專利名稱：一種納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎳涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域,涉及一種TiB2/Ni材料,具體涉及一種納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
TiB2具有高硬度、高熔點(diǎn)、低密度、較高的楊氏模量、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐磨和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和功能性能的先進(jìn)陶瓷材料?；赥iB2材料的高硬度，TiB2顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料已被廣泛研究。例如:二硼化鈦彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料(中國發(fā)明專利，200910095176.9)，TiB2顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料(中國發(fā)明專利，200710047943.X)等，這些材料很好的保持了金屬基體的韌性、導(dǎo)電性、易加工性等優(yōu)良性能，又在一定程度上提高了金屬的強(qiáng)度和硬度，具有很好的應(yīng)用前景。然而，材料中的TiB2只是作為增強(qiáng)相少量的分布于金屬基體內(nèi)部，這對(duì)材料強(qiáng)度和硬度的改善是極其有限的。為了進(jìn)一步提高金屬材料的硬度和強(qiáng)度，本發(fā)明提出一種新的設(shè)計(jì)思路，大大提高了材料中增強(qiáng)相TiB2的含量，同時(shí)為了更好的保持原有金屬Ni的韌性，本發(fā)明構(gòu)建了一種納米層狀結(jié)構(gòu)，既一種多層納米Ni層與納米TiB2層相互疊加的顯微結(jié)構(gòu)，具有該納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層尚未見報(bào)道。到目前為止，涂層的制備方法有很多種，主要分為化學(xué)方法和物理方法兩大類。其中物理氣相沉積技術(shù)由于源物質(zhì)經(jīng)過物理過程而進(jìn)入氣相，且在低壓下進(jìn)行，因此涂層與基體結(jié)合良好，同時(shí)便于大規(guī)模連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)，從而近年來發(fā)展迅速。本發(fā)明采用物理氣相沉積技術(shù)中工業(yè)化應(yīng)用最廣泛的磁控濺射技術(shù)制備具有納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是構(gòu)建一種具有納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層，這種特殊的結(jié)構(gòu)可以很大程度提高涂層的韌性，從而擴(kuò)大TiB2/Ni涂層的應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提供一種具有納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層的制備方法，不僅制備成本低，而且操作簡(jiǎn)單、制備周期短、重復(fù)性強(qiáng)、可用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。本發(fā)明解決上述第一個(gè)技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種具有納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層，其特征在于該TiB2/Ni涂層是由金屬Ni和TiB2原位復(fù)合而成，具有多層金屬Ni層與TiB2陶瓷層相互疊加而成的納米層狀結(jié)構(gòu)，其中每層的厚度為6-60nm，金屬Ni含量為 5-30at.%0作為改進(jìn)，所述TiB2/Ni涂層的基板材料選用單晶硅、玻璃、高速鋼或者鈦合金等。最后，所述TiB2/Ni涂層中金屬Ni層與TiB2陶瓷層的層數(shù)為20-100000層，每層金屬Ni層的厚度為1-1Onm,每層TiB2層的厚度為5_50nm。本發(fā)明解決上述第二個(gè)技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種具有納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2-Ni涂層的制備方法，其特征在于以高純度的TiB2陶瓷靶和金屬Ni靶為原料，采用磁控濺射技術(shù)進(jìn)行制備，具體步驟為:a)安裝祀材和基板；b)抽真空和基板加熱:背底真空達(dá)低于5X10_5Pa，基體的加熱溫度范圍為室溫 _500°C，并保溫 20-30min ；c)通入惰性氣體，設(shè)置電源與基板參數(shù)，起輝，預(yù)濺射后，濺射沉積，其中TiB2陶瓷靶電源參數(shù)為:中頻50-200HKZ、功率50-500W、占空比60-90% ；Ni金屬靶電源參數(shù)為:直流、功率0-20W ;基板參數(shù)為:偏壓-100-0V、自轉(zhuǎn)10-1000轉(zhuǎn)/h、溫度室溫-500°C ;預(yù)濺射8 15min,打開樣品擋板,正式派射沉積,沉積時(shí)間:10min_10h。