[发明专利]一种氮化镓/氧化铝纳米复合耐蚀涂层的制备方法

说明书

一种氮化镓/氧化铝纳米复合耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）PE‑ALD工作腔准备；（2）氮化镓/氧化铝纳米复合耐蚀涂层的制备；（3）PE‑ALD工作腔还原。本发明利用原子层外延技术制备得到的氮化镓/氧化铝纳米复合耐蚀涂层，可在任意形状表面（二维或三维）形成化学计量比精确、覆盖性好、薄膜厚度精准的纳米涂层，工艺重复稳定性好。涂层材料对人体无毒、无害，可提高金属耐蚀性，特别是对镁、锌等活泼金属。

技术领域

本发明属于表面改性处理技术，特别涉及金属材料的耐蚀性涂层设计、制备。

背景技术

金属材料由于具有优良的工艺性能和使用性能，同时又有很多良好的特性，例如，导电性、导热性、强度、韧性、耐磨性等，因此广泛地应用于国民经济各大部门中，但是未经特殊处理的金属材料在自然条件下、腐蚀介质环境下常发生腐蚀，如：在空气中钢铁制件表面生成铁锈、铜器表面生成铜绿、铝制品表面出现白色粉末；地下使用的金属管道出现腐蚀穿孔、发电厂热力设备出现锅炉爆管、热汽器管穿孔等。金属材料遭受腐蚀后，在外形、色泽，以及机械性能等方面都将发生变化，严重时将不能继续使用，甚至造成设备事故和人员伤亡。金属防腐技术是关乎国计民生的重要问题。目前金属的防腐蚀设计主要从以下几个方面展开：（1）通过金属成分设计和热处理，使得金属在介质中腐蚀速度很小或根本不腐蚀；（2）改善金属使用环境，如降温、降湿、降pH、降低溶液条件下侵蚀离子浓度如Cl^-；（3）改变金属在E-pH 图的相对位置，使它处的免腐蚀区（即阴极保护，如:钢外接锌锭）；（4）进行表面改性，在金属表面形成各类金属、陶瓷、有机物或复合材料的耐蚀层。其中在金属表面改性相比其他防腐设计思路而言，实现更为容易，成本也较低。

实施金属表面改性防腐时，根据耐蚀层的种类不同，采用不同工艺。有机耐蚀层常采用涂漆、静电喷涂、电泳等技术[Hu R G, Zhang S, Bu J F, et al. Progress inOrganic Coatings, 2012,73:129-141]。金属耐蚀层则常采用电/化学镀[Liu J J, WangX D, et al. Applied surface science, 2015, 356: 289-293］、冷喷涂[Xiong Y M,Zhang M X. Surface &Coatings Technology, 2014, 253: 89-95]、溅射[李忠厚，郭腾腾，宫学博, 等. 表面技术,2014, 43( 6) :121-124]、高能束流表面熔覆等技术[Zhu RD, Li Z Y, et al. Applied Surface Science, 2015, 353: 405-413]。陶瓷层则采用微弧氧化、阳极氧化、化学转化、碱热处理等[任林昌, 产业与科技论坛, 2014,(021): 60-61]。然而现有的表面改性技术仍有一定局限性，如：弧氧化技术可生成陶瓷层保护层但微弧氧化过程中电解液温度上升较快容易造成薄膜多孔；化学转化主要是铬化和磷化，其中铬化污染环境及对人体有害，磷化较常见但效果不如铬化；阳极氧化使用时对环境、设备要求苛刻；激光熔覆则熔覆材料极有限；化学转化薄膜结合性较差易脱；热喷则引起金属的相变。且表面改性的技术一般只能适应一种或几种耐蚀涂层的制备；耐蚀层的厚度均匀性、组分控制精确性、致密性差；难以生成三维性台阶覆盖层。此外，用于活泼金属如镁、锌等，还存在制备时表面已产生气泡，涂层与金属界面结合不良等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种氮化镓/氧化铝纳米复合耐蚀涂层的制备方法。涂层采用原子层外延技术制备（atomic layer deposition, ALD），利用表面反应的自限性（化学吸附自限制性和顺次反应自限性），在任意形状表面（二维或三维）形成化学计量比精确、覆盖性好、薄膜厚度精准的纳米涂层，工艺重复稳定性好。涂层材料对人体无毒、无害，可用于提高金属耐蚀性，特别是活泼金属如镁、锌的耐蚀性能

本发明是通过以下技术方案实现。

本发明的所需装置为等离子体增强原子层沉积系统（PE-ALD）设备。