專利名稱：一種基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于基體材料表面裝飾、防護處理技術領域，尤其涉及一種基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜及其制備方法。
背景技術：
目前，彩色防腐裝飾膜多采用以下兩種方式制備一、表面電鍍金屬膜，金屬包括鉻、鈦、鋁、鎳、銀或金等；該方 式制備的裝飾膜具有亮麗的金屬光澤，并且在一定程度上能提高裝飾品的防腐蝕性能，但是其顏色單一，多為金黃色或銀白色，要想獲得其他顏色的裝飾比較困難；二、表面涂覆有機涂料；不同有機涂料顏色各異，涂覆后能獲得彩色裝飾膜層，而且涂層的防腐性能也較好，但是有機涂料往往有毒，且容易老化而使裝飾品褪色、防腐性能減弱。而物理氣相沉積技術(Physical Vapor Deposition, PVD)是一種綠色真空鍍膜技術，是在真空條件下，通過一定的物理過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或受到能量粒子轟擊時物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，可實現(xiàn)金屬、合金、化合物等物質(zhì)原子從源物質(zhì)到沉積薄膜的可控轉(zhuǎn)移過程。與傳統(tǒng)電鍍技術相比，PVD技術中薄膜是在真空中原子、分子尺度上制備的，致密性更高、缺陷更少、表面光潔度更好、性能更優(yōu)；其次，薄膜表面改性和功能化的自由度更大、色彩更豐富、低溫下基材適用更廣；另外，與有機涂料涂覆技術相比，PVD技術是一種無毒、環(huán)保、零排放、環(huán)境友好的表面薄膜處理技術，資源消耗少，產(chǎn)品附加值高。因此，采用PVD技術實現(xiàn)高性能裝飾膜的高可靠制備是國內(nèi)外該領域的研究開發(fā)熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術目的是針對現(xiàn)有的彩色防腐裝飾膜的不足，提供一種基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜，該裝飾膜能夠根據(jù)實際需要顯示出紫紅色、天藍色、金黃色、灰褐色、銀灰色、淡綠色等多種不同顏色，并且綠色環(huán)保、耐腐蝕性能良好。本發(fā)明實現(xiàn)上述技術目的所采用的技術方案為一種基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜，由位于基體層的金屬過渡層與位于金屬過渡層表面的四面體非晶碳膜(tetrahedral amorphous carbon films,簡稱ta_C)組成,所述的四面體非晶碳膜的厚度為IOnm 300nm，并且通過控制該四面體非晶碳膜的厚度能夠調(diào)節(jié)該彩色防腐裝飾膜的顏色。上述技術方案中所述的基體材料包括金屬材料與非金屬材料，金屬材料包括但不限于不銹鋼、高速鋼、鈦合金等，非金屬材料包括但不限于玻璃、單晶硅、陶瓷等；所述的金屬過渡層的材料不限，包括鉻、鎢、鈦、釩、鈮、鋯等，根據(jù)基體材料不同，可對金屬材料進行優(yōu)選；所述的金屬過渡層的厚度不限，優(yōu)選為IOnm 200nm,進一步優(yōu)選為20nm IOOnm0
作為優(yōu)選，所述的四面體非晶碳膜的厚度為20nm 200nm,進一步優(yōu)選為50nm 160nmo通過控制該四面體非晶碳膜的厚度，所述的彩色防腐裝飾膜能夠呈現(xiàn)紫紅色、天藍色、金黃色、灰褐色、銀灰色、淡綠色等顏色。本發(fā)明一種基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜的制備方法，包括如下步驟步驟I、將基體清洗后進行真空條件下的表面刻蝕處理；步驟2、利用磁控濺射沉積技術在經(jīng)步驟I處理后的基體表面沉積金屬過渡層；步驟3、利用磁控濺射沉積技術或者陰極真空電弧源沉積技術在步驟2得到的金屬過渡層表面沉積厚度為IOnm 300nm的四面體非晶碳膜，通過調(diào)控該四面體非晶碳膜的厚度而控制該彩色防腐裝飾膜的顏色，得到顏色可控的彩色防腐裝飾膜。 上述制備方法中所述的步驟I中，對清洗后的基體表面進行刻蝕的工藝優(yōu)選為輝光刻蝕、陰極電弧刻蝕中的一種或者二者的結(jié)合。