d)沉積結(jié)束，關(guān)閉電、氣、水路，取樣。作為改進(jìn)，所述步驟a)的基板在安裝前要依次分別用無水乙醇、丙酮、無水乙醇超聲清洗10 20min，然后于70 90°C下鼓風(fēng)干燥I 2h。最后，所述步驟c)中的所通入的惰性氣體優(yōu)選為氬氣，惰性氣體流量控制在20-40sccm，并將沉積室內(nèi)氣壓調(diào)制0.1-1Pa的范圍。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:I)構(gòu)筑了 TiB2/Ni涂層的一種新的顯微結(jié)構(gòu)，即原位合成的納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層。2)本發(fā)明的納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層，不同于傳統(tǒng)的TiB2顆粒增韌金屬基復(fù)合材料，表現(xiàn)出了良好的韌性和很高的硬度，這極大擴(kuò)大了此涂層的應(yīng)用范圍。3)本發(fā)明的原位合成納米層狀結(jié)構(gòu)TiB2/Ni涂層的制備技術(shù)，操作方便，無需后處理工藝，制備周期短，成本低，可復(fù)現(xiàn)性好，便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1本發(fā)明設(shè)計(jì)TiB2/Ni涂層的顯微結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明制備TiB2/Ni涂層試樣摩擦測(cè)試后的劃痕的掃描電鏡(SEM)照片。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例1:I)選市售純度為99.99 %的TiB2陶瓷靶和市售純度為99.99 %的金屬Ni靶為原料；基板選用銅合金。2)首先進(jìn)行基體的清洗，依次分別用無水乙醇、丙酮、無水乙醇超聲清洗基板20min，然后于80°C下鼓風(fēng)干燥2h，備用。3)采用本課題組自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的雙靶磁控濺射系統(tǒng)，首先開腔正確安裝基體與靶材后，先檢查氣、電、水路均正常，然后開啟總電源、啟動(dòng)機(jī)械泵，當(dāng)沉積室與樣品室氣壓均處于IOPa—下后，關(guān)閉機(jī)械泵與腔室之間的閥門，開啟擋板閥，啟動(dòng)分子泵，旋開閘板閥，當(dāng)樣品室內(nèi)真空達(dá)到10_3Pa后，停止細(xì)抽其真空，以加速沉積室內(nèi)真空的抽取速度。4)當(dāng)沉積室內(nèi)背底真空達(dá)到3.9X 10_5Pa時(shí)，開啟樣品基板加熱模式，設(shè)置溫度為250°C，到達(dá)指定溫度后保溫20min，待真空度抽至4.4X 10_5Pa時(shí)記錄背底真空度。5)打開氬氣瓶，流量控制在30sCCm，旋開對(duì)應(yīng)閥門，通入惰性氣體，適當(dāng)關(guān)閉沉積室與分子泵之間的閘板閥，將沉積室內(nèi)氣壓調(diào)制0.6Pa。6)設(shè)置TiB2陶瓷靶電源參數(shù)為:中頻(MF)80HKZ、功率100W、占空比80% ；Ni金屬靶電源參數(shù)為:直流(DC)、功率5W;基板參數(shù)為:偏壓-20V、自轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)/h、溫度250°C;預(yù)濺射IOmin左右后，打開樣品擋板，正式濺射沉積，沉積時(shí)間:3h。7)沉積結(jié)束后，依次關(guān)閉樣品擋板、靶電源、基片偏壓、樣品自轉(zhuǎn)、電源、氣路；待樣品冷卻后，取樣，即可以得到最終產(chǎn)物具有納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層試樣。實(shí)施例2:I)選市售純度為99.99 %的TiB2陶瓷靶和市售純度為99.99 %的金屬Ni靶為原料；基板選用普通玻璃基板。2)首先進(jìn)行基體的清洗，依次分別用無水乙醇、丙酮、無水乙醇超聲清洗基板15min,然后于80°C下鼓風(fēng)干燥2h,備用。3)采用本課題組自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的雙靶磁控濺射系統(tǒng)，首先開腔正確安裝基體與靶材后，先檢查氣、電、水路均正常，然后開啟總電源、啟動(dòng)機(jī)械泵，當(dāng)沉積室與樣品室氣壓均處于IOPa—下后，關(guān)閉機(jī)械泵與腔室之間的閥門，開啟擋板閥，啟動(dòng)分子泵，旋開閘板閥，當(dāng)樣品室內(nèi)真空達(dá)到10_3pa后，停止細(xì)抽其真空，以加速沉積室內(nèi)真空的抽取速度。