一种惰性表面处理技术的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对工件表面进行惰性处理的惰性表面处理技术。
【背景技术】
[0002]大气污染物的采样和分析过程中使用的不锈钢金属采样罐(又称苏码罐，空气采样罐)，是环境监测和分析中必不可少的设备。采样罐是一种用于采集和存储气体样品的容器，通常为球形、长球形、或圆桶形，体积从0.5升到30升不等。采样罐一般以316或316L型不锈钢板为原材料，经压制和表面处理后焊接而成。为减少罐壁对气样中分析物的吸附性和降低对气样分解转化反应的催化活性，采样罐的内表面要经过特定的处理，使其具有高光洁度和惰性。早期的内表面处理技术是一种类似于电解抛光，称为苏码处理过程(SummaProcessing)的方法，因此采样罐又名苏码罐。后来，由于监测低浓度的环境空气样品的需要，对采样罐的内表面惰性要求大大提高，生产厂家开始在内表面加上一层以硅元素为主体的非金属层，以隔绝罐内储存的气样与金属表面之间的直接接触。这样生产出来的采样罐称为钝化苏码罐。美国联邦环保署的标准分析方法(如T0-14，T0-15等)中规定，钝化苏码罐是采集和分析环境空气样中低浓度挥发性有机物(VOCs)的必须设备。对有吸附活性的化合物(如硫，溴，汞，氨类化合物)及污染源样中的低浓度有毒有机物，环境监测界也默认必须使用钝化苏码罐作为采样设备。
[0003]近年来，随着社会经济和城市化的快速发展，中国的空气污染问题日趋严重。以大气细颗粒物(ΡΜ2.5)和挥发性有机污染物(VOCs)为代表的大气复合污染不断恶化，导致灰霾天气大范围频繁出现。一场场覆盖百万平方公里的雾霾，更使可持续性发展，建设生态文明的重要性和迫切性前所未有地突显出来。对大气环境的监测和治理已引起全社会的广泛关注。环境治理，监测先行。监测的目的，是通过对所采集到的气体进行实验分析，测定其中所含的有害成分及其含量，从而得出环境空气是否符合质量标准，或者污染源所排放气体是否需要进行无害化处理的结论。气体采样是大气环境监测的基本前期步骤，对监测结果的准确性影响重大。
[0004]监测空气中的挥发性有机污染物必须用钝化苏码罐，由于对罐壁内表面的光洁度和惰性有很高的要求，具有复杂的制造工艺。中国对空气中挥发性有机污染物(VOCs)的监测刚刚起步，尚无采样罐的生产技术，所用的采样罐至今全部依赖进口。而生产钝化采样罐的关键技术，即罐体内表面的钝化处理，除了一些关于钝化处理的效果测试报告之外，尚无公开的报道，国内对此项技术更是空白。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，提供一种惰性表面处理技术，该技术使工件表面完全覆盖惰硅层，尤其适合不锈钢气体采样罐的内表面处理，以改变不锈钢气体采样罐的原有表面性质，同时也适合多种其他有特定领域的工件。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种惰性表面处理技术，是一种化学气相沉积(Chemical Vapor Deposit1n, CVD)技术。具体是指在一定的温度和压力下(真空、低压和加热条件)，通过含硅元素的主反应气(如硅烷SiH4，二甲基硅烷(CH3)2SiH2，三甲基硅烷(CH3)3SiH,三甲基氯硅烷(CH3)3SiCl,三氯硅烷HCl3Si等等)的热分解反应或主反应气与副反应气(如氨气，氢气，氧气，乙稀，乙炔，丙烯等)之间的气相反应，在工件表面沉积一层含硅薄膜(主要成分为硅，二氧化硅，甲基硅，氮化硅等)，从而赋予工件表面一些特殊的功能的技术。
[0007]该技术包括以下步骤:
[0008](I)工件表面预处理，使呈现工件本身材质的洁净表面；
[0009](2)、抽真空:工件置入真空反应炉内，密封后抽真空至真空度为IPa或以下，可通高纯氮气然后抽出反复若干次用于清洗反应炉；
[0010](3)、工件预热:向真空炉内加入高纯氮气在1/2大气压附近，启动真空炉加热系统，将工件加热至预先设定的反应温度，该预先设定的反应温度为200°C -1200°C，优选为300°C _900°C，进一步优选为 300°C -600°C ；
[0011](4)、反应气加入:开启真空系统将炉内氮气抽出至炉内的真空度至IPa或以下后，加入主反应气，并使炉内最终气压在一个大气压以下，所述主反应气为含硅气体；
[0012](5)、气相反应:维持真空炉温度在步骤(3)所述反应温度，进行气相沉积反应0.5-8小时；
[0013](6)、停止真空炉加温/维温系统，使工件降温，同时开启真空栗，将炉内残余气体抽出至IPa或以下，为加速降温，可向炉内高纯氮气后抽出，且此过程可进行多次；
