一种各向异性氮化钛陶瓷薄膜及其制备方法技术

技术编号:15644908 阅读:205 留言:0更新日期:2017-06-16 20:29
本发明专利技术公开了一种各向异性氮化钛陶瓷薄膜及其制备方法,由统一晶格取向的单层氮化钛纳米层片晶粒构成,所述层片晶粒的(111)晶面平行于薄膜表面排列堆垛,形成具有织构取向的氮化钛陶瓷薄膜;制备方法包括以下步骤:(1)置于氢氟酸中,腐蚀得Ti

【技术实现步骤摘要】
一种各向异性氮化钛陶瓷薄膜及其制备方法
本专利技术涉及陶瓷薄膜及其制备方法,具体涉及一种各向异性氮化钛导电陶瓷薄膜及其制备方法。
技术介绍
氮化钛作为一种陶瓷材料,具有优良的物理性能和力学性能,它具有高硬度、高模量、优良的导电性及优良的抗化学腐蚀性能,可以作为耐磨结构件和抗腐蚀结构件;在工业中,氮化钛陶瓷已经作为陶瓷刀具增强相和耐磨陶瓷涂层获得广泛的应用,具有可观的经济效益;氮化钛陶瓷薄膜具有优良的导电性能,可以用在当前的离子电池中作为电极使用,一方面具有抗化学腐蚀性能,另一方面具有良好的导电性;但是目前,所有制备的氮化钛薄膜都是依托基体,通过磁控溅射或化学气相沉积等方法获得的,无法从基体上完整有效的剥离下来;无法获得独立存在的氮化钛薄膜。
技术实现思路
本专利技术提供一种可以不依托基体能够独立存在的各向异性氮化钛陶瓷薄膜及其制备方法。本专利技术采用的技术方案是:一种各向异性氮化钛陶瓷薄膜,由统一晶格取向的单层氮化钛纳米层片晶粒构成,所述层片晶粒的(111)晶面平行于薄膜表面排列堆垛,形成具有织构取向的氮化钛陶瓷薄膜;所述氮化钛陶瓷薄膜的截面为层状结构,氮化钛薄膜的截面厚度为2-20μm,氮化钛陶瓷晶粒厚度为20-30nm;氮化钛陶瓷薄膜内部具有明显的织构取向,从而具有较好的弹性变形和抗损伤能力,良好的导电性和高的硬度。一种各向异性氮化钛陶瓷薄膜的制备方法,包括以下步骤:(1)将Ti3AlC2陶瓷粉末置于质量浓度为47%的氢氟酸中,在20-60℃条件下腐蚀10-40小时,得到Ti3C2陶瓷粉末;(2)将步骤(1)得到的陶瓷粉末清洗至洗涤液的PH值为7,进行超声剥离,得到单层的Ti3C2纳米片;(3)将步骤(2)得到的Ti3C2纳米片经离心处理后得到Ti3C2纳米片的悬浮液,真空抽滤后得到Ti3C2陶瓷薄膜前驱体;(4)将步骤(3)中得到的Ti3C2陶瓷薄膜前驱体在40-60℃条件下干燥10-20小时,得到Ti3C2陶瓷薄膜;(5)将步骤(4)中得到的Ti3C2陶瓷薄膜置于两层片状的模具中间,置于流动的氮气氛围中,在800-1400℃条件下,保温1-4小时后得到目标产物;将陶瓷薄膜置于模具中间可以防止其在热过程中出现卷曲。进一步的,所述步骤(1)中Ti3AlC2陶瓷粉末的粒径为100-200目,经人工研磨和筛分得到的最小粒径粉末,陶瓷粉末粒径越小,越有利于氢氟酸腐蚀完全。进一步的,所述步骤(5)中的片状模具为氧化铝、碳化硅中的一种,也可以选用不与碳化钛薄膜反应的惰性材料作为模具。进一步的,所述步骤(5)中升温速率为1-30℃/min。进一步的,所述步骤(1)中腐蚀过程中采用油浴加热方式;采用油浴加热可以使温度稳定,加热更加均匀。进一步的,所述步骤(4)中干燥过程在真空条件下进行,可以大大提高干燥效率,并防止干燥过程被污染。进一步的,所述步骤(4)中Ti3C2陶瓷薄膜的厚度为2-20μm,因此所述步骤(5)得到的目标产物厚度也为2-20μm,仅为常见导电薄膜的十分之一。本专利技术的有益效果是:(1)本专利技术采用前驱体制备陶瓷薄膜的方法,通过高温原位氮化处理,获得织构化氮化钛陶瓷薄膜,无需依附基体,可以以薄膜形态独立存在;(2)本专利技术制备工艺简单、成本低,易于工业化推广;(3)本专利技术制备的氮化钛陶瓷薄膜力学性能好、导电性能好、硬度高,其密度为3.0g/cm3,电阻率为7.367Ω·cm,纳米压痕硬度为35.5GPa。