专利名称：一种铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，具体涉及一种不锈钢表面铜掺杂二氧化钛镀层材料的制备方法，属于金属材料表面改性技术领域。
背景技术：
不锈钢具有优异的耐腐蚀性能、综合机械性能和工艺性能，从而在医疗器械、食品加工和餐饮卫生等领域得到广泛应用。与此同时，随着人们生活水平和健康意识的不断提高，不锈钢作为日常生活洁具、厨具及餐具的主要材料之一，不仅要求其光亮、美观而且要求能够抗菌杀菌。利用表面处理技术在不锈钢表面形成抗菌涂层，是提高其抗菌性能的经济而有效的方法。然而，现有的一些表面改性技术在硬度较低的不锈钢表面应用上存在一些缺点如较薄的注入层、涂层及镀层，由于韧性不足或结合强度问题而极易导致表面改性层在承载条件下开裂、剥落而失效。从1972年发现半导体二氧化钛在紫外光照射下将水分解成氢和氧气以来，二氧化钛光催化与光电化学的研究一直十分活跃，被广泛应用于光电转换太阳能电池的开发、气体传感器、太阳能分解水制氢气、污水及废气的光催化降解、光催化杀菌、自清洁及防雾等多个方面。二氧化钛成本低、无二次污染、性能稳定，且利用太阳光就能驱动光催化反应进行。但是，TiO2的禁带宽度较大(Eg=3.0 3.2Ev)，只能被400nm以下的紫外光激活，对可见光的吸收差，极大地限制了其应用范围，通常采用掺杂金属或非金属的方式增加其可见光活性。鉴于Cu掺杂TiO2表现出更为显著的在可见光下的光催化杀菌，同时Cu离子的适时掺杂能无限扩展到暗光或无光的条件下保持杀菌、释放负离子、净化空气、消除有害物质等作用，使其在消除室内外污染、杀菌这一新兴环保领域具有无可比拟的技术和质量优势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种的铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，用该方法所制备的铜掺杂二氧化钛镀层在3小时内对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌率都达到99.8%以上。本发明解决上述技术问题的技术方案如下:本发明首先利用辉光离子渗金属技术在不锈钢表面形成TiCu合金渗镀层，然后再将表面渗镀TiCu合金镀层后的不锈钢基体工件通过控制加热温度范围，通入氧气使不锈钢基体表面形成Cu掺杂TiO2的锐钛矿型的高膜基结合强度光催化TiO2镀层的方法。具体步骤如下:一种铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，包括以下步骤:( I)将 不锈钢工件预处理:将不锈钢工件的表面除油后使用SiC水砂纸将不锈钢工件逐级打磨、抛光至镜面，再清洗、干燥。(2)在辉光离子渗金属炉中，将预处理好的不锈钢工件悬挂在辉光离子渗金属炉内的支架上充当阴极，源极选用纯钛铜靶，环绕不锈钢工件摆放，阳极接在炉壳上并接地；(3)然后将所述辉光离子渗金属炉的炉腔内部抽至极限真空，再通入氩气，使炉腔内气压维持在35Pa 45Pa，接通阴极电源，在阳极与阴极间施加直流电压，当不锈钢工件温度升至300°C 400°C时，对其进行离子轰击清洗；然后再调节阴极电压，同时接通源极电源，在源极与阳极间施加直流电压，使源极电压为-900 -950V，继续使不锈钢工件升温，然后进行等离子渗镀钛铜合金镀层，得到渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件；(4)渗镀完成之后，调节源极和阴极电源，将不锈钢工件进行降温至400 600°C时，通入氧气对渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件表面进行反应，并进行保温，然后冷却至室温，即得到所述铜掺杂二氧化钛镀层。本发明的有益效果是:1、在辉光离子渗金属炉中，将不锈钢工件悬挂在辉光离子渗金属炉内的支架上充当阴极，源极选用纯钛铜靶，环绕不锈钢工件摆放，阳极接在炉壳上并接地，进行渗镀，本发明利用了辉光离子渗金属技术在金属基体表面渗镀TiCu合金镀层，镀层与基体间具有良好的结合强度。2、通入氩气和氧气的混合气体，利用氧气与不锈钢工件的渗镀层发生反应，金属工件不需要冷却到室温，也省去了马弗炉这种设备，设备成本降低，同时节省了电能和热能，制备时间大大缩短。3、本发明所制备Cu掺杂TiO2表现出更为显著的在可见光下的光催化杀菌，同时Cu离子的适时掺杂能无限扩展到暗光或无光的条件下保持杀菌、释放负离子、净化空气、消除有害物质等作用。4、本发明中纯钛铜靶是用钛棒和铜棒固定在钛杆上制成的靶材。避免了熔炼法制备合金靶材对熔点和密度相差较大的两种或两种以上金属，难以获得成分均匀的合金靶材；以及粉末冶金法制备合金靶材密度低，杂质含量高等缺点。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进一步，所述不锈钢工件为奥氏体不锈钢工件。进一步，所述纯钛铜靶是用钛棒和铜棒固定在钛杆上制成的靶材。进一步，所述极限真空为IXlO-1Pa15进一步,所述通入IS气的流量为30sccm 35sccm。进一步，所述对不锈钢工件进行离子轰击清洗的时间为20min 30min。进一步，所述调节阴极电压后的电压范围为-450 -500V。进一步，所述进行等离子渗镀钛铜合金镀层的工艺条件为:在源极温度维持在950°C 1000°C，工件温度控制在800 850°C的条件下进行等离子渗镀钛铜合金镀层，并保温I 3小时。进一步，所述进行保温的时间为I 2小时。
