[发明专利]一种二维材料调控硅碳复合结构阻氢涂层及其制备方法

说明书

一种二维材料调控硅碳复合结构阻氢涂层，其特征在于：该涂层结构包括硅碳复合物和二维材料；其中，二维材料涂层为二维结构的石墨烯、六方氮化硼或二硫化钼层层堆垛而成，层数范围为1‑10层，二维材料涂层厚度范围为0.34‑28nm；其中，硅碳复合物采用碳化硅靶材溅射而成，厚度范围为0.5‑2μm。其制备方法为：二维材料分别采用化学气相沉积CVD和离子束溅射沉积IBSD工艺并结合刻蚀转移技术制备。采用了复合涂层技术，比单一涂层阻氢效果更优异；在原有硅碳复合物阻氢涂层的基础上，首次提出引入二维材料；采用现有的技术方法，设计并制备不同形式的复合结构，包括层数的。

技术领域

本发明属于一种新型结构的阻氢渗透涂层，在传统的硅碳复合结构的阻氢涂层基础上，引入石墨烯，六方氮化硼以及二硫化钼等二维材料，以调控涂层的阻氢特性，应用领域包括氢储存，运输，太阳能集热管，核反应堆第一壁结构材料等。

背景技术

氢及其同位素在金属中具有很高的渗透速率，而在陶瓷材料中具有较低的渗透速率，阻氢陶瓷涂层的渗透速率比在金属中低几个数量级。目前在结构材料表面覆盖阻氢陶瓷涂层是解决氢渗透问题的重要技术手段之一。近年来，在金属结构材料表面制备的阻氢渗透涂层主要有以下几种：Cr₂O₃、Al₂O₃以及SiO₂等氧化物涂层；Si₃N₄以及SiC等硅化物涂层；TiN以及TiC等钛基涂层；FeAl以及Fe₂Al₅等铝化物涂层。李帅，刘晓鹏等发明了复合涂层技术[专利申请号：CN201210449522.0]，此方法在一定程度上提高了阻氢特性，然而以上四种传统涂层阻氢性能依然较差，不能满足应用的需求。

传统观点认为氢无法穿透没有缺陷的石墨烯等二维材料，最近研究表明，质子可以较为容易地穿越单层六方氮化硼和单层石墨烯等二维材料；而且，当六方氮化硼层数增加时，质子通过率明显降低，而多层石墨烯之间进行错排堆垛时，质子很难穿过；并且质子很难通过单层二硫化钼；并且由不同二维材料的电子云图，可以看出质子最易于穿过六方氮化硼，而很难穿过二硫化钼[S.Hu,M.Lozada-Hidalgo,F.C.Wang.et al.Nature.Vol.516(2014)]。理论计算表明，当考虑石墨烯C-C之间的范德华半径时，六元环中间的孔隙从0.246nm减小到0.064nm，比氢原子半径(0.12nm)还小[Vikas Berry,CARBON 62(2013)1–10]，因此，氢原子要穿过二维材料，需要越过一定的势垒。Miao M等通过理论计算发现氢原子穿过单层石墨烯需要越过的势垒为2.64eV，比质子需要越过的势垒(1.41eV)更高[MiaoM；Marco Buongiorno Nardelli；Physical Chemistry Chemical Physics Aug 29.(2013)]，说明氢原子比质子更难穿过单层石墨烯；同时，Eugene Wai等理论计算出氢原子穿过无拉伸应变的二硫化钼需要越过高达6.8eV的势垒[Eugene Wai etal.international journal of hydrogen energy 37(2012)14323–4328]，远高于氢原子穿过传统涂层所需越过的势垒，因此，氢原子很难穿过石墨烯，六方氮化硼及二硫化钼等二维材料，并且，当二维材料层数增加时，对氢的阻挡作用明显得到提升，甚至表现出几乎不可穿透性。

目前，碳化硅涂层中含有大量的C-和Si-悬键，具有很好的阻氢性能，并且能在表面形成一层致密的SiO₂保护膜，具有极高的硬度和耐磨性能，从而在工业中得到广泛应用。目前，CN105525273A公布了一种不锈钢基碳化硅阻氢渗透涂层，采用物理气相沉积的方法，制备了复合结构的硅碳复合物，具有良好的阻氢性能，渗透阻挡因子(PDF)达到三个数量级；此外，CN103922327A，CN104370281A，CN103774113A，CN105271800A分别公布了大面积制备石墨烯，六方氮化硼，二硫化钼等二维材料的方法，通过转移的方法可实现单层及多层二维材料的堆垛。

发明内容