[发明专利]一种碳纳米纤维增强镍基复合涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及新型防护涂层技术领域，提供了一种碳纳米纤维增强镍基复合涂层及其制备方法。本发明采用磁控溅射技术，在甲烷和氩气存在的条件下，以镍靶和碳靶为靶材对衬底进行溅射镀膜，镍原子、碳原子和碳氢化合物融混形成等离子体，利用金属镍对C‑H和C‑C键具有高度催化能力的特性，以及氢原子对碳原子石墨化生长的促进作用，使镍原子周围的碳原子原位自组装生长为碳纳米纤维，从而使碳纳米纤维均匀分布在镍基涂层中。本发明提供的制备方法工艺简单、成本低、重复性高、产率高、可大批量工业生产。以本发明的复合涂层作为材料的防护涂层，能够显著提高材料硬度、降低材料摩擦系数、提升材料的耐磨损性能，从而大大提升材料的应用范围。

技术领域

本发明涉及新型防护涂层技术领域，尤其涉及一种碳纳米纤维增强镍基复合涂层及其制备方法。

背景技术

碳纳米纤维(CNT)具有高强度、高模量、高断裂韧性、耐腐蚀、抗热震性、低密度、大纵横比、高导电和高导热的性能，还具有出色的光学性能及储氢性能。碳纳米纤维特殊的结构和性能，使其成为理想的复合材料增强相，在高分子、陶瓷、金属基复合材料领域有广泛应用。CNT作为理想的复合材料增强体，目前各国学者也开展了大量的碳纳米纤维增强金属基复合材料的研究。例如：具有多孔结构的Sn/CNT表现出更稳定的电化学性能；Cu/CNT复合材料由于具有高的导电性和导热性、优异的耐磨性和较小的热膨胀系数，被广泛用于半导体器件的电接触材料和基底；在Cu-Ni/CNF纳米复合材料中，由于Cu、Ni的协同作用对H₂O₂表现出良好的电催化作用；Fe-Ni/CNT作为催化剂在焦油去除率高达85.75％的同时表现出优异的循环稳定性。

目前，通常是通过粉末冶金、扩散结合、压力渗透等方式将一维的碳纳米纤维引入到金属基材料中，通过融混来实现材料的复合，从而得到碳纳米纤维增强金属基复合材料。然而，碳纳米纤维和金属基材料采用单一融混方式进行复合，工艺路线相对较长，且很难保证碳纳米纤维均匀的分布到金属基体中，同时在高温热压过程中伴随着碳纳米纤维与基体之间的界面反应，使得碳纳米纤维增强金属基复合材料的性能受到一定影响。

目前，涂层防护已广泛应用于航天航天、汽车工业、化工纺织、医学等领域，当复合材料低维涂层化的时候碳纳米纤维和金属基材料的单一融混方式将不再适用。碳纳米纤维在金属基材料内部的原位自组装生长方式可以避免碳纳米纤维在引入、分散和纯化过程中的损坏以及对基体界面的破坏，进而能够保证复合材料的优异性能，但是，目前并没有合适的方法能够实现碳纳米纤维在金属基材料内部的原位自组装生长。

金属镍基复合材料具有高塑形、高损伤容限、易成型、轻质、高刚度，抗蠕变、抗疲劳、耐腐蚀、在高温下能够保持高强度的特性，可广泛的作为金属基复合材料的基体。如果能找到一种方法使碳纳米纤维在镍基体涂层内实现原位自组装生长并均匀分布于其中，那么将会极大促进碳纳米纤维在涂层领域中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种碳纳米纤维增强镍基复合涂层及其制备方法。本发明提供的方法利用金属镍进行原位催化，使碳原子原位自组装生长为碳纳米纤维并均匀分布于镍基涂层中，以本发明的复合涂层作为防护涂层，能够显著提高材料硬度、降低材料摩擦系数、提升材料的耐磨损性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种碳纳米纤维增强镍基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：采用磁控溅射技术，在甲烷和氩气存在的条件下，以镍靶和碳靶为靶材对衬底进行溅射镀膜，溅射过程中镍原子周围的碳原子原位自组装生长为碳纳米纤维，在衬底表面得到碳纳米纤维增强镍基复合涂层。

优选的，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将衬底放入磁控溅射装置的镀膜室中，将镍靶和碳靶安装到溅射装置的靶位上，调节靶基距和沉积倾角后对腔体抽真空；

(2)打开衬底自转，将衬底温度升至溅射温度，然后通入氩气和甲烷，开始进行磁控溅射，溅射完成后，在衬底表面得到碳纳米纤维增强镍基复合涂层。