一种快速在基底材料表面制备彩色氧化钛薄膜的方法与流程

本发明涉及镀膜技术领域，尤其涉及一种快速在基底材料表面制备彩色氧化钛薄膜的方法。

背景技术：

钛因其比强度高、耐蚀性好而在航空和宇航工业中获得了广泛的应用。但又因存在易于磨损、擦伤和接触腐蚀等倾向而限制了它的充分利用。为了防止和减轻钛的磨损、擦伤和接触腐蚀,可以在钛及其合金表面进行阳极氧化，使其表面生成氧化层。

氧化钛薄膜的颜色是无色透明的，钛金属在电解槽中作为阳极失去电子而被氧化，氧化初阶段会在钛膜表面形成一层致密的氧化阻挡层，而电解液中的氟离子与氢离子结合可以腐蚀致密阻挡层使得氧化反应持续进行，因此相同电解液条件下的氧化膜的厚度变化仅与氧化电压有关。

目前,已有等离子体化学气相沉积(pecvd)、激光辅助沉积(pld)、多弧离子镀(maip)等方法用于在基底材料表面获得钛膜。但在这些方法中，化学气相沉积有害气体的排放和存储限制了其应用；激光辅助沉积设备复杂，成本高，不适用于大规模应用；多弧离子镀虽然成本低，但其稳定性差，弧光放电瞬间喷射出的大熔滴数量较多，使得薄膜中大颗粒增加，严重的影响到薄膜质量。

技术实现要素：

本发明为了解决上述背景技术中的技术问题，提供一种高效且高质量的能够在基体材料表面得到颜色均匀和色彩亮丽的氧化钛薄膜的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种快速在基底材料表面制备彩色氧化钛薄膜的方法，包括以下步骤：

a、在塑料制的电解槽中放置基底材料，在基底材料表面使用磁控溅射镀钛膜，使得基底材料表面覆盖钛膜，磁控溅射镀钛膜参数：溅射功率为140-160w，溅射气压为0.7-1pa，氩气50-70sccm，反转时间为0.5-1.5μs，反转频率为40-60hz，溅射靶电压为300-330v，溅射靶电流为0.3-0.5a，钛靶溅射速率为12-15nm/min，将镀好钛膜的基底材料放置在搭建的塑料制的电解槽中；

b、向步骤a中的电解槽中加入电解液，电解液包括葡萄糖酸钠、氟化铵、四水硫酸铈和过氧化氢；

c、将待镀基底材料置于电解槽阴极上并且浸入步骤b配置的电解液中，在阳极挂置一片不锈钢板，所述不锈钢板浸入步骤b配置的电解液中；

d、氧化电源采用直流电或者脉冲直流电，调好电压后，将步骤c中的电解液通电氧化，且在1-2秒后立即断电；

e、取步骤d氧化后的基底材料，用去离子水冲洗后烘干。

本发明的有益效果是：磁控溅射法具有基片温升小、沉积速率快、对膜层损伤低、重复率高、与衬底结合牢固等优点。在基底材料表面用直流的磁控溅射法进行镀钛膜，镀膜时使用的磁控溅射镀膜机由镀膜室、靶座单元、转动单元、进气单元、真空抽气单元和电源单元组成。电源单元包括直流脉冲电源、离子源电源和射频电源及其匹配器。本发明用直流脉冲电源控制钛靶，用离子源电源控制离子源。从而通过磁控溅射法能够让基底材料表面覆盖钛膜。阳极氧化电源使用直流电或者脉冲直流电，制备时需要在电源端安装时刻检测各项数据的电表，并安装快速通断电源的开关。因电解液中存在游离的氢离子和氟离子，所以氧化电解槽使用塑料池，避免了使用金属、玻璃、陶瓷容器作为电解槽而导致的电解槽被氟离子腐蚀，增强了电解槽的使用寿命。待镀基底材料置于阴极，失去电子，从而实现了氧化。因为电解液中的氟离子与氢离子结合可以腐蚀致密阻挡层使得氧化反应持续进行，因此相同电解液条件下的氧化膜的厚度变化仅与氧化电压有关。通过不同电压控制待镀基底材料的钛膜表面的氧化膜厚度和颜色，能够得到不同颜色的且膜色均匀的彩色氧化钛薄膜。步骤d中，电解液通电氧化，且在1-2秒后立即断电，因为1-2秒足够氧化薄膜，时间过长会击穿薄膜，从而导致在基底材料表面钛膜上形成氧化膜时失败。氧化电解液可反复利用，符合现代工业生产的需求。生成的氧化钛薄膜可以很好的保护其覆盖的钛膜，减轻了钛的磨损、擦伤和接触腐蚀。本发明能在一般基底材料表面快速制备氧化钛薄膜，同时氧化钛薄膜颜色容易控制且膜色均匀，本发明方法制备的氧化钛薄膜厚度受材料形状的影响非常小，

