CN101135042A - 一种在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法 - Google Patents

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沈志刚
俞晓正
徐政
杨春元
李勇
裴小科
范洪涛
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Shenzhen Micro-Nami Super Skin Material Co Ltd
China National Academy Nanotechnology & Engineering
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Abstract

一种在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，采用微颗粒脉冲溅射真空镀膜设备制备，以空心微珠颗粒材料作基底，以金属钛作溅射靶材，通过向真空室内同时充入氧气和氩气并采用脉冲电源在真空室内辉光放电，使金属钛与氧气发生反应，在空心微珠表面生成光催化二氧化钛薄膜。本发明的优点是：真空镀二氧化钛薄膜为单一锐钛矿相二氧化钛薄膜，在紫外线作用下可以实现对有机物的光催化降解，使其应用范围更加广泛的应用；所镀二氧化钛薄膜均匀性好且附着力强；可在不同粒径的空心微珠表面沉积上不同厚度的二氧化钛薄膜；空心微珠密度比水小，在水面上有较好的漂浮性，回收容易，不会造成对环境的二次污染并可重复利用。

Description

一种在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法
(一)技术领域
本发明涉及一种真空镀膜工艺，特别是一种在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法。
(二)背景技术
近年来，利用二氧化钛光催化性质处理环境废水、废物日益受到人们的关注。二氧化钛的光催化性质在环保方面主要用于有机和无机污染物的处理、大气的净化及城市生活垃圾的处理等。目前制备二氧化钛薄膜的方法是：溶胶—凝胶法、喷涂法、化学气相沉积法等，其中溶胶—凝胶法和喷涂法所得到的二氧化钛薄膜的膜厚均匀度难于控制，化学气相沉积法所得到的二氧化钛薄膜与基体的附着力较差且容易脱落。本发明人在发明专利“微颗粒表面真空镀金属膜工艺及其设备”(申请号：200510014639.6)中详细介绍了采用磁控溅射法在微颗粒表面真空镀金属膜的工艺及设备，并获得了附着力好、膜厚均一的镀膜效果。但是利用磁控溅射法在微颗粒表面真空镀二氧化钛薄膜仍具有一定的难度，需要在技术上作必要的改进。此外，目前应用于光催化的载体材料主要包括硅胶、活性氧化铝、玻璃纤维网、海砂、石英玻璃管(片)、普通(导电)玻璃片、有机玻璃、光导纤维和沸石等，这些光催化载体材料的缺点是密度比水大，沉于水中不容易回收，大量使用还会造成二次污染，使推广使用受到限制。
(三)发明内容
本发明的目的是克服了现有技术中的缺欠，提供一种利用脉冲磁控溅射法在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法。
技术方案：
一种在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，采用微颗粒脉冲溅射真空镀膜设备制备，其特征在于：以空心微珠颗粒材料作基底，以金属钛作溅射靶材，通过向真空室内同时充入氧气和氩气并采用脉冲电源在真空室内辉光放电，使金属钛与氧气发生反应，在空心微珠表面生成二氧化钛薄膜。
在上述方法中，具体的工艺条件是：在真空室内的真空度达到1.0×10-3～4.0×10-3Pa时，向真空室内同时充入氧气和氩气，设定真空室内的工作压力为0.3～5Pa，其中氧气分压为0.1～1Pa；脉冲电源频率为10～30KHz；溅射功率为400～1000w；基底温度为200～450℃；溅射时间为120～600分钟。
在上述方法中，空心微珠的粒径范围为1～100μm；材料密度小于1g/cm3；为粉煤灰空心微珠或玻璃空心微珠。
在上述方法中，溅射靶材为直径100mm、厚度3mm、纯度99.9％、表面平整光洁且内部无缩孔的金属钛。
在上述方法中，对空心微珠表面进行预净化处理，处理步骤为1)将空心微珠先用50℃清洗液清洗4次，每次清洗时间5分钟，然后用去离子水清洗两次；2)在室温下用弱碱溶液浸泡15分钟，然后用去离子水清洗两次；3)在室温下用弱酸溶液浸泡15分钟，然后用去离子水清洗两次；4)将处理后的空心微珠放入105℃的烘箱中烘4小时后取出即可。
本发明的优点是：1)通过向真空室内充入氧气和采用脉冲电源，实现在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜，且为单一锐钛矿相二氧化钛薄膜，其在紫外线作用下可以实现对有机物的光催化降解，据此有望在自清洁玻璃、灭菌陶瓷、废水处理、室内空气净化、低辐射玻璃及减反涂层、研制新型太阳能电池等方面得到广泛的应用。2)通过调节镀膜设备中样品架的摆动频率和超声波振动功率，让每个空心微珠都能充分暴露其表面，使所镀二氧化钛薄膜均匀性好且附着力强。3)通过改变真空室内的工作气压、溅射功率、脉冲电源频率、温度、氩气和氧气的流量和溅射时间等工艺条件，可在不同粒径的空心微珠表面沉积上不同厚度的二氧化钛薄膜。4)表面镀有二氧化钛薄膜的空心微珠密度比水小，在水面上有较好的漂浮性，回收容易，不会造成对环境的二次污染并可重复利用。
(四)具体实施方式
实施例1：
一种在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，采用微颗粒脉冲溅射真空镀膜设备制备，以1g粒径范围为1～100μm、平均粒径为80μm、材料密度为0.3114g/cm3的粉煤灰空心微珠颗粒材料作基底；以直径100mm、厚度3mm、纯度99.9％、表面平整光洁且内部无缩孔的金属钛作溅射靶材；具体的工艺条件是：在真空室内的真空度达到1.0×10-3Pa时，向真空室内同时充入氧气和氩气，设定真空室内的工作压力为0.5Pa，其中氧气分压为0.1Pa；脉冲电源频率为10KHz；溅射功率为880w；基底温度为350℃；溅射时间为120分钟。
在实施镀膜前，首先对陶瓷空心微珠进行预净化处理，处理步骤为1)将空心微珠先用50℃清洗液清洗4次，每次清洗时间5分钟，然后用去离子水清洗两次；2)在室温下用弱碱溶液浸泡15分钟，然后用去离子水清洗两次；3)在室温下用弱酸溶液浸泡15分钟，然后用去离子水清洗两次；4)将处理后的空心微珠放入105℃的烘箱中烘4小时后取出待用。
实施镀膜的具体步骤为：1)打开真空室，将预净化处理后的陶瓷空心微珠放在样品台上；2)将金属钛置于溅射靶架上，关闭真空室；3)用机械泵将真空室抽真空至3.0Pa；4)用分子泵将真空室抽真空至1.0×10-3Pa；5)分别通过氩气和氧气流量计，向真空室内同时充入氧气和氩气，使真空室内的工作压力为0.5Pa，其中氧气分压为0.1Pa；6)开启样品架的摆动装置和超声波振动装置，超声波振动功率为12w，样品架的摆动频率为10次/分钟；7)打开样品加热器，加热温度350℃；8)开启脉冲溅射靶电源，脉冲频率为10KHz，溅射功率控制在880w，溅射镀膜时间范围为120分钟；9)按顺序关闭流量计、分子泵和机械泵，再打开放针阀缓慢向真空室内放气，当真空室内压力与大气压力平衡后，打开真空室，取出样品，镀膜结束。通过扫描电子显微镜(SEM)，X射线光电子能谱仪(XPS)和X射线衍射仪(XRD)检测结果表明，空心微珠表面已镀覆上了均匀连续、附着力强的光催化二氧化钛薄膜。
实施例2：
一种在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，采用微颗粒脉冲溅射真空镀膜设备制备，以0.8g粒径范围为1～100μm、平均粒径为80μm、材料密度为0.3114g/cm3的粉煤灰空心微珠颗粒材料作基底；以直径100mm、厚度3mm、纯度99.9％、表面平整光洁且内部无缩孔的金属钛作溅射靶材；具体的工艺条件是：在真空室内的真空度达到4.0×10-3Pa时，向真空室内同时充入氧气和氩气，设定真空室内的工作压力为4.5Pa，其中氧气分压为0.9Pa；脉冲电源频率为30KHz；溅射功率为420w；基底温度为260℃；溅射时间为540分钟。在实施镀膜前，对陶瓷空心微珠进行预净化处理的步骤和方法与实施例1相同。实施镀膜的具体步骤亦与实施例1相同，只是工艺条件有所改变，变化的参数为：真空室内的工作压力为4.5Pa，其中氧气分压为0.9Pa；样品的加热温度为260℃；8)脉冲频率为30KHz，溅射功率控制在420w，溅射镀膜时间范围为540分钟。该样品通过SEM，XPS和XRD检测，结果表明，空心微珠表面同样镀覆上了均匀连续、附着力强的光催化二氧化钛薄膜。