[0014](7)、对要求厚度较高的镀膜，重复步骤(2)-(6)若干次；
[0015](8)、工件温度降至80°C以下后，向炉内注入大致为一个大气压的高纯氮气，再开炉取出工件，注意在整个镀膜过程中，在工件加热状态下(工件温度80°C或以上)，炉体工件应与外界空气隔绝。
[0016]进一步地，步骤(I)所述预处理包括对工件表面进行酸洗、碱洗、溶剂洗或纯水洗中的一种或任意的组合，且对工件表面进行酸洗、碱洗、溶剂洗或纯水洗通过浸泡、电解、超声波、蒸气浴或淋洗中的一种或任意的组合进行。
[0017]进一步地，步骤⑵所述真空度为0.1Pa或以下。
[0018]进一步地，步骤(3)向真空炉内加入高纯氮气在300-400托。
[0019]进一步地，步骤(4)所述含硅气体为硅烷、二甲基硅烷、三甲基硅烷、三甲基氯硅烷或三氯硅烷。
[0020]进一步地，步骤(4)与主反应气混合加入有副反应气或在加入主反应气后加入副反应气，该副反应气为能与含硅气体之间产生气相反应的气体，为氨气、氢气、氧气、乙烯、乙炔或丙烯。
[0021]进一步地，步骤(4)所述炉内最终气压，即反应压力为10-500托，优选为50-500托，最优选为50-300托。
[0022]本发明中所指的温度和压力，会根据工件的材料和选用的反应气体进行选择。
[0023]本发明的镀膜技术具有以下优点:
[0024](I)本发明的镀膜技术可应用于多种材料，如金属，陶瓷，玻璃，石墨等。
[0025](2)、本发明的技术具有极高的绕镀性，可以对复杂形状的底材进行涂覆。本发明采用气相沉积的方法，生成的镀膜能完全覆盖工件的所有裸露表面，可以适用于传统喷涂工艺无法进行的工件，如开口孔径小，内部形状复杂的容器，或孔径细小的线性管材，如1/32英寸的不锈钢管等。
[0026](3)本发明的技术生成的镀膜膜层致密，和基体结合牢固，不会因为工件热胀冷缩而脱落。本发明的镀膜完成后，后加工过程中工件在受弯折时镀膜也不会脱落。
[0027](4)本发明的技术镀膜厚度可通过反复连续多次镀膜来调节。
[0028]用本发明的镀膜技术制成的非金属惰硅层具有以下特点:
[0029](I)非金属性和化学惰性。本发明中的惰硅层的主要化学成分是以硅元素为主的非金属层。对于金属工件，镀膜过程改变了工件表面化学性质，使其表面由金属元素为主变为非金属元素为主。在气体采样罐的实例中，未经镀膜处理的不锈钢表面，主要由铁，镍，铬等金属及其氧化物组成。而这些金属离子，对有机物的分解和转化具有催化作用，因而会影响罐体中有机物的稳定性。而镀膜后，非金属惰硅层覆盖整个罐体内表面，隔离了不锈钢罐体的金属表面与气样中有机物的直接接触，从而大大增加了气样的稳定性。
[0030](2)耐酸性。本发明中的惰硅层具有很强的耐酸腐蚀性。初步测试表明，316L的不锈钢工件，镀膜后与镀膜前相比，在6M的盐酸中被腐蚀的速率减慢20到50倍。
[0031](3)不易脱落性。本发明中的惰硅层镀膜直接沉积在工件表面，膜层致密，和基体结合牢固，厚度为纳米级，一般在40?150nm之间。这样薄度可保证工件(如不锈钢管)在弯折时镀膜不会脱落，也不会因为工件热胀冷缩而脱落。
[0032](4)覆盖完全性。本发明由于采用的是真空气相沉积技术，凡是反应气体能到达的部位，均能生成镀膜。因此，镀膜能覆盖工件的所有表面，包括一些机械喷涂难以实现的部位，如微细的表面刮痕和工件凹摺处。
[0033](5)表面光滑性。由于微细凹痕处的表面反应面积比光滑处相对要大一些，因此本发明中的惰硅层能优先沉积于工件的微细凹痕处，从而提高工件表面的光滑度。在显微镜下，可以很好地观察这一结果，参见图3所示的镀膜前后不锈钢表面光滑度的对比。
[0034](6)颜色鲜艳性。本发明中的惰硅层可呈现各种鲜艳的颜色。镀膜的覆盖改变了工件表面对光的反射性能，使其呈现出不同于工件本身的颜色。镀膜颜色与工件本身材质，镀膜厚度等有关。在不锈钢材质上，本发明中的镀膜的常见颜色为蓝色，紫红色，彩虹色，和银白色(参见图4不同明暗的显示代表颜色的不同，从左到右的实际颜色依次为蓝色、紫红色、彩虹色和银白色)。这种镀膜的颜色与在不锈钢上刷油漆或通过化学着色形成的颜色有显著不同。刷油漆而成的颜色肉眼看到的是油漆的色彩，无金属光泽。化学着色形成的颜色是金属表面的氧化层的颜色，无透明性，常因其颜色过于鲜艳而失去的不锈钢本身的金属质感底色。本发明中的镀膜的颜色，是一种独特的半透明状的带金属质感的颜色。本发明中镀膜颜色的另一特点是不会随热胀冷缩而脱落。
[0035]根据以上特性，本发明可应用于众多领域，例如:
[0036](I)气体采样罐的内表面惰性处理。以不锈钢为材料制成的采样罐，由于其表面吸附和催化活性，不适合用于低浓度挥发性有机物和含硫含溴类化合物的采样。经本发明的镀膜处理后，消除了表