空心阴极辅助活性滤网等离子体沉积制备非晶碳涂层：微观结构演变与摩擦学性能

《Diamond and Related Materials》：Amorphous carbon coatings fabricated by hollow cathode-assisted active screen plasma deposition: Microstructural evolution and tribological performance

　　

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  开发了H-ASPD技术，使用固态石墨靶材制备厚层非晶碳（a-C）涂层。
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  仿真模拟阐明了H-ASPD中的离子排出和等离子体约束效应。
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  沉积温度控制了涂层厚度、微观结构和结合状态。
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  a-C涂层在Ti6Al4V上表现出低摩擦和改善的耐磨性。

引言

非晶碳（a-C）涂层具有独特的混合原子结构，由sp³键合的类钻石墨簇和sp²键合的石墨碳簇组成。通过溅射、蒸镀和电化学反应等多种沉积方法，已开发出具有不同sp³/sp²比、化学成分和缺陷分布的广泛a-C涂层。目前，气相沉积技术，特别是物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），因其对生长动力学和微观结构特征的出色控制能力而脱颖而出，能够生成具有优异机械性能的涂层，包括高硬度、耐磨性和强界面附着力。因此，这些涂层凭借其力学、摩擦学和化学性能，广泛应用于机械、航空航天和汽车领域 [1], [2], [3], [4], [5], [6]。

活性屏蔽等离子体沉积（ASPD），也称为阴极笼等离子体沉积（CCPD）[7], [8]，已发展成为一种独特的气相沉积技术，通过将基体与直接等离子体暴露隔离，从而消除了弧致损伤和热应力，并能够在复杂几何形状上实现均匀的共形涂层。此外，ASPD技术表现出优异的环境兼容性、简化的设备要求以及金属和非金属基体的高适应性 [9], [10]。

目前，ASPD技术主要使用CH₄、C₂H₂和SiH₄等碳前驱气体来制备氢化或掺杂a-C涂层。例如，Sun等人 [11] 使用Ar、C₂H₂和四甲基硅烷制备了含硅类钻石墨涂层，并研究了其微观结构和力学性能的位向均匀性。Li等人 [12] 使用Ar、六甲基二硅氧烷（HMDSO）和C₂H₂混合气体在AZ31镁合金上合成了a-C:H:Si:O涂层，显著提高了耐磨性。然而，气相碳前驱体可能面临一些实际限制。首先，等离子体增强解离产生的自由基、离子物种和原子碳簇的形成与反应活性对温度梯度、气流动力学和等离子体功率密度敏感。这种敏感性可能使涂层纯度和成分均匀性的精确控制变得复杂。其次，含氢解离副产物可能与亲氢基体（如钛合金）相互作用，可能促进氢化物形成并降低断裂韧性或延展性。此外，进行性碳沉积可能污染气体输送管路和反应室部件，增加维护需求。最后，未反应前驱体的逃逸排放可能增加挥发性有机化合物（VOC）和温室气体排放。

在本工作中，提出了一种中空阴极辅助的活性屏蔽等离子体沉积（H-ASPD）方法，使用固态石墨靶材作为碳源，在Ti6Al4V合金上沉积厚层a-C涂层。与气相前驱体方法相比，使用固态石墨靶材可以减少氢的掺入并简化前驱体输送，而中空阴极与活性屏蔽的几何结构组合预计能够产生高密度的受限等离子体 [13], [14], [15]。传统ASPD主要依赖于活性屏蔽等离子体约束，不使用配对石墨中空阴极结构，而单独的中空阴极工艺在阴极表面之间局部增强等离子体，但缺乏活性屏蔽提供的额外约束和基体屏蔽。在H-ASPD中，石墨板同时作为固态碳源和中空阴极电极，而多孔下板将中空阴极管道产生的电子引入活性屏蔽腔室。因此，H-ASPD将中空阴极电子密度增强与活性屏蔽等离子体约束和基体屏蔽结合在单一结构中。这种结构促进了石墨靶材的碳溅射，并实现了由外层a-C层、富石墨界面区、TiC相和钛合金基体中的富碳固溶区组成的梯度架构。因此，本研究的重点在于阐明H-ASPD制备的a-C涂层的等离子体放电特性、温度依赖性涂层生长、界面结构和摩擦/磨损行为。

章节摘要

材料与涂层沉积

Ti6Al4V合金（φ20 × 2 mm）符合ASTM B348M-21标准，使用SiC砂纸打磨，随后使用0.05 μm金刚石悬浮液抛光。Si晶圆（30 × 30 × 0.4 mm）用于截面微观结构分析。所有样品在沉积前均在乙醇（纯度99.9%）中超声波清洗。

使用改进的活性屏蔽等离子体氮化系统对a-C涂层进行H-ASPD，如图1所示。活性屏蔽由纯度99.99%的

等离子体放电分析

• (1)
  稳态放电特性的对比分析。

图3显示了HCP、SSP、ASP和H-ASP配置的模拟稳态电位和电子密度分布。对于HCP，图3a₁中的电位分布显示，叠加的阴极鞘降低了电极间电位，证实了中空阴极效应的形成。该效应促进的等离子体密度增强，以及离子通过多孔下板通道传导，

结论

开发了一种中空阴极辅助的活性屏蔽等离子体沉积（H-ASPD）方法，使用固态石墨靶材在Ti6Al4V合金上沉积厚层a-C涂层。主要结论如下：

• (1)
  数值模拟表明，H-ASP通过中空阴极离子排出和活性屏蔽等离子体约束的协同耦合增加了内部电子密度，从而为石墨靶材溅射提供了有利的等离子体环境。
• (2)
  增加沉积

CRediT作者贡献声明

黄志全：论文写作 – 审阅与编辑，论文写作 – 原始草稿，方法学，调查研究，数据整理。 许文：软件。 徐自帆：方法学。 陶小：论文写作 – 审阅与编辑，数据整理。 田武边：论文写作 – 审阅与编辑。 陈坚：论文写作 – 审阅与编辑，项目管理，基金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金委员会资助 [52371058]。

黄志全|许文|徐自帆|陶小|田武边|陈坚