CN115261803A - 一种非晶纳米复合材料薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非晶纳米复合材料薄膜及其制备方法和应用。本发明通过物理气相沉积的方法沉积到金属基体表面，非晶纳米复合材料薄膜包括在金属基体上依次设置的Ti或Zr金属层、TiAlCrZrCN层和SiTiAlCrZrCN层。一种非晶纳米复合材料薄膜的制备方法，采用真空电弧蒸发在金属基体表面先沉积一层Ti或Zr金属层，再沉积TiAlCrZrCN层，再在TiAlCrZrCN层表面上采用中频磁控溅射法形成掺杂Si的SiTiAlCrZrCN薄膜。本发明的薄膜的较低表面能和自清洁特性，从而实现金属基体表面抗油渍、食材、调味品粘附，水渍易清洁效果，同时非晶纳米复合材料薄膜还拥有高硬度、耐磨、耐高温、耐腐蚀等特点。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种非晶纳米复合材料薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
目前在工业生产应用中，各种金属厨具基材应用范围很广，例如不锈钢台面、不锈钢勺、不锈钢铲、不锈钢锅、镁合金锅、铝锅、钛锅、铁锅等，然而常规的各种金属基材抗油渍粘附性差，水渍不易清洁，例如不锈钢锅具工作过程中的不锈钢表面会粘附大量食材、油污，难以清洗，同时食品接触型奥氏体及铁素体不锈钢基材的硬度不够，实际生产应用中容易磨损；目前主要的解决方法是在不锈钢基材表面化学蚀刻出凹凸的精细纹理，其中凸出来的部分构成一张无涂层的蜂窝网状结构，不粘涂层仅覆盖在纹理凹陷处，减少锅铲与涂层的接触，有效预防不粘涂层脱落，从而达到不易粘效果，但其不粘的原理依然是PTFE涂覆涂料，在喷涂过程中，会产生废气，对环境污染大，而且PTFE涂层不能长时间耐高温，一旦因为高温失效，锅具就会产生大量油污粘附，不易清洁。另外，该类产品内表面经过抛光，会一定程度损坏涂层面漆，导致不粘性能不及预期；蜂窝网状结构硬度低，性能不稳定，涂层脱落的投诉占比大；锅内测有蚀刻纹理，不平整，导致炒菜时下铲不顺畅，噪音非常大，且清洗麻烦，容易藏污纳垢。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术上的不足，提出一种抗油渍/食材/调味品粘附、水渍易清洁、耐高温、强度高、硬度高、耐磨性好的一种非晶纳米复合材料薄膜及其制备方法和应用。
本发明的一种非晶纳米复合材料薄膜，金属基体上覆盖有Si、Ti、Al、Cr、Zr、C、N元素组成的非晶纳米复合材料薄膜；非晶纳米复合材料薄膜包括在金属基体上依次设置的Ti或Zr金属层、TiAlCrZrCN层和SiTiAlCrZrCN层。
进一步的，所述薄膜的厚度不小于3um。
进一步的，所述金属基体为不锈钢基体、镁合金基体、钛基体、铁基体、铝基体、金属复合材料基体中的一种。
进一步的，所述不锈钢基体为304/316L奥氏体不锈钢或430铁素体不锈钢。
一种非晶纳米复合材料薄膜的制备方法，采用真空电弧蒸发在金属基体表面先沉积一层Ti或Zr金属层，再沉积TiAlCrZrCN层，再在TiAlCrZrCN层表面上采用中频磁控溅射法形成掺杂Si的SiTiAlCrZrCN薄膜。
一种具有如上述的非晶纳米复合材料薄膜的厨具的制备方法，所述金属基体为金属厨具基体，包括如下步骤：
S1.对金属厨具基体进行机械抛光；
S2.对抛光后的金属厨具基体进行喷砂处理；
S3.金属厨具基体放入真空镀膜设备中，在氩气环境下，电弧靶放电产生离子和电子，利用辅助阳极将分离出的电子加速，形成高能电子束，轰击电离工作气体(Ar)，氩离子对金属厨具基体表面进行等离子蚀刻清理；