作為優(yōu)選，所述的輝光刻蝕過程為將基體固定于樣品臺上，置于陰極電弧真空腔室內(nèi)，抽真空至高真空后，向腔體內(nèi)通入50 IOOsccm的惰性氣體Ar，調(diào)節(jié)壓強為4. 0 10. OX 10_3torr，設置基體和腔體之間的負偏壓為-200 -600V，保持15 60min。作為優(yōu)選，所述的陰極電弧刻蝕過程為在陰極真空電弧源沉積設備中使用石墨靶，在惰性氣體Ar保護氣氛中刻蝕基體表面；作為進一步優(yōu)選，陰極電弧源電流為50 70A，工作時間為4 20min。所述的步驟2與3中，磁控濺射技術包括普通的直流磁控濺射沉積技術、射頻磁控濺射沉積技術與高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)沉積技術。作為磁控濺射技術的一種，高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)技術是目前的前沿技術，具有高脈沖式、瞬間式的電壓與電流，結(jié)合了化學氣相沉積法與物理氣相沉積法的優(yōu)點，能夠有效降低沉積溫度，提高沉積薄膜的質(zhì)量。因此，作為優(yōu)選，本發(fā)明采用高功率脈沖磁控濺射沉積技術在經(jīng)步驟I處理后的基體表面沉積金屬過渡層。采用HIPIMS沉積技術時，作為優(yōu)選，直流電源電流為0. 5 2. 0A，脈沖電源頻率為50 250Hz，脈沖電壓為300 800V。作為進一步優(yōu)選，惰性氣體為Ar氣，Ar氣氣壓為20 50sccm,調(diào)節(jié)壓強為0. 5 0. 8 X 10 3torr,工作時間為0 5min。所述的步驟3中，作為優(yōu)選，采用陰極真空電弧源沉積技術在步驟2得到的金屬過渡層表面沉積四面體非晶碳膜作為彩色防腐裝飾膜。作為進一步優(yōu)選，所述的陰極電弧源電流為50 70A，工作時間為5 30min。綜上所述，本發(fā)明突破了現(xiàn)有的金屬裝飾膜顏色單一、有機涂層裝飾膜易污染環(huán)境、防腐性能低的缺點，設計出一種具有新型結(jié)構的顏色可調(diào)控的彩色防腐裝飾膜，該裝飾膜是由位于基體層表面的厚度為IOnm 300nm的四面體非晶碳膜，并且與基體層之間設有金屬過渡層，在實際應用中，根據(jù)實際需要調(diào)控該裝飾膜的厚度能夠獲得紫紅色、天藍色、金黃色、灰褐色、銀灰色、淡綠色等不同顏色的彩色裝飾效果。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下創(chuàng)新效果(I)拓寬了四面體非晶碳膜的應用領域四面體非晶碳膜是類金剛石膜的一種，由Sp3和SP2鍵碳原子形成的三維網(wǎng)絡結(jié)構組成。同其它類金剛石膜，如a-C和a_C:H相比，ta_C膜的sp3含量極高(可達80%)，因而具有更高的硬度和彈性模量；同時，ta-C膜中不含有氫，膜層更加致密，表面無懸浮鍵，抗腐蝕性能強。目前，四面體非晶碳膜主要被用作磁頭材料(US20040776191)、磁介質(zhì)材料(JP19960091105、JP19960249592 )以及其它半導體設備材料(JP20050356951、US20080232078、US20070760030),或者醫(yī)療器械材料(US20100730011、US20070688655、CN101768720B)等，而將其作為裝飾膜來應用還未見報道。結(jié)合大量的實驗探索，本發(fā)明得到的位于待裝飾表面的具有過渡層底層及表層沉積厚度為IOnm 300nm的四面體非晶碳膜，完全能夠達到美化待裝飾對象、延長其使用壽命的目的；同時，通過控制該四面體非晶碳膜的厚度，該彩色裝飾膜能夠呈現(xiàn)不同顏色，如紫紅色、天藍色、金黃色、灰褐色、銀灰色、淡綠色等，因而實現(xiàn)了根據(jù)實際需要調(diào)控裝飾膜 顏色的目的。因此，本發(fā)明提供的彩色裝飾膜不僅是對目前市場上裝飾膜領域的補充與完善，而且突破了目前四面體非晶碳膜的常用應用領域，拓寬了其實際應用領域。( 2 )彩色裝飾膜性能優(yōu)異具有本發(fā)明結(jié)構的彩色裝飾膜不僅顏色可調(diào)控，色彩豐富，而且硬度高、防腐蝕性能優(yōu)異，具有良好的耐候性，應用前景廣闊。(3)綠色環(huán)保，無污染具有本發(fā)明結(jié)構的彩色裝飾膜制備過程不采用液相和化學有毒試劑，制備過程無污染產(chǎn)生。


