[发明专利]一种具有抗氧化特性的高熵硅化物薄膜的原位合成方法

说明书

本发明提供了一种具有抗氧化特性的高熵硅化物薄膜的原位合成方法。步骤如下：将Ti，Nb，Mo，W，Al，Zr，Cr，Ta，V多元素靶材切割组合成溅射靶材1，将Si靶材组成溅射靶材2，将溅射靶材1与DC直流电源相连，溅射靶材2与RF射频电源相连，预溅射后采用共溅射的方法沉积多组元非晶硅化物薄膜；将得到的多组元非晶硅化物薄膜置于快速退火炉中，煅烧得到高熵硅化物薄膜。多组元非晶硅化物薄膜在高温下原位自转变形成均匀致密的高熵硅化物，具有良好的抗氧化效果。高的混合熵增强了元素间的互溶性，抑制了单独化合物的形成。并且结合多种金属与硅形成的高熵硅化物能阻止氧的内扩散进而减缓氧化腐蚀的速率。

技术领域

本发明涉及防护涂层领域，具体涉及种具有抗氧化特性的高熵硅化物薄膜的原位合成方法。

背景技术

高熵合金（HEA）与传统工程合金相比，HEA没有主要元素，其合金成分比例较为均匀，通常由五种或五种以上等原子或近等原子浓度的主要金属成分组成。许多HEA倾向于形成简单的面心立方（fcc）和/或体心立方（bcc）型固溶体相，这一事实通常归因于其高混合熵，其抑制了金属间化合物或其他平衡相的形成。这种高熵合金熵值较高，具有熵稳定特性，高熵合金具有一些优异的性能，包括：高延展性和硬度；良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性；和异常高的微观结构稳定性。

金属硅化物作为一大类材料，由于其优异的高温抗氧化性、导电性和导热性，在高温抗氧化涂层等功能材料方面得到了广泛的研究。例如，二硅化钼（MoSi₂）被广泛用作工业中温度达到1800℃的电阻加热元件。MoSi₂氧化在一定温度范围内存在 “虫害”现象。高熵硅化物（HES）更是具有低导热系数、优异的抗氧化性、良好的耐腐蚀性等优点，这在很大程度上取决于HES的组成和结构。目前高熵硅化物陶瓷材料相关报道较少，用的方法大多是激光等离子体烧结技术，成本较高，且粉末加工容易氧污染，存在一定的杂质，难以去除。尚未有关于高熵硅化物涂层的报道。

远源等离子体溅射系统是一种新型、低成本、高效率、高质量镀膜技术，与基底结合力较强，薄膜均匀平整，成分可以精确调控。与其他镀膜技术比较，远源等离子体溅射系统的优势在于：(1)与传统磁控溅射相比，不会出现“刻蚀跑道”的现象，提高靶材利用率的同时也杜绝了因靶材中毒造成靶材废掉的现象，(2)由于磁控溅射是通过永久磁铁来提供磁场，如果使用带有磁性的靶材，存在磁屏蔽效果，而远源离子体溅射技术是利用电磁铁产生的磁场，不会受到磁性材料的影响，从而提高靶材利用率。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种具有抗氧化特性的高熵硅化物薄膜的原位合成方法。涂层制备采用远源等离子体溅射系统（HiTUS），该技术制备的涂层成分均匀、结构致密、膜基结合力好。此外，本发明制备的多组元非晶硅化物涂层具有优异的抗氧化性及良好的耐腐蚀性能，可应用于抗腐蚀器件的包壳材料，提高使用寿命。

实现本发明的技术方案是：

一种具有抗氧化特性的高熵硅化物薄膜的原位合成方法，所述防护薄膜在初始状态为多组元非晶硅化物结构，薄膜的厚度范围为500-2000nm。

所述多组元非晶硅化物防护薄膜在热驱动下，原位自转变为高熵硅化物薄膜。

所述的高熵硅化物薄膜的制备方法，步骤如下：

（1）多组元非晶硅化物的制备

选用纯Ti，纯Nb，纯Mo，纯W，纯Al，纯Zr，纯Cr，纯Ta，纯V，纯Si靶材作为溅射靶材；靶材的厚度为2-8mm，直径大小为3英寸，靶材成分为99.999%；

衬底清洗：采用单晶硅片作为镀膜基底，抛光的基底依次用丙酮、酒精、以及去离子水进行超声处理20分钟，然后用高纯氮气气枪吹干备用。