在玻璃基片表面磷酸基矽烷-氮化鈦複合薄膜的製備方法
2023-12-03 17:08:16 3
專利名稱：在玻璃基片表面磷酸基矽烷-氮化鈦複合薄膜的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米複合薄膜的製備方法，具體涉及一種在玻璃基片表面磷酸基矽垸— 氮化鈦複合薄膜的製備方法。
背景技術：
現代機械科學的發展出現機電一體化、超精密化和微型化的趨勢，許多高新技術裝置的 摩擦副間隙常處於納米量級，由於微型機械受到尺寸效應的影響，故微摩擦磨損和納米薄膜 潤滑已成為關鍵問題，目前可以通過自組裝方法在單晶矽基片表面製備自組裝膜，來改善單 晶矽基片表面的減摩抗磨性。與其它的製備薄膜技術相比，自組裝薄膜技術具有可操作性、 適應性強，具有廣泛的應用前景，自組裝薄膜的摩擦性能的研究已經成為摩擦學領域的前沿 課題之一。
氮化鈦具有奇特的電學性能、超強的力學性能、很好的吸附性能，因而在材料領域引起 了極大重視。但是，氮化鈦徑向的納米級尺寸和高的表面能導致其容易團聚，分散性較差,降 低了氮化鈦的有效長徑比。此外，氮化鈦在絕大部分溶劑中不溶，溼潤性能差，很難與基底 形成有效粘結。為了提高氮化鈦的分散性並增加其與基底界面的結合力，必須通過對氮化鈦 的表面改性及基底表面組裝活性基團等方法，來提高氮化鈦與基底表面之間的界面結合程度， 獲得摩擦學性能良好的複合膜。
經文獻檢索發現，公開號為CN1358804A的屮國發明專利，介紹了一種固體薄膜表面脂 肪酸自組裝單分子超薄潤滑膜的製備方法，這種方法是在固體表面自組裝一層脂肪酸的單分 子層。選取易吸附於固體表面的脂肪酸，配製成稀溶液，將製得的陶瓷膜迅速浸入配置好的 脂肪酸稀溶液於室溫下反應24 48分鐘。該方法在製備自組裝薄膜的過程中需要24 96小 時的時間來配製前驅體溶液，這樣使得整個的成膜周期過長，而且在基片處理的過程中沒有 涉及到具體方法。
發明內容
本發明公開一種在玻璃基片表面磷酸基矽烷一氮化鈦複合薄膜的製備方法，其目的在於 克服現有的製備自組裝薄膜過程成膜周期過長的弊端，本發明不但製備周期短，製備工藝簡 單，而且自組裝成的複合薄膜具有良好的減摩性能。
3為實現這一目的，本發明的技術方案中，採用表面經過羥基化的玻璃基片作為基底材料， 在其表面採用自組裝方法製備氨基矽烷薄膜，然後在適當的反應條件下將氨基矽烷薄膜表面 的氨基官能團氧化成磷酸基官能團，再用N，N-二甲基甲醯胺(DMF)氮化鈦分散液在矽垸表面 製備含有氮化鈦的複合薄膜。
在玻璃基片表面磷酸基矽垸一氮化鈦複合薄膜的製備方法，其特徵在於按如下步驟進行: 八)將玻璃基片置於體積比98%濃硫酸30°/^202二1:1的溶液中於室溫下處理1小時，再 用去離子水超聲清洗20分鐘，放在一個防塵裝置內在烘箱中乾燥；
B) 將處理後的玻璃基片浸入配製好的氨基矽烷溶液中，靜置12小時，取出後分別用無 水甲醇、去離子水衝洗，然後用氮氣吹乾置於含有三氯氧化磷和2,3,5 —三甲基吡啶的氰化甲 垸溶液中反應20分鐘，取出後用去離子水衝洗，得到表面附有磷酸基團的薄膜基片。
C) 再將氮化鈦在室溫下按0. 05 0. 15mg/ml放入N,N-二甲基甲醯胺分散劑，40W超聲 波分散2 6小時,得到穩定的氮化鈦懸浮液；