圖I是本發(fā)明基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜的結(jié)構示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。圖I中的附圖標記為1、基體材料；2、金屬過渡層；3、四面體非晶碳膜。以下實施例I 3中，基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜的結(jié)構示意圖如圖I所示，由位于基體層I的金屬過渡層2與位于金屬過渡層2表面的四面體非晶碳膜3組成，該四面體非晶碳膜3的厚度為IOnm 300nm，并且通過控制該四面體非晶碳膜3的厚度能夠調(diào)節(jié)該彩色防腐裝飾膜的顏色。實施例I :本實施例中，基體材料是硅，該硅基體表面的彩色防腐裝飾膜的結(jié)構由位于硅基體的鈦過渡層與位于鈦過渡層表面的四面體非晶碳膜組成，該鈦過渡層的厚度為20nm，該四面體非晶碳膜的厚度為80nm，該彩色防腐裝飾膜呈現(xiàn)金黃色。以下是上述彩色防腐裝飾膜的制備過程(I)將硅基體放入丙酮或酒精中，利用超聲波清洗儀清洗10 20min，然后用去離子水漂洗后烘干待用；(2)將基體固定于樣品臺后置于陰極真空電弧復合濺射鍍膜儀器的真空腔內(nèi)轉(zhuǎn)盤上，抽真空至4. OX ICT5Torr后，向腔體內(nèi)通入IOOsccm的Ar氣,調(diào)節(jié)壓強為8. OX ICT3Torr,設置基體和腔體之間的負偏壓為-450V，保持30min ;此過程中保持樣品臺旋轉(zhuǎn)，頻率為50Hz ；(3)采用HIPMS沉積系統(tǒng)，選擇純度不低于99. 99%的鈦靶；設置直流電源電流為I. 5A，脈沖電源頻率為200Hz，脈沖電壓為500V;工作氣體為Ar (50sccm)，調(diào)節(jié)壓強為
0.4X KT3Torr，工作時間為3min，沉積厚度約為20nm;鍍膜完成后關閉HIPMS電源，準備進入下一步；此過程中保持樣品臺旋轉(zhuǎn)，頻率為50Hz ；(4)采用中國實用新型專利CN201660693U中公開的新型磁過濾真空陰極電弧源沉積裝置(FCVA),選用祀材為石墨祀,其純度不低于99. 99% ;通入4sccm的Ar,設定磁過濾彎管弧源線圈直流電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源、輸出線圈直流電源為2A/4A/4A，彎管偏壓電壓值為10V，陰極電弧源電流為50A ;工作時間為7min，沉積厚度約為80nm ;此過程中保持樣品臺旋轉(zhuǎn)，頻率為50Hz ；(5)薄膜沉積結(jié)束后，關閉氣體和陰極真空電弧源薄膜沉積裝置中的各電源，待基體在真空腔體中冷卻至室溫，取出。實施例2 Ti6A14V基體上制備紫紅色高硬耐腐蝕裝飾膜本實施例中，基體材料是Ti6A14V，該Ti6A14V基體表面的彩色防腐裝飾膜的結(jié)構由位于Ti6A14V基體的鈦過渡層與位于鉻過渡層表面的四面體非晶碳膜組成，該鉻過渡層的厚度為70nm，該四面體非晶碳膜的厚度為160nm，該彩色防腐裝飾膜呈現(xiàn)紫紅色。以下是上述彩色防腐裝飾膜的制備過程(I)將Ti6A14V基體放入丙酮或酒精中，利用超聲波清洗儀清洗10 20min，然后用去離子水漂洗后烘干待用；(2)采用真空陰極電弧系統(tǒng)，使用石墨靶材；設定基體負偏壓為-350V;通入20SCCm的Ar，設定磁過濾彎管弧源線圈直流電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源、輸出線圈直流電源為3A/4. 5A/4. 5A，彎管偏壓電壓值為20V，陰極電弧源電流為55A ;工作時間為8min，沉積厚度為15nm ;此過程中保持樣品臺旋轉(zhuǎn)，頻率為50Hz ；(3)采用HIPMS沉積系統(tǒng)，選用鉻靶；設置直流電源電流為2. 0A，脈沖電源頻率為250Hz，脈沖電壓為600V ;工作氣體為Ar (40sccm)，調(diào)節(jié)壓強為0. 