利用阳极层离子源在管道内壁制备类金刚石涂层

阳极层离子源由于其简单性和将气体转变为离子束的能力而被广泛研究，其主要功能是在使用期间360°范围内连续产生离子束。通过简单地沿着直管或弯管牵引离子源就可以实现管道内壁涂层的制备。利用传统的物理气相沉积如直流/射频磁控溅射和PLD方法制备的类金刚石（DLC）涂层通常包含结构缺陷，如针孔、孔洞和裂纹。而阳极层离子源中的高能解离和电离能减少了碳靶中的宏观碳粒子的存在，从而获得了高质量且无缺陷的DLC涂层。DLC涂层中与基底之间较差的结合强度同样限制了它的应用，其中涂层的内应力是导致结合力差的关键。而在阳极层离子源镀膜中采用多能量注入的方式，可以极大地提高DLC涂层的结合力。

1. 在较低能量（7 kV）下制备的DLC涂层紊乱程度略高，表明sp3-C键的含量较大；

2. 以较高能量制备的DLC涂层很可能在界面层上具有较好的原子混合，从而提升涂层的结合力。

采用如图1所示的圆形阳极层离子源在管道内表面制备DLC涂层，阳极电压在3~8 kV，沉积速率可达70 ± 10 nm/min。如图2所示，计算了阳极电压为8 kV时离子束中每个H和C原子的能量。考虑C3H8+作为主要离子种类，以获得Fe（不锈钢的主要成分）中的能量为2.2 keV的 C原子的深度分布。根据计算，其投影射程约为3.8 nm，而180 eV的H仅从表层渗透1.8 nm。与CHX+离子束流相关的C原子由于每个C原子具有更高的能量（~ 7.4 keV），对不锈钢基底的渗透深度有望达到10.4 nm。当碳原子通量达到5 × 1017cm−2时，将在基底上形成一层碳，此时其溅射率< 1。

图1.带有圆形阳极层离子源的管道涂层系统示意图。

图2. 在1 × 1017~1 × 1018 C cm−2范围内，能量为2.2 keV 的C原子对Fe基质影响的动态修正计算。

图4a显示了8 kV和3 kV阳极电压下DLC涂层在不锈钢和Si衬底上的轮廓。在阳极电压为3 kV时，DLC涂层从不锈钢表面发生分层，但仍然存在于Si基板上，表明其对Si的结合强度较好。但是采用双能沉积的DLC涂层在不锈钢表面具有良好的结合力，这表明多重能量沉积有利于增强涂层在不锈钢等基体上的结合强度。图4b显示了在不同能量下放置在管道内的锡箔上DLC涂层的轨迹，可以明显看出，使用径向阳极层离子源可以实现DLC涂层在管道内壁的360°均匀沉积。

图3. （a）DLC涂层剖面图和（b）不同能量下DLC涂层的全方位轨迹。

多能量沉积的DLC涂层可以在热膨胀系数差异较大的基材上提供更好的结合力

1.P. P. Murmu, et al. A novel radial anode layer ion source for inner wall pipe coating and materials modification--hydrogenated diamond-like carbon coatings from butane gas. Rev Sci Instrum. 2014, 85 (8), 085118.

文献（由xdz供稿）