[发明专利]制备金属碳化物薄膜及其复合薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属碳化物及其复合薄膜的制备方法，更具体地涉及一种制备金属碳化物薄膜及其复合薄膜的方法。

背景技术

金属碳化物具有超强硬度、高温稳定性、低的电阻值以及高抗腐蚀和抗氧化性。例如：碳化钛(TiC)具有超强硬度、高的杨氏模量、低的摩擦系数和优良的抗氧化性。碳化铌(NbC)也具有高硬度、超高的熔点(3600 K)、超导性质(转变温度约11 K)。这些性质使得金属碳化物在光学涂层、钝化层、高温电子材料等领域具备广泛的应用前景。金属碳化物还可以用于火箭喷嘴、光学涂层、电子接触材料、扩散阻挡层、钻头、切削工具以及高尔夫钉鞋等等。

在很多应用领域，需要将金属碳化物制备成薄膜。目前，金属碳化物薄膜可以使用各种物理和化学沉积技术制备。其中的物理沉积技术包括脉冲激光沉积、反应激光熔蚀、超高真空溅射沉积、大电流放电等离子体电弧沉积以及超高真空系统的共蒸发技术。例如：化学气相沉积(CVD)、电子束沉积(EBD)和离子束辅助沉积已经被用于沉积NbC和TiC薄膜。

发明内容

1、本发明的目的。

本发明为了满足对强硬度、稳定性要求较高，并且具有高的抗腐蚀和抗氧化性要求较高现有技术领域，而提出了一种制备金属碳化物薄膜及其复合薄膜的方法。

2、本发明所采用的技术方案。

制备金属碳化物薄膜及其复合薄膜的方法，包括含有水溶性金属前驱体、水溶性聚合物和适当溶剂的均一涂敷溶液沉积于基底，形成水溶性金属前驱体的金属碳化物的金属包括钪、钇、钛、锆、铪、钒、钽、铬、钼、钨、硼、铝、硅、镧系和锕系中的一种或者几种，水溶性聚合物为分子量高于30000 g/mol的聚乙烯亚胺及其衍生物，溶解聚合物的溶剂为水、低级醇类、丙酮、碳酸丙烯酯、四氢呋喃、乙腈、乙酸以及它们的混合物中的一种或几种；

具体制备过程如下：

步骤a 制备涂敷溶液；

步骤b使用带有超滤膜的Amicon超滤系统将含有金属和聚乙烯亚胺的前驱体溶液进行过滤来除去分子量小于3000 g/mol的杂质；

步骤c 将涂敷溶液选择喷雾、浸渍、旋涂、喷墨或打印中的一种方法沉积在基底上；

步骤d 将含有涂敷溶液的基底置于含有碳源的还原气250-1300 ^oC的高温下进行处理，加热时间的长短则根据需要沉积的薄膜厚度而定，溶剂挥发且聚合物分解，待聚合物分解完全后，碳源气分解且在基底上形成金属碳化物薄膜。

优选的，在所述的步骤c之前，将沉积涂敷溶液的基底在50-150 ^oC下加热干燥15分钟至1小时。

更进一步，在涂敷溶液中加入添加剂纳米纤维。

更进一步，所述的步骤d中基底放入含有内置气和氩气的还原气中多次加热退火挥发溶剂除去聚合物，再将含有碳源的气体加入到还原气中，多次加热在基底上形成金属碳化物薄膜后，停止碳源气体的供应，再多次加热此含有金属碳化物薄膜的基底完成退火处理。

更进一步，所述的步骤d中，将基底置于合成气的还原气的气氛下加热处理，其中，合成气是由90-99%的氩气和1-10%的氢气组成，加热过程一直持续到溶剂挥发和聚合物分解后，引入碳源，再升高温度以至于碳源气和金属反应来生长金属碳化物，聚合物分解后，在更高温度下进行退火。

更进一步，将金属和聚合物的涂敷溶液沉积在基底以后，再将基底置于含有合成气和碳源气的还原气的气氛下进行加热处理。

更进一步，将金属和聚合物的涂敷溶液沉积在基底以后，再将基底置于不含有氢气或其它惰性气体的碳源气的还原气的气氛下进行加热处理。

更进一步，在所述的步骤c之前，加热之初就将已经涂敷了涂敷溶液的基底置于氢气和氩气、氦气、氮气中一种或几种的合成还原气中。

氢气可以被替代，如含碳的还原气包括氨气、甲醛、一氧化碳和甲酸，碳源气包括烃类、醇类。

3、本发明的有益效果。

本发明在基底上直接制备高质量的金属碳化物及其复合薄膜，具有高度结晶、低缺陷、硬度和杨氏模量高等优点。另外，金属碳化物/碳纳米管复合薄膜也具有高度有序的结构和优良的超导性能。这种聚合物辅助沉积制备金属碳化物及其复合薄膜的的方法简单易行，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例8生长于蓝宝石c晶面的碳化钛薄膜的X-射线衍射(XRD)图的q-2q扫描显示了对应于蓝宝石基底的薄膜排列。