附图说明图1为实施例1中制备的Ti3C2陶瓷薄膜前驱体图。图2为实施例1中制备的氮化钛陶瓷薄膜的照片。图3为实施例1中制备的氮化钛陶瓷薄膜的截面扫描电镜照片。图4为图3中截面的放大照片。图5为实施例1中制备的Ti3C2陶瓷薄膜前驱体和氮化钛陶瓷薄膜的X射线衍射图谱。图6为实施例1中制备的氮化钛陶瓷薄膜的显微结构透射电镜照片。图7为图6的放大照片。图8为实施例1中制备的氮化钛陶瓷薄膜的纳米压痕图。图9为实施例1中制备的氮化钛陶瓷薄膜纳米压痕的应力-应变曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。实施例1(1)将200目的Ti3AlC2陶瓷粉末置于质量浓度为47%的氢氟酸中,在20℃的油浴条件下腐蚀40小时,获得Ti3C2陶瓷粉体;(2)将步骤(1)得到的陶瓷粉末采用去离子水清洗至洗涤液的PH值为7,进行超声剥离,得到单层的Ti3C2纳米片;(3)将步骤(2)得到的Ti3C2纳米片经离心处理后得到Ti3C2纳米片的悬浮液,真空抽滤后得到Ti3C2陶瓷薄膜前驱体;(4)将步骤(3)中得到的Ti3C2陶瓷薄膜前驱体在60℃真空干燥箱中干燥10小时,得到厚度为20μm的Ti3C2陶瓷薄膜;(5)将步骤(4)中得到的Ti3C2陶瓷薄膜置于两层氧化铝片模具中间,置于流动的氮气氛围中升温热处理,升温速率为30℃/min,热处理温度为1200℃,保温2小时后得到目标产物。其中,步骤(5)中氮气的纯度为99.9%,氮化钛陶瓷薄膜具有金黄色光泽,经测试薄膜的厚度为15μm,密度为3.0g/cm3,密度为理论的55.6%。Ti3AlC2陶瓷粉末经氢氟酸腐蚀完全后得到Ti3C2陶瓷粉末,此Ti3C2陶瓷粉末为单层Ti3C2堆垛而成,类似于贝壳的层状结构,在可见光下可显示出褐色的光泽;从图1中可以看到经离心处理和真空抽滤得到的Ti3C2陶瓷薄膜前驱体,从图2中可以看出经高温氮化处理后的氮化钛陶瓷薄膜,呈现出金黄色的光泽,具有一定的弹性和强度,可以稍许弯曲;从图3中可以看出,氮化钛具有一定的层状特征,;从图4可以看出薄膜为纳米尺度的氮化钛晶粒排列组成;从图5(a)中可以看出Ti3C2陶瓷薄膜前驱体显示出(000l)衍射面,证明薄膜是由单层纳米层片堆垛而成的;图5(b)中可以看出氮化钛陶瓷薄膜具有明显的织构取向,在薄膜表面仅有(111)晶面可以检测到,证实了所制备薄膜的取向结构特征;衍射图谱还可以揭示氮化钛的成分为TiN0.7C0.3,经Scherrer公式计算氮化钛的晶粒尺寸为22.2nm;从图6中可以看出氮化钛陶瓷薄膜中存在纳米级的孔隙层,在二维方向上延伸;放大后的结果如图7所示,氮化钛陶瓷的晶粒尺寸为20-30nm,与X射线衍射数据计算的结果吻合,这些氮化钛纳米颗粒连接起来形成导电通路,对薄膜的低电阻率贡献率大;图8中显示了氮化钛陶瓷薄膜的Berkovich纳米压痕形貌,可以看出在压痕的尖端没有微裂纹产生,在压痕周边存在剪切应力诱导的裂纹带,显示出较高的抗损伤能力,可以有效的分散应力,防止应力集中导致裂纹扩展;其压痕的应力-应变曲线如图9所示,可以看出出现加载弛豫现象,可能是由于氮化钛薄膜内部存在纳米级的空隙造成的;并且加载-卸载曲线不能完全闭合,说明所施加的机械能已经被有效消耗,表现出优良的损伤容限能力。实施例2(1)将100目的Ti3AlC2陶瓷粉末置于质量浓度为47%的氢氟酸中,在60℃的油浴条件下腐蚀10小时,获得Ti3C2陶瓷粉体;(2)将步骤(1)得到的陶瓷粉末采用去离子水清洗至洗涤液的PH值为7,进行超声剥离,得到单层的Ti3C2纳米片;(3)将步骤(2)得到的Ti3C2纳米片经离心处理后得到Ti3C2纳米片的悬浮液,真空抽滤后得到Ti3C2陶瓷薄膜前驱体;(4)将步骤(3)中得到的Ti3C2陶本文档来自技高网...
一种各向异性氮化钛陶瓷薄膜及其制备方法

