一种智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及涂层材料的技术领域，具体涉及一种智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层及其制备方法，所述AlScCrN纳米复合压电涂层采用梯度层结构，包括由内至外依次设置的结合层、支撑层、压电功能层和保护层，其中，结合层为纯金属Cr层，支撑层为CrN/AlScCrN纳米多层膜，压电功能层为(002)取向的柱状晶AlScCrN涂层，保护层为AlScCrON涂层。本发明专利技术所制备高硬度耐磨智能紧固件用AlScCrN复合压电涂层具有高硬度、高耐磨和高结合力特性，可以保证压电涂层在高温条件下长期存在于紧固件表面，减少其失效的可能性。同时其工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。成本。成本。

【技术实现步骤摘要】
一种智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及涂层材料的
，具体涉及一种智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂 层及其制备方法。

技术介绍

[0002]螺栓是制造业不可缺少的紧固件，它具有拆装方便，维修方便，可被重新紧固防松且可 以避免被连接件的材料发生相变等优点。因此，螺栓常被应用在航空航天，汽车，桥梁，建 筑、铁路，船舶轮机以及石油化工等多个领域的关键设备连接处，是工业现场所涉及的重要 基础设施的关键部件，一旦失效将造成巨大损失。螺栓紧固件主要起到连接，强化以及密封 等作用，而影响其性能，寿命，使用状态，连接质量及装配精度的关键因素为螺栓的预紧力， 故对连接件上的螺栓紧固状态的确定就显得尤为重要，是保证设备能够在服役环境下安全可 靠运行的重要策略，也是重要设备健康监测的最为关键的内容之一。
[0003]接触式超声检测螺栓预紧力的方法一直以来都是人们研究关注的重点，它可以在不破坏 零件的情况下实现快速原位检测。该技术中应用到的声
‑
电信号转换方法对检测准确性会有极 大影响。目前主要有三种手段：超声探头+耦合剂，利用探头晶片产生超声波，通过耦合剂 将其导入待测件，该方法应用最广泛，但稳定性差，可能还会造成被检件腐蚀。贴压电陶瓷 片，利用贴压电陶瓷片产生超声，通过粘接剂将其导入待测件，该方法被检测件具有长期原 位可检测性，但粘接剂及陶瓷的性能决定整个传感器精度及使用周期。沉积压电涂层，利用 沉积在螺栓上的涂层产生超声并直接进入待测件，涂层稳定不易脱落，该种方法的检测快速 准确，然而目前对于该种方法的系统研究尚未见报道。
[0004]超声测量螺栓应力作为一种新兴的无损检测技术，一直因其实时性好，检测精度高且穿 透能力强等特点受到国内外研究人员的广泛关注。随着工业发展的需求，该项技术从理论研 究转到工业应用。目前已经有很多关于压电薄膜材料的研究，但是将压电薄膜材料直接镀在 螺栓上制备出智能螺栓的研究较少。将压电薄膜制备到螺栓表面形成具有传感功能的螺栓就 叫智能螺栓。针对目前对于高温场合应用的超声传感器缺乏研究，急需开发新的耐高温超声 传感器涂层材料。AlScN仍是最有希望替代氮化铝(AlN)压电涂层的新材料。其具有高的 机电耦合系数和压电系数，能实现更为有效的机械能
‑
电能转换，从而提高材料的压电常数， 获得更好的声学特性。但目前对于AlScN压电材料的改性以及其在高温智能螺栓超声测量中 的应用很少，未见到相关报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一在于提供一种智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层，提高了涂层 的结合力，避免高低温时涂层产生剥落。
[0006]本专利技术的目的之二在于提供一种智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层的制备方法， 制备工艺简便，易于调节，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的 生产成本。
[0007]本专利技术实现目的之一所采用的方案是：一种智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层， 所述AlScCrN纳米复合压电涂层采用梯度层结构，包括由内至外依次设置的结合层、支撑层、 压电功能层和保护层，其中，结合层为纯金属Cr层，支撑层为CrN/AlScCrN纳米多层膜， 压电功能层为(002)取向的柱状晶AlScCrN涂层，保护层为AlScCrON涂层。
[0008]优选地，该智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层总厚度为2.61
‑
18.76微米。
[0009]优选地，所述结合层的厚度为10
‑
60纳米。
[0010]优选地，所述支撑层的厚度为600
‑
1200纳米，其中CrN单层厚度为10
‑
20纳米，AlScCrN 单层厚度为10
‑