图1为本发明铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法中的辉光离子渗金属炉的结构示意图；附图中，各标号所代表的部件列表如下:
1、炉腔，2、炉壳，3、不锈钢工件，4、靶材，5、工作台，6、支架，7、源极电源，8、工件电源。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。一种铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法的步骤如下:(1)将不锈钢工件预处理:将不锈钢工件的表面除油后使用SiC水砂纸将不锈钢工件逐级打磨、抛光至镜面，再清洗、干燥。(2)如图1所示，将由钛棒和铜棒固定在钛杆上制成的靶材4放入辉光离子渗金属炉内的工作台5上，并通过工作台5与源极电源7的阴极连接，称为源极，再将不锈钢工件3，设其与靶材4相距15_，并通过支架6使不锈钢工件3与工件电源8的阴极连接，称为工件极，炉壳2与源极电源7和工件电源8的阳极连接，并接地；(3)将辉光离子渗金属炉腔I内部抽成真空度为I X ICT1Pa,通入流量为30sCCm 35sccm的氩气到炉腔I内，使炉腔I内气压维持在35Pa 45Pa，接通工件电源8的阴极电源，在阳极与阴极间施加直流电压，当工件极温度升至300°C 400°C时，对不锈钢工件进行离子轰击清洗20min 30min ；(4)将阴极电压(工件极电压)调至-450V -500V,接通源极电源7，并将源极电压调至-900V -950V，在源极温度维持在950°C 1000°C，不锈钢工件温度控制在800 850°C的条件下进行等离子渗镀钛铜合金镀层，并保温I 3小时，得到渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件；(5)渗镀完成之后，调节源极和工件极电源，将不锈钢工件进行降温至400 600°C时，通入氧气对渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件表面进行反应，保温时间为I 2小时，然后冷却至室温，即得到所述铜掺杂二氧化钛镀层。以下通过几个具体的实施例以具体说明本发明。实施例1(1)将AISI304奥氏体不锈钢经线切割成Φ 20mmX 4mm的工件作为基体，将不锈钢工件的表面除油后使用SiC水砂纸将不锈钢工件逐级打磨、抛光至镜面，再清洗、干燥。(2)如图1所示，将由钛棒和铜棒固定在钛杆上制成的靶材4放入辉光离子渗金属炉内的工作台5上，并通过工作台5与源件电源7的阴极连接，称为源极，再将不锈钢工件3，设其与靶材4相距15_，并通过支架6使不锈钢工件3与工件电源8的阴极连接，称为工件极，炉壳2与源极电源7和工件电源8的阳极连接，并接地；(3)将辉光离子渗金属炉腔I内部抽成真空度为IX ICT1Pa,通入流量为30sCCm的氩气到炉腔I内，使炉腔I内气压维持在40Pa，接通工件电源8的阴极电源，在阳极与阴极间施加直流电压，当工件极温度升至400°C时，对不锈钢工件进行离子轰击清洗25min ；(4)将工件极电压调至-500V，接通源极电源7，并将源极电压调至-920V，在源极温度维持在950°C，不锈钢工件温度控制在820°C的条件下进行等离子渗镀钛铜合金镀层，并保温2小时，得到渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件；(5)渗镀完成之后，调节源极和工件极电源，将不锈钢工件进行降温至500°C时，通入氧气对渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件表面进行反应，保温时间为1.5h，然后冷却至室温，即得到所述铜掺杂二氧化钛镀层。实施例2 一种铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法的步骤如下:( I)将不锈钢工件预处理:将不锈钢工件的表面除油后使用SiC水砂纸将不锈钢工件逐级打磨、抛光至镜面，再清洗、干燥。(2)如图1所示，将由钛棒和铜棒固定在钛杆上制成的靶材4放入辉光离子渗金属炉内的工作台5上，并通过工作台5与源极电源7的阴极连接，称为源极，再将不锈钢工件3，设其与靶材4相距15_，并通过支架6使不锈钢工件3与工件电源8的阴极连接，称为工件极，炉壳2与源极电源7和工件电源8的阳极连接，并接地；(3)将辉光离子渗金属炉腔I内部抽成真空度为IX ICT1Pa,通入流量为30sCCm的氩气到炉腔I内，使炉腔I内气压维持在35Pa，接通工件电源7的阴极电源，在阳极与阴极间施加直流电压，当工件极温度升至300°C时，对不锈钢工件进行离子轰击清洗20min ；(4)将阴极电压(工件极电压)调至-450V，接通源极电源7，并将源极电压调至-900V，在源极温度维持在950°C，不锈钢工件温度控制在80(TC的条件下进行等离子渗镀钛铜合金镀层，并保温I小时，得到渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件；(5)渗镀完成之后，调节源极和工件极电源，将不锈钢工件进行降温至400°C时，通入氧气对渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件表面进行反应，保温时间为I小时，然后冷却至室温，即得到所述铜掺杂二氧化钛镀层。