一种防生物污损TiSiN-Cu/Ag复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种防生物污损TiSiN‑Cu/Ag复合涂层及其制备方法。具体地，本发明专利技术提供一种TiSiN‑Cu/Ag复合涂层，所述的复合涂层包括：氮化硅钛(TiSiN)，和作为掺杂材料的铜/银(Cu/Ag)；其中所述复合涂层中Cu/Ag的原子分数为0.5‑30at.％，且Cu/Ag镶嵌于TiSiN中的非晶Si3N4和纳米晶TiN结构中。本发明专利技术还提供了所述复合涂层的制备方法及其应用。所述的复合涂层具有高强度、耐磨性、优异防生物污损性能，在海洋关键零部件防生物污损领域具有潜在的应用前景。

A biological fouling resistant TiSiN-Cu/Ag composite coating and its preparation method

The invention relates to a biological fouling resistant TiSiN Cu/Ag composite coating and a preparation method thereof. In particular, the present invention provides a TiSiN_Cu/Ag composite coating comprising: TiSiN and Cu/Ag as doping materials, wherein the atomic fraction of Cu/Ag in the composite coating is 0.5_30 at.%, and Cu/Ag is embedded in the amorphous Si3N4 and nanocrystalline TiN structures of TiSiN. The invention also provides the preparation method and application of the composite coating. The composite coating has high strength, wear resistance and excellent anti-biofouling performance, and has potential application prospect in the field of anti-biofouling of key marine components.