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，所述磁控溅射镀钛膜参数：溅射功率为150w，溅射气压为0.8pa，氩气60sccm，反转时间为1μs，反转频率为50hz，溅射靶电压为314v，溅射靶电流为0.48a，钛靶溅射速率为13.3nm/min。

采用上述进一步方案的有益效果是能够能快的在基底材料表面得到无色的钛膜，为镀彩色氧化钛薄膜加快了效率。

进一步，所述步骤b的电解液中的葡萄糖酸钠的浓度为100g/l，氟化铵的浓度为0.3g/l，四水硫酸铈的浓度为1.3g/l和50ml/l的30％浓度的过氧化氢。

采用上述进一步方案的有益效果是，电解液配方中100g/l的葡萄糖酸钠，用于提供了足够的离子浓度。0.3g/l的氟化铵，用于提供足够浓度的有强氧化性的氟离子。1.3g/l的四水硫酸铈，用于氧化反应中的催化剂。50ml/l的30％浓度的过氧化氢，使氧离子扩散速度加快，从而加快反应进程。保证了电解液中的氟离子与氢离子的结合，可以腐蚀致密阻挡层，使得氧化反应持续进行，提升了彩色氧化钛薄膜的效率。

进一步，所述电解槽还添加有100ml/l的30％浓度的磷酸。

采用上述进一步方案的有益效果是提供了酸性环境，并且磷酸产物易于处理，减少污染废水，保护环境。

进一步，不锈钢板浸入电解液的面积与待镀基底材料浸入电解液面积之比大于5：1。

采用上述进一步方案的有益效果是，保证了阴极的待镀基底材料能够有足够的离子失去，保证了基底材料的钛膜上能够很好的覆盖氧化膜。

进一步，步骤c中，所述不锈钢板的朝向与待镀基底材料相对设置，并且所述阳极待镀基底材料使用钛金属制导线捆绑。

采用上述进一步方案的有益效果是：钛金属的捆绑，让待镀基底材料能够更好的氧化，而且由于钛金属的特性，避免了短路。如果采用掺杂其他金属会使电解液直接短路。

进一步，采用点触法控制氧化电流。

采用上述进一步方案的有益效果是：通电时间能够尽可能控制精确在1-2s，提升基底材料表面的钛膜氧化的成功率，得到稳定的彩色氧化钛薄膜。

进一步，步骤e中，用去离子水冲洗30s,然后烘干5min。

采用上述进一步方案的有益效果是，能够将得到的氧化钛薄膜表面的杂质清洗干净且不影响品质，得到更好的产品。

进一步，所述电解槽采用pvc塑料制成。

采用上述进一步方案的有益效果是，pvc塑料具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性，能够很好的保证氧化的进行，同时成本低。

附图说明

图1为本发明实施例5的氧化钛薄膜的扫描电镜表面测试图；

图2为本发明实施例5的氧化钛薄膜的扫描电镜截面测试图；

图3为本发明实施例5的氧化钛薄膜的x射线衍射测试图。

具体实施方式

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。

实施例1、

一种快速在基底材料表面制备彩色氧化钛薄膜的方法，包括以下步骤：

a、在基底材料表面使用磁控溅射镀钛膜，使得基底材料表面覆盖钛膜，磁控溅射镀钛膜参数：溅射功率为150w，溅射气压为0.8pa，氩气60sccm，反转时间为1μs，反转频率为50hz，溅射靶电压为314v，溅射靶电流为0.48a，钛靶溅射速率为13.3nm/min，将镀好钛膜的基底材料放置在pvc塑料制的电解槽中；

