[发明专利]一种基于钛金属表面的纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于钛金属表面制备纳米复合材料的方法，具体说，是涉及一种使用阳极氧化技术和等离子体浸没离子注入和沉积技术复合工艺在钛金属表面制备具有纳米中空锥形阵列结构的石墨/氧化钛复合薄膜的方法，属于纳米材料制备和金属材料表面改性技术领域。

背景技术

氧化钛材料因为具有优良的抗腐蚀性，生物相容性，优异的电学和半导体特性在材料保护，生物医学，半导体器件和光催化，环境保护等诸多领域得到广泛的研究和应用。氧化钛纳米管薄膜材料既具有材料本身的功能性，又具有纳米尺度的管状几何结构，同时具有性能各向异性，制备简单等特点，使其作为一类新的功能型纳米薄膜材料深化和拓宽在各领域的研究和应用。

阳极氧化技术由于廉价的设备，简单可控的工艺等优点广泛用于金属材料表面修饰和改性。Zwilling (Surface and Interface Analysis 1999，27(7)：629-637.) 等人发现含氟电解液中钛基材阳极氧化可以在其表面原位氧化生成纳米多孔氧化钛薄膜，使得阳极氧化技术成为基于钛基材表面原位氧化生成纳米氧化钛薄膜材料的主要技术手段。通过一系列的工艺参数调整，可以实现钛金属表面的规则氧化钛纳米管阵列薄膜的制备。

等离子体浸没离子注入及沉积（Plasma immersion ion implantation and deposition，PIII&D）技术是近年来得到广泛应用的一种新型表面改性手段，其基本原理是产生的低温等离子体浸没待处理样品，通过外界偏压设定在样品表面实现高能量的离子注入，利用注入离子的扩散和能量凝聚作用方便地实现样品表面成分多元素的复合和表面纳米结构的生成。Lifshitz等人研究表明高能量离子注入利于表面纳米晶粒的形核(Science 2002, 297(5586)：1531-1533.)。与其它表面改性技术比较，等离子体浸没离子注入具有独特的优点：离子注入过程是非热平衡过程，不受冶金学规律的限制，可以实现大多数离子的注入对样品表面进行改性和修饰；同时离子注入过程是瞬时加热过程，不会引发材料内部结构、成分和外部形状的变化；此外，PIII&D技术具有高反应活性和全方位的特点，能够有效地对异型材料进行均匀的离子注入和沉积，适合具有复杂形状的材料的注入过程，克服了传统离子注入技术只能进行“视线注入”的缺点。

然而氧化钛纳米管薄膜材料的材料体系的单一组成和结构特征仍不能满足新的功能设计需求。因此，为了解决现有技术中钛金属表面原位氧化生成的纳米氧化钛薄膜材料成分和结构组成单一的问题，如何实现材料体系的纳米化，复合化以实现其功能化是新材料设计和制备中的关键问题。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明旨在通过能够同时实现结构上纳米尺度特殊结构设计和组成上纳米晶粒复合材料制备的复合工艺，提供一种基于钛金属表面制备具有纳米中空锥形阵列结构的石墨/氧化钛复合薄膜的方法。

本发明提供一种基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，具备以下步骤：对钛金属表面的规则氧化钛纳米管阵列薄膜进行碳等离子体浸没离子注入和沉积处理工艺，以此在钛金属表面形成具有纳米中空锥形阵列的石墨/氧化钛复合薄膜。

在本发明中，较佳地在进行碳等离子体浸没离子注入或沉积处理时以高纯石墨为阴极。石墨作为实验用碳素来源，因其价格低廉和易于加工成形的特点得到广泛运用；高纯石墨具有高纯度特点，经脉冲离化后能形成均匀，高密度一价碳正离子等离子体。这种碳等离子体在磁场和电场的作用下具有简单的行为特征并具有可操控的特点，有利于表面碳锥形中空结构的成核和生长。

在本发明中，较佳地是在本底真空度为3.0×10^-3～5.0×10^-3Pa、注入电压为15~40kV、脉冲频率为5~9Hz、脉宽为200~500μs、注入时间为30~120分钟的工艺条件下，利用所述等离子体浸没离子注入处理工艺对钛金属表层的规则氧化钛纳米管阵列薄膜进入碳离子注入。这样，可以使碳沉积在纳米管口，获得含碳的氧化钛纳米管薄膜。

所述等离子体浸没离子沉积处理工艺优选在本底真空度为3.0×10^-3～5.0×10^-3Pa、脉冲电压为200～600V、脉冲频率为5~9Hz、脉宽为1000～4000μs、占空比为10%~30%、沉积时间为30～120分钟的工艺条件下进行。