專利名稱：一種硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，屬于在金屬表面處理技術領域。
背景技術：
從1972年發現半導體二氧化鈦在紫外光照射下將水分解成氫和氧氣以來，二氧化鈦光催化與光電化學的研究一直十分活躍，被廣泛應用于光電轉換太陽能電池的開發、氣體傳感器、太陽能分解水制氫氣、污水及廢氣的光催化降解、光催化殺菌、自清潔及防霧等多個方面。二氧化鈦成本低、無二次污染、性能穩定，且利用太陽光就能驅動光催化反應進行。但是，TiO2的禁帶寬度較大(Eg=3.0 3.2Ev)，只能被400nm以下的紫外光激活，對可見光的吸收差，極大地限制了其 應用范圍。通常采用摻雜金屬或非金屬的方式增加其可見光活性，目前報道的有非金屬如C，N, S，B等元素的摻雜以及Fe，Cr, Sb和稀土元素以及其他多種金屬元素的摻雜等，但負載型TiO2光催化劑研究多集中在以玻璃、硅片和陶瓷為基底，而玻璃、陶瓷板易破碎，不易二次加工，限制了其應用。現有技術對滲鍍后處理為:將滲渡后的金屬工件放在馬弗爐中處理，直接利用空氣中的氧氣或通入氧氣與金屬基體工件表面的硼化鈦薄膜發生反應，而這種技術在大批量生產時因為工件溫度高，人工運輸不方便，機械運輸成本高，只能在工件冷卻到室溫時，再進行處理，而且要增加馬弗爐這種設備，增加了成本，延長了生產時間。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種工藝簡單，生產成本低，適合批量生產的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法。本發明采用雙層輝光離子滲金屬技術的工作原理，用化合物二硼化鈦取代現有技術中的金屬材質制成源極，直接在金屬工件表面形成由二硼化鈦化合物層和T1-B合金滲層構成的改性層。再將金屬工件與氧氣發生反應，控制加熱溫度在適當范圍，則可在基體表面生成具有硼摻雜TiO2薄膜。本發明解決上述技術問題的技術方案如下:一種硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，包括以下步驟:1)在雙層輝光離子滲金屬爐中，將固態化合物二硼化鈦固定在源極上，金屬工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地；2)將所述雙層輝光離子滲金屬爐內部抽至極限真空，爐內充入氬氣，使氣壓維持在15 18Pa之間,加陰極電壓至500V 600V,使金屬工件進行第一次升溫,升溫后對金屬工件表面進行離子轟擊，以達到清洗和活化金屬工件表面的目的；控制調節通入流量比為1:1的氬氣和氧氣的混合氣體，使氣壓維持在35 45Pa之間，然后再調節陰極電壓，同時接通源極電源，在源極與陽極間施加直流電壓，在源極電壓為-900 -1100V的條件下，使金屬工件進行第二次升溫，然后在保溫條件下進行等離子滲鍍鈦硼，保溫后再冷卻到室溫，即得到所述硼摻雜二氧化鈦薄膜。本發明的有益效果是:1、在雙層輝光離子滲金屬爐中，將固態化合物二硼化鈦固定在源極上，金屬工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地，進行滲鍍，本發明利用了雙層輝光離子滲金屬技術在金屬基體表面滲鍍硼化鈦膜，滲鍍膜層與基體間具有良好的結合強度。2、通入氬氣和氧氣的混合氣體，利用氧氣與金屬工件的滲鍍層發生反應，金屬工件不需要冷卻到室溫，也省去了馬弗爐這種設備，成本降低，制備時間縮短。3、氧氣與金屬基體工件表面滲鍍的T1、B發生反應形成B摻雜TiO2薄膜。B摻雜使TiO2的帶隙變寬，但由于其在TiO2的禁帶中引入了摻雜能級，降低了電子躍遷所需要吸收的光子能量，從而引起可見光的吸收。4、本發明中基體材料為金屬，具體為碳鋼或合金鋼，其加工容易，而且金屬材料各種加工技術均以成熟，容易二次加工。而且在金屬上制備兼有光催化和自清潔功能的硼摻雜二氧化鈦薄膜，可以極大地促進金屬在污水處理和空氣凈化領域的應用。本發明中升溫的具體方法:它是在一個真空容器內設置陽極、陰極(工件)，以及由欲滲合金元素組成的源極，而陽極和陰極以及陽極和源極之間各設一個直流可調壓電源。當真空室抽真空并充以惰性氣體達到一定工作氣壓后，接通兩個直流電源，使陽極和陰極以及陽極和源極之間分別產生輝光放電，此即雙層輝光放電現象。離子轟擊使源極濺射出合金元素并奔向金屬工件，而金屬工件經離子轟擊被加熱到高溫，合金元素借助于轟擊和擴散滲入金屬工件表面，從而形成含有欲滲金屬兀素的表面合金層。工作氣體中若充以適當反應氣體，則可在金屬工件表面形成金屬化合物改性層。在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。進一步，所述固態 化合物二硼化鈦是由二硼化鈦粉制成。進一步，所述固態化合物二硼化鈦的形狀為板狀、柱狀或筒狀中的任意一種或幾種。進一步，所述金屬工件為具有T1、B固溶度的金屬固體材料。優選為鐵素體不銹鋼或奧氏體不銹鋼。