用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜及製備方法與流程
2023-05-15 03:56:31
本發明涉及艦橋玻璃薄膜製造技術領域，具體涉及一種用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜及其製備方法。
背景技術：
水下兵器、水下探測器等航行器的發展越發重要，可重複使用的水下探測器執行任務過程中，必將面臨抗壓、耐腐蝕等重要因素，同時，在使用過程中，希望探測距離可以更遠，依次來增加任務執行的多樣性；水下兵器，雖然可能為一次性使用，但其在使用前一般存儲於艦船或潛艇，也面臨嚴重的潮溼、鹽霧現象，同時，兵器對航程的需求更重要，一般希望能獲得更大的打擊範圍。因此，對水下兵器、水下探測器而言，應該解決兩方面問題，一是面臨高溼度、高鹽霧含量環境的存儲和使用問題，二是水下兵器的航程問題，期望得到更遠的航程範圍，以提高作戰效能或執行任務能力。
目前，缺乏一種水下航行阻力小的用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜及其製備方法。
技術實現要素：
本發明的目的是針對上述問題，提供一種水下航行阻力小的用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜及其製備方法。
為達到上述目的，本發明採用了下列技術方案：本發明的一種用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜，所述用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜包括硬質材料基底，所述硬質材料基底由內向外依次為耐腐蝕膜層和疏水減阻膜層，所述耐腐蝕膜層由內向外依次為金屬鈦層、氮化鈦層、氮化鋁鈦層和氮化鋯層，所述疏水減阻膜系由內向外依次為氧化矽層、氧化銦錫層和聚四氟乙烯層。
進一步地，所述金屬鈦層的膜層的厚度為10～25nm，所述氮化鈦層的膜層的厚度為0.8～1.2μm，所述氮化鋁鈦層的膜層的厚度為1.0～2.5μm，所述氮化鋯層的膜層的厚度為0.6～0.8μm。
進一步地，所述氮化鈦層氮含量由內向外逐漸增加；氮化鋁鈦層氮含量、鈦含量由內向外逐漸減少，鋁含量逐漸增加；所述氮化鋯層氮含量、鋯含量由內向外逐漸增加。
更進一步地，所述氧化矽層的膜層的厚度為15～20nm，所述氧化銦錫層的膜層的厚度為25～55nm，所述聚四氟乙烯層的膜層的厚度為45～70nm。
本發明所述的用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜的製備方法，包括如下步驟：
(1)鍍膜環境：採用多弧離子鍍設備或非平衡磁控濺射設備中的一種或兩種的組合，設備置於潔淨度十萬級以內、溼度小於60％的潔淨室內，設備冷卻水溫度在15～26℃；多弧離子鍍時，本底真空<5.0×10-3Pa，磁控濺射時，本底真空<2.5×10-3Pa；
(2)鍍耐腐蝕膜層，採用多弧離子鍍，硬質材料基底經去離子水、丙酮、酒精、去離子水清洗後，置於星輪基片架上，抽至本底真空後，硬質材料基底加溫至180～240℃，採用氬離子清洗，採用偏壓電源，偏壓-35～-260V，連續沉積金屬鈦層、氮化鈦層、氮化鋁鈦層和氮化鋯層，鍍氮化鈦時氮氣含量由小變大，鍍氮化鋁鈦氮氣、鈦偏壓由大變小，鋁偏壓由小變大，時氮化鋯氮氣流量由小變大，鋯偏壓由小變大；
(3)耐腐蝕膜層鍍膜結束後，停止通入氮氣，待抽至本底真空後，開啟磁控濺射靶材，採用中頻電源或射頻電源，依次沉積氧化矽層、氧化銦錫層和聚四氟乙烯層，沉積氧化矽層和氧化銦錫層時通入氧氣，所述氧氣的流量為1～10sccm，採用射頻電源沉積聚四氟乙烯層，磁控濺射鍍膜過程中真空度保持在1.8～3.5×10-1Pa；
(4)鍍膜結束後，通入氬氣保壓至基片溫度降至室溫再出片，製得用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜。
進一步地，對步驟(2)中，鍍膜過程中，所述基片架公轉速度的範圍為6～12r/min。
進一步地，對步驟(3)中，鍍膜過程中，所述基片架公轉速度的範圍為1.5～5r/min。
