[发明专利]一种表面抗结焦纳米复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种表面抗结焦纳米复合薄膜及其制备方法。采用原子层沉积技术在不锈钢管的内壁沉积一层50nm厚Al₂O₃薄膜；对Al₂O₃镀膜处理后的不锈钢管在500℃退火；退火处理后的不锈钢管用原子层沉积技术沉积200nm厚TiO₂薄膜。本发明制备的复合结构薄膜以底层Al₂O₃薄膜作为阻挡层，阻止碳对基体的渗入，以TiO₂薄膜包覆管道内壁表面，减少活性元素的催化作用，从而以复合结构薄膜减少管道积碳。本发明可以应用于不同口径的圆管、方管、异型管等各种管材内壁，制备工艺简单，易于实现。本发明对于提高管道的抗结焦能力，提升发动机的稳定性和使用寿命具有重要意义。

技术领域

本发明涉及提高基体表面抗结焦能力的复合薄膜，具体涉及一种TiO₂/Al₂O₃纳米复合结构薄膜及其制备方法，可以应用于不同口径的圆管、方管、异型管等各种管材内壁。

背景技术

发动机发生故障的原因一般包含两个方面：1)发动机齿轮等配件的长时间磨损；2)燃油系统产生的积碳。对由积碳造成的发动机故障往往不易觉察和检查；在发动机工作时，燃油或者燃气等高碳有机化合物或混合物进入燃烧室，在高温的作用下发生裂解氧化，分解成粘稠性物质，并粘附在发动机工作的内壁表面。这些粘稠性物质把燃料和润滑油燃烧生成的碳质沉积物、汽油抗爆剂生成的铅化物、燃料中的硫燃烧后与金属生成的盐类、润滑油中金属添加剂燃烧后形成的金属氧化物、空气携带的灰沙等硅化物、发动机零部件磨损形成的金属屑及其化合物等粘附在它上面，随着粘附的杂质不断叠加，最后在高温下逐层炭化，形成积碳。

在目前的发动机高温燃料管道中，主要应用以下几种方法提高抗结焦性能：1)在燃料中利用元素的掺杂提升燃料的热沉性能，减少结焦；2)在管道内壁上制备钝化涂层(例如SiO₂等)，减少基体活性元素的催化作用，减少积碳，进而提升抗结焦性能。

对于薄膜抗结焦而言，化学气相沉积(CVD)工艺需要在500℃以上完成，较高的温度对基体的损害较大，并且在管道内壁沉积薄膜时，其不能很好的保证膜层的质量。原子层沉积(ALD)技术充分利用表面饱和反应(surface saturation reactions)，具备厚度控制和高度的稳定性能，对温度和反应物通量的变化不大。所制得的薄膜纯度、密度高、平整，且保型性高，即使对于纵宽比达100:1的结构也可实现良好的阶梯覆盖。ALD的多数工艺可以在400℃以下温度进行，可以减少对基体的损害。

中国专利CN104498899A公开了“一种利用原子层沉积钝化层抑制金属表面积碳的方法”，其中披露的钝化层为Al₂O₃层、TiO₂层，或Al₂O₃/SiO₂复合结构层，采用ALD技术沉积而成，总厚度在150nm左右，最高不超过225nm。其不足之处在于：1)无法对于高温裂解产生的球形积碳有效地阻隔，仅是一定程度上降低了管壁积碳的形成速度，无法有效避免积碳的发生，不适合于燃油发动机高温燃油金属管工况；2)其次不能有效阻止高温下活性碳原子沿着晶粒间界进入基体，进而破坏基体。3)对于具有一定弧度的表面，特别是管道内壁的原子层沉积尚缺乏深入研究，比如，对于氧化物镀层而言，如果原子层沉积参数控制不当，则无法形成有效的膜层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面抗结焦纳米复合薄膜及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种表面抗结焦纳米复合薄膜，该复合薄膜包括设置在基体表面上的纳米阻挡层以及设置在纳米阻挡层上的纳米抗积碳层。

优选的，所述纳米阻挡层和纳米抗积碳层采用化学性质稳定的材料制成。