一种智能组装根状毛细扩散通道的自适应纳米多层膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种智能组装根状毛细扩散通道的自适应纳米多层膜及其制备方法和应用，涉及防护涂层材料技术领域。本发明专利技术提供的自适应纳米多层膜，包括依次交替沉积在衬底表面的贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层。本发明专利技术提供的纳米多层膜在腐蚀环境中产生的钝化层更薄、更致密，其中的贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层应对腐蚀环境能自组装形成致密纳米晶颗粒，均匀地将腐蚀性离子的扩散通道细化成根状毛细状态，使得钝化层内部以细化的根状毛细扩散通道取代传统的贯穿型腐蚀通道，从而极大地降低腐蚀性离子向薄膜内部迁移的速率。本发明专利技术提供的纳米多层膜在具有高硬度和表面平整度的同时，具有优异的耐腐蚀性能。耐腐蚀性能。耐腐蚀性能。

【技术实现步骤摘要】
一种智能组装根状毛细扩散通道的自适应纳米多层膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及防护涂层材料
，特别涉及一种智能组装根状毛细扩散通道的自适应米多层膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]海洋环境下舰载机发动机零部件面临着比陆地更为苛刻的服役条件，舰载机在低空飞行时，容易受高湿、盐雾以及微生物等形式的腐蚀，严重影响舰载机发动机的耐磨、抗冲击叶片表层防护涂层的服役安全性和耐久性，导致表面涂层应对苛刻服役环境的风险以及尺寸修复、维护费用成本剧增。因此，研发兼具高硬度和优异耐蚀性能的表面防护涂层对于舰载机核心部件的平稳服役具有重要意义。
[0003]过渡金属氮化物(TMNs)具有本征的高硬度，被广泛应用于航空、航天装备结构部件的防护材料。然而，TMNs在沉积过程中内部会产生本征的缺陷，例如微孔和间隙等，在腐蚀环境中这些微孔和间隙为富集在涂层表面的腐蚀性离子(O2‑
、Cl
‑
)提供活性位点以及输送通道，沿着缺陷产生的疏松腐蚀产物逐渐演变为宏观贯穿型扩散通道，连续的将大量腐蚀性离子输运向涂层内部，破坏了防护涂层结构完整性，严重时会使得零部件直接暴露于腐蚀环境中，极大地削弱其服役性能。研究表明构筑TMN/TMN纳米多层膜(如TaN/AlN、TiN/CrN、TaN/TiN或HfN/VN)能够显著提高材料强度和减少内部缺陷，腐蚀性离子会沿着层间界面横向扩散，腐蚀通道发生偏转从而降低腐蚀速率，但是很难实现对腐蚀性离子完全阻挡，仍有由严重的点蚀导致的局域性腐蚀。
专利技术内容
[0004]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种智能组装根状毛细扩散通道的自适应纳米多层膜及其制备方法和应用。本专利技术提供的纳米多层膜在具有高硬度的同时，表现出优异的耐腐蚀性能。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种智能组装根状毛细扩散通道的自适应纳米多层膜，包括依次交替沉积在衬底表面的贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层，所述贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层的层数相等；所述贫氮过渡金属氮化物层为MN形成的膜层，所述富氮过渡金属氮化物层为M3N4形成的膜层，所述MN与M3N4中的M为过渡金属元素，N为氮元素。
[0007]优选地，各贫氮过渡金属氮化物层独立地为TaN膜层、VN膜层或CrN膜层；各富氮过渡金属氮化物层独立地为Zr3N4膜层、Hf3N4膜层或Ti3N4膜层。
[0008]优选地，所述贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层的总层数为120～220层；相邻贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层的厚度之比为(8～12)：(1～12)。
[0009]优选地，所述贫氮过渡金属氮化物层的厚度为8～12nm。
[0010]本专利技术提供了以上技术方案所述纳米多层膜的制备方法，包括以下步骤：
[0011]将衬底进行磁控溅射，在所述衬底表面依次交替沉积贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层；所述磁控溅射以过渡金属为靶材，以氩气为溅射气体、氮气为反应气体。
[0012]优选地，所述沉积贫氮过渡金属氮化物层时，靶材为Ta靶、V靶或Cr靶，靶基距为6～10cm；所述沉积富氮过渡金属氮化物层时，靶材为Zr靶、Hf靶或Ti靶，靶基距为6～10cm。
[0013]优选地，所述氩气的流量为40～80sccm，所述氮气的流量为70～110sccm。
[0014]优选地，所述磁控溅射的条件包括：真空度≥5
×
10
‑4Pa；衬底的加热温度为150～250℃；工作气压为0.5～1.2Pa，衬底偏压为
‑
150～
‑
250V，靶材直流电源电流为0.2～0.6A，电压为200～500V。