Claims (6)

1.一种在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，采用微颗粒脉冲溅射真空镀膜设备制备，其特征在于：以空心微珠颗粒材料作基底，以金属钛作溅射靶材，通过向真空室内同时充入氧气和氩气并采用脉冲电源在真空室内辉光放电，使金属钛与氧气发生反应，在空心微珠表面生成光催化二氧化钛薄膜。
2.根据权利要求1所述在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，其特征在于具体的工艺条件是：在真空室内的真空度达到1.0×10-3～4.0×10-3Pa时，向真空室内同时充入氧气和氩气，设定真空室内的工作压力为0.3～5Pa，其中氧气分压为0.1～1Pa；脉冲电源频率为10～30KHz；溅射功率为400～1000w；基底温度为200～450℃；溅射时间为120～600分钟。
3.根据权利要求1所述在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，其特征在于：空心微珠的粒径范围为1～100μm；材料密度小于1g/cm3。
4.根据权利要求1或3所述在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，其特征在于：为粉煤灰空心微珠或玻璃空心微珠。
5.根据权利要求1所述在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，其特征在于：溅射靶材为直径100mm、厚度3mm、纯度99.9％、表面平整光洁且内部无缩孔的金属钛。
6.根据权利要求1所述在空心微珠表面真空镀二氧化钛薄膜的方法，其特征在于：对空心微珠表面进行预净化处理，处理步骤为1)将空心微珠先用50℃清洗液清洗4次，每次清洗时间5分钟，然后用去离子水清洗两次；2)在室温下用弱碱溶液浸泡15分钟，然后用去离子水清洗两次；3)在室温下用弱酸溶液浸泡15分钟，然后用去离子水清洗两次；4)将处理后的空心微珠放入105℃的烘箱中烘4小时后取出即可。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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