实施例3一种铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法的步骤如下:( I)将不锈钢工件3预处理:将不锈钢工件3的表面除油后使用SiC水砂纸将不锈钢工件3逐级打磨、抛光至镜面，再清洗、干燥。(2)如图1所示，将由钛棒和铜棒固定在钛杆上制成的靶材4放入辉光离子渗金属炉内的工作台5上，并通过工作台5与源极电源7的阴极连接，称为源极，再将不锈钢工件3，设其与靶材4相距15_，并通过支架6使不锈钢工件3与工件电源8的阴极连接，称为工件极，炉壳2与源极电源7和工件电源8的阳极连接，并接地；(3)将辉光离子渗金属炉腔I内部抽成真空度为IX ICT1Pa,通入流量为35sCCm的氩气到炉腔I内，使炉腔I内气压维持在45Pa，接通工件电源8的阴极电源，在阳极与阴极间施加直流电压，当工件极温度升至400°C时，对不锈钢工件3进行离子轰击清洗30min ；(4)将阴极电压(工件极电压)调至-500V，接通源极电源7，并将源极电压调至-950V，在源极温度维持在1000°C，不锈钢工件3温度控制在850°C的条件下进行等离子渗镀钛铜合金镀层，并保温3小时，得到渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件；(5)渗镀完成之后，调节源极和工件极电源，将不锈钢工件3进行降温至600°C时，通入氧气对渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件表面进行反应，保温时间为2小时，然后冷却至室温，即得到所述铜掺杂二氧化钛镀层。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)在辉光离子渗 金属炉中，将预处理好的不锈钢工件悬挂在辉光离子渗金属炉内的支架上充当阴极，源极选用纯钛铜靶，环绕不锈钢工件摆放，阳极接在炉壳上并接地； 2)然后将所述辉光离子渗金属炉的炉腔内部抽至极限真空，再通入氩气，使炉腔内气压维持在35Pa 45Pa，接通阴极电源，在阳极与阴极间施加直流电压，当阴极温度升至300°C 400°C时，对不锈钢工件进行离子轰击清洗；然后再调节阴极电压，同时接通源极电源，在源极与阳极间施加直流电压，使源极电压为-900 -950V，继续使不锈钢工件升温，然后进行等离子渗镀钛铜合金镀层，得到渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件； 3)渗镀完成之后，调节源极和阴极电源，将不锈钢工件进行降温至400 600°C时，通入氧气对渗镀了 TiCu合金镀层的不锈钢基体工件表面进行反应，并进行保温，然后冷却至室温，即得到所述铜掺杂二氧化钛镀层。
2.根据权利要求1所述的铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，其特征在于，所述不锈钢工件为奥氏体不锈钢工件。
3.根据权利要求1所述的铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，其特征在于，所述纯钛铜靶是用钛棒和铜棒固定在钛杆上制成的靶材。
4.根据权利要求1至3任一项所述的铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述极限真空为IXlO-1Pa15
5.根据权利要求1至3任一项所述的铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述通入IS气的流量为30sccm 35sccm。
6.根据权利要求1至3任一项所述的铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述对不锈钢工件进行离子轰击清洗的时间为20min 30min。
7.根据权利要求1至3任一项所述的铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述调节阴极电压后的电压范围为-450 -500V。
8.根据权利要求1至3任一项所述的铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述进行等离子渗镀钛铜合金镀层的工艺条件为:在源极温度维持在950°C IOOO0C，不锈钢工件温度控制在800 850°C的条件下进行等离子渗镀钛铜合金镀层，并保温1 3小时。
9.根据权利要求1至3任一项所述的铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，所述进行保温的时间为1 2小时。
全文摘要
本发明涉及一种铜掺杂二氧化钛镀层的制备方法，首先利用辉光离子渗金属技术在不锈钢表面形成TiCu合金渗镀层，然后再将表面渗镀TiCu合金镀层后的不锈钢基体工件通过控制加热温度范围，通入氧气使不锈钢基体表面形成Cu掺杂TiO2的锐钛矿型的高膜基结合强度光催化TiO2镀层的方法。用本发明方法所制备的铜掺杂二氧化钛镀层在3小时内对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌率都达到99.8%以上。
文档编号C23C10/00GK103103475SQ20131001429
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者王鹤峰, 袁国政, 靳晓敏, 李志刚, 树学峰, 刘二强 申请人:太原理工大学