4)當(dāng)沉積室內(nèi)背底真空達(dá)到2.5X IO-5Pa時(shí)，開啟樣品基板加熱模式，設(shè)置溫度為100°C，到達(dá)指定溫度后保溫20min，待真空度抽至3.0X 10_5Pa時(shí)記錄背底真空度。5)打開氬氣瓶，流量控制在25sCCm，旋開對(duì)應(yīng)閥門，通入惰性氣體，適當(dāng)關(guān)閉沉積室與分子泵之間的閘板閥，將沉積室內(nèi)氣壓調(diào)制0.5Pa。6)設(shè)置TiB2陶瓷靶電源參數(shù)為:中頻(MF) 150HKZ、功率300W、占空比90% ；Ni金屬靶電源參數(shù)為:直流(DC)、功率18W ;基板參數(shù)為:偏壓-50V、自轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)/h、溫度100°C;預(yù)派射IOmin左右后,打開樣品擋板,正式派射沉積,沉積時(shí)間:60min。7)沉積結(jié)束后，依次關(guān)閉樣品擋板、靶電源、基片偏壓、樣品自轉(zhuǎn)、電源、氣路；待樣品冷卻后，取樣，即可以得到最終產(chǎn)物具有納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層試樣。實(shí)施例3:I)選市售純度為99.99%的TiB2陶瓷靶和市售純度為99.99%的金屬Ni靶為原料；基板選用普通玻璃基板。2)首先進(jìn)行基體的清洗，依次分別用無水乙醇、丙酮、無水乙醇超聲清洗基板20min，然后于80°C下鼓風(fēng)干燥2h，備用。3)采用本課題組自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的雙靶磁控濺射系統(tǒng)，首先開腔正確安裝基體與靶材后，先檢查氣、電、水路均正常，然后開啟總電源、啟動(dòng)機(jī)械泵，當(dāng)沉積室與樣品室氣壓均處于IOPa—下后，關(guān)閉機(jī)械泵與腔室之間的閥門，開啟擋板閥，啟動(dòng)分子泵，旋開閘板閥，當(dāng)樣品室內(nèi)真空達(dá)到10_3pa后，停止細(xì)抽其真空，以加速沉積室內(nèi)真空的抽取速度。4)當(dāng)沉積室內(nèi)背底真空達(dá)到1.4X10_5Pa時(shí)，開啟樣品基板加熱模式，設(shè)置溫度為400°C，到達(dá)指定溫度后保溫20min，待真空度抽至2.0X 10_5Pa時(shí)記錄背底真空度。5)打開氬氣瓶，流量控制在20sCCm，旋開對(duì)應(yīng)閥門，通入惰性氣體，適當(dāng)關(guān)閉沉積室與分子泵之間的閘板閥，將沉積室內(nèi)氣壓調(diào)制0.2Pa。6)設(shè)置TiB2陶瓷靶電源參數(shù)為:中頻(MF) 100HKZ、功率300W、占空比90% ；Ni金屬靶電源參數(shù)為:直流(DC)、功率12W ;基板參數(shù)為:偏壓-80V、自轉(zhuǎn)500轉(zhuǎn)/h、溫度400°C;預(yù)濺射IOmin左右后，打開樣品擋板，正式濺射沉積，沉積時(shí)間:6h。7)沉積結(jié)束后，依次關(guān)閉樣品擋板、靶電源、基片偏壓、樣品自轉(zhuǎn)、電源、氣路；待樣品冷卻后，取樣，即可以得到最終產(chǎn)物具有納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層試樣。實(shí)施例4:I)選市售純度為99.99 %的TiB2陶瓷靶和市售純度為99.99 %的金屬Ni靶為原料；基板選用普通玻璃基板。2)首先進(jìn)行基體的清洗，依次分別用無水乙醇、丙酮、無水乙醇超聲清洗基板20min，然后于80°C下鼓風(fēng)干燥2h，備用。3)采用本課題組自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的雙靶磁控濺射系統(tǒng)，首先開腔正確安裝基體與靶材后，先檢查氣、電、水路均正常，然后開啟總電源、啟動(dòng)機(jī)械泵，當(dāng)沉積室與樣品室氣壓均處于IOPa—下后，關(guān)閉機(jī)械泵與腔室之間的閥門，開啟擋板閥，啟動(dòng)分子泵，旋開閘板閥，當(dāng)樣品室內(nèi)真空達(dá)到10_3pa后，停止細(xì)抽其真空，以加速沉積室內(nèi)真空的抽取速度。4)當(dāng)沉積室內(nèi)背底真空達(dá)到3.8X 10_5Pa時(shí)記錄背底真空度。5)打開氬氣瓶，流量控制在40sCCm，旋開對(duì)應(yīng)閥門，通入惰性氣體，適當(dāng)關(guān)閉沉積室與分子泵之間的閘板閥，將沉積室內(nèi)氣壓調(diào)制0.SPa06)設(shè)置TiB2陶瓷靶電源參數(shù)為:中頻(MF)150HKZ、功率400W、占空比70%;Ni金屬靶電源參數(shù)為:直流(DC)、功率20W ;基板參數(shù)為:偏壓-100V、自轉(zhuǎn)800轉(zhuǎn)/h ;預(yù)濺射IOmin左右后，打開樣品擋板，正式濺射沉積，沉積時(shí)間:60min。