有益效果：本發明具備水下航行阻力小，優秀的耐腐蝕性能、減阻性能，膜系附著力強，且具有較強的硬度，緻密表面均勻，生產工藝自主性高。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
(1)以水下兵器和探測器的存儲和工作環境為背景，本發明在提高其耐腐蝕能力的基礎上，結合氧化物、氮氧化物、聚四氟乙烯等材料，提高了水下航行器的抗劃傷、耐摩擦能力，本發明在水下航行器殼體表面綜合採用多弧離子鍍和磁控濺射兩種方法，同時，結合水下航行特點，以降低表面能量為出發點，有效降低水下航行器的航行阻力。
(2)對耐腐蝕層，綜合採用氮化鈦、氮化鋁鈦、氮化鋯等強耐腐蝕材料，在具備抗腐蝕能力的同時，具有高的硬度，提高了航行器運輸適應能力和使用壽命。
(3)採用降低表面能量的辦法，可以明顯提高水下兵器、探測器的航程，可有效減低航行阻力，低速航行可減低時阻力達12％以上。且選用材料耐腐蝕能力強，硬度高。
(4)針對以上兩種問題，有必要首先解決耐腐蝕問題，在水下航行器表面塗覆一層或多層耐腐蝕薄膜，可以明顯提高其耐腐蝕能力，增加使用壽命，同時在其完成增加一層或多層耐腐蝕的減阻膜層，通過降低表面能量，達到疏水減阻效果，從而提高航程。同時，有助於提高水下兵器、探測器的存儲壽命和使用壽命。
(5)通過綜合採用多弧離子鍍、磁控濺射技術，在航行器外壁根據合理設計，依次沉積耐腐蝕膜層、疏水減阻膜層，通過各種材料的合理匹配，達到改善航行器表面抗腐蝕的能力，同時減小水下航行時阻力，提高其表面滑移速度。
附圖說明
圖1為本發明的用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜的示意圖；
其中，0硬質材料基底、11氧化矽層、12氮化鈦層、13氮化鋁鈦層、14氮化鋯層、21氮化矽層、22氧化矽層、23聚四氟乙烯層。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，以下將結合附圖對本發明的實施方式作進一步地詳細描述。
實施例1
如圖1所示，本發明的一種用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜，所述用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜包括硬質材料基底0，所述硬質材料基底0由內向外依次為耐腐蝕膜層和疏水減阻膜層，所述耐腐蝕膜層由內向外依次為金屬鈦層11、氮化鈦層12、氮化鋁鈦層13和氮化鋯層14，所述疏水減阻膜系由內向外依次為氧化矽層21、氧化銦錫層22和聚四氟乙烯層23。
所述金屬鈦層11的膜層的厚度為10nm，所述氮化鈦層12的膜層的厚度為1.2μm，所述氮化鋁鈦層13的膜層的厚度為1.5μm，所述氮化鋯層14的膜層的厚度為0.6μm。
所述氮化鈦層12氮含量由內向外逐漸增加；氮化鋁鈦層13氮含量、鈦含量由內向外逐漸減少，鋁含量逐漸增加；所述氮化鋯層14氮含量、鋯含量由內向外逐漸增加。
所述氧化矽層21的膜層的厚度為20nm，所述氧化銦錫層22的膜層的厚度為25nm，所述聚四氟乙烯層23的膜層的厚度為70nm。
本發明所述的用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜的製備方法，包括如下步驟：
(1)鍍膜環境：採用多弧離子鍍設備，設備置於潔淨度十萬級以內、溼度小於60％的潔淨室內，設備冷卻水溫度在15℃；多弧離子鍍時，本底真空<5.0×10-3Pa，磁控濺射時，本底真空<2.5×10-3Pa；
(2)鍍耐腐蝕膜層，採用多弧離子鍍，硬質材料基底經去離子水、丙酮、酒精、去離子水清洗後，置於星輪基片架上，抽至本底真空後，硬質材料基底加溫至180℃，採用氬離子清洗，採用偏壓電源，偏壓-260V，連續沉積金屬鈦層、氮化鈦層、氮化鋁鈦層和氮化鋯層，鍍氮化鈦時氮氣含量由小變大，鍍氮化鋁鈦氮氣、鈦偏壓由大變小，鋁偏壓由小變大，時氮化鋯氮氣流量由小變大，鋯偏壓由小變大；鍍膜過程中，所述基片架公轉速度的範圍為6r/min。