S4.等离子蚀刻清理完成后，采用真空电弧蒸发在金属基体表面先沉积一层Ti或Zr金属层，再沉积TiAlCrZrCN层，再在TiAlCrZrCN层表面上采用中频磁控溅射法形成掺杂Si的SiTiAlCrZrCN薄膜；
S5.复合材料薄膜沉积厚度达到3um后，取出金属厨具基体，复合材料薄膜沉积完成。
进一步的，所述金属厨具为锅。
进一步的，所述锅为复底锅或复合钢锅。
发明的非晶纳米复合材料薄膜，具有以下优势：
1、非晶纳米复合材料薄膜能最大程度的降低金属基材表面的表面能，显著增加其表面抗食材、油渍、调味品粘附，水渍易清洁等性能。
2、非晶纳米复合材料薄膜可将金属基材本身的硬度提升10-15倍，复合材料薄膜硬度不低于3000HV，显著解决实际生产应用中的高磨损的问题。
3、非晶纳米复合材料薄膜的制备采用物理气相沉积方式，生产过程环保安全，相比喷涂氟碳漆等表面处理方式，对环境不产生污染，有利于工业生产。
4、非晶纳米复合材料薄膜还具有抗氧化、耐腐蚀的性能，抗氧化温度不小于900℃。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合工艺参数，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明公开了一种非晶纳米复合材料薄膜及其制备方法和应用，包括：金属厨具基体，金属基材先沉积一层Ti或Zr金属层，再沉积TiAlCrZrCN层，再在TiAlCrZrCN层表面上采用中频磁控溅射法形成掺杂Si的SiTiAlCrZrCN薄膜。
以下实施例用于说明一种非晶纳米复合材料薄膜的制备方法：
实施例1：
首先对不锈钢锅具进行机械抛光，优选的，本实施例中不锈钢基体采用304不锈钢；然后对抛光后的不锈钢锅具进行喷砂处理，并用压缩空气吹去表面浮灰，放入真空镀膜机中。在氩气环境下，电弧靶放电产生离子和电子，利用辅助阳极将分离出的电子加速，形成高能电子束，轰击电离工作气体(Ar)，氩离子对金属厨具基体表面进行等离子蚀刻清理，清理完成后使用真空镀膜机上的电弧靶和磁控溅射靶进行复合材料薄膜沉积，复合材料薄膜沉积厚度达到3um后，取出金属厨具基体，复合材料薄膜沉积完成。具体数据表格如下：
实施例2：
首先对镁合金锅具进行机械抛光，然后对抛光后的镁合金锅具进行喷砂处理，并用压缩空气吹去表面浮灰，放入真空镀膜机中。在氩气环境下，电弧靶放电产生离子和电子，利用辅助阳极将分离出的电子加速，形成高能电子束，轰击电离工作气体(Ar)，氩离子对金属厨具基体表面进行等离子蚀刻清理，清理完成后使用真空镀膜机上的电弧靶和磁控溅射靶进行复合材料薄膜沉积，复合材料薄膜沉积厚度达到3um后，取出金属厨具基体，复合材料薄膜沉积完成。具体数据表格如下：
实施例3：
首先对钛锅具进行机械抛光，然后对抛光后的钛锅进行喷砂处理，并用压缩空气吹去表面浮灰，放入真空镀膜机中。在氩气环境下，电弧靶放电产生离子和电子，利用辅助阳极将分离出的电子加速，形成高能电子束，轰击电离工作气体(Ar)，氩离子对金属厨具基体表面进行等离子蚀刻清理，清理完成后使用真空镀膜机上的电弧靶和磁控溅射靶进行复合材料薄膜沉积，复合材料薄膜沉积厚度达到3um后，取出金属厨具基体，复合材料薄膜沉积完成。具体数据表格如下：
实施例4：
首先对复合钢锅具进行机械抛光，优选的，本实施例中复合钢基体与食材接触的内表面采用304奥氏体型不锈钢，中间过渡层采用1100导热纯铝，外表面采用IH导磁性能比较好的430铁素体型不锈钢。然后对抛光后的复合钢锅具进行喷砂处理，并用压缩空气吹去表面浮灰，放入真空镀膜机中。在氩气环境下，电弧靶放电产生离子和电子，利用辅助阳极将分离出的电子加速，形成高能电子束，轰击电离工作气体(Ar)，氩离子对金属厨具基体表面进行等离子蚀刻清理，清理完成后使用真空镀膜机上的电弧靶和磁控溅射靶进行复合材料薄膜沉积，复合材料薄膜沉积厚度达到3um后，取出金属厨具基体，复合材料薄膜沉积完成。具体数据表格如下：