D) 將表面附有磷酸基團的薄膜基片浸入製備好的氮化鈦懸浮液中，在20 6(TC靜置4 16小時，取出用大量去離子水衝洗，衝洗後用氮氣吹乾，這樣就得到表面沉積有改性氮化鈦 複合薄膜的玻璃基片。
所述的氨基矽垸溶液中氨基矽烷的的體積百分比為0.5 2%，溶劑為無水甲醇。 所述氰化甲烷溶液的組分體積百分比為三氯氧化磷15 25%， 2,3,5—三甲基吡啶15 25%，氰化甲垸50 70%。
本發明在羥基化的玻璃基片上自組裝磷酸基矽垸一氮化鈦複合薄膜，由於玻璃基片表面 已經進行羥基化處理，氨基矽烷分子中含有可水解的活性基團，能夠通過化學建Si—0與具 有活性基團Si — OH的基底材料相結合，在基底表面形成一層帶有氨基基團的矽垸自組裝薄膜； 將表面組裝了氨基矽垸的基片置入含有三氯氧化磷和2， 3， 5 —三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中， 靜置一段時間後，薄膜表面將組裝上磷酸基團。再將其置入氮化鈦懸浮液後，基片表面將沉 積氮化鈦。
本發明的優點和積極效果是採用本發明方法不但製備周期短，製備工藝簡單，而且在 玻璃基片表面製備的氮化鈦複合薄膜具有十分明顯的減摩和抗粘著作用，並且還具有良好的 抗磨損性能，有望成為微型機械理想的邊界潤滑膜。
具體實施方式
以下通過具體的實施例對本發明的技術方案作進一步描述。但本實施例並不用於限制本
發明，凡是採用本發明的相似方法及其相似變化，均應列入本發明的保護範圍。 實施例1:
首先進行玻璃基片的預處理，玻璃基片採用羥基化處理。處理方法將玻璃基片置於體
積比98%濃硫酸:30%&02 = 1:1的溶液中於室溫下處理1小時，再用去離子水超聲清洗20分 鍾，放在一個防塵裝置內在烘箱中乾燥，乾燥溫度沒有特殊要求。將處理後的玻璃基片浸入 配製好的氨基矽烷溶液中，靜置12小時，取出後分別用無水甲醇、去離子水衝洗後，用氮氣 吹乾後置於含有三氯氧化磷和2,3,5 —三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反應20分鐘，取出後用大 量去離子水衝洗，這樣在薄膜表面就組裝上了磷酸基團。
在室溫下將氮化鈦按0. 05mg/ml放入N， N-二甲基甲醯胺(DMF)分散劑，超聲波分散(40W) 2小時,得到穩定的氮化鈦懸浮液。
將表面組裝有磷酸基團矽烷薄膜的玻璃基片浸入製備好的氮化鈦懸浮液中，在2(TC下靜 置4小時，取出用大量去離子水衝洗，衝洗後用氮氣吹乾，這樣就得到表面沉積有改性氮化 鈦複合薄膜的玻璃基片。
其中採用的氨基矽烷溶液中氨基矽垸的體積百分比為0.5%，溶劑為無水甲醇；氰化甲 烷溶液的組分體積百分比為三氯氧化磷15%， 2,3,5 —三甲基吡啶15%，氰化甲烷70%。
採用SPM—9500原子力顯微鏡(AFM) 、 JEM-2010掃描電子顯微鏡(SEM)和PHI — 5702 型X —光電子能譜儀(XPS)來表徵得到的複合膜的表面形貌和化學成分。採用點接觸純滑動 微摩擦性能測量儀測量複合膜摩擦係數。
