一种掺硼金刚石多孔钛复合膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种掺硼金刚石多孔钛复合膜及其制备方法，涉及电化学污水处理与金属薄膜交叉技术领域。所述制备方法包括以高熵节银合金钎料作为中间层，将掺硼金刚石膜与多孔钛进行钎焊，所述钎焊在真空辐射加热炉中进行；按摩尔百分比计，所述高熵节银合金钎料的组成如下：20

【技术实现步骤摘要】
一种掺硼金刚石多孔钛复合膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电化学污水处理与金属薄膜交叉
，尤其是涉及一种掺硼金刚石多孔钛复合膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代经济和社会的快速发展，各行业污染物成分越来越复杂，对人体健康和生态环境都产生了巨大破坏，污水处理成为了全人类共同面对的巨大挑战。电化学高级氧化工艺作为一种新型污水处理工艺，由于其所需设备简单、操作容易、无需添加化学试剂等优点被视为一种极具应用潜力污水处理工艺，其核心在于阳极材料选择，常用的阳极材料包括石墨电极、金属电极及掺硼金刚石(BDD)电极等。其中，BDD电极具有电化学势窗宽、背景电流小、介电常数低、可逆性好等特点，在污水处理中具有广阔的应用前景。
[0003]在现有的研究中，硅是所有BDD基底材料中应用最广泛的，但其属于半导体，虽然通过掺杂可以使其导电，但沉积金刚石薄膜后导电性不佳，且机械强度低，在有机污水处理中应用受到限制。此外，钽、铌和钨材料虽然具有良好的稳定性和电化学情性，但使用成本较高，很难大批量用于工业化。钛基体是良好的电极基体材料，导电性好，机械强度高，价格低且多孔钛具有较大的表面积。然而Ti基体和BDD薄膜之间存在着较大的应力，故BDD薄膜在多孔钛上沉积是非常困难的，且Ti基体和BDD薄膜之间形成TiC导致Ti基体与BDD薄膜间的结合力受到很大影响。
[0004]如何在有限的成本下提升金刚石薄膜的导电性、耐蚀性、耐高温性与机械强度是电化学污水处理领域的难点之一。因此，急需提出新的掺硼金刚石复合薄膜制备方法完善相关领域的研究，提高电极的工作效率，降低污水处理的成本。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种掺硼金刚石多孔钛复合膜及其制备方法。本专利技术提升了钛基体和掺硼金刚石膜之间的结合力，使得制备的掺硼金刚石多孔钛复合膜具有更好的机械强度和应用性能，可以提高电极的工作效率。
[0007]本专利技术提供的技术方案如下：
[0008]在一个方面，本专利技术提供了一种掺硼金刚石多孔钛复合膜的制备方法，包括：以高熵节银合金钎料作为中间层，将精密加工的掺硼金刚石膜与多孔钛进行钎焊；所述钎焊在真空辐射加热炉中进行；
[0009]所述精密加工为在实施钎焊前，利用精密超声加工或激光加工将待焊工件加工为具有位错通道的精密待焊件。
[0010]按摩尔百分比计，所述高熵节银合金钎料的组成如下：20
‑
30％ CuP合金，20
‑
30％ NiSn合金，20
‑
25％ Ag；20
‑
25％稀土Re。
[0011]本专利技术首次利用高熵节银合金钎料作为中间层，将掺硼金刚石与多孔钛进行钎
焊，传统的方法无法克服利用多孔钛造成的应力大等问题。本专利技术使用高熵节银合金钎料，其具有特定配比，通过真空焊接工艺将掺硼金刚石膜与多孔钛很好地焊接在一起，极大提高了掺硼金刚石与多孔钛之间的结合强度，制备出的掺硼金刚石多孔Ti复合膜电极具有良好的性能和发展应用潜力。
[0012]在一个实施方案中，所述钎焊的条件为冷态真空度＜5
×
10
‑3Pa，热态真空度＜1.33
×
10
‑2Pa；钎焊温度为690～720℃，保温时间为10～20min，随炉冷却。
[0013]在一个实施方案中，所述钎焊的过程中，升温速度以保持真空度为限，降温速度小于10℃/min，出炉温度低于100℃。
[0014]在一个具体实施方案中，采用钎焊方法在多孔钛表面上均匀涂覆掺硼金刚石膏，在真空辐射加热炉中将掺硼金刚石膏与多孔钛进行钎焊。
[0015]本专利技术中以上特定的真空钎焊条件是针对本专利技术的待钎焊的钎料而设置的，在本专利技术限定的真空钎焊条件下，钎料的熔化程度合适，使得掺硼金刚石与多孔钛之间以较高的强度结合。真空钎焊条件不适合，制得的掺硼金刚石多孔钛复合膜电极的性能会受到影响，甚至大大降低。
[0016]在一个实施方案中，所述CuP合金为Cu80P合金、Cu83P合金、Cu85P合金、Cu84P合金中的任一种；
[0017]所述NiSn合金为Ni25Sn合金、Ni40Sn合金、Ni50Sn合金中的任一种。