5 X KT3Torr,工作時間為8min，膜厚約為70nm ;此過程中保持樣品臺旋轉(zhuǎn)，頻率為50Hz ;鍍膜完成后關閉HIPMS電源，準備進入下一步；(4)采用中國實用新型專利CN201660693U中公開的新型磁過濾真空陰極電弧源沉積裝置(FCVA)，選用石墨靶；通入4SCCm的Ar，設定磁過濾彎管弧源線圈直流電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源、輸出線圈直流電源為3A/4. 5A/4. 5A，彎管偏壓電壓值為20V，陰極電弧源電流為55A ;工作時間為15min，沉積厚度為160nm ;此過程中保持樣品臺旋轉(zhuǎn)，頻率為50Hz ；(5)薄膜沉積結(jié)束后，關閉氣體和陰極真空電弧源薄膜沉積裝置中的各電源，待基體在真空腔體中冷卻至室溫，取出。實施例3 :不銹鋼基體上制備銀灰色高硬耐腐蝕裝飾膜
本實施例中，基體材料是不銹鋼，該不銹鋼基體表面的彩色防腐裝飾膜的結(jié)構由位于Ti6A14V基體的鈦過渡層與位于鉻過渡層表面的四面體非晶碳膜組成，該鉻過渡層的厚度為20nm，該四面體非晶碳膜的厚度為50nm，該彩色防腐裝飾膜呈現(xiàn)銀灰色。
以下是上述彩色防腐裝飾膜的制備過程(I)將不銹鋼基體放入丙酮或酒精中，利用超聲波清洗儀清洗10 20min，然后用去離子水漂洗后烘干待用；(2)將基體固定于樣品臺后置于陰極真空電弧復合濺射鍍膜儀器的真空腔內(nèi)轉(zhuǎn)盤上，抽真空至4. OX ICT5Torr后，向腔體內(nèi)通入IOOsccm的Ar氣,調(diào)節(jié)壓強為8. OX ICT3Torr,設置基體和腔體之間的負偏壓為-450V，保持30min ;此過程中保持樣品臺旋轉(zhuǎn)，頻率為50Hz ；(3)采用HIPMS沉積系統(tǒng)，選用鈦 靶；設置直流電源電流為2. 0A，脈沖電源頻率為250Hz，脈沖電壓為600V ;工作氣體為Ar (40sccm)，調(diào)節(jié)壓強為0. 5 X KT3Torr,工作時間為3min，膜厚約為20nm ;此過程中保持樣品臺旋轉(zhuǎn)，頻率為50Hz ;鍍膜完成后關閉HIPMS電源，準備進入下一步；(4)采用中國實用新型專利CN201660693U中公開的新型磁過濾真空陰極電弧源沉積裝置(FCVA)，選用石墨靶；通入4SCCm的Ar氣，設定磁過濾彎管弧源線圈直流電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源、輸出線圈直流電源為4A/6A/6A，彎管偏壓電壓值為10V，陰極電弧源電流為60A ;工作時間為5min，沉積厚度為50nm ;此過程中保持樣品臺旋轉(zhuǎn)，頻率為50Hz ；(5)薄膜沉積結(jié)束后，關閉氣體和陰極真空電弧源薄膜沉積裝置中的各電源，待基體在真空腔體中冷卻至室溫，取出。將上述實施例I 3制備得到的具有不同顏色的彩色裝飾膜分別置于不同濃度的NaOH和H2SO4溶液中浸泡，然后清洗；將清洗后的彩色裝飾膜與未經(jīng)浸泡清洗的彩色裝飾膜對比，觀察在酸堿中浸泡后的裝飾膜的表面光澤度、完整性等(為防止基體材料其它表面對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，事先將除了鍍膜面外的其它表面包裹起來)。該實驗中，所使用的NaOH濃度分別為 10mol/L、5mol/L、lmol/L 和 0. lmol/L, H2SO4 濃度分別為 20%、10%、5% 和 1%，浸泡時間為60min。實驗結(jié)果顯示上述實施例I 3制備得到的具有不同顏色的彩色裝飾膜在上述強酸和強堿中浸泡后，其表面光澤度、完整性沒有發(fā)生明顯變化，未出現(xiàn)被酸堿腐蝕的痕跡，從而說明該裝飾膜具有優(yōu)良的耐酸堿腐蝕性能。對上述實施例I 3制備得到的具有不同顏色的彩色裝飾膜進行硬度測試，顯示其硬度均不低于(即大于等于)20GPa，表明該彩色裝飾膜具有高硬度。以上所述的實施例對本發(fā)明的技術方案進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜，其特征是由位于基體層的金屬過渡層與位于金屬過渡層表面的四面體非晶碳膜組成，所述的四面體非晶碳膜的厚度為IOnm 300nm，并且通過控制該四面體非晶碳膜的厚度能夠調(diào)節(jié)所述的彩色防腐裝飾膜的顏色。
