CN109811309A

CN109811309A - 一种基于pvd技术的高纯块体金属纳米材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109811309A
Application number: CN201910073449.3A
Authority: CN
Inventors: 陈汪林; 颜安; 王成勇; 李炳新
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2019-05-28

Abstract

本发明涉及一种基于PVD技术的高纯块体金属纳米材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下步骤：S1：将基片设置于PVD设备转架上，控制靶材工作面与基片正对，且两者的距离为7~50 cm；S2：控制靶材电流密度为150~300 A，基体偏压为0~‑40 V，氮气流量为0 sccm，沉积时间10~30 h，即得所述高纯块体金属纳米材料。本发明通过优化靶材与基片之间的间距、靶材电流密度、基体偏压、沉积时间和氮气流量调为0 sccm等核心工艺参数，使得基体负变压作用，实现了高纯块体金属纳米材料的制备；制备得到的高纯块体金属纳米材料组织致密，纯度高、硬度和强度高，断裂韧性好，力学性能优异。

Description

一种基于PVD技术的高纯块体金属纳米材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种基于PVD技术的高纯块体金属纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

纳米材料因小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，具备传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的力学、物理学和化学性能，在国防、电子、冶金、轻工、航天航空、陶瓷等领域具有重要的应用价值。根据Hall-Petch公式，晶粒尺寸细化，材料的硬度和强度得到显著强化。与此同时，材料的韧性也得到显著提高。因此，金属材料纳米化是金属材料强韧化处理的研究热点之一。

通过传统金属材料制备方法：冶炼、铸造轧制、热压热处理等很难得到纳米金属材料。目前比较成熟的纳米金属制备的方法主要有：大塑性变形法、高能球磨法、非晶晶化法、电沉积法等。尽管如此，上述纳米化方法制备成本高、产量少、污染环境等，难以工业化生产。

物理气相沉积（PVD）技术，是指在真空条件下，用物理的方法，将材料气化成原子、分子或使其电离成等离子体，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜技术。PVD技术，易于控制材料成分和组织结构，已经被广泛用于刀具、模具、零配件表面防护涂层材料的制备。尽管如此，PVD技术通常沉积是薄膜材料，基本上无法完成块体材料的制备。因为PVD沉积过程中，薄膜材料内应力大，严重影响薄膜与基体的结合力。过大的内应力会导致薄膜材料的剥落。因此，PVD技术制备的薄膜，其厚度通常小于10μm。利用PVD技术制备高纯的块体金属纳米材料的制备工艺至今未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中PVD技术无法制备高纯的块体金属纳米材料的缺陷，提供一种基于PVD技术的高纯块体金属纳米材料的制备方法。本发明提供的制备方法通过选用非常规的PVD控制条件，优化靶材与基片之间的间距、靶材电流密度、基体偏压、沉积时间和氮气流量调为0 sccm等核心工艺参数，使得基体负变压作用，所制备金属材料组织致密，实现了高纯块体金属纳米材料的制备；制备得到的高纯块体金属纳米材料组织致密，纯度高、硬度和强度高，断裂韧性好，力学性能优异。

本发明的另一目的在于提供一种高纯块体金属纳米材料。

本发明的另一目的在于上述高纯块体金属纳米材料在国防、电子、冶金、轻工、航天航空或陶瓷领域中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于PVD技术的高纯块体金属纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：将基片设置于PVD设备转架上，控制靶材工作面与基片正对，且两者的距离为7~50cm；

S2：控制靶材电流密度为150~300 A，基体偏压为0~-40 V，氮气流量为0 sccm，沉积时间10~30h，即得所述高纯块体金属纳米材料；

所述高纯块体金属纳米材料为Ti、Al、Cr、Cu、Ni、TiAl合金、CrAl合金、CrTiAl合金或TiSi合金。

常规PVD技术中，靶材与基片的距离为20~50 cm，靶材电流密度为60~120 A，基体偏压为-80~-120 V，且涂层制备过程中，基片台需公转和自转，即：基片与靶材位置时刻发生变化。在此条件下只能制备得到薄膜。

而本发明的发明人经多次研究发现，选用非常规的PVD控制条件，优化靶材与基片之间的间距、靶材电流密度、基体偏压、沉积时间和氮气流量调为0 sccm等核心工艺参数，使得基体负变压作用，所制备金属材料组织致密，实现了高纯块体金属纳米材料的制备。制备得到的高纯块体金属纳米材料组织致密，纯度高、硬度和强度高，断裂韧性好，力学性能优异。