[0018]在本专利技术的一个实施方案中，所述制备方法包括制备高熵节银合金钎料、制备多孔钛以及掺硼金刚石多孔钛复合膜的制备。
[0019]在一个实施方案中，所述高熵节银合金钎料是通过多靶直流磁控溅射共沉积电源在基底表面同时沉积CuP、Ni、Sn、Ag以及稀土Re进行制备，制成六元高熵节银钎料合金；
[0020]优选地，所述稀土Re为Ce、Pr、La、Nd或Er中的任一种。
[0021]在一个实施方案中，所述掺硼金刚石膜是通过采用热丝化学气相沉积法在硅基片上沉积制备掺硼金刚石膜；
[0022]优选地，制备掺硼金刚石膜的过程中，反应器压强为4.0kPa，总气体流量保持在200～300sccm，基体温度保持在700～900℃；
[0023]优选地，以H2和CH4的混合气体作为气源，以B(OCH3)3液体作为硼源；
[0024]优选地，通过控制通入B(OCH3)3的流速进行调节硼掺杂度。
[0025]在一个具体的实施方案中，所述掺硼金刚石薄膜制备步骤中，混合气体中甲烷含量为1.0％(体积分数)。
[0026]在一个具体的实施方案中，采用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在Si基片上沉积制备掺硼金刚石薄膜，以H2和CH4(体积比3：297)的混合气体作为气源，同时由H2带出的B(OCH3)3液体作为硼源，硼源在热丝作用下分解为硼原子，替代部分碳原子与相邻碳原子组成稳定的共价键，形成掺硼金刚石薄膜；将沉积试样用强酸腐蚀使BDD和Si基片分离，得到掺硼金刚石薄膜。
[0027]在一个实施方案中，所述多孔钛是通过磁控溅射在多孔硅阵列表面沉积钛；优选地，所述多孔硅阵列的孔径为3
‑
10μm；
[0028]在一个实施方案中，采用磁控溅射工艺在孔径分别为3、6、10μm的多孔硅阵列表面沉积钛，施加一定的自偏压，保证磁控溅射均匀，减少表面和孔内沉积厚度。
[0029]在一个实施方案中，采用粉末烧结工艺制备多孔钛，所述多孔钛的制备过程中，真空度为1
×
10
‑2Pa，烧结时先以10～15℃/min的升温速率由室温升温至350～400℃，保温3～4h后；再逐步升温至1000～1400℃，烧结3～4h后随炉冷却。
[0030]在一个具体的实施方案中，采用粉末烧结工艺制备多孔钛，具体工艺为：将纯钛粉末、造孔剂、粘结剂按77:20:3质量比进行粉末混合，将混合粉末冷压成型至密度2～3g/cm3后把成型的混合料放入烧结炉中在高真空环境中烧结，最终制成多孔钛板。
[0031]在一个具体的实施方案中，烧结后的试样在超声波清洗器中用离子水进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺硼金刚石多孔钛复合膜的制备方法，其特征在于，包括：以高熵节银合金钎料作为中间层，将精密加工的掺硼金刚石膜与多孔钛进行钎焊，所述钎焊在真空辐射加热炉中进行；按摩尔百分比计，所述高熵节银合金钎料的组成如下：20
‑
30％CuP合金，20
‑
30％NiSn合金，20
‑
25％Ag；20
‑
25％稀土Re；所述精密加工为在实施钎焊前，利用精密超声加工或激光加工将待焊工件加工为具有位错通道的精密待焊件。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钎焊的条件为冷态真空度＜5
×
10
‑3Pa，热态真空度＜1.33
×
10
‑2Pa；钎焊温度为690～720℃，保温时间为10～20min，随炉冷却。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钎焊的过程中，升温速度以保持真空度为限，降温速度小于10℃/min，出炉温度低于100℃。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述CuP合金为Cu80P合金、Cu83P合金、Cu85P合金、Cu84P合金中的任一种；所述NiSn合金为Ni25Sn合金、Ni40Sn合金、Ni50Sn合金中的任一种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高熵节银合金钎料是通过多靶直流磁控溅射共沉积电源在基底表面同时沉积CuP、Ni、Sn、Ag以及稀土Re进行制备；优选地，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王星星，常嘉硕，杜全斌，韦乐余，李帅，何鹏，陈小明，李鹏，彭进，宋刚福，倪增磊，秦建，李森，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：