100纳米，调制周期为20
‑
120纳米。
[0011]优选地，所述压电功能层的厚度为1500
‑
15000纳米，柱状晶的直径为20
‑
500纳米，Cr 的含量为0
‑
10at.％。
[0012]优选地，所述保护层的厚度为500
‑
2500纳米，保护层的绝缘电阻大于500MΩ，表面粗 糙度小于30纳米。
[0013]本专利技术实现目的之二所采用的方案是：一种所述的智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电 涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)在100
‑
400℃，氩气和氢气环境中，对紧固件进行等离子刻蚀；
[0015](2)刻蚀结束后，在0.4
‑
0.8Pa，50
‑
150V条件下沉积Cr结合层；
[0016](3)Cr结合层沉积结束后，在0.5
‑
2Pa，10
‑
200V条件下沉积CrN/AlScCrN支撑层；
[0017](4)CrN/AlScCrN支撑层沉积结束后，在0.5
‑
4Pa，0
‑
150V条件下沉积(002)取向的 AlScCrN柱状晶涂层，制备压电功能层；
[0018](5)压电功能层沉积结束后，在1
‑
3Pa，0
‑
200V条件下沉积AlScCrON保护层，得到智 能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层。
[0019]优选地，所述步骤(3)中，Cr结合层沉积结束后，同时开启Cr靶和AlScCr靶，通入 氮气，当紧固件转动到Cr靶前面时形成CrN涂层，当紧固件转动到AlScCr靶前面时形成 AlScCrN涂层，紧固件不停旋转，则在其表面就会形成CrN/AlScCrN纳米多层膜的支撑层
[0020]优选地，所述步骤(4)中，在支撑层沉积结束后，关闭Cr靶，形成(002)取向的柱状 晶AlScCrN涂层为压电功能层。
[0021]优选地，所述步骤(5)中，AlScCrN压电功能层制备结束后，通入氧气和氮气以及开 启AlScCr靶，在表面制备AlScCrON保护层。
[0022]本专利技术的主要目的是为了克服现有压电涂层耐温不足的缺点。常规压电材料在高温时容 易产生结构的变化导致失去压电性能，为此多元合金化的压电材料是目前发展的趋势。主要 是多元合金化的压电材料在高温时其结构稳定性更好，结构更致密，有利于阻挡元素的扩散。 本专利中将Cr掺杂到AlScN中不但可以提高涂层的耐温耐磨性能，同时有利于提高其压电 常数。此外通过调控不同的Cr元素掺杂量来调节压电涂层的压电常数。本专利技术中采用离子刻 蚀技术对紧固件表面进行清洗提高附着力，此外采用多层结构主要目的是为了降低压电涂层 的应力梯度。
[0023]在涂层的制备过程中，当离子刻蚀清洗结束后，紧固件表面处于比较清洁的状态。为了 提高表面压电陶瓷材料和金属紧固件基体的结合力，本专利采用电弧放电法将Cr从电弧靶上 灼烧出来本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述AlScCrN纳米复合压电涂层采用梯度层结构，包括由内至外依次设置的结合层、支撑层、压电功能层和保护层，其中，结合层为纯金属Cr层，支撑层为CrN/AlScCrN纳米多层膜，压电功能层为(002)取向的柱状晶AlScCrN涂层，保护层为AlScCrON涂层。2.根据权利要求1所述的智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层，其特征在于：该智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层总厚度为2.61
‑
18.76微米。3.根据权利要求1所述的智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述结合层的厚度为10
‑
60纳米。4.根据权利要求1所述的智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述支撑层的厚度为600
‑
1200纳米，其中CrN单层厚度为10
‑
20纳米，AlScCrN单层厚度为10
‑
100纳米，调制周期为20
‑
120纳米。5.根据权利要求1所述的智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述压电功能层的厚度为1500
‑
15000纳米，柱状晶的直径为20
‑
500纳米，Cr的含量为0
‑
10at.％。6.根据权利要求1所述的智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述保护层的厚度为500
‑
2500纳米，保护层的绝缘电阻大于500MΩ，表面粗糙度小于30纳米。7.一种如权利要求1
‑
6任一项所述的智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨兵，姚佳丽，刘琰，李敬雨，瓦西里，陈燕鸣，张俊，黄家辉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：