XPS測試圖表明在玻璃基片表面成功地組裝了氨基矽垸薄膜；將氨基矽烷薄膜置入到含有 三氯氧化磷和2,3,5 —三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反應一段時間後，通過XPS觀察到薄膜表 面有磷元素，說明薄膜表面被組裝上了磷酸基團。SEM圖片則清晰地看到氮化鈦沉積在玻璃基 片的表面，形成了氮化鈦複合薄膜。在點接觸純滑動微摩擦性能測量儀上分別測量下淨玻璃 基片和玻璃基片表面自組裝氮化鈦複合膜的摩擦係數。在玻璃基片表面製備的氮化鈦複合薄 膜可以將摩擦係數從無膜時的0. 8降低到0. 15左右，具有十分明顯的減摩作用。
實施例2:
首先進行玻璃基片的預處理，玻璃基片採用羥基化處理。處理方法將玻璃基片置於體
積比98%濃硫酸:30%&02 = 1:1的溶液中於室溫下處理1小時，再用去離子水超聲清洗20分 鍾，放在一個防塵裝置內在烘箱中乾燥，乾燥溫度沒有特殊要求。將處理後的玻璃基片浸入 配製好的氨基矽烷溶液中，靜置12小時，取出後分別用無水甲醇、去離子水衝洗後，用氮氣
5吹千後置於含有三氯氧化磷和2,3,5 —三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反應20分鐘，取出後用大 量去離子水衝洗，這樣在薄膜表面就組裝上了磷酸基團。
在室溫下將氮化鈦按0. lmg/ml放入N， N-二甲基甲醯胺(DMF)分散劑，超聲波分散(40W) 4小時，得到穩定的懸浮液。
將表面組裝有磷酸基團矽垸薄膜的玻璃基片浸入製備好的氮化鈦懸浮液中，在4(TC下靜 置8小時，取出用大量去離子水衝洗，衝洗後用氮氣吹乾，這樣就得到表面沉積有改性氮化 鈦複合薄膜的玻璃基片。
其中採用的氨基矽烷溶液中氨基矽垸的體積百分比為1.5%,溶劑為無水甲醇；氰化甲烷 溶液的組分體積百分比為三氯氧化磷20%， 2,3,5—三甲基吡啶20%，氰化甲烷60%。
採用實施例1中的表徵手段對薄膜質量進行評價。
XPS測試圖表明在玻璃基片表面成功地組裝了氨基矽烷薄膜；將氨基矽垸薄膜置入到含有 三氯氧化磷和2,3，5 —三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反應一段時間後，通過XPS觀察到薄膜表 面有磷元素，說明薄膜表面被組裝上了磷酸基團；SEM圖片則清晰地看到氮化鈦沉積在玻璃基 片的表面，形成了氮化鈦複合薄膜；在玻璃基片表面製備的氮化鈦複合薄膜可以將摩擦係數 從無膜時的0. 8降低到0. 12左右，具有十分明顯的減摩作用。 實施例3:
首先進行玻璃基片的預處理，玻璃基片採用羥基化處理。處理方法將玻璃基片置於體
積比98%濃硫酸:30%^02=1:1的溶液中於室溫下處理1小時，再用去離子水超聲清洗20分 鍾，放在一個防塵裝置內在烘箱中乾燥，乾燥溫度沒有特殊要求。將處理後的玻璃基片浸入 配製好的氨基矽垸溶液中，靜置12小時，取出後分別用無水甲醇、去離子水衝洗後，用氮氣 吹乾後置於含有三氯氧化磷和2,3,5 —三甲基吡啶的氰化甲垸溶液中反應20分鐘，取出後用大 量去離子水衝洗，這樣在薄膜表面就組裝上了磷酸基團。
在室溫下將氮化鈦按0. 15mg/ml放入N,N-二甲基甲醯胺(DMF)分散劑，超聲波分散(40W) 6小時,得到穩定的懸浮液。
將表面組裝有磷酸基團矽烷薄膜的玻璃基片浸入製備好的氮化鈦懸浮液中，在60'C下靜 置16小時，取出用大量去離子水衝洗，衝洗後用氮氣吹乾，這樣就得到表面沉積有改性氮化 鈦複合薄膜的玻璃基片。
