利用陽極層離子源在管道內壁制備類金剛石涂層

陽極層離子源由于其簡單性和將氣體轉變為離子束的能力而被廣泛研究，其主要功能是在使用期間360°范圍內連續產生離子束。通過簡單地沿著直管或彎管牽引離子源就可以實現管道內壁涂層的制備。利用傳統的物理氣相沉積如直流/射頻磁控濺射和PLD方法制備的類金剛石（DLC）涂層通常包含結構缺陷，如針孔、孔洞和裂紋。而陽極層離子源中的高能解離和電離能減少了碳靶中的宏觀碳粒子的存在，從而獲得了高質量且無缺陷的DLC涂層。DLC涂層中與基底之間較差的結合強度同樣限制了它的應用，其中涂層的內應力是導致結合力差的關鍵。而在陽極層離子源鍍膜中采用多能量注入的方式，可以極大地提高DLC涂層的結合力。

1. 在較低能量（7 kV）下制備的DLC涂層紊亂程度略高，表明sp3-C鍵的含量較大；

2. 以較高能量制備的DLC涂層很可能在界面層上具有較好的原子混合，從而提升涂層的結合力。

采用如圖1所示的圓形陽極層離子源在管道內表面制備DLC涂層，陽極電壓在3~8 kV，沉積速率可達70 ± 10 nm/min。如圖2所示，計算了陽極電壓為8 kV時離子束中每個H和C原子的能量?？紤]C3H8+作為主要離子種類，以獲得Fe（不銹鋼的主要成分）中的能量為2.2 keV的 C原子的深度分布。根據計算，其投影射程約為3.8 nm，而180 eV的H僅從表層滲透1.8 nm。與CHX+離子束流相關的C原子由于每個C原子具有更高的能量（~ 7.4 keV），對不銹鋼基底的滲透深度有望達到10.4 nm。當碳原子通量達到5 × 1017cm?2時，將在基底上形成一層碳，此時其濺射率< 1。

圖1.帶有圓形陽極層離子源的管道涂層系統示意圖。

圖2. 在1 × 1017~1 × 1018 C cm?2范圍內，能量為2.2 keV 的C原子對Fe基質影響的動態修正計算。

圖4a顯示了8 kV和3 kV陽極電壓下DLC涂層在不銹鋼和Si襯底上的輪廓。在陽極電壓為3 kV時，DLC涂層從不銹鋼表面發生分層，但仍然存在于Si基板上，表明其對Si的結合強度較好。但是采用雙能沉積的DLC涂層在不銹鋼表面具有良好的結合力，這表明多重能量沉積有利于增強涂層在不銹鋼等基體上的結合強度。圖4b顯示了在不同能量下放置在管道內的錫箔上DLC涂層的軌跡，可以明顯看出，使用徑向陽極層離子源可以實現DLC涂層在管道內壁的360°均勻沉積。

圖3. （a）DLC涂層剖面圖和（b）不同能量下DLC涂層的全方位軌跡。

多能量沉積的DLC涂層可以在熱膨脹系數差異較大的基材上提供更好的結合力

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.

文獻（由xdz供稿）