b、向步骤a中的电解槽中加入电解液，电解液包括100g/l的葡萄糖酸钠、0.3g/l的氟化铵、1.3g/l的四水硫酸铈、50ml/l的30％浓度的过氧化氢和100ml/l的30％浓度的磷酸；

c、将待镀基底材料置于电解槽阴极上并且浸入步骤b配置的电解液中，在阳极挂置一片不锈钢板，所述不锈钢板浸入步骤b配置的电解液中，不锈钢板浸入电解液的面积与待镀基底材料浸入电解液面积之比为6：1；

d、氧化电源采用直流电10v，调好电压后，将步骤c中的电解液通电氧化，且采用点触法控制氧化电流，在1秒后立即断电；

e、取步骤d氧化后的待镀基底材料，用去离子水冲洗30s后烘干5min。

在基底材料采用直流磁控溅射法镀钛膜的时候，镀膜时使用的磁控溅射镀膜机由镀膜室、靶座单元、转动单元、进气单元、真空抽气单元和电源单元组成。电源单元包括直流脉冲电源、离子源电源和射频电源及其匹配器。本发明用直流脉冲电源控制钛靶，用离子源电源控制离子源。从而通过磁控溅射法能够让基底材料表面覆盖钛膜。阳极氧化电源使用直流电或者脉冲直流电，圆柱形腔体内侧壁四个靶座abcd呈弧状均匀放置，腔体中部设有转动单元，转动单元包括旋转底座与转动杆，样品架放置在转动杆上，可实现转动杆的自转与公转。腔体上设有分别与真空泵、进气单元相连通的气管，其中，进气单元包括外部气瓶和与外部气瓶相连通的气管。通过四个靶座abcd对基底材料镀钛膜。然后通过在电解槽中的电解液通电对基底材料表面的钛膜进行氧化，得到基底材料表面氧化钛薄膜颜色为暗金色。

实施例2、

与实施例1的区别在于，氧化电源采用直流电20v，得到基底材料表面氧化钛薄膜颜色为深紫色。

实施例3、

与实施例1的区别在于，氧化电源采用直流电30v，得到基底材料表面氧化钛薄膜颜色为蓝色。

实施例4、

与实施例1的区别在于，氧化电源采用直流电40v，得到基底材料表面氧化钛薄膜颜色为淡蓝色。

实施例5、

与实施例1的区别在于，氧化电源采用直流电50v，得到基底材料表面氧化钛薄膜颜色为亮金黄色。如图1所示，将本实施例5得到的氧化钛薄膜通过扫描电镜表面测试，氧化钛薄膜样品表面分布均匀，无明显缺陷。证明了氧化钛薄膜的平整性。

如图2所示，将本实施例5得到的氧化钛薄膜通过扫描电镜截面测试，从图中可知得到的基地材料表面的氧化钛薄膜样品分层明显，厚度一致，与理论厚度600nm相符合，氧化钛薄膜性能良好。

如图3所示，将本实施例5得到的氧化钛薄膜进行x射线衍射测试图，证明了氧化钛薄膜为非晶结构。所以氧化钛薄膜能够很好的保护期覆盖的钛膜，提升了钛膜使用寿命，防止了钛的磨损和擦伤。

实施例6、

与实施例1的区别在于，氧化电源采用直流电60v，得到基底材料表面氧化钛薄膜颜色为橙红色。

实施例7、

与实施例1的区别在于，氧化电源采用直流电70v，得到基底材料表面氧化钛薄膜颜色为金紫色。

实施例8、

与实施例1的区别在于，氧化电源采用直流电80v，得到基底材料表面氧化钛薄膜颜色为亮蓝色。

实施例9、

与实施例1的区别在于，氧化电源采用直流电90v，得到基底材料表面氧化钛薄膜颜色为绿色。

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，如采用磁控溅射、离子镀、蒸镀、化学气相沉积、原子层沉积、电镀等镀膜技术制得金属钛、铁、镍、铬、锰、锌、铜、铝、镁、钙、钴、银、锆、铌、铪、钽、铅、锑、钨、铷、钼、镓、铟、硅、镱、锗、铼、铕等金属或合金薄膜的基础上，通过化学反应生成金属氧化物、氮化物、碳化物及氮氧化物、碳氮化物等手段，调控膜层厚度获得不同颜色的实施例，均应包含在本发明的保护范围之内。