其中採用的氨基矽烷溶液中氨基矽烷的體積百分比為2。Z，溶劑為無水甲醇；氰化甲垸溶 液的組分體積百分比為三氯氧化磷25%, 2,3,5 —三甲基吡啶25%，氰化甲烷50%。
採用實施例1中的實驗儀器對薄膜進行評價，XPS測試圖表明在玻璃基片表面成功地組裝了
6氨基矽烷薄膜；將氨基矽烷薄膜置入到含有三氯氧化磷和2,3,5 —三甲基吡啶的氰化甲垸溶液 中反應一段時間後，通過XPS觀察到薄膜表面有磷元素，說明薄膜表面被組裝上了磷酸基團； SEM圖片則清晰地看到氮化鈦沉積在玻璃基片的表面，形成了氮化鈦複合薄膜。在玻璃基片表 面製備的氮化鈦複合薄膜可以將摩擦係數從無膜時的0.8降低到0. 1左右，具有十分明顯的 減摩作用。
權利要求
1、在玻璃基片表面磷酸基矽烷—氮化鈦複合薄膜的製備方法，其特徵在於按如下步驟進行A)將玻璃基片置於體積比98％濃硫酸∶30％H2O2＝1∶1的溶液中於室溫下處理1小時，再用去離子水超聲清洗20分鐘，放在一個防塵裝置內在烘箱中乾燥；B)將處理後的玻璃基片浸入配製好的氨基矽烷溶液中，靜置12小時，取出後分別用無水甲醇、去離子水衝洗，然後用氮氣吹乾置於含有三氯氧化磷和2，3，5—三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反應20分鐘，取出後用去離子水衝洗，得到表面附有磷酸基團的薄膜基片。C)再將氮化鈦在室溫下按0.05～0.15mg/ml放入N，N-二甲基甲醯胺分散劑，40W超聲波分散2～6小時，得到穩定的氮化鈦懸浮液；D)將表面附有磷酸基團的薄膜基片浸入製備好的氮化鈦懸浮液中，在20～60℃靜置4～16小時，取出用大量去離子水衝洗，衝洗後用氮氣吹乾，這樣就得到表面沉積有改性氮化鈦複合薄膜的玻璃基片。
2、 根據權利要求1所述的在玻璃基片表面磷酸基矽垸一氮化鈦複合薄膜的製備方法，其 特徵在於所述的氨基矽烷溶液中氨基矽烷的的體積百分比為0.5 2%,溶劑為無水甲醇。
3、 根據權利要求1所述的在玻璃基片表面磷酸基矽垸一氮化鈦複合薄膜的製備方法，其 特徵在於所述氰化甲烷溶液的組分體積百分比為三氯氧化磷15 25%， 2,3,5—三甲基批 啶15 25%，氰化甲烷50 70%。
全文摘要
本發明先將玻璃基片置於體積比98％濃硫酸∶30％H2O2＝1∶1的溶液中於室溫下處理1小時，再用去離子水超聲清洗20分鐘，放在烘箱中乾燥；再將玻璃基片浸入配製好的氨基矽烷溶液中，靜置12小時，取出後分別用無水甲醇、去離子水衝洗，然後用氮氣吹乾置於含有三氯氧化磷和2，3，5-三甲基吡啶的氰化甲烷溶液中反應20分鐘，取出後用去離子水衝洗，得到表面附有磷酸基團的薄膜基片；再將其浸入製備好的氮化鈦懸浮液中，在20～60℃靜置4～16小時，取出用大量去離子水衝洗，衝洗後用氮氣吹乾，得到表面沉積有改性氮化鈦複合薄膜的玻璃基片。本發明製備工藝簡單周期短，製備的氮化鈦複合薄膜具有十分明顯的減摩和抗粘著作用。
文檔編號C03C17/42GK101508531SQ20091004838
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月27日 優先權日2009年3月27日
發明者安雙利 申請人:上海第二工業大學