[发明专利]钛基掺硼金刚石涂层电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐腐蚀电极的制备方法，尤其是一种成本相对较底的掺硼金刚石（BDD）涂层电极的制造方法，具体地说是一种以纯钛作为基材的低成本的钛基掺硼金刚石涂层电极的制备方法。

背景技术

众所周知，掺硼金刚石（Boron doped diamond，简称BDD）具有良好的导电性、宽的电势窗口、小的背景电流、高的电化学稳定性以及抗腐蚀等诸多优异的特性，BDD电极在污水处理领域具有广阔的应用前景。

制备性能优异的BDD涂层涉及到基底材料、掺硼方式的选择，基底预处理方案，CVD工艺参数的优化以及膜基结合力的控制等多种技术。对于工业用级BDD电极，国外已有成熟的技术和产品，如Diachem BDD电极等；国内关于BDD电极也有广泛的研究，但产品都处于实验室阶段，制备大面积以及结合性能和电化学性能优异的工业用级BDD涂层电极技术成为工业界的迫切需要。

钛比强度高，热膨胀系数小，钛具有良好耐腐蚀性，电解过程中，钛阳极表面会很快生成一层致密的强附着力的惰性氧化膜，很快钝化，即使经过机械磨损也能很快自愈或重新再生。在用BDD电极进行污水处理时，即使电极表面涂层有所破损，钝化的钛基底材也不会影响电极的整体工作性能。

使用钛作为沉积掺硼金刚石电极的衬底材料，主要是应用它的抗腐蚀性、机械稳定性的特点，但钛基金刚石涂层存在的主要问题是膜基结合性能较差，这制约了它的应用前景。而钛和铌或钽的结合性能优良，同时在铌或钽上沉积的金刚石结合性能相对优异，但铌和钽的价格要远高于钛。本发明提出的在钛上溅射过渡层制备BDD电极同时利用了钛的良好特性，解决了膜基结合性能问题，大大节约了BDD电极的成本。

发明内容

本发明的目的是针对利用钛作为电极时掺硼金刚石涂层与基材的结合性能较差易脱落的问题，发明一种通过增加过渡层来提高掺硼金刚石涂层与钛基底材结合力的钛基掺硼金刚石涂层电极的制备方法，它充分利用了钛良好的机械性能，耐腐蚀易钝化和成本较低的特点；磁控溅射技术成熟，基底与过渡层之间结合性能优异；同时利用铌或钽过渡层来改善涂层的结合性能。

本发明的技术方案是：

一种钛基掺硼金刚石涂层电极的制备方法，其特征是它包括以下步骤:

首先，用粒度为40微米(即W40)和10微米(即W10)的金相砂纸分别对作为基底材料1的纯钛板表面进行打磨各5-10分钟；

其次，将经过打磨的纯钛板置于酒精中超声清洗2-3次，每次10分钟，完成钝钛板的溅射预处理；

第三，将经过溅射预处理的钝钛板置于溅射装置中进行溅射，在钝钛板表面形成溅射过渡层2；

第四，将溅射有过渡层2的钝钛板放入摩尔浓度为5-10%的盐酸溶液中进行酸洗，控制酸洗温度为70-90℃；

第五，将酸洗过的钝钛板放入由0.2～1微米的金刚石粉末配制的酒精悬浊液中进行超声清洗至少30分钟，酒精悬浊液的浓度为1g/100ml，以便在溅射过渡层2上进行种晶；种晶结束后再用纯酒精进行超声清洗2-3次，每次2-4分钟，酒精超声清洗结束后再进行吹干处理，得到经过溅射过渡层2经过预处理的纯钛板；配置的酒精悬浊液的金刚石粉末的粒径最好由两个不同粒径的金刚石粉末组成；

第六，利用CVD法在上述经过预处理的溅射过渡层2上沉积掺硼金刚石，在溅射过渡层2上形成结合强度满足要求的掺硼金刚石层3。

所述的溅射工艺采用直流磁控溅射技术，溅射靶材为铌或钽，磁控溅射参数为：电流0.5～1.5A，电压100～140V，本底真空0.001～0.01Pa，工作气体为氩气，气压为0.4～1.5Pa，基底材料温度为400～600℃，溅射半径65mm，靶材与基体的距离12-14cm。

所述的CVD法沉积掺硼金刚石层的工艺参数为：热丝到衬底的距离6~8mm，热丝温度2500~2700℃，衬底温度700~900℃，碳源浓度0.5~2%，反应气压2~3kPa；掺硼方式为固体、液体或气体硼源掺杂，掺杂浓度为6000~10000ppm。

所述的溅射过渡层2的厚度为100~500nm，掺硼金刚石层3的厚度为5~10μm。

本发明的有益效果：

1)      成本较低，操作方便。

2)      机械性能和膜基结合性能优异。

3)      BDD电极电化学性能优异。

4)      大大节约了制备BDD电极的成本。

附图说明

图1是用本发明方法制备的BDD电极的Raman光谱图像。