仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层、其制备方法与应用技术

本申请公开了一种仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层、其制备方法与应用。所述的制备方法包括：采用真空镀膜技术构建不连续金属种子层；以及，利用所述不连续金属种子层诱导连续多拱形结构层的沉积，从而实现仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层的可控定向生长。本发明专利技术提供的仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层具有仿红鲍鱼壳体珍珠层文石结构，同时具有高硬度、耐高温、在保持良好断裂韧性的情况下具有高断裂强度、低摩擦系数、海水中耐腐蚀磨损等优异性能，其制备工艺简单可控，成本低，对工件形状不受限制且易于扩大生产，在新能源、高效动力、海洋工程、核能设施、微电子/光电子器件等领域具有巨大的潜力。

【技术实现步骤摘要】
仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层、其制备方法与应用
本专利技术涉及一种耐磨耐腐蚀涂层，特别涉及一种仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层、基于金属种子层诱导构建所述纳米复合涂层的方法与其应用，属于表面防护

技术介绍
随着气候变化、低碳世界、能源与安全、绿色智能制造相关的人类发展需要，新能源、高效动力、大型飞机、新型空天飞行器、先进制造、高速轨道交通、海洋工程、核能设施、微电子/光电子器件等重大需求领域中的关键断裂与损伤力学问题急需关注。在此背景下，各装备中对机械零部件所面临的工作环境越来越苛刻，因此对于零部件的高硬度、高强度、高韧性、抗高温、耐磨、耐腐蚀性的要求也越来越高。磨损与断裂是机械零件失效的常见形式。因此，关于提高零部件的表面硬度、断裂强度和韧性及特殊环境中的磨损问题亟待解决。此外，一些海洋工程装备的生物污损问题一直制约着海洋工业的发展，因此在海洋装备上利用软金属的释放起到杀菌防污作用是很有必要的。目前，有一些研究人员提出了在前述机械零部件上覆盖仿生结构涂层的方案，以解决前述问题，但这些仿生结构涂层的性能都不尽理想。业界普遍认为，在当前环境条件下制备具有明显生物结构的多功能一体化仿生涂层是具有挑战性的。本申请人曾提出过一种仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层，其包括硬质纳米金属化合物相和软质金属相，所述软质金属相均匀分层且分布于硬质纳米金属化合物相内。该纳米复合涂层体现出较好的硬度、摩擦系数、海水中耐腐蚀磨损等性能，但若要实现多功能一体化(硬度、强度、韧性、耐腐蚀等)，以更好的满足新能源、高效动力、大型飞机、新型空天飞行器、先进制造、高速轨道交通、海洋工程、核能设施、微电子/光电子器件等重大需求领域中的关键断裂、耐热与磨损应用需求，则其性能还需进一步改善。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层，以克服现有技术中的不足。本专利技术的另一目的在于提供一种基于金属种子层诱导构建仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层的方法。本专利技术的另一目的在于提供所述仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层的用途。为了实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：本专利技术实施例提供了一种仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层，其包括不连续金属种子层和连续的多拱形结构层；所述不连续金属种子层包括离散分布在基底表面的多个金属岛状种子；所述多拱形结构层包括分别在所述多个金属岛状种子上沉积形成的多个拱形结构单元，每一拱形结构单元包括在相应金属岛状种子上交替沉积的一个以上拱形硬质纳米陶瓷相层和一个以上拱形软质金属相层。本专利技术实施例还提供了一种基于金属种子层诱导制备仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层的方法，其包括：在基底表面形成不连续金属种子层，所述不连续金属种子层包括离散分布在基底表面的多个金属岛状种子；以所述不连续金属种子层中的各金属岛状种子的表面为生长模板，在各金属岛状种子上交替沉积一个以上拱形硬质纳米陶瓷相层和一个以上拱形软质金属相层并定向生长为拱形结构单元，且使多个拱形结构单元相互连接，从而在所述不连续金属种子层上形成连续的多拱形结构层。在一些实施方式中，所述的方法包括：采用物理气相沉积技术在所述基底上依次沉积所述不连续金属种子层和多拱形结构层，从而获得所述纳米复合涂层。在一些实施方式中，所述方法具体包括：第一步骤，采用软金属靶材在经过预处理及离子刻蚀的基底上沉积所述不连续金属种子层，其中采用的工作气体为高纯惰性气体；第二步骤，采用多元金属靶材和软金属靶材在基底上交替沉积硬质纳米陶瓷相层和软质金属相层，从而形成所述多拱形结构层，其中采用的工作气体包括高纯惰性气体、高纯氮气和烃类气体。本专利技术实施例还提供了所述仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层于新能源、高效动力、大型飞机、新型空天飞行器、先进制造、高速轨道交通、海洋工程、核能设施、微电子/光电子器件等领域的用途。较之现有技术，本专利技术实施例所提供的前述技术方案的优点至少在于：1)提供的仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层具有仿红鲍鱼壳体珍珠层文石结构，同时具有高硬度、耐高温、在保持良好断裂韧性的情况下具有高断裂强度、低摩擦系数、海水中耐腐蚀磨损等优异性能，在多个领域关键断裂、耐热与磨损应用方面具有巨大的潜力；2)提供的仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层制备工艺简单可控，成本低，对工件形状不受限制且易于扩大生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1a是本专利技术一实施方式中气相沉积过程中Ag自由能改变的模拟计算结果；图1b是本专利技术一实施方式中一种岛状软金属Ag种子层生长的典型过程(二维切面)；图2是实施例1中一种仿贝壳珍珠层多拱形结构TiSiCN-Ag纳米复合涂层的STEM图；图3是实施例2中一种仿贝壳珍珠层多拱形结构TiAlCN-Ag纳米复合涂层的STEM图；图4a-图4b是本专利技术实施例1所获仿贝壳多拱形结构复合涂层与其他三种涂层的摩擦学性能比较图；图5是本专利技术实施例1、2所获仿贝壳多拱形结构复合涂层与其他材料的比强度及比韧性比较图。具体实施方式如前所述，鉴于现有技术的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是提出了一种完全模拟红鲍鱼多拱形状文石珍珠层的仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层及其制备方法。如下将对本专利技术的技术方案作更为详尽的解释说明。本专利技术实施例的一个方面提供了一种仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层，其包括不连续金属种子层和连续的多拱形结构层；所述不连续金属种子层包括离散分布在基底表面的多个金属岛状种子；所述多拱形结构层包括分别在所述多个金属岛状种子上沉积形成的多个拱形结构单元，每一拱形结构单元包括在相应金属岛状种子上交替沉积的一个以上拱形硬质纳米陶瓷相层和一个以上拱形软质金属相层。进一步的，每一拱形结构单元是以相应的金属岛状种子为模板沉积形成。在一些实施方式中，所述金属岛状种子呈椭丘形且厚度为20～40nm，直径为50～100nm，相邻金属岛状种子之间的间距为30～60nm。在一些实施方式中，所述多个拱形结构单元沿与基底表面平行的方向(亦可认为是沿基底表面延伸的方向)依次连接，从而形成连续的层状结构，即所述多拱形结构层。在一些实施方式中，所述拱形结构单元中硬质纳米陶瓷相层和软质金属相层均具有纳米级厚度。例如，所述硬质纳米陶瓷相层和软质金属相层的厚度均可以为5-20nm。在一些实施方式中，所述复合涂层的最外层为硬质纳米陶瓷相层。其中，在所述纳米复合涂层内硬质纳米陶瓷相层和软质金属相层交替沉积，通过调控硬质纳米陶瓷相层、软质金属相层的厚度及交替周期等参数，实现陶瓷相层对软金属微粒的阻隔，进而实现对所述纳米复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层，其特征在于包括不连续金属种子层和连续的多拱形结构层；所述不连续金属种子层包括离散分布在基底表面的多个金属岛状种子；所述多拱形结构层包括分别在所述多个金属岛状种子上沉积形成的多个拱形结构单元，每一拱形结构单元包括在相应金属岛状种子上交替沉积的一个以上拱形硬质纳米陶瓷相层和一个以上拱形软质金属相层。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层，其特征在于包括不连续金属种子层和连续的多拱形结构层；所述不连续金属种子层包括离散分布在基底表面的多个金属岛状种子；所述多拱形结构层包括分别在所述多个金属岛状种子上沉积形成的多个拱形结构单元，每一拱形结构单元包括在相应金属岛状种子上交替沉积的一个以上拱形硬质纳米陶瓷相层和一个以上拱形软质金属相层。


