采用脉冲直流PECVD工艺在长管内沉积DLC膜层

引言

    管道作为一种流体运输工具，管道内表面经常暴露在复杂的介质中。这些流体中存在的污染物或腐蚀性元素会导致管道内壁腐蚀破损，每年都会造成巨大的经济损失。目前，研究人员在短而小管道的内表面使用等离子体放电方法制备了DLC涂层，在改善磨损、摩擦和腐蚀性能方面已经取得了很大的进展。然而，由于这些涂层通常在是常规的真空室中制备的，因此使用它们对于超过真空室长度的长管内壁制备膜层是不切实际的，所以长管内镀膜至今仍是一个巨大的挑战。

点睛

    采用脉冲直流PECVD沉积技术在金属管（长200cm，直径10cm）的内表面制备类金刚石碳(DLC)膜。实验结果表明，在管内可以建立稳定的放电；当使用不同的气体放电时，管表面温度形成不同的梯度；DLC薄膜的生长速率和结构性能随管的轴向变化而变化。

内容

 图1设备示意图

       图1为管内壁镀膜设备，气体从左端进入右端由泵抽出。如图2所示。温度的变化取决于使用的气体类型。当氩气等离子体放电时，沿着管轴向形成一个类似于字母M的分布形状，图2(a)。如图2(b)乙炔等离子体温度曲线和图2(c)硅烷等离子体温度曲线。观察到在z>150cm区域的轮廓发生了明显的改变，而且当硅烷等离子体放电时，温度大大升高。

 图2 不同气体放电后的管道温度分布曲线

图3管内不同位置膜层厚度

    如图3所示。膜层的厚度沿着气体流动的的方向发生变化，按管轴位置区分，Z=0cm的沉积层约为0.6µm，Z=200cm的沉积层沿气体流动方向下降到0.05µm。基于以上结果，得出沿着管的长度和气体流动的方向，薄膜厚度的不均匀性是十分明显的。说明膜层沉积的均匀受到管道内的进气方式和管道长度的影响。   

 图4膜层的Raman分析结果

     通过拉曼检测分析以确定膜层拉曼光谱的D和G波段相关的特征峰。经分析得出G峰位置的位移和I(D)/I(G)比值的信息，如图4，当G位置在1528~1558cm-1之间变化时，I(D)/I(G)比值根据样本位置从z=0cm~z=200cm之间变化。G峰向较低位置的下降是由于Sp3含量的变化引起的，这表明膜层中石墨占比在下降，膜层硬度增加。

总结 

    对在大长径比的管中制备DLC膜的沉积过程中的管温度和DLC膜生长的基本特性进行了综合分析。所得结果表明等离子体在管内放电稳定，但有一些特性：(a)放电引起管温度升高，形成类似M形的对称分布；(b)在前驱体气体中放电时，管温度受到严重影响，导致分布不均匀，这是由于等离子体撞击管内表面和气体沿管轴向压降造成的。在此条件下，DLC薄膜的生长速率和DLC薄膜的结构都受到了影响。