【技术实现步骤摘要】
一种防生物污损TiSiN-Cu/Ag复合涂层及其制备方法
本专利技术涉及材料领域，具体地，本专利技术涉及一种防生物污损TiSiN-Cu/Ag复合涂层及其制备方法。
技术介绍
舰船和海工装备的生物污损是制约海洋工业发展的重要因素。淤泥、海藻和一些海洋生物附着于船体，降低了船舶的抗摩擦性能，影响船舶航行速度，增加了船舶的燃料消耗。同时静电结构中的污垢会减小设备稳定性，从而危及航行安全。因此，本领域亟需开发一种具有高强度、耐磨性、优异防生物污损的功能涂层。
技术实现思路
本专利技术的实验目的在于提供一种具有高强度、耐磨性、优异防生物污损性能，能够在海洋关键零部件防生物污损的TiSiN-Cu/Ag复合涂层及其制备方法。本专利技术的第一方面，提供了一种TiSiN-Cu/Ag复合涂层，所述的复合涂层包括：氮化硅钛(TiSiN)，和作为掺杂材料的铜/银(Cu/Ag)；其中所述复合涂层中Cu/Ag的原子分数为0.5-30at.％，且Cu/Ag镶嵌于TiSiN中的非晶Si3N4和纳米晶TiN结构中。在另一优选例中，所述复合涂层中Cu/Ag的原子分数为0.5-13at.％，更优选为4-10at.％。在另一优选例中，所述的复合涂层的厚度为1.5-5.2μm，优选为1.5-3.84μm，更优选为1.5-2.0μm。在另一优选例中，所述的复合涂层的表面粗糙度为50-280nm，优选为50-120nm，更优选为50-100nm。在另一优选例中，所述的复合涂层的硬度为5-35GPa，优选为25-35GPa。在另一优选例中，所述的复合涂层的弹性模量为15-50GPa，优选为35-50GPa，更优选为40-50GPa。在另一优选例中，所述的复合涂层中，Ti元素的原子分数为20-40at％，优选为30-40at％。在另一优选例中，所述的复合涂层中，Si元素的原子分数为2.5-4.5at％，优选为4.0-4.5at％。在另一优选例中，所述的复合涂层中，N元素的原子分数为35-50at％，优选为40-50at％。在另一优选例中，所述的复合涂层是通过离子镀或磁控溅射法制备的。本专利技术第二方面，提供了一种本专利技术所述复合涂层的制备方法，包括步骤：(i)提供一待镀基材；(ii)提供一钛硅合金靶和铜钯/银靶；(iii)在氮气气氛下，采用用双靶共溅射法，同时溅射钛硅合金靶和铜钯/银靶，在所述基材上沉积形成复合涂层。在另一优选例中，在步骤(ii)中，所述的钛硅合金靶中Ti和Si的原子分数之比为8-100：0.01-20。在另一优选例中，在步骤(ii)中，所述的铜钯或银钯的纯度为≥99at.％。在另一优选例中，在所述的步骤(iii)中，所述溅射的时间为5-60min。在另一优选例中，在所述的步骤(iii)中，施加于所述铜钯/银靶的电流为30-40A。在另一优选例中，在所述的步骤(iii)中，施加于所述钛硅合金靶的电流为60-70A。在另一优选例中，所述的沉积在氮气分压为1×10-2Pa～5×10-2Pa的环境下进行。在另一优选例中，所述的沉积在偏压为-40V～-20V下进行。在另一优选例中，所述的沉积在400-500℃下进行。在另一优选例中，所述方法还包括步骤：在所述步骤(iii)之前，在待镀基材上沉积TiSiN过渡层。在另一优选例中，所述的沉积采用钛硅合金靶(优选为Ti和Si的原子分数之比为8-100：0.01-20的钛硅合金钯)。在另一优选例中，所述的沉积在氮气分压为1×10-2Pa～5×10-2Pa的环境下进行。在另一优选例中，所述的沉积在偏压为-40V～-20V下进行。在另一优选例中，所述的沉积在400-500℃下进行。在另一优选例中，所述方法还包括以下基材预处理步骤：(1)对待镀的基材表面进行清洗(如进行喷砂或磨抛处理)；优选地，所述的清洗包括用有机溶剂(优选为丙酮、酒精，或其组合)进行超声清洗；(2)将洗好的样品放入腔体，抽真空(优选地，真空度为1×10-3Pa～1×10-2Pa)，同时进行加热(优选地，加热温度为350-450℃)；(3)对靶材进行溅射清洗；和/或对所述的靶材进行离子刻蚀。在另一优选例中，所述的清洗靶材包括：使用挡板保护腔体。在另一优选例中，所述的清洗在氩气气氛下进行。在另一优选例中，所述的离子刻蚀包括：依次在偏压为-900V，-1100V和-1200V下分别进行2min。本专利技术第三方面。提供了一种工件，所述工件上沉积有如本专利技术第一方面所述的的复合涂层。在另一优选例中，所述的工件包括基材和复合涂层，所述的涂层沉积在所述的基材上。在另一优选例中，所述的基材选自下组：不锈钢、硬质合金、硅片、玻璃、陶瓷，或其组合。本专利技术第四方面，提供了本专利技术所述的复合涂层的用途，所述的复合涂层用于包括工业设备、机械设备、机动车辆、表面的耐磨防腐和生物污损。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。附图说明图1为本专利技术实施例1所得TiSiN-Cu复合涂层的硬度和弹性模量。图2为本专利技术实施例1所得TiSiN-Cu复合涂层对三角褐指藻、新月硅藻和小球藻贴附荧光图。图3为为本专利技术实施例1所得TiSiN-Cu复合涂层对三角褐指藻、新月硅藻和小球藻贴附数量及其降低率。具体实施方式本专利技术经过广泛而又深入的研究，意外发现了一种TiSiN-Cu/Ag复合涂层，所述复合涂层为无分层结构，其中Cu/Ag的原子分数为0.5-30at.％，且Cu/Ag镶嵌于TiSiN中的非晶Si3N4和纳米晶TiN结构中。所述的复合涂层具有高强度、耐磨性、优异防生物污损性能。基于以上发现，专利技术人完成了本专利技术。术语如本专利技术所用，术语“TiSiN-Cu/Ag复合涂层”和“复合涂层”可互换使用。如本专利技术所用，术语“包括”和“包含”可互换使用，不仅包括开放式定义，还包括封闭式、和半封闭式定义。换言之，所述术语包括了“由……构成”、“基本上由……构成”。如本专利技术所用，术语“原子分数”是指基于TiSiN-Cu/Ag复合涂层的总原子数，所述的复合涂层中各元素的原子百分数。TiSiN-Cu/Ag复合涂层本专利技术提供一种TiSiN-Cu/Ag复合涂层，所述的复合涂层包括：氮化硅钛(TiSiN)，和作为掺杂材料的铜/银(Cu/Ag)；其中所述复合涂层中Cu/Ag的原子分数为0.5-30at.％，且Cu/Ag镶嵌于TiSiN中的非晶Si3N4和纳米晶TiN结构中。本专利技术所述的TiSiN-Cu/Ag复合涂层为无分层结构，Cu(Ag)镶嵌于TiSiN中的非晶Si3N4和纳米晶TiN结构中，通过对Cu/Ag微粒的阻隔，实现精确调控Cu/Ag颗粒的分布和微量可控释放。在本专利技术的一个优选例中，所述复合涂层中Cu/Ag的原子分数为0.5-13at.％，更优选为4-10at.％。应当理解的是，所述TiSiN-Cu/Ag复合涂层中Cu/Ag指的是Cu、Ag，或Cu和Ag混合，即所述TiSiN-Cu/Ag复合涂层包括TiSiN-Cu复合涂层、TiSiN-Ag复合涂层或TiSiN-Cu和Ag复合涂层。在本专利技术的另一优选例中，所述的复合涂层中，Ti元素的原子分数为20-40at％，优选为30-40at％。在另一优选例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TiSiN‑Cu/Ag复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层包括：氮化硅钛(TiSiN)，和作为掺杂材料的铜/银(Cu/Ag)；其中所述复合涂层中Cu/Ag的原子分数为0.5‑30at.％，且Cu/Ag镶嵌于TiSiN中的非晶Si3N4和纳米晶TiN结构中。

【技术特征摘要】
1.一种TiSiN-Cu/Ag复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层包括：氮化硅钛(TiSiN)，和作为掺杂材料的铜/银(Cu/Ag)；其中所述复合涂层中Cu/Ag的原子分数为0.5-30at.％，且Cu/Ag镶嵌于TiSiN中的非晶Si3N4和纳米晶TiN结构中。2.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层中Cu/Ag的原子分数为0.5-13at.％，更优选为4-10at.％。3.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层中，Ti元素的原子分数为20-40at％，优选为30-40at％；和/或Si元素的原子分数为2.5-4.5at％，优选为4.0-4.5at％；和/或N元素的原子分数为35-50at％，优选为40-50at％。4.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述的复合涂层是通过离子镀或磁控溅射法制备的。5.一种如权利要求1所述复合涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤：(i)提供一待镀基材；(ii)提供一钛硅合金靶和铜钯/银靶；(iii)在氮气气...

【专利技术属性】
技术研发人员：李金龙，白雪冰，党超群，王永欣，王立平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33