[发明专利]颗粒基材的涂层

说明书

本发明涉及一种用于使用钛涂覆大面积固体基材的方法，具体方法是在存在还原剂的情况下使所述基材表面与包含卤化钛或低卤化钛粉末的混合物反应。所述方法适用于使用元素Ti基金属或Ti与基于元素周期表中的任何数量的非惰性元素的涂覆添加剂的合金涂覆大面积基材，诸如薄片、粉末、珠粒和纤维。

技术领域

本发明涉及用于使用金属合金和基于钛的化合物涂覆固态物体的方法和设备。

背景技术

大面积基材(诸如粉末或薄片)上的钛涂层可用作汽车涂料、腐蚀保护、化妆品、建筑和装饰用途中的颜料，以及作为功能性材料和催化剂。形成钛基涂层的方法包括物理沉积(PD)、化学气相沉积(CVD)和粉末埋入反应辅助涂覆(PIRAC)。

PD通常需要低压操作，并且涉及使用金属前体。PD基于蒸发目标物质并将蒸汽输送到基材表面上。PD通常缓慢且昂贵，并且可能难以实施用于涂覆粉末状基材。PD技术的实例可见于US6241858和US6676741中，所述文献描述了用于涂覆粉末样品以产生金属颜料的方法。

CVD是一种非均相方法，其包括使可还原的前体与基材表面上的反应性气体反应，导致薄涂层的沉积。用于沉积Ti基膜的大多数CVD方法从四氯化钛开始来制备低氯化物，然后使低氯化物反应或解离以形成涂层。传统的CVD方法/反应器通常不适于涂覆粉末。用于沉积Ti的基于CVD的方法的实例可见于US4803127和US6169031中，这两篇文献均涉及将TiCl₄还原成低氯化物，然后将所得的低氯化物在单个非粉末状基材上解离。

CVD体系的变型包括流化床，其已被用于制备基于金属碳化物和金属氮化物的涂层以应用于硬涂层和腐蚀保护中；US5171734、US5227195和US5855678(Sanjurjo等人)公开了一种流化床方法，该方法基于在流化床中于介于200℃和1000℃之间的温度下使气态TiCl₄与Ti、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Mo、Si和Al反应以产生低氯化钛，然后在基材表面进一步进行气体还原以产生基于碳化物、氮化物和氧化物的涂层。这种方法的可能缺点包括气相还原的困难性、还原金属(诸如，Ti、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Mo和Si)的高成本以及对于Al还原所使用的高温范围。

PIRAC已被用于涂覆陶瓷基材，其中将基材埋入金属粉末中，并在高于800℃的温度下加热，以使基材表面与粉末反应并形成金属表皮。例如，将Si₃N₄薄片埋入钛粉中，并在高于850℃的温度下加热，以形成Ti₅Si₃和氮化钛的涂层。PIRAC主要限于高温基材材料；诸如硼硅酸盐玻璃片和钠玻璃之类的基材，这类基材在高于700℃的温度下是不稳定的并且是不合适的。

开发一种用于在大面积基材诸如粉末和薄片上沉积Ti基涂层的低成本方法是有利的。如果能够在普通粉末状基材上制备一系列Ti基涂层且不存在现有技术的环境和成本缺点，则这种方法将是特别理想的。

发明内容

在本文中：

-术语钛基(或Ti基)是指纯钛、钛基合金、钛基金属间化合物、氧化钛、碳化钛、氮化钛、硼化钛、硅化钛和/或在涂覆材料中以至少10重量％的水平含有钛的任何钛合金或化合物中的一种或多种，

-术语“低卤化钛”或“低氯化钛”分别指每个钛原子具有少于4个卤素原子的卤化钛或氯化钛，例如TiCl₃、TiCl₂或它们的混合物。

-术语“大面积基材”或“颗粒基材”用于描述呈颗粒、粉末、薄片、珠粒、纤维或类似物的形式的材料，或通常为大量具有大表面积的小物体(例如，垫圈、螺钉、紧固件)。基材优选地具有在至少一个维度上小于10mm、更优选地小于5mm、1mm或500微米的平均尺寸。基材材料可以是电介质或导体，并且可以是纯元素、合金或化合物，