及等離子體注氮研究。
　　基于空

2、心陰極放電現(xiàn)象，本文研制了復(fù)合地電極空心陰極管內(nèi)表面放電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在Ф20×500mm規(guī)格的細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，能夠?qū)崿F(xiàn)管件內(nèi)表面薄膜沉積及氮離子注入。
　　空心陰極放電等離子體特性研究結(jié)果表明：在自由狀態(tài)空心陰極的放電結(jié)構(gòu)下，陰極前端徑向電流密度隨徑向距離的增加逐漸降低，RF功率的增加導(dǎo)致電流密度增加。在管件約束的空心陰極結(jié)構(gòu)下，管內(nèi)軸向等離子體密度隨距陰極前端口距離的增加逐漸降低。隨氣體流量和氣壓的增加，等離子

3、體密度先增大后減小。大直徑及較短的管件會(huì)提高管內(nèi)軸向等離子體密度的均勻性。采用小內(nèi)徑空心陰極時(shí)，管內(nèi)相同位置等離子體密度最高。相對(duì)于管件懸浮的情況，管件接地后，等離子體密度明顯提高。屏蔽地電極的加入增加了空心陰極的起輝難度。RF功率相同時(shí)，隨著屏蔽地電極出口與空心陰極嘴距離的增加，管內(nèi)相同位置等離子體密度升高；隨著屏蔽地電極內(nèi)徑的增大，等離子體密度先增加后降低，且都高于無(wú)屏蔽地電極結(jié)構(gòu)。
　　利用空心陰極等離子體源，成功的在直徑Ф

4、20mm不銹鋼圓片表面沉積了TiN及DLC膜層，并進(jìn)行了氮離子注入。結(jié)果表明：隨樣品施加偏壓的升高，TiN(111)晶向擇優(yōu)生長(zhǎng)。薄膜表面呈現(xiàn)島狀結(jié)構(gòu)，粗糙度較低，在樣品表面范圍內(nèi)，TiN膜層厚度及晶粒尺寸較為均勻。所有制備的DLC薄膜都具有良好的耐磨性能。-50V偏壓處理的DLC薄膜厚度最大，sp3鍵含量較多，硬度最高。注氮處理后，不銹鋼樣品的耐腐蝕性能得到了不同程度的提高。15kV注入的樣品具有較高的硬度和良好的耐磨性能。
　

5、　針對(duì)空心陰極等離子體，利用二維等離子體粒子模型系統(tǒng)研究了管筒內(nèi)表面離子注入的動(dòng)力學(xué)行為。中心輔助地電極的引入使管件內(nèi)部建立了徑向電場(chǎng)，提高了注入離子的徑向速度，有利于取得良好的改性效果。采用較長(zhǎng)尺寸的中心地電極及小內(nèi)徑的屏蔽地電極有利于注入離子徑向速度的提高。管上施加電壓的提高使注入離子的徑向速度增加，但注入劑量變化不大。等離子體密度的提高使離子注入的徑向速度減小，但注入劑量顯著增加。
　　采用復(fù)合地電極空心陰極等離子體源實(shí)現(xiàn)了

6、內(nèi)徑Ф20mm-Ф40mm，長(zhǎng)140mm管件內(nèi)表面改性，包括DLC薄膜的制備及氮離子注入。定點(diǎn)處理的方式可以獲得1-2μm厚的DLC膜層，最大沉積率為65.7nm/min。拉曼光譜顯示所有的DLC膜都存在兩個(gè)寬峰，即1590cm-1附近的G峰及1370cm-1附近的D峰。隨著樣品偏壓及氣壓的升高，DLC薄膜的厚度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。4kV及6kV定點(diǎn)處理的樣品Id/Ig值較低，耐磨性能較好。而在氣壓變化的條件下，0.8Pa及1.0