基本信息
- 项目名称：
- 面向消费产品的多彩硬质TiON薄膜的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 基于PEM技术建立了氮氧化钛复合膜的双气氛反应溅射控制方法，通过氧流量和沉积时间控制，成功制备出不同色深的金、棕、黄绿、蓝紫等多色系复合膜，其硬度、耐磨性与TiN相当，而薄膜结构致密性和摩擦系数更为理想，可望满足消费类电子产品等应用需求。
- 详细介绍：
- 基于人们对消费产品性能及外观要求的提高，如在手机、手表和工艺品等外壳材料中，人们除要求外壳满足硬度、耐腐蚀、耐摩擦等要求，还要求在色泽上有更多选择。然而目前市场上广泛应用的高分子材料和钢质材料均无法满足要求，高分子材料色泽选择广泛，但其存在硬度低、耐蚀性较差等不足，影响其进一步应用；钢质材料硬度高、耐磨性好，而其色泽却较为单一。 在已装备有PEM反应气氛控制N2回路的溅射设备中，通过气路改造增加一个仅以MFC控制流量的O2气路，以较低的成本实现了双气氛沉积所需的设备基础条件。利用PEM反馈控制的自适应特性，实现了以O2流量为主动参数，N2供给为自适应特性的气氛控制体系，形成了双气氛反应溅射控制方法。 基于改造后的设备，在磁控溅射TiN薄膜的沉积后期打开O2气路，通过控制O2流量与复合层沉积时间实现了不同的氧掺杂量和薄膜复合层厚度，获得了底层为TiN，表层为TiNxOy物质的薄膜，最终实现了不同尺度的“TiN底层+TiNxOy表层”的薄膜结构。 最终在钢质材料外壳表面沉积TiON薄膜可使外壳获得表面硬度高、耐腐蚀、耐摩擦等优点，同时在色泽上具有多样性，这将满足消费者对外壳既要求良好的性能又要求色泽的要求，因此，在今后将有潜力广泛应用于诸如手机、手表和工艺品等外壳上，具有很好的经济效益前景。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 基于人们对消费产品性能及外观要求的提高，如在手机、手表和工艺品等外壳材料中，人们既要求外壳满足硬度、耐腐蚀、耐摩擦等要求，还要求在色泽上有更多选择。然而目前市场上广泛应用的高分子材料和钢质材料均无法满足其要求，高分子材料色泽选择广泛，但其硬度和耐腐蚀性较低；而钢质材料硬度高、耐磨性好，而其色泽却较为单一。基于上述，本作品通过闭合场非平衡磁控溅射设备和PEM（等离子体发射光谱监控法）控制技术，在钢质材料表面沉积TiN/TiON复合膜层，从而在其表面获得硬度高、耐腐蚀、 耐摩擦，同时兼具多色系的氮氧化物复合膜。 创新点： 基于磁控溅射设备和PEM技术，利用氮氧双气氛反应溅射沉积获得金、棕、黄绿、蓝紫等多色系氮氧化钛彩色复合膜。
科学性、先进性
- 和目前现有的技术和外壳产品相比，基于磁控溅射设备和PEM技术制备的多彩硬质TiON薄膜具有以下优点： 1.目前工业应用广泛的钢质材料主要是通过化学或电化学法，使用铬酸、硫酸等溶液处理进行表面着色，此类技术在生产过程中队人体有害，产生的废液污染环境，而磁控溅射技术属于物理气相沉积，没有对环境造成污染。 2.目前在钢质材料上镀装饰膜主要是采用TiN膜层，此膜层是典型的仿金膜层，然色泽单一，而TiON薄膜则可以通过工艺控制获得不同的色泽，并且硬度和摩擦学性能上TiN膜层相当，因此具有更为广泛的应用前景。 3.目前高分子材料在消费品外壳材料领域应用较为广泛，其色泽选择广泛，然其存在硬度低、耐蚀性较差等不足，影响其进一步应用，多彩硬质TiON薄膜则解决了此问题，既能提供多色系选择又能满足性能要求。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年10月17至18日，在东南大学由教育部高等教育司主办的“第二届全国大学生创新论坛”中，武涛教授指导、吴凯同学参与的大学生创新性实验计划项目《氧掺杂TiN薄膜的制备及性能研究》荣获优秀奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 普通许可
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 多彩硬质TiON薄膜是基于消费产品外壳进行相关研究，因此其主要面向消费产品外壳领域，通过在钢质材料外壳表面沉积TiON薄膜从而使外壳获得表面硬度高、耐腐蚀、耐摩擦等优点，同时在色泽上具有多样性，这将满足消费者对外壳既要求良好的性能又要求色泽的要求，因此，在今后将有潜力广泛应用于诸如手机、手表和工艺品等外壳上，具有很好的经济效益前景。
同类课题研究水平概述
- 目前，随着人们对消费品外壳表面的要求提高，既要求良好的耐磨、耐蚀等性能，还要求不同的色泽以满足各类消费者的需求。其中从材料上来讲，目前市场上广泛应用的主要有两类，一是钢质材料，如不锈钢；二是高分子材料，如聚氯乙烯。然而对于消费者既要求性能又要求色泽的消费品外壳，不锈钢其虽然满足了硬度、耐腐蚀、耐摩擦等要求，但是在颜色上的变化却较为单一，主要是银白色；高分子材料色系选择多样，然而硬度、耐蚀性、耐磨性等不足；这两类材料都无法同时满足相关要求。 自1990年以来，由于化学法和电化学法处理的不锈钢，其表面色泽鲜明而且持久不变，同时不影响不锈钢的其它性能，因此这两种方法，一直都是科学工作者研究的两个主要方向。化学着色法是在特定溶液中，通过化学氧化形成膜的颜色，有重铬酸盐法、混合钠盐法、硫化法、酸性氧化法和碱性氧化法。电化学着色法是在特定溶液中，通过电化学氧化形成膜的颜色。然而采用上述方法对不锈钢表面着色有两个控制难题：一是颜色的控制，二是难使色彩得到重现，这给大规模生产带来了一定的困难。 近年来，物理气相沉积（PVD）得到了快速发展，其中激光脉冲表面处理技术是现代新技术的代表，如新日本制铁公司利用脉冲激光和电脑辅助设计, 先将不锈钢板浸演于硝酸溶液中,然后用脉冲激光照射,控制照射时间的长短,可以在不锈钢表面得到一定颜色或是无色的氧化膜或合金膜，成功开发出不锈钢表面着色的制造新技术。Meinert使用离子注入的方法在不锈钢表面沉积了Al2O3、TiO2薄膜，得到不同颜色的着色膜，同时提高了不锈钢的耐蚀性能。 而对于利用磁控溅射离子镀技术制备多色系氮氧化钛复合膜层尚未见报，因此，本课题面向消费产品外壳应用的多色系彩色硬质TiON薄膜的制备及性能研究有待进一步研究，以期开发出一种既能满足综合性能、又可获得颜色表现的不锈钢表面镀膜技术。
