三维复杂形状衬底上液相电沉积纳米类金刚石薄膜研究

Deposition of nano Diamond-like Carbon (DLC) films on three-dimensional (3D) substrates made of metal using liquid electrochemical technique is carried out. The effects of carbon source, additive, applied potential, anode-substrate distance and temperature on the growth rate, morphology and microstructure of DLC films are investigated, respectively. Nano DLC films of uniform morphology and microstructure are deposited on 3D substrate by the selection of appropriate deposition parameters and modification of experimental setup. The presence of doping element in the films, such as N, Si and Ca,respectively, is investigated, as well as the effects of doping element and concentration on the morphology and microstructure of DLC films. The hardness and tribological properties of the DLC films are improved by selection of appropriate doping element and concentration, the working time of the DLC films used as protect coatings is therefore prolonged. The mechanism of liquid electrochemical technique is discussed, in order to establish the system info of DLC films deposition on 3D substrates by liquid electrochemical technique. This is part of the basic research work of deposition of nano DLC films using for biomedical coatings by liquid electrochemical technique.

采用液相电化学方法在三维形状复杂金属衬底上沉积纳米类金刚石(DLC)薄膜。研究沉积过程中碳源、添加剂、电压、两极间距和温度等工艺参数对薄膜的生长速度、表面形貌和结构成分的影响。通过优化工艺参数、改进实验装置等途径，在衬底上获得形貌和结构各处均匀的纳米类金刚石薄膜。在沉积体系中加入N、Si、Ca等掺杂元素，研究掺杂元素在薄膜中的存在形式以及掺杂元素的种类和浓度对类金刚石薄膜形貌结构的影响。选择适当的掺杂元素和浓度，通过掺杂改善类金刚石薄膜的强度和耐磨性，延长其作为保护涂层的使用寿命。研究液相沉积类金刚石薄膜生长机理，建立形状复杂的三维衬底上液相电沉积类金刚石薄膜的理论模型，为满足生物医学材料表面保护涂层要求的类金刚石薄膜的液相制备做基础研究。

类金刚石(DLC)薄膜以其优异的物理化学性能及良好的生物相容性在多领域得到了广泛的应用。因此，除常规平面衬底外，例如人工关节等特殊应用要求在复杂形状衬底上制备DLC薄膜。液相电化学方法是在低温常压条件下，高压电解含碳有机溶液制备DLC薄膜，易于植入形状复杂的衬底。本项目围绕液相电沉积纳米DLC薄膜这个核心问题，从电化学沉积系统的搭建与优化，三维复杂形状衬底上成膜及表征，电化学沉积DLC薄膜的成膜机理，元素掺杂和发光性能研究等方面开展了较为系统的研究工作，取得了一些成果。本项目自主设计、搭建和改进了液相电化学方法制备DLC薄膜的沉积系统。研究了阳极材料对电化学沉积DLC薄膜的成膜速率、表面形貌、成分和结构的影响。发现选择阳极需要综合考虑所制备的薄膜类型和阳极材料在特定反应溶液中的耐蚀性。化学稳定性强的阳极材料不会引入其他元素，适于制备非掺杂DLC薄膜；化学稳定性较弱的阳极材料会将其所含元素引入到反应系统中造成“杂质”，也可以此制备掺杂DLC薄膜。本项目设计了由水平放置的不锈钢片和竖直放置的不锈钢棒组合而成的三维形状衬底模型，在两衬底上同时获得了含氢非晶碳膜，拉曼光谱的检测结果表明薄膜各处sp3-C含量非常接近。水平衬底上的薄膜表面平整光滑厚度均匀；沸腾效应致使竖直衬底上薄膜的厚度由液面处开始沿竖直方向降低。控制反应温度和增加搅拌等方法抑制气泡产生和附着有助于获得厚度均匀的薄膜。分析了沉积过程中两极间电压和电流变化，发现脉冲上升时可能存在液相等离子体，有助于进一步探讨液相电化学沉积DLC薄膜的机理。研究了掺杂元素引起粉末和薄膜材料的结构变化，以及对相应发光性能的影响。