中图分类：TQ630.6

学科分类：530.54

成果类别：基础理论

成果水平：未评价

研究起止时间：2012-01～2014-12

评价形式：验收

一、课题来源与背景 全世界每年因腐蚀造成的经济损失约占当年国民生产总值的4%。海南地处热带地区,四面环海,空气湿度和盐度大,空气中含有的微生物粒子多,加之季风气候作用,金属制品极易受到大气和微生物的双重腐蚀。 与内地的亚热带和温带地区相比,海南地区诱发腐蚀情况更为严重。因此抗菌防腐更为重要;且海南长夏无冬,光照充足,可充分利用太阳能（低碳经济产业体系中对新能源利用是一个重要方面）。 二、研究目的与意义 全世界每年仅因金属的微生物腐蚀（MIC）所造成的经济损失达到300亿～500亿美元。研究开发应用于热带海岛海洋性季风气候条件下性能优良的新型耐微生物腐蚀材料具有重要意义。 因此,开展氧化钛/类碳薄膜复合涂层材料的研究,不仅是对该类材料相关理论的丰富和完善,而且可以充分利用海南光照充足的特点,充分发挥光催化材料的优势,更好的服务于海南岛区域经济的发展。 三、主要研究内容、方法和研究结果 1、研究内容和方法 磁控溅射镀膜过程中,通过改变CO?,,和O?,的气体比例,影响碳在氧化钛薄膜中的成分比例,从而达到改变氧化钛带隙宽度的目的。 为了获得较好的膜基结合强度,设计了四组不同的工艺,研究界面层工艺对合成的复合涂层力学性能的影响,从而优选界面工艺。分别采用摩擦磨损试验机,纳米硬度计,划痕仪研究了耐磨性、硬度和膜基结合情况。 采用光电子能谱（XPS）,X射线衍射（XRD）和拉曼（Raman）光谱等表征薄膜材料的成分和结构;紫外可见分光光度计测试吸光度并计算禁带宽度。 通过大气环境下与不锈钢基体的对比试验,评价分析在热带海岛气候环境下,复合涂层的耐微生物腐蚀性能。 通过对结果的对比分析,获得工艺对薄膜带间隙和光催化性能的影响。 2. 主要研究结果 （1）界面工艺对薄膜力学性能影响研究 通过摩擦磨损、纳米划擦和原子力显微镜的表征发现,对基体进行N+注入强化不利于复合涂层的耐磨性和膜基结合力强度的提高,而在基体和膜之间添加Ti缓冲过渡层有益于改善薄膜的力学性能。另外,合成的复合涂层与水的接触角在72-80o之间,与类碳（DLC）和TiO?,薄膜能够很好匹配,薄膜内应力较低,从而保证了获得较高的膜基结合力。基体氮化会使制备的薄膜表面粗糙度增加。应该是氮化过程使基体表面的粗糙度增加的结果。对基体进行N+注入强化使薄膜耐磨性能变差。 （2）Raman光谱表征 当气氛仅为CO?,时,合成的薄膜主要是TiO的物相结构,且伴有类金刚石相的生成,此时得到的涂层我们称之为氧化钛/类碳复合涂层。随着氧气的通入,拉曼振动模发生明显变化,转变为类似金红石相的物相结构。 （3）XPS表征 利用CO?,作为碳源,高纯钛（纯度99.99%）为靶材,采用反应溅射的方法成功的将碳元素掺杂进入Ti-O薄膜晶格中,且掺杂在一定深度范围是均匀的。而且可以证明制备薄膜时Ti具有优先与通入的氧气结合的倾向,且合成的复合涂层表面在空气中更易优先吸附C从而抑制了对O的吸附。 （4）XRD表征 合成的薄膜均为组成比例不同的Ti-O薄膜。改变通入CO?,和O?,体积流量能够控制样品的粒径大小。通入的CO?,气体作为碳源和氧源,由于C的掺杂,抑制了金红石相的形成,使得合成薄膜的晶体结构为TiO结构。 （5）电化学腐蚀实验 镀膜后不锈钢的自腐蚀电位降低,耐腐蚀性增强,且掺杂碳后可使耐腐蚀性进一步提高。单纯CO?,时合成的薄膜具有相对最高的自腐蚀电位,腐蚀几率相对最小。 （6）带隙宽度计算 通过调整反应气氛CO?,/O?,比例关系,获得了最低带隙宽度为2.44eV的复合涂层。 （7）光催化实验和室外实验 开展了复合涂层在不同的紫外光强、PH值、辐照波长下对甲基橙降解率影响的实验。结果表明,碱性条件最有利于复合涂层材料的光催化效应,其次是酸性,最后是中性。 测量了样品在光降解实验前后与水的接触角,发现光降解实验前后接触角略有增加,增加幅度在1.3～4.9°之间。重复光降解实验发现合成的复合涂层对甲基橙的降解能力并没有因降解次数的增多而有所降低。因此,合成的复合涂层可重复利用。 室外暴露1年的实验结果显示出合成的复合涂层具有良好的耐腐蚀性能。 四、创建与创新 采用CO?,气氛作为碳和氧源,实现单靶溅射氧化钛/类碳复合涂层的合成。特别的是,通过表征发现室温下合成的复合涂层含有TiO晶相结构,并未检测出TiO?,晶体结构相。 制备出了具有TiO晶体相的非晶TiO?,/类碳复合涂层,并提出了具有非晶主要结构的TiO?,光催化活性的可能机理。 五、社会经济效益和存在问题 实现在金属基体上固载了具有光催化活性的无机非金属薄膜,且薄膜具有一定的耐磨性和光催化活性,能够光降解有机污染物,可应用于室外工程零部件的抗菌、耐磨和防腐。特别是海南微生物和盐雾腐蚀严重的环境下,可以充分利用海南光照充足的特点,发挥光催化材料的优势,更好的服务于海南岛区域经济的发展。