2.根据权利要求1所述的仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层，其特征在于：所述金属岛状种子呈椭丘形且厚度为20～40nm，直径为50～100nm，相邻金属岛状种子之间的间距为30～60nm；和/或，所述多个拱形结构单元沿与基底表面平行的方向依次连接；和/或，所述拱形结构单元中硬质纳米陶瓷相层和软质金属相层均具有纳米级厚度，优选的，所述硬质纳米陶瓷相层和软质金属相层的厚度均为5-20nm；和/或，所述复合涂层的最外层为硬质纳米陶瓷相层；和/或，每一拱形结构单元均是以相应金属岛状种子表面为生长模板定向生长形成。


3.根据权利要求1所述的仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层，其特征在于：所述不连续金属种子层或软质金属相层的材质包括金属Ag、Cu或Al；和/或，所述硬质纳米陶瓷相层的材质包括MeCN，其中Me包括Ti、Si或Al；和/或，所述复合涂层中软金属元素的掺杂含量控制在15-18at.％之间，所述软金属元素包括Ag、Cu或Al。


4.根据权利要求1所述的仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层，其特征在于：所述复合涂层具有仿红鲍鱼壳体珍珠层文石的结构，硬度在30GPa以上，断裂强度在15GPa以上，在海水环境中的磨损率为10-7mm3/Nm数量级；优选的，所述复合涂层的厚度为2～5μm。


5.一种基于金属种子层诱导制备仿贝壳多拱形结构纳米复合涂层的方法，其特征在于包括：
在基底表面形成不连续金属种子层，所述不连续金属种子层包括离散分布在基底表面的多个金属岛状种子；
以所述不连续金属种子层中的各金属岛状种子的表面为生长模板，在各金属岛状种子上交替沉积一个以上拱形硬质纳米陶瓷相层和一个以上拱形软质金属相层并定向生长为拱形结构单元，且使多个拱形结构单元相互连接，从而在所述不连续金属种子层上形成连续的多拱形结构层。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于包括：
采用物理气相沉积技术在所述基底上依次沉积所述不连续金属种子层和多拱形结构层，从而获得所述纳米复合涂层；
优选的，所述物理气相沉积技术采用的工艺条件包括：多元金属靶材的靶电流为55A～80A，软金属靶材的靶电流为25A～40A，偏压为-20V～-100V，温度为350℃～450℃，工作距离为35～50cm，工作气体包括氩气、氮气及烃类气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立平，董敏鹏，李金龙，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33