[0015]优选地，所述贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层的沉积率独立地为10～40nm/min。
[0016]本专利技术提供了以上技术方案所述纳米多层膜或以上技术方案所述制备方法制备得到的纳米多层膜作为防腐蚀材料的应用。
[0017]本专利技术提供了一种智能组装根状毛细扩散通道的自适应纳米多层膜，包括依次交替沉积在衬底表面的贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层，所述贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层的层数相等；所述贫氮过渡金属氮化物层为MN形成的膜层，所述富氮过渡金属氮化物层为M3N4形成的膜层，所述MN与M3N4中的M为过渡金属元素，N为氮元素。本专利技术提供的纳米多层膜具有以下有益效果：
[0018](1)本专利技术提供的纳米多层膜在腐蚀环境中产生的钝化层更薄、更致密，其中的贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层应对腐蚀环境能够自组装形成包裹态的纳米晶颗粒，腐蚀性离子只能沿着纳米晶边界向内部扩散，一方面，扩散通道遇到纳米晶阻挡会发生偏转；另一方面，包裹态的纳米晶在腐蚀层内部由上到下逐渐减小逐渐致密，其间隙越来越小，因而通道尺寸越来越小，从形态学上看，腐蚀性离子的扩散通道的演变类似于毛细的树根状。即本专利技术提供的纳米多层膜能够在钝化层内部以细化的根状毛细扩散通道取代传统的贯穿型腐蚀通道，从而能够极大地降低腐蚀性离子向薄膜内部迁移的速率，展示出优异的耐腐蚀性能；
[0019](2)所述富氮过渡金属氮化物(M3N4)本征高配位对称结构赋予其高硬度，富氮过渡金属氮化物还具有高氧化价态，其高致密度的腐蚀产物更加惰性，对腐蚀性离子有更好的钝化效果，兼具高硬度和耐腐蚀性能；并且，纳米多层膜的内部子层之间能够形成共格界面，有利于硬度的提高；
[0020](3)本专利技术提供的纳米多层膜因大量层间界面的引入能抑制柱状晶的连续生长，柱状晶尺寸减小从而有效地提高表面平整度，获得平滑表面，而平滑表面的活性位点少，腐蚀性离子难于附着，有利于提高膜层的耐腐蚀性，此外，平滑表面起到表面强化的作用，还能够使膜层具有抵御除腐蚀之外的环境作用的能力。
[0021]因此，本专利技术提供的纳米多层膜在具有高硬度和表面平整度的同时，具有优异的耐腐蚀性能，从而大大扩宽了防腐蚀材料的应用范围。实施例的结果表明，本专利技术提供的纳米多层膜的硬度为24.4GPa，模量为328.4GPa，表面粗糙度为0.62nm；经3.5wt％的NaCl溶液
腐蚀，呈现出高的腐蚀电位(
‑
0.29V)以及低的腐蚀电流(0.34μA/cm2)。
[0022]本专利技术提供了以上技术方案所述智能组装根状毛细扩散通道的自适应纳米多层膜的制备方法，工艺简单，成本低，可重复率高，有利于规模化生产。
附图说明
[0023]图1是实施例1以及对比例1～2得到的薄膜样品的硬度、模量和AFM表征图，图1中(a)为硬度、模量表征图，(b)为AFM表征图；
[0024]图2是实施例1以及对比例1～2得到的薄膜样品的腐蚀动电位以及腐蚀电流柱状图；
[0025]图3是实施例1得到的纳米多层膜钝化层截面TEM图，图3中(a)为纳米多层膜钝化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能组装根状毛细扩散通道的自适应纳米多层膜，包括依次交替沉积在衬底表面的贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层，所述贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层的层数相等；所述贫氮过渡金属氮化物层为MN形成的膜层，所述富氮过渡金属氮化物层为M3N4形成的膜层，所述MN与M3N4中的M为过渡金属元素，N为氮元素。2.根据权利要求1所述的纳米多层膜，其特征在于，各贫氮过渡金属氮化物层独立地为TaN膜层、VN膜层或CrN膜层；各富氮过渡金属氮化物层独立地为Zr3N4膜层、Hf3N4膜层或Ti3N4膜层。3.根据权利要求1或2所述的纳米多层膜，其特征在于，所述贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层的总层数为120～220层；相邻贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层的厚度之比为(8～12)：(1～12)。4.根据权利要求3所述的纳米多层膜，其特征在于，所述贫氮过渡金属氮化物层的厚度为8～12nm。5.权利要求1～4任意一项所述纳米多层膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将衬底进行磁控溅射，在所述衬底表面依次交替沉积贫氮过渡金属氮化物层和富氮过渡金属氮化物层；所述磁控溅射...

【专利技术属性】
技术研发人员：文懋，齐金磊，王龙鹏，庞昊鹏，张侃，郑伟涛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：