[發明專利]一種基于鈦金屬表面的納米復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210209846.7
• 申請日: 2012-06-25
• 公開（公告）號: CN102677055A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 劉宣勇;錢仕
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲

技術領域

本發明涉及一種基于鈦金屬表面制備納米復合材料的方法，具體說，是涉及一種使用陽極氧化技術和等離子體浸沒離子注入和沉積技術復合工藝在鈦金屬表面制備具有納米中空錐形陣列結構的石墨/氧化鈦復合薄膜的方法，屬于納米材料制備和金屬材料表面改性技術領域。

背景技術

氧化鈦材料因為具有優良的抗腐蝕性，生物相容性，優異的電學和半導體特性在材料保護，生物醫學，半導體器件和光催化，環境保護等諸多領域得到廣泛的研究和應用。氧化鈦納米管薄膜材料既具有材料本身的功能性，又具有納米尺度的管狀幾何結構，同時具有性能各向異性，制備簡單等特點，使其作為一類新的功能型納米薄膜材料深化和拓寬在各領域的研究和應用。

陽極氧化技術由于廉價的設備，簡單可控的工藝等優點廣泛用于金屬材料表面修飾和改性。Zwilling?(Surface?and?Interface?Analysis?1999，27(7)：629-637.)?等人發現含氟電解液中鈦基材陽極氧化可以在其表面原位氧化生成納米多孔氧化鈦薄膜，使得陽極氧化技術成為基于鈦基材表面原位氧化生成納米氧化鈦薄膜材料的主要技術手段。通過一系列的工藝參數調整，可以實現鈦金屬表面的規則氧化鈦納米管陣列薄膜的制備。

等離子體浸沒離子注入及沉積（Plasma?immersion?ion?implantation?and?deposition，PIII&D）技術是近年來得到廣泛應用的一種新型表面改性手段，其基本原理是產生的低溫等離子體浸沒待處理樣品，通過外界偏壓設定在樣品表面實現高能量的離子注入，利用注入離子的擴散和能量凝聚作用方便地實現樣品表面成分多元素的復合和表面納米結構的生成。Lifshitz等人研究表明高能量離子注入利于表面納米晶粒的形核(Science?2002,?297(5586)：1531-1533.)。與其它表面改性技術比較，等離子體浸沒離子注入具有獨特的優點：離子注入過程是非熱平衡過程，不受冶金學規律的限制，可以實現大多數離子的注入對樣品表面進行改性和修飾；同時離子注入過程是瞬時加熱過程，不會引發材料內部結構、成分和外部形狀的變化；此外，PIII&D技術具有高反應活性和全方位的特點，能夠有效地對異型材料進行均勻的離子注入和沉積，適合具有復雜形狀的材料的注入過程，克服了傳統離子注入技術只能進行“視線注入”的缺點。

然而氧化鈦納米管薄膜材料的材料體系的單一組成和結構特征仍不能滿足新的功能設計需求。因此，為了解決現有技術中鈦金屬表面原位氧化生成的納米氧化鈦薄膜材料成分和結構組成單一的問題，如何實現材料體系的納米化，復合化以實現其功能化是新材料設計和制備中的關鍵問題。

發明內容

面對現有技術存在的上述問題，本發明旨在通過能夠同時實現結構上納米尺度特殊結構設計和組成上納米晶粒復合材料制備的復合工藝，提供一種基于鈦金屬表面制備具有納米中空錐形陣列結構的石墨/氧化鈦復合薄膜的方法。

本發明提供一種基于鈦金屬表面制備納米復合材料的制備方法，具備以下步驟：對鈦金屬表面的規則氧化鈦納米管陣列薄膜進行碳等離子體浸沒離子注入和沉積處理工藝，以此在鈦金屬表面形成具有納米中空錐形陣列的石墨/氧化鈦復合薄膜。

在本發明中，較佳地在進行碳等離子體浸沒離子注入或沉積處理時以高純石墨為陰極。石墨作為實驗用碳素來源，因其價格低廉和易于加工成形的特點得到廣泛運用；高純石墨具有高純度特點，經脈沖離化后能形成均勻，高密度一價碳正離子等離子體。這種碳等離子體在磁場和電場的作用下具有簡單的行為特征并具有可操控的特點，有利于表面碳錐形中空結構的成核和生長。

在本發明中，較佳地是在本底真空度為3.0×10^-3～5.0×10^-3Pa、注入電壓為15~40kV、脈沖頻率為5~9Hz、脈寬為200~500μs、注入時間為30~120分鐘的工藝條件下，利用所述等離子體浸沒離子注入處理工藝對鈦金屬表層的規則氧化鈦納米管陣列薄膜進入碳離子注入。這樣，可以使碳沉積在納米管口，獲得含碳的氧化鈦納米管薄膜。

所述等離子體浸沒離子沉積處理工藝優選在本底真空度為3.0×10^-3～5.0×10^-3Pa、脈沖電壓為200～600V、脈沖頻率為5~9Hz、脈寬為1000～4000μs、占空比為10%~30%、沉積時間為30～120分鐘的工藝條件下進行。