在金属材料表面镀ZnO薄膜的方法技术

本发明专利技术在金属材料表面镀ZnO薄膜的方法，涉及材料表面改性领域。所述方法：将金属材料进行表面抛光处理和清洗，放入磁控溅射炉内，氧化锌置于靶位，金属材料与氧化锌的极间距为3-5cm；将磁控溅射炉抽真空至真空度为1.0×10-4Pa-5.0×10-4Pa，充入氩气至压强为1-10Pa，清洗和活化金属材料；充入氧气和氩气的混合气体至压强为20-35Pa，溅射功率50-80W，磁控溅射炉内的温度至320-380°C，保温；关闭电源，将磁控溅射炉内抽真空，冷却至室温出炉。该方法工艺简单，生产成本低；ZnO薄膜在磨损过程中具有明显的发光特性，且摩擦系数低、耐磨性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料表面改性领域，具体涉及在金属材料表面镀ZnO的方法。
技术介绍
摩擦和磨损是空间机械系统寿命受限的原因之一，如人造卫星的天线驱动系统、太阳能电池帆板机构、光学仪器的驱动机构等。极端的外部条件使得一些难于观察和预测的材料表面磨损状况变化很大，一旦部件超过承受极限而又无法得到及时反馈，将危害整个系统的运行，带来无法估量的损失。为了确保空间机械系统的安全运行，延长航空航天设备的在役寿命，并最大限度的降低损失，对空间机械系统的摩擦过程进行实时监测、定位和预警是必然的要求。目前，智能摩擦涂层的研究主要集中在摩擦涂层的自修复、环境自适应性。美军已研究成功一种用于武器表面保护的智能涂层系统，该涂层能够找到既具有自修复特性、又能够改变颜色并感知结构损伤或环境变化的材料，可明显提高武器的战斗力和生存能力。然而,这类涂层只是随着环境改变,通过成分变化改善材料表面摩擦性能,并不能为材料表面后期的磨损提供安全预警信号。国内在摩擦过程中通过发光材料诱导发光的预警机制用来监测航空航天机械系统的磨损状况涂层的研究并不多，国外在具有光传感器预警功能的摩擦智能涂层的研究方面也刚刚起步。如美国空军理工学院与加利福尼亚大学合作开发了一种真空电弧-磁控溅射-脉冲激光沉积混合技术在钢表面制备了一种具有光传感器功能的多层摩擦涂层，涂层制备工艺复杂，组分多变，将影响对光信号的判断。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，该方法采用磁控溅射单一技术在金属材料表面镀ZnO薄膜，工艺简单，生产成本低，非常便于工业化生产；金属材料表面的ZnO薄膜在磨损过程中不仅具有明显的发光特性，且摩擦系数低、耐磨性好，通过诱导发光特性的改变实现对金属材料表面磨损情况进行实时监控。本专利技术的目的采用如下技术方案实现。一种，包括如下步骤 (1)将金属材料进行表面抛光处理和清洗； (2)将清洗后的金属材料放入磁控溅射炉内，利用氧化锌靶材在金属材料表面沉积ZnO薄膜。步骤(2)利用氧化锌靶 材在金属材料表面沉积ZnO薄膜的具体方法为将氧化锌置于靶位，金属材料与氧化锌的极间距为3-5 cm ;将磁控溅射炉抽真空至真空度为1. 0X10_4Pa-5. 0X10_4Pa，充入氩气至压强为1_10 Pa，对金属材料表面进行清洗和活化；充入氧气和氩气的混合气体至压强为20-35Pa，控制溅射功率50-80W，调节磁控溅射炉内的温度至320-380° C，保温1-5小时；关闭电源，将磁控溅射炉内抽真空至真空度为1.0Xl(T4Pa-5. OXKT4Pa后，冷却至室温出炉。所述混合气体中氧气和氩气压强比为1:1_3。步骤(I)中所述清洗的方法为超声清洗。超声清洗的溶剂为丙酮。有益效果 (I)本专利技术采用磁控溅射技术实现了在金属材料表面镀具有发光特性的金属氧化物ZnO,方法上比国内外同类涂层采用真空电弧-磁控溅射-脉冲激光沉积混合技术简单，产业化成本低。(2)本专利技术ZnO薄膜的摩擦系数在O. 13-0. 14之间且稳定、寿命较长、耐磨性好。采用350nm紫外激光对ZnO薄膜磨损过程进行激发，光谱特性显示，可见光区范围变窄，在530nm处绿光稍微减弱，且在650_750nm处红光区峰值增加，便于对磨损状况进行视觉观察；ZnO薄膜在磨损过程中具有明显的发光特性，通过光学信号的反馈对材料表面结构性能的失效问题进行准确预测。附图说明图1为材料3的表面形貌。图2为基体和材料3摩擦系数随时间的变化曲线，其中1-基体，2-材料3。`图3 Ca)材料3进行摩擦磨损试验后的表面形貌；图3 (b)基体进行摩擦磨损试验后的表面形貌。图4材料3在350nm波长激励下磨损前后的发光特性，其中1_磨损前，2_磨损后。具体实施例方式本专利技术是在铝片表面采用磁控溅射设计一种润滑耐磨发光薄膜，通过350nm激光激发实现对摩擦部件在磨损过程中的监控。