7)沉積結(jié)束后，依次關(guān)閉樣品擋板、靶電源、基片偏壓、樣品自轉(zhuǎn)、電源、氣路；待樣品冷卻后，取樣，即可以得到最終產(chǎn)物具有納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層試樣。將上述工藝制備的TiB2/Ni涂層典型試樣進(jìn)行分析測(cè)試，得到以下結(jié)果與數(shù)據(jù)。將所得的TiB2/Ni涂層試樣用美國辛耘科技工程有限公司產(chǎn)的Alpha-Step IQ型表面輪廓儀測(cè)試涂層厚度為900nm左右。將所得的TiB2/Ni涂層試樣采用美國MTS公司產(chǎn)的NAN0G200型納米壓痕儀，測(cè)得其硬度為33GPa。為了證明所制備的TiB2/Ni涂層具有良好的韌性，對(duì)所述的涂層試樣進(jìn)行摩擦測(cè)試，并將劃痕試樣在日本日立公司生產(chǎn)的S-4800型掃面電子顯微鏡下進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，劃痕的顯微照片(圖2)顯示，劃痕周圍薄膜無明顯的崩裂、剝落現(xiàn)象，表面薄膜材料具有良好的韌性。
權(quán)利要求
1.一種具有納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎳涂層，其特征在于該TiB2/Ni涂層是由金屬Ni和TiB2原位復(fù)合而成，具有多層金屬Ni層與TiB2陶瓷層相互疊加而成的納米層狀結(jié)構(gòu)，其中每層的厚度為6-60nm，金屬Ni含量為5_30at.%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二硼化鈦/鎳涂層，其特征在于所述TiB2/Ni涂層的基板材料選用單晶硅、玻璃、高速鋼或者鈦合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二硼化鈦/鎳涂層，其特征在于所述TiB2/Ni涂層中金屬Ni層與TiB2陶瓷層的層數(shù)為20_100000層，每層金屬Ni層的厚度為l_10nm，每層TiB2層的厚度為5_50nm。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的二硼化鈦/鎳涂層的制備方法，其特征在于以TiB2陶瓷靶和金屬Ni靶為原料，采用磁控濺射技術(shù)進(jìn)行制備，具體步驟為: a)安裝祀材和基板； b)抽真空和基板加熱:背底真空達(dá)低于5X10_5Pa，基體的加熱溫度范圍為室溫 _500°C，并保溫 20-30min ； c)通入惰性氣體，設(shè)置電源與基板參數(shù)，起輝，預(yù)濺射后，濺射沉積，其中TiB2陶瓷靶電源參數(shù)為:中頻50-200HKZ、功率50-500W、占空比60-90% ；Ni金屬靶電源參數(shù)為:直流、功率0-20W ;基板參數(shù)為:偏壓-100-0V、自轉(zhuǎn)10-1000轉(zhuǎn)/h、溫度室溫-500°C ;預(yù)濺射8 15min,打開樣品擋板,正式派射沉積，沉積時(shí)間:10min_10h。
d)沉積結(jié)束，關(guān)閉電、氣、水路，取樣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述步驟a)的基板在安裝前要依次分別用無水乙醇、丙酮、無水乙醇超聲清洗10 20min，然后于70 90°C下鼓風(fēng)干燥I 2h。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述步驟c)中的所通入的惰性氣體為氬氣，惰性氣體流量控制在20-40SCCm，并將沉積室內(nèi)氣壓調(diào)制0.1-1Pa的范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎳涂層及其制備方法，其特征在于該TiB2/Ni涂層是由金屬Ni和TiB2原位復(fù)合而成，具有多層金屬Ni層與TiB2陶瓷層相互疊加而成的納米層狀結(jié)構(gòu)，其中每層的厚度為6-60nm，金屬Ni含量為5-30at.％；所述TiB2/Ni涂層中金屬Ni層與TiB2陶瓷層的層數(shù)為20-100000層，每層金屬Ni層的厚度為1-10nm，每層TiB2層的厚度為5-50nm。本發(fā)明的納米層狀結(jié)構(gòu)的TiB2/Ni涂層表現(xiàn)出了良好的韌性和很高的硬度，這極大的擴(kuò)大了此涂層的應(yīng)用范圍。同時(shí)本發(fā)明用于制備納米層狀結(jié)構(gòu)TiB2/Ni涂層的磁控濺射雙靶共沉積技術(shù)操作方便，無需后處理等工藝，制備周期短，成本低，可復(fù)現(xiàn)性好，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/35GK103158293SQ201110419340
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者黃峰, 葛芳芳, 王博, 王懷勇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所