所述鐵素體不銹鋼為在使用狀態下以鐵素體組織為主的不銹鋼。含鉻量在11% 30%，具有體心立方晶體結構。這類鋼一般不含鎳，有時還含有少量的Mo、T1、Nb等元素，這類鋼具有導熱系數大，膨脹系數小、抗氧化性好、抗應力腐蝕優良等特點。奧氏體不銹鋼，是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中含Cr約18%、Ni8% 10%、C約0.1%時，具有穩定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、S1、Nb、Ti等元素發展起來的高Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性。進一步，在步驟2)中，所述極限真空為IXKT1Pat5進一步，所述金屬工件進行第一次升溫后的溫度為400 600°C ;所述進行離子轟擊的時間為20 40min。進一步，所述調節陰極電壓后的電壓范圍為-350 -550V。進一步，所述金屬工件進行第二次升溫后的溫度為900 1000°C。進一步，所述保溫的時間為I 5小時。
具體實施例方式以下對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。一種硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，包括以下步驟:I)在雙層輝光離子滲金屬爐中，將固態化合物二硼化鈦固定在源極上，金屬工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地。2)然后將所述雙層輝光離子滲金屬爐內部抽至極限真空為IX KT1Pa,爐內充入氬氣，使氣壓維持在15 18Pa之間，加陰極電壓至500V 600V，使金屬工件進行第一次升溫，當金屬工件溫度升至400 600°C時，進行離子轟擊20 40min。控制調節通入流量比為1:1的通入氬氣和氧氣的混合氣體，使氣壓維持在35 45Pa之間，然后再將陰極電壓調至-350 -550V，同時接通源極電源，在源極與陽極間加直流電壓，在源極電壓為-900 -1100V的條件下，使金屬工件進行第二次升溫，升溫到900 KKKTC下進行等離子滲鍍鈦硼，并保溫I 5小時，保溫后再冷卻到室溫，即得到所述硼摻雜二氧化鈦薄膜。以下通過幾個具體的實施例以具體說明本發明。實施例1:在lCrl7型鐵素體不銹鋼表面滲鍍硼摻雜二氧化鈦薄膜:將TiB2粉壓制成板狀后固定在源極上，lCrl7工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地。將雙層輝光離子滲金屬爐內部抽真空至真空度為I X KT1Pa后，爐內充入氬氣，使氣壓維持在15 18Pa之間，加陰極電壓至500V，當金屬工件溫度升至600°C時，進行離子轟擊30min。 控制調節通入流量為20mL/min的気氣和20mL/min的氧氣的混合氣體,使工作氣壓維持在35 45Pa之間，然后再將陰極電壓調至-450V，同時接通源極電源，在陽極與源極間加直流電壓，使源極電壓為-1000V，繼續使金屬工件升溫，升溫至950°C進行等離子滲鍍鈦硼，并保溫5小時后，斷開源極與陰極電源，使金屬工件冷卻到室溫，在lCrl7型鐵素體不銹鋼表面形成硼摻雜二氧化鈦薄膜。實施例2在OCr 18Ni9型奧氏體不銹鋼工件表面滲鍍硼摻雜二氧化鈦薄膜:將TiB2粉壓制成柱狀后固定在源極上，0Crl8Ni9工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地。將雙層輝光離子滲金屬爐內部抽真空至真空度為I X KT1Pa后，爐內充入氬氣，使氣壓維持在15 18Pa之間，加陰極電壓至600V，當金屬工件溫度升至400°C時，進行離子轟擊30min。控制調節通入流量為30mL/min的IS氣和30mL/min的氧氣的混合氣體,使工作氣壓維持在35 45Pa之間，然后再將陰極電壓調至-400V，同時接通源極電源，在陽極與源極間加直流電壓，使源極電壓為-900V，繼續使工件升溫，升溫至1000°C進行等離子滲鍍鈦硼，并保溫3小時后，斷開源極與陰極電源，使工件緩冷到室溫，在0Crl8Ni9型奧氏體不銹鋼表面形成硼摻雜二氧化鈦薄膜。實施例3
