[发明专利]一种二硼化钛-碳化钛复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳化物薄膜材料的制备技术领域，具体是指一种等离子体电沉积二硼化钛-碳化钛复合薄膜的制备方法。

背景技术

碳与Ⅳ族、Ⅴ族及Ⅵ族元素形成碳化物，也可与硼、硅形成碳化物，如TiC膜。碳化物在超硬材料中占有特别重要的地位，具有硬度高、熔点高、抗磨和抗腐蚀性能优良、低摩擦、导热性优良、化学稳定性优异等性能。

目前，制备薄膜的方法一般为化学气相沉积法和物理气相沉积法，如美国专利USP7,611,751通过气相沉积法和原子层沉积技术制备金属碳化物薄膜。然而，气相沉积法需真空操作，设备复杂昂贵，能耗大，成本高，沉积速率低，物件镀覆面受限。化学气相沉积的沉积温度过高，膜/基之间内应力也较大；蒸发或溅射法沉积温度虽低于CVD，但膜层疏松多孔，力学性能差，膜/基界面结合强度低；多弧离子镀喷射不稳定，膜层表面粗糙，结构疏松。

近年来，液相等离子体电沉积作为一种新型的技术已引起了人们极大的关注。Namba(Y J Namba.Vac.Sci.Technol.A,1992,10:3368) 首先在有机溶剂和低温条件下高电压电解乙醇溶液得到无定型碳膜，此后文献中相继报道Suzuki 等人(I Suzuli, Y Mantia, T Yamazaki, et al. J. Mater.Sci.,1995,30:2067；H Wang, M R Shen, Z Y Ning, et al. Thin Solid Films, 1997, 293:87；Fu Q, Jiu J T, Cao C B, Surf. Coat. Technol., 2000, 124:196；A L Yerokhin, X Nie, A Leyland, et al. Surf. Coat. Technol., 2000, 130:195)对液相电沉积类金刚石和膜陶瓷膜层等方面进行了研究；美国专利USP 7,166,206（Chen Z. P. Plasma electroplating. USP 7,166,206, 2007-1-23）介绍在常压条件下，在阴极与阳极之间施加高电压,使得气泡区域产生辉光放电,通过电离气体分子在气泡内产生等离子体，实现物质（包括金属和非金属）在电极表面的沉积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体电沉积二硼化钛-碳化钛复合薄膜的制备方法。

等离子体电沉积是在低温常压条件下，阴阳极附近区域的电沉积液中在高电压作用下，电解形成气泡族团。当电压达到某一特定值时，使得气泡区域产生辉光放电，气泡内气化的待镀钛、碳元素前体受到电子击穿，形成电离气体分子的等离子体。等离子体在等离子场中获得高能量，在外加电场力的作用下越过界面能垒，同时气泡区域内的二硼化钛粉末在电场力的作用下，与电离的钛、碳元素等离子体一起沉积在电极（基体）表面形成二硼化钛-碳化钛复合薄膜。

本法设备简单，低温常压操作，生产条件温和，工艺流程简单，操作容易，成品率高，成本低。可避免气相沉积方法的高温条件对基体材料的影响，降低内应力，增大膜/基的结合强度，扩宽基体的选材范围。

本发明二硼化钛-碳化钛复合薄膜的制备过程为：

（1）工件（阴极）表面在有机物水溶液等离子体电沉积操作前需进行预处理，可以参照常规电沉积作业规范，包括碱洗除油、酸洗去锈、电解刻蚀、抛光等，待预处理工作完成后进行操作。

（2）配置有机溶剂复合电沉积液体系，复合电沉积中含有机试剂、待镀前体、二硼化钛粉末等组分，根据需要可加入少量的导电剂等添加剂，其中有机钛15~30%，有机溶剂50~65%，二硼化钛粉末5~10%，导电介质1%。

（3）电解槽可自制，电解槽外可配置加热设备，在操作过程加热保持实验所需的温度。电解槽上方装有冷凝器，用于冷凝回流有机溶剂的蒸汽。另外，装置配有补液系统，根据情况向电解槽内补充电解液。实验以高纯碳棒或金属钛板或铂片为阳极，以不锈钢板或钛板等金属板为阴极，并放置于电解液中，阴阳极面积比为1：1~1：2，极间距为5mm~30 mm。

（4）实验操作温度保持在30℃~100℃，实际的操作温度要以电解液产生气泡的情况确定，一般优选为50℃~80℃。实验可通过电压-电流特性曲线选择操作电压的大小。在液相等离子体电沉积过程中电压变化范围为1000V~3000V。