实施例5：
首先对不锈钢勺、不锈钢铲进行机械抛光，优选的，本实施例中不锈钢基体采用304不锈钢；然后对抛光后的不锈钢勺、不锈钢铲进行喷砂处理，并用压缩空气吹去表面浮灰，放入真空镀膜机中。在氩气环境下，电弧靶放电产生离子和电子，利用辅助阳极将分离出的电子加速，形成高能电子束，轰击电离工作气体(Ar)，氩离子对金属厨具基体表面进行等离子蚀刻清理，清理完成后使用真空镀膜机上的电弧靶和磁控溅射靶进行复合材料薄膜沉积，复合材料薄膜沉积厚度达到3um后，取出金属厨具基体，复合材料薄膜沉积完成。具体数据表格如下：
根据实验可得，非晶纳米复合材料薄膜具有高硬度、高耐磨性、高抗粘附性、低摩擦系数和良好的化学稳定性等性能。例如，使用维氏硬度测试仪测试以上实例1-5的显微硬度HV分别为3100、3150、3030、3050、3060对比未处理的不锈钢200HV，复合钢150HV，其硬度有10-15倍的提升。此外，复合材料薄膜的抗氧化温度达到900℃。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种非晶纳米复合材料薄膜，其特征在于：金属基体上覆盖有Si、Ti、Al、Cr、Zr、C、N元素组成的非晶纳米复合材料薄膜；所述非晶纳米复合材料薄膜包括在金属基体上依次设置的Ti或Zr金属层、TiAlCrZrCN层和SiTiAlCrZrCN层。
2.如权利要求1所述的一种非晶纳米复合材料薄膜，其特征在于：所述非晶纳米复合材料薄膜的厚度不小于3um。
3.如权利要求1所述的一种非晶纳米复合材料薄膜，其特征在于：所述金属基体为镁合金基体、不锈钢基体、钛基体、铁基体、铝基体、金属复合材料基体中的一种。
4.如权利要求3所述的一种非晶纳米复合材料薄膜，其特征在于：所述不锈钢基体为304/316L奥氏体不锈钢或430铁素体不锈钢。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种非晶纳米复合材料薄膜的制备方法，其特征在于：采用真空电弧蒸发在金属基体表面先沉积一层Ti或Zr金属层，再沉积TiAlCrZrCN层，再在TiAlCrZrCN层表面上采用中频磁控溅射法形成掺杂Si的SiTiAlCrZrCN薄膜。
6.一种具有如权利要求1-4任一项所述的非晶纳米复合材料薄膜的厨具的制备方法，其特征在于：所述金属基体为金属厨具基体，方法包括如下步骤：
S1.对金属厨具基体进行机械抛光；
S2.对抛光后的金属厨具基体进行喷砂处理；
S3.金属厨具基体放入真空镀膜设备中，在氩气环境下，电弧靶放电产生离子和电子，利用辅助阳极将分离出的电子加速，形成高能电子束，轰击电离工作气体(Ar)，氩离子对金属厨具基体表面进行等离子蚀刻清理。
S4.等离子蚀刻清理完成后，采用真空电弧蒸发在金属基体表面先沉积一层Ti或Zr金属层，再沉积TiAlCrZrCN层，再在TiAlCrZrCN层表面上采用中频磁控溅射法形成掺杂Si的SiTiAlCrZrCN薄膜；
S5.复合材料薄膜沉积厚度达到3um后，取出金属厨具基体，复合材料薄膜沉积完成。
7.一种具有如权利要求6所述的非晶复合材料薄膜的厨具的制备方法，其特征在于：所述金属厨具为锅。
8.一种具有如权利要求7所述的非晶复合材料薄膜的厨具的制备方法，其特征在于：所述锅为复底锅或复合钢锅。
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