优选地，S1中所述基片为金属基片或导电非金属基片。

优选地，S2中所述靶材工作面与基片的距离为7~25 cm。

优选地，S2中所述靶材电流密度为200~250 A。

优选地，S2中所述基体偏压为-10~-20 V。

优选地，PVD炉内真空度小于1´10^-3 Pa；氩气流量为50～200 sccm；氩离子刻蚀偏压为-300～-900V。

一种高纯块体金属纳米材料，通过上述方法制备得到。

优选地，所述高纯块体金属纳米材料的厚度不小于1.0 mm。

优选地，所述高纯块体金属纳米材料的纯度不小于99.9%。

上述高纯块体金属纳米材料在国防、电子、冶金、轻工、航天航空或陶瓷领域中的应用也在本发明的保护范围内。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的制备方法通过选用非常规的PVD控制条件，优化靶材与基片之间的间距、靶材电流密度、基体偏压、沉积时间和氮气流量调为0 sccm等核心工艺参数，使得基体负变压作用，所制备金属材料组织致密，实现了高纯块体金属纳米材料的制备；制备得到的高纯块体金属纳米材料组织致密，纯度高、硬度和强度高，断裂韧性好，力学性能优异。

附图说明

图1为实施例1提供的高纯块体Cr金属纳米材料横截面组织；

图2为实施例1提供的高纯块体Cr金属纳米材料XRD图谱；

图3为实施例2提供的高纯块体Ti金属纳米材料XRD图谱；

图4为实施例3提供的高纯块体TiAl金属纳米材料球坑金相。

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种高纯块体Cr金属纳米材料，通过如下方法制备得到。

将表面光洁的金属基片安放PVD设备转架上，Cr靶材工作面与基片沉积面正面相对，且保存两者位置固定不变，两者间距12cm。然后打开PVD镀膜机，调整PVD核心工艺参数（Cr靶材电流密度200A；基体偏压介于-10V~-15V；沉积时间10h；氮气流量为0 sccm）及非核心工艺参数（PVD炉内真空度小于5´10^-4 Pa，氩气流量控制100 sccm；氩离子刻蚀偏压-500V），实现高纯块体Cr金属纳米材料的制备。

如图1，为高纯块体Cr金属纳米材料横截面组织，图2为XRD图谱。从图可知，金属厚厚度约2.1mm，组织致密，并没有明显的微孔。500g力显微硬度测试（硬度计型号：HV-1000IS，加载、保载荷卸载时间均为15s）表明，其硬度值约1000HV；30kg载荷下压痕并没有明显的裂纹，这说明其断裂韧性及其良好。

实施例2

本实施例提供一种高纯块体Ti金属纳米材料，通过如下方法制备得到。

将表面光洁的金属基片安放PVD设备转架上，Ti靶材工作面与基片沉积面正面相对，且保存两者位置固定不变，两者间距12cm。然后打开PVD镀膜机，调整PVD核心工艺参数（Ti靶材电流密度200A；基体偏压介于-10~-15V；沉积时间10h；氮气流量为0 sccm）及非核心工艺参数（PVD炉内真空度为5´10^-4 Pa，氩气流量控制100 sccm；氩离子刻蚀偏压-500V），实现高纯块体Ti金属纳米材料的制备，其厚度为2.5 mm。

图3为高纯块体Ti金属纳米材料的XRD图谱。从图可知，该块体材料为金属Ti，并没有发现其他物相的衍射峰。

实施例3

本实施例提供一种高纯块体TiAl合金纳米材料，通过如下方法制备得到。

将表面光洁的金属基片安放PVD设备转架上，Ti₆₇Al₃₃（TiAl靶中，Ti原子百分含量为67%，Al原子百分含量为33%，靶材纯度为99.99%）靶材工作面与基片沉积面正面相对，且保存两者位置固定不变，两者间距12cm。然后打开PVD镀膜机，调整PVD核心工艺参数（TiAl靶材电流密度180A；基体偏压介于-10~-15V；沉积时间12h；氮气流量为0 sccm）及非核心工艺参数（PVD炉内真空度为5´10^-4 Pa，氩气流量控制100 sccm；氩离子刻蚀偏压-500V。），实现高纯块体Ti金属纳米材料的制备，其厚度约为2.0 mm。球坑实验（型号BCT1000，球坑时间3min，然后采用金相显微镜观察球坑去，其结果如图4所示）表明，材料组织致密；维氏硬度测试表明，TiAl合金硬度约为450HV；30kg载荷下硬度压痕无裂纹，说明材料具有良好的断裂韧性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于PVD技术的高纯块体金属纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2：控制靶材电流密度为150~300 A，基体偏压为0~-40 V，氮气流量为0 sccm，沉积时间10~30 h，即得所述高纯块体金属纳米材料；

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S1中所述基片为金属基片或导电非金属基片。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S2中所述靶材工作面与基片的距离为7~25 cm。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S2中所述靶材电流密度为200~250 A。

5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S2中所述基体偏压为-10~-20 V。

6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，PVD炉内真空度小于1´10^-3 Pa；氩气流量为50～200 sccm；氩离子刻蚀偏压为-300～-900 V。

7.一种高纯块体金属纳米材料，其特征在于，通过权利要求1~6所述制备方法制备得到。

8.根据权利要求7所述高纯块体金属纳米材料，其特征在于，所述高纯块体金属纳米材料的厚度不小于1.0 mm。

9.根据权利要求7所述高纯块体金属纳米材料，其特征在于，所述高纯块体金属纳米材料的纯度不小于99.9%。

10.权利要求7所述高纯块体金属纳米材料在国防、电子、冶金、轻工、航天航空或陶瓷领域中的应用。