[发明专利]一种金属纤维增强复合薄膜的原位制备方法

说明书

本发明提供一种金属纤维增强复合薄膜的原位制备方法。利用等离子体辅助化学气相沉积方法与碳等离子体的催化作用，在溅射生成薄膜的同时反应生成金属纤维(银、铜、铝、锡、铂等)，从而实现金属纤维增强复合薄膜的原位制备。该方法实现了一维金属纤维的溅射合成与纤维增强复合薄膜的原位制备，该复合结构能够调节薄膜中的应力状态与薄膜韧性，同时赋予薄膜优异的导电、减磨等性能。

技术领域

本发明属于复合涂层制备技术领域，具体涉及一种金属纤维增强复合薄膜的原位制备方法。

背景技术

薄膜材料科学是材料科学的重要分支，通过在基体表面沉积、附着一层与基体材质不同的薄膜，赋予基材优异的耐磨、耐腐蚀以及表面力学性能，甚至使零件获得特殊的热、电、光、声、磁等性能。复合薄膜作为薄膜研究的重要方向，其旨在通过复合技术，来改善单一薄膜的性能或获得单一薄膜所达不到的性能。复合薄膜按结构可分为纳米晶嵌入复合薄膜、纳米多层复合薄膜、纳米柱状晶复合薄膜以及混合纳米晶复合薄膜等。通过制备各种的纳米复合薄膜，能有效提升薄膜的硬度、热稳定性、耐腐蚀性、抗氧化性以及低摩擦磨损性能。

纤维增强复合结构是复合材料的重要形式，其优点在于利用分散的纤维实现对基体材料的增韧，改善整体材料的应力状态，延长材料的使用寿命。因此，纤维增强复合结构在复合材料领域得到了广泛应用。目前，随着柔性电子器件的快速发展，新型的功能薄膜受到了广泛关注，然而关于纤维增强复合薄膜的报道还比较少，这主要因为纤维增强复合薄膜的制备工艺复杂，其难点在于如何实现纤维在薄膜体系中的均匀分散。

纤维增强复合薄膜的制备方法按照纤维与基材的混合方式，可分为预先混合复合法和原位复合法两类。预先混合复合法是将纤维与基底材料预先混合，然后利用溶胶凝胶、电镀等手段制备相应的复合涂层。预先混合法的优势在于制备工艺相对简单，但由于混合过程通常为液相混合，很难避免纤维在混合过程中的团聚问题，常常会导致涂层中孔隙的产生，引起涂层的开裂。

与预混法相比，原位复合法能够很好的实现纤维在基材中的均匀分散，但其制备工艺更为复杂，往往离不开先进的表面工程技术(物理气相沉积或化学气相沉积)。原位制备纤维增强纳米复合薄膜，按照制备工序可分为两步法和一步法。两步法是指制备过程中先完成纤维的生长与制备，在此基础上，进一步沉积制备基体材料，实现最终的复合。两步法的难点在于控制纤维生长的结构，使得基体材料能够很好的渗透到纤维的间隙中，形成复合涂层，目前已有研究人员实现了SiC纳米管和碳纳米管增强复合薄膜的两步法制备。一步法是指利用先进的制备工艺，同时实现纤维的生长与薄膜基材的制备，其难点在于同时控制薄膜的制备与纤维的生长。

发明内容

本发明旨在克服现有制备金属纤维增强复合薄膜的技术难题，提供一种金属纤维增强复合薄膜的原位制备方法及所用的装置。

本发明所提供的用于原位制备金属纤维增强复合薄膜的装置，包括：等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)设备的反应腔体，设置于所述反应腔体内的PECVD设备的上极板和下极板，置于所述下极板上的基底(待溅射金属纤维增强复合薄膜形成在所述基底表面)，以及罩于所述基底上方的活性屏，

所述基底与下极板之间间隔一定距离，

所述活性屏的上、下表面分别为相互平行且间隔一定距离的靶材板，其中下表面的靶材板为镂空结构，且与基底表面设有间隔，

所述下表面的镂空靶材板的材质可为不锈钢或铁镍合金，上表面的靶材板的材质为待溅射的金属纤维增强体的材质，具体可为银、铜、铝、铂等；

本发明所提供的金属纤维增强复合薄膜的原位制备方法，为：采用上述装置，利用等离子体辅助化学气相沉积方法与碳源等离子体的催化作用，在溅射生成薄膜的同时反应生成金属纤维，从而实现金属纤维增强复合薄膜的原位制备。

所述金属纤维可为银、铜、铝、铂等金属的微纳米纤维；

所述复合薄膜为碳基复合薄膜。