采用脈沖直流PECVD工藝在長管內沉積DLC膜層

引言

    管道作為一種流體運輸工具，管道內表面經常暴露在復雜的介質中。這些流體中存在的污染物或腐蝕性元素會導致管道內壁腐蝕破損，每年都會造成巨大的經濟損失。目前，研究人員在短而小管道的內表面使用等離子體放電方法制備了DLC涂層，在改善磨損、摩擦和腐蝕性能方面已經取得了很大的進展。然而，由于這些涂層通常在是常規的真空室中制備的，因此使用它們對于超過真空室長度的長管內壁制備膜層是不切實際的，所以長管內鍍膜至今仍是一個巨大的挑戰。

點睛

    采用脈沖直流PECVD沉積技術在金屬管（長200cm，直徑10cm）的內表面制備類金剛石碳(DLC)膜。實驗結果表明，在管內可以建立穩定的放電；當使用不同的氣體放電時，管表面溫度形成不同的梯度；DLC薄膜的生長速率和結構性能隨管的軸向變化而變化。

內容

 圖1設備示意圖

       圖1為管內壁鍍膜設備，氣體從左端進入右端由泵抽出。如圖2所示。溫度的變化取決于使用的氣體類型。當氬氣等離子體放電時，沿著管軸向形成一個類似于字母M的分布形狀，圖2(a)。如圖2(b)乙炔等離子體溫度曲線和圖2(c)硅烷等離子體溫度曲線。觀察到在z>150cm區域的輪廓發生了明顯的改變，而且當硅烷等離子體放電時，溫度大大升高。

 圖2 不同氣體放電后的管道溫度分布曲線

圖3管內不同位置膜層厚度

    如圖3所示。膜層的厚度沿著氣體流動的的方向發生變化，按管軸位置區分，Z=0cm的沉積層約為0.6μm，Z=200cm的沉積層沿氣體流動方向下降到0.05μm。基于以上結果，得出沿著管的長度和氣體流動的方向，薄膜厚度的不均勻性是十分明顯的。說明膜層沉積的均勻受到管道內的進氣方式和管道長度的影響。   

 圖4膜層的Raman分析結果

     通過拉曼檢測分析以確定膜層拉曼光譜的D和G波段相關的特征峰。經分析得出G峰位置的位移和I(D)/I(G)比值的信息，如圖4，當G位置在1528~1558cm-1之間變化時，I(D)/I(G)比值根據樣本位置從z=0cm~z=200cm之間變化。G峰向較低位置的下降是由于Sp3含量的變化引起的，這表明膜層中石墨占比在下降，膜層硬度增加。

總結 

    對在大長徑比的管中制備DLC膜的沉積過程中的管溫度和DLC膜生長的基本特性進行了綜合分析。所得結果表明等離子體在管內放電穩定，但有一些特性：(a)放電引起管溫度升高，形成類似M形的對稱分布；(b)在前驅體氣體中放電時，管溫度受到嚴重影響，導致分布不均勻，這是由于等離子體撞擊管內表面和氣體沿管軸向壓降造成的。在此條件下，DLC薄膜的生長速率和DLC薄膜的結構都受到了影響。