[发明专利]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

说明书

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。

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。