在雙層輝光離子滲金屬爐中，將TiB2粉壓制成筒狀后固定在源極上，金屬工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地。將雙層輝光離子滲金屬爐內部抽真空至真空度為I X KT1Pa,爐內充入氬氣，使氣壓維持在15 18Pa之間，加陰極電壓至550V，當金屬工件溫度升至400°C時，進行離子轟擊 20min。控制調節通入流量為15mL/min的IS氣和15mL/min的氧氣的混合氣體,使工作氣壓維持在35 45Pa之間，然后再將陰極電壓調至-350V，同時接通源極電源，在源極與陽極間加直流電壓，在源極電壓為-900V的條件下，繼續使金屬工件升溫，升溫到900°C下進行等離子滲鍍鈦硼，并保溫I小時后，斷開源極與陰極電源，使金屬工件冷卻到室溫，即得到所述硼摻雜二氧化鈦薄膜。實施例41)在雙層輝光離子滲金屬爐中，將固態化合物二硼化鈦固定在源極上，金屬工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地。2)將雙層輝光離子滲金屬爐內部抽真空至真空度為I X KT1Pa,爐內充入氬氣，使氣壓維持在15 18Pa之間，加陰極電壓至600V，當金屬工件溫度升至500°C時，進行離子轟擊40mino控制調節通入流量為25mL/min的IS氣和25mL/min的氧氣的混合氣體,使工作氣壓維持在35 45Pa之間，然后再將陰極電壓調至-550V，同時接通源極電源，在源極與陽極間加直流電壓，在源極電壓為-1100V的條件下，繼續使金屬工件升溫，升溫到1000°C下進行等離子滲鍍鈦硼，并保 溫4小時后，斷開源極與陰極電源，使金屬工件冷卻到室溫，即得到所述硼摻雜二氧化鈦薄膜。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)在雙層輝光離子滲金屬爐中，將固態化合物二硼化鈦固定在源極上，金屬工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地； 2)然后將所述雙層輝光離子滲金屬爐內部抽至極限真空，爐內充入氬氣，使氣壓維持在15 18Pa之間,加陰極電壓至500V 600V,使金屬工件進行第一次升溫,升溫后對金屬工件表面進行離子轟擊；控制調節通入流量比為1:1的氬氣和氧氣的混合氣體，使氣壓維持在35 45Pa之間，然后再調節陰極電壓，同時接通源極電源，在源極與陽極間施加直流電壓，在源極電壓為-90 0 -1100V的條件下，使金屬工件進行第二次升溫，然后在保溫條件下進行等離子滲鍍鈦硼，保溫后再冷卻到室溫，即得到所述硼摻雜二氧化鈦薄膜。
2.根據權利要求1所述的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述固態化合物二硼化鈦是由二硼化鈦粉制成。
3.根據權利要求2所述的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述固態化合物二硼化鈦的形狀為板狀、柱狀或筒狀中的任意一種。
4.根據權利要求1所述的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述金屬工件為具有T1、B固溶度的金屬固體材料。
5.根據權利要求4所述的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述金屬工件為鐵素體不銹鋼或奧氏體不銹鋼。
6.根據權利要求1至5任一項所述的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，所述極限真空為IXlO-1Pa15
7.根據權利要求1至5任一項所述的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述金屬工件進行第一次升溫后的溫度為400 600°C ;所述進行離子轟擊的時間為20 40mino
8.根據權利要求1至5任一項所述的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述調節陰極電壓后的電壓范圍為-350 -550V。
9.根據權利要求1至5任一項所述的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述金屬工件進行第二次升溫后的溫度為900 1000°C。
10.根據權利要求1至5任一項所述的硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，所述保溫的時間為I 5小時。
全文摘要
本發明涉及一種硼摻雜二氧化鈦薄膜的制備方法，包括以下步驟1)在雙層輝光離子滲金屬爐中，將固態化合物二硼化鈦固定在源極上，金屬工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上并接地；2)將所述雙層輝光離子滲金屬爐內部抽真空，充入氬氣，然后接通陰極電源，在陽極與陰極間施加直流電壓，并使金屬工件進行第一次升溫，升溫后進行離子轟擊；控制調節通入氬氣和氧氣的混合氣體，然后再調節陰極電壓，同時接通源極電源，在源極與陽極間加直流電壓，在源極電壓為-900～-1100V的條件下，使金屬工件進行第二次升溫，然后進行等離子滲鍍Ti、B并與O2反應，然后再進行保溫，保溫后再冷卻到室溫，即可。本發明工藝簡單，生產成本低。
文檔編號C23C12/02GK103088286SQ20131001429
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者王鶴峰, 李詠梅, 黃曉波, 張瑩, 李秀燕, 唐賓 申請人:太原理工大學