2.根據(jù)權利要求I所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜，其特征是所述的四面體非晶碳膜的厚度為20nm 200nm。
3.根據(jù)權利要求I所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜，其特征是所述的四面體非晶碳膜的厚度為50nm 160nm。
4.根據(jù)權利要求I所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜，其特征是所述的基體材料包括不銹鋼、高速鋼、鈦合金、玻璃、單晶硅中的一種或幾種。
5.根據(jù)權利要求I所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜，其特征是所述的金屬過渡層材料包括錳、鉻、鎢、釩、鈮、鋯、鈦中的一種或幾種。
6.根據(jù)權利要求I至5中任一權利要求所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜，其特征是所述的彩色防腐裝飾膜的顏色為紫紅色、天藍色、金黃色、灰褐色、銀灰色或淡綠色。
7.根據(jù)權利要求I至5中任一權利要求所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜的制備方法，其特征是包括如下步驟 步驟I、將基體清洗后進行表面刻蝕處理； 步驟2、利用磁控濺射沉積技術在經(jīng)步驟I處理后的基體表面沉積金屬過渡層； 步驟3、利用磁控濺射沉積或者陰極真空電弧源沉積技術在步驟2得到的金屬過渡層表面沉積厚度為IOnm 300nm的四面體非晶碳膜，通過調(diào)控該四面體非晶碳膜的厚度而控制所述的彩色防腐裝飾膜的顏色，得到顏色可控的彩色防腐裝飾膜。
8.根據(jù)權利要求7所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜的制備方法，其特征是所述的步驟I中，對清洗后的基體表面進行刻蝕的工藝為輝光刻蝕、陰極電弧刻蝕中的一種或者二者的結(jié)合。
9.根據(jù)權利要求7所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜的制備方法，其特征是所述步驟2中，磁控濺射沉積技術包括直流磁控濺射沉積技術與高功率脈沖磁控濺射。
10.根據(jù)權利要求9所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜的制備方法，其特征是采用高功率脈沖磁控濺射沉積技術時，直流電源電流為0. 5 2. 0A，脈沖電源頻率為50 250Hz，脈沖電壓為300 800V。
11.根據(jù)權利要求7所述的基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜的制備方法，其特征是所述步驟3中，利用陰極真空電弧源沉積技術沉積四面體非晶碳膜時，陰極電弧源電流為50 70A，工作時間為5 30min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基體表面顏色可控的彩色防腐裝飾膜及其制備方法。該彩色防腐裝飾膜由位于基體層的金屬過渡層與位于金屬過渡層表面的四面體非晶碳膜組成，所述的四面體非晶碳膜的厚度為10nm～300nm，并且通過控制該四面體非晶碳膜的厚度能夠調(diào)節(jié)該彩色防腐裝飾膜的顏色，使其呈現(xiàn)紫紅色、天藍色、金黃色、灰褐色、銀灰色或淡綠色等顏色。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的彩色裝飾膜具有顏色可調(diào)控、色彩豐富、綠色環(huán)保、硬度高、防腐蝕性能優(yōu)異的特點，不僅是對現(xiàn)有裝飾膜領域的補充與完善，而且突破了現(xiàn)有四面體非晶碳膜的常用應用領域，拓寬了其實際應用領域，具有良好的應用前景。
文檔編號B32B9/04GK102744926SQ20121020599
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權日2012年6月20日
發(fā)明者孫麗麗, 楊巍, 柯培玲, 汪愛英, 蔡建 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所