聚合物表面类金刚石薄膜的制备与应用*谢�东1,2,冷永祥1,黄�楠1,刘恒全1,游天雪1(1.西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室,四川成都610031;2.西南交通大学理学院,四川成都610031)摘�要:�聚合物固有的柔软、易老化、不耐磨等特点,使它们的进一步应用受到限制。在聚合物表面制备1层DLC薄膜,将两种材料的优异性能结合起来,将极大地拓宽聚合物应用领域、提高聚合物应用价值。综述了近年来在聚合物表面制备类金刚石薄膜的研究进展,重点将介绍聚合物上DLC薄膜的制备方法、相关核心问题的解决及聚合物上制备DLC薄膜的应用前景。关键词:�类金刚石(DLC);聚合物;制备方法;应用中图分类号:�O484.1;TB34文献标识码:A文章编号:1001�9731(2008)09�1413�051�引�言高分子聚合物是20世纪发展起来的新型材料,具有优异的综合性能,相对简便的成型工艺,在很多重要的领域都有应用。然而其固有的柔软、易老化、不耐磨等特点,使它们的进一步应用受到限制[1]。类金刚石膜(diamond�likecarbon)简称DLC,实质是一种含有金刚石结构(sp3)的非晶碳膜,是碳原子以sp3和sp2杂化键合的无定形材料。DLC薄膜具有硬度高、摩擦系数低、化学惰性好、生物相容性优异等性能,在机械、电子、光学、航空、医学等领域得到广泛应用,美国甚至已将其列为国家21世纪战略材料之一。若能在聚合物基底上制备一层DLC薄膜,将两种材料的优异性能结合起来,无疑将极大地拓宽聚合物应用领域、提高聚合物应用价值。然而聚合物导电性差、热变形温度低,在其表面制备DLC薄膜有许多关键性课题需要解决,如温度对基底材料的影响、薄膜的内应力问题、膜基结合力问题等等,可以说是困难重重。但其诱人的应用前景从20世纪90年代开始就吸引了广大科技工作的关注,经过10多年的探索,这方面的研究已取得了不少进展,如今人们已经能够在多种聚合物基体[2~7],如:聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等表面制备出满足特定需求的DLC薄膜;沉积DLC薄膜后的聚合物在光学塑料[8]、食品包装[9]、生物医学[10]等领域展现出广阔的应用前景。本文对近年来在聚合物表面制备类金刚石薄膜的研究进展及其应用前景进行了综述。主要内容包括:聚合物上DLC薄膜的制备方法,相关核心问题的解决及聚合物上沉积DLC薄膜后的应用与展望。2�聚合物表面DLC薄膜制备方法自1971年Isenberg首次报道人工合成DLC薄膜以来,科技工作者已开发出一系列DLC薄膜合成技术[11]。然而众多技术中,适用于聚合物基底的并不多,主要是受聚合物导电性差,热变形温度低等特性所限。从现有文献报道来看,在聚合物表面制备DLC薄膜,其可行的方法和技术主要集中在以下3类:等离子体增强化学气相沉积(PECVD);等离子体浸没离子注入与沉积(PBIID)和磁过滤阴极真空弧源沉积(FC�VA),其中又以等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法最为盛行。下面对每种方法的基本原理、主要特点和应用情况作一简单介绍。2.1�PECVD方法等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)的基本原理是:通过放电,将碳氢气体离化,离化后产生的碳离子及各种活性基团、自由基在一负偏压引导下沉积到基体表面生长成膜。PECVD与一般CVD的差异在于其反应基团由等离子体放电产生,因此在较低的温度下即可沉积薄膜(传统CVD中所需反应基团由吸附在基底表面的气体原子受热激发产生,反应需要在高温下进行),这是PECVD的优点,也是其能用于热敏感材料的重要原因。根据放电方式的不同,PECVD又可分为直流辉光放电化学气相沉积(DC�PECVD)、射频辉光放电化学气相沉积(RF�PECVD)、微波电子回旋共振化学气相沉积(ECR�PECVD)等等。对于绝缘的聚合物基体而言,通常不采用直流辉光放电的方法(DC�PECVD),因为其生长速率低、成膜厚度非常有限。Rother[12]对此给出了解释:等离子成膜时,在膜的表面存在一个提供电荷和电荷中合的平衡过程,对于绝缘膜来说,离子轰击所带来的大部分电荷积累在膜的表面,在厚度方向产生反向电压降:U=jPd��其中U为电压降,j为离子电流密度,P为膜电1413谢�东等:聚合物表面类金刚石薄膜的制备与应用*基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA02A139,2006AA0...