实施例1 在铝片表面镀ZnO薄膜的方法，包括如下步骤 (1)将铝片进行表面抛光处理，用丙酮进行超声清洗； (2)将超声清洗后的铝片放入磁控溅射炉内，利用氧化锌靶材在铝片表面沉积ZnO薄膜，具体方法如下将氧化锌置于靶位，铝片与氧化锌的极间距为3 cm ;将磁控溅射炉抽真空至真空度为1. O X 10_4Pa，充入氩气至压强为5 Pa，对铝片表面进行清洗和活化；充入氧气和氩气的混合气体至压强为25Pa，所述混合气体中氧气和氩气压强比为1:1，溅射功率50W。调节磁控溅射炉内的温度至320 ° C，保温I小时；关闭电源，将磁控溅射炉内抽真空至真空度为1. OX 10_4Pa，冷却至室温出炉，得到表面镀有ZnO薄膜的铝片，称为材料I。实施例2 在铝片表面镀ZnO薄膜的方法，包括如下步骤 (1)将铝片进行表面抛光处理，用丙酮进行超声清洗； (2)将超声清洗后的铝片放入磁控溅射炉内，利用氧化锌靶材在铝片表面沉积ZnO薄膜，具体方法如下将氧化锌置于靶位，铝片与氧化锌的极间距为5 cm ;将磁控溅射炉抽真空至真空度为3.0 X 10_4Pa，充入氩气至压强为10 Pa，对铝片表面进行清洗和活化；充入氧气和氩气的混合气体至压强为30Pa，混合气体中氧气和氩气压强比为1:3，溅射功率60W，调节磁控溅射炉内的温度至380° C，保温5小时；关闭电源，将磁控溅射炉内抽真空至真空度为3. OX 10_4Pa后，冷却至室温出炉，得到表面镀有ZnO薄膜的铝片，称为材料2。实施例3 在铝片表面镀ZnO薄膜的方法，包括如下步骤 (1)将铝片进行表面抛光处理，用丙酮进行超声清洗； (2)将超声清洗后的铝片放入磁控溅射炉内，利用氧化锌靶材在铝片表面沉积ZnO薄膜，具体方法如下将氧化锌置于靶位，铝片与氧化锌的极间距为4cm ;将磁控溅射炉抽真空至真空度为1. O X 10_4Pa，充入氩气至压强为10 Pa，对铝片表面进行清洗和活化；充入氧气和氩气的混合气体至压强为35Pa，混合气体中氧气和氩气压强比为1:2，功率70W，调节磁控溅射炉内的温度至360° C，保温2小时；关闭电源，将磁控溅射炉内抽真空至真空度为5 X 10_4Pa后，冷却至室温出炉，得到表面镀有ZnO薄膜的铝片，称为材料3。用电镜分别观察材料1-3的表面形貌。其中材料3的表面形貌见图1。该图说明在铝片表面均镀上了具有明显ZnO锥形结构的薄膜，可产生光致发光现象。材料I和2的表面形貌与材料3相同。将材料1-3分别在UMT-2型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验在IN载荷下，GCr15钢球对摩条件下，测得平均摩擦系数为O. 13,0. 135和O. 14。其中材料3和表面未镀有ZnO薄膜的铝片(简称为基体，下同)的摩擦系数随时间的变化曲线见图2。从图2中可以看出，铝片表面镀上ZnO薄膜后，摩擦系数减小，耐磨性能好，使用寿命延长。用电镜观察材料3及基体进行摩擦磨损试验后的表面形貌，结果见图3。从图3可以看出，材料3与基体相比,其磨痕浅,磨损量不明显。材料I和2的摩擦磨损实验结果同材料2. 对磨损前后的材料3采用350nm紫外激光(Labram HR800激光拉曼光谱仪)激发，得到了图4。从图4可以看出，ZnO薄膜随着磨损的进行，显示出不同的发光信号，可见光区绿光和红光仍然存在，但绿光有所减弱，便于对磨损状况进行视觉观本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在金属材料表面镀ZnO薄膜的方法，包括如下步骤：(1)?将金属材料进行表面抛光处理和清洗；（2）将清洗后的金属材料放入磁控溅射炉内，利用氧化锌靶材在金属材料表面沉积ZnO薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种在金属材料表面镀ZnO薄膜的方法，包括如下步骤(1)将金属材料进行表面抛光处理和清洗；(2)将清洗后的金属材料放入磁控溅射炉内，利用氧化锌靶材在金属材料表面沉积ZnO薄膜。2.根据权利要求1所述在金属材料表面镀ZnO薄膜的方法，其特征在于步骤(2)利用氧化锌靶材在金属材料表面沉积ZnO薄膜的具体方法为将氧化锌置于靶位，金属材料与氧化锌的极间距为3-5 cm ;将磁控溅射炉抽真空至真空度为1. OX 10_4Pa-5. OX 10_4Pa，充入氩气至压强为1-10 Pa，对金属材料表面进行清洗和活化；充入氧气和氩气的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红艳，赵浩峰，谢爱根，姚义俊，刘斌，徐佳，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：