(3)耐腐蝕膜層鍍膜結束後，停止通入氮氣，待抽至本底真空後，開啟磁控濺射靶材，採用中頻電源或射頻電源，依次沉積氧化矽層、氧化銦錫層和聚四氟乙烯層，沉積氧化矽層和氧化銦錫層時通入氧氣，所述氧氣的流量為5sccm，採用射頻電源沉積聚四氟乙烯層，磁控濺射鍍膜過程中真空度保持在2.5×10-1Pa；鍍膜過程中，所述基片架公轉速度的範圍為1.5r/min。
(4)鍍膜結束後，通入氬氣保壓至基片溫度降至室溫再出片，製得用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜。
實施例2
實施例2與實施例1的區別在於：
本發明的一種用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜，所述金屬鈦層11的膜層的厚度為15nm，所述氮化鈦層12的膜層的厚度為0.8μm，所述氮化鋁鈦層13的膜層的厚度為1.0μm，所述氮化鋯層14的膜層的厚度為0.7μm。
所述氧化矽層21的膜層的厚度為18nm，所述氧化銦錫層22的膜層的厚度為45nm，所述聚四氟乙烯層23的膜層的厚度為45nm。
本發明所述的用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜的製備方法，包括如下步驟：
在步驟(1)中，鍍膜環境：採用多弧離子鍍設備和非平衡磁控濺射設備兩種的組合，設備置於潔淨度十萬級以內、溼度小於60％的潔淨室內，設備冷卻水溫度在20℃；多弧離子鍍時，本底真空<5.0×10-3Pa，磁控濺射時，本底真空<2.5×10-3Pa；
在步驟(2)中，鍍耐腐蝕膜層，採用多弧離子鍍，硬質材料基底經去離子水、丙酮、酒精、去離子水清洗後，置於星輪基片架上，抽至本底真空後，硬質材料基底加溫至220℃，採用氬離子清洗，採用偏壓電源，偏壓-35V，連續沉積金屬鈦層、氮化鈦層、氮化鋁鈦層和氮化鋯層；鍍膜過程中，所述基片架公轉速度的範圍為12r/min。
在步驟(3)中，耐腐蝕膜層鍍膜結束後，停止通入氮氣，待抽至本底真空後，開啟磁控濺射靶材，採用中頻電源或射頻電源，依次沉積氧化矽層、氧化銦錫層和聚四氟乙烯層，沉積氧化矽層和氧化銦錫層時通入氧氣，所述氧氣的流量為1sccm，採用射頻電源沉積聚四氟乙烯層，磁控濺射鍍膜過程中真空度保持在1.8×10-1Pa；鍍膜過程中，所述基片架公轉速度的範圍為2.5r/min。
實施例3
實施例3與實施例1的區別在於：本發明的
本發明的一種用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜，所述金屬鈦層11的膜層的厚度為25nm，所述氮化鈦層12的膜層的厚度為0.95μm，所述氮化鋁鈦層13的膜層的厚度為2.5μm，所述氮化鋯層14的膜層的厚度為0.8μm。
所述氧化矽層21的膜層的厚度為15nm，所述氧化銦錫層22的膜層的厚度為55nm，所述聚四氟乙烯層23的膜層的厚度為60nm。
本發明所述的用於水下低速航行器的耐腐蝕減阻薄膜的製備方法，包括如下步驟：
在步驟(1)中，鍍膜環境：採用非平衡磁控濺射設備，設備置於潔淨度十萬級以內、溼度小於60％的潔淨室內，設備冷卻水溫度在26℃；多弧離子鍍時，本底真空<5.0×10-3Pa，磁控濺射時，本底真空<2.5×10-3Pa；
在步驟(2)中，鍍耐腐蝕膜層，採用多弧離子鍍，硬質材料基底經去離子水、丙酮、酒精、去離子水清洗後，置於星輪基片架上，抽至本底真空後，硬質材料基底加溫至240℃，採用氬離子清洗，採用偏壓電源，偏壓-160V，連續沉積金屬鈦層、氮化鈦層、氮化鋁鈦層和氮化鋯層；鍍膜過程中，所述基片架公轉速度的範圍為8r/min。
在步驟(3)中，耐腐蝕膜層鍍膜結束後，停止通入氮氣，待抽至本底真空後，開啟磁控濺射靶材，採用中頻電源或射頻電源，依次沉積氧化矽層、氧化銦錫層和聚四氟乙烯層，沉積氧化矽層和氧化銦錫層時通入氧氣，所述氧氣的流量為10sccm，採用射頻電源沉積聚四氟乙烯層，磁控濺射鍍膜過程中真空度保持在3.5×10-1Pa；鍍膜過程中，所述基片架公轉速度的範圍為5r/min。
儘管本文較多地使用了硬質材料基底0、氧化矽層11、氮化鈦層12、氮化鋁鈦層13、氮化鋯層14、氮化矽層21、氧化矽層22、聚四氟乙烯層23等等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。