【技术保护点】
一种各向异性氮化钛陶瓷薄膜,其特征在于:由统一晶格取向的单层氮化钛纳米层片晶粒构成,所述层片晶粒的(111)晶面平行于薄膜表面排列堆垛,形成具有织构取向的氮化钛陶瓷薄膜;所述氮化钛陶瓷薄膜的截面为层状结构,氮化钛薄膜的截面厚度为2‑20μm,氮化钛陶瓷晶粒厚度为20‑30nm。

【技术特征摘要】
1.一种各向异性氮化钛陶瓷薄膜,其特征在于:由统一晶格取向的单层氮化钛纳米层片晶粒构成,所述层片晶粒的(111)晶面平行于薄膜表面排列堆垛,形成具有织构取向的氮化钛陶瓷薄膜;所述氮化钛陶瓷薄膜的截面为层状结构,氮化钛薄膜的截面厚度为2-20μm,氮化钛陶瓷晶粒厚度为20-30nm。2.如权利要求1所述的一种各向异性氮化钛陶瓷薄膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)将Ti3AlC2陶瓷粉末置于质量浓度为47%的氢氟酸中,在20-60℃条件下腐蚀10-40小时,得到Ti3C2陶瓷粉末;(2)将步骤(1)得到的陶瓷粉末清洗至洗涤液PH值为7,进行超声剥离,得到单层的Ti3C2纳米片;(3)将步骤(2)得到的Ti3C2纳米片经离心处理后得到Ti3C2纳米片的悬浮液,真空抽滤后得到Ti3C2陶瓷薄膜前驱体;(4)将步骤(3)中得到的Ti3C2陶瓷薄膜前驱体在40-60℃条件下干燥10-20小时,得到Ti3C2陶瓷薄膜;(5)将步骤(4)中得到的Ti3C...

【专利技术属性】
技术研发人员:胡春峰朱德贵许璐迪姚远思
申请(专利权)人:西南交通大学
类型:发明
国别省市:四川,51

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