一种石墨表面钛金属化方法及其制备的产品.pdf

本发明公开了一种石墨表面钛金属化方法及其制备的产品，目的在于解决石墨与金属Cu及Cu合金连接时，存在石墨难被液态金属润湿，及两者膨胀系数、弹性模量差别大，连接困难的问题。本发明先利用磁控溅射法在石墨基体表面沉积钛膜，再对沉积的钛膜进行热等静压处理，从而在石墨基体表面形成钛薄膜。本发明能够有效解决非金属材料石墨在扩散连接工艺中表面钛金属化层膜基结合强度低的问题，能够在石墨基体上制备高膜基结合强度金属钛薄膜。本发明的钛薄膜中，钛的浓度由石墨基体向外逐渐增大，呈梯度分布，钛镀层与基体具有良好的结合强度。本发明能够满足聚变堆面向等离子材料研究的需要，对于聚变堆相关元件的发展具有重要的意义。

权利要求书
1.  一种石墨表面钛金属化方法，其特征在于，包括如下步骤：先利用磁控溅射法在石墨基体表面沉积钛膜，再对沉积的钛膜进行热等静压处理，从而在石墨基体表面形成钛薄膜。

2.  根据权利要求1所述石墨表面钛金属化方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用磁控溅射法在石墨基体表面沉积钛膜
首先对石墨基体进行真空除气处理，然后将经真空除气处理后的石墨基体置于磁控溅射室内，以纯钛作为靶材，进行磁控溅射，在石墨基体表面沉积钛膜；
（2）对沉积的钛膜进行热等静压处理
对步骤1表面沉积钛膜的石墨基体进行热等静压处理，热等静压的压力为40-200MPa，热等静压的温度为900-1000℃，热等静压的保温时间为5-30min，从而在石墨基体表面形成钛薄膜。

3.  根据权利要求1所述石墨表面钛金属化方法，其特征在于，所述步骤1中，纯钛的纯度为99.9%。

4.  根据权利要求1所述石墨表面钛金属化方法，其特征在于，所述步骤1中，进行磁控溅射时，靶距为25-40mm，沉积时间为40-100min，溅射功率为100-150W，偏压为50-150V，真空度为0.5-1.5Pa。

5.  根据权利要求1所述石墨表面钛金属化方法，其特征在于，所述步骤1中，对石墨基体进行真空除气处理，除气温度为1200~1500℃，真空度为0.5~2×10-3Pa，保温1~5h后，冷取至室温，再依次进行清洗、干燥后，即完成真空除气处理。

6.  根据权利要求1所述石墨表面钛金属化方法，其特征在于，所述步骤1中，将石墨基体置于烧结炉内进行真空除气处理，烧结温度为1400℃，真空度1×10-3Pa，保温2h后，冷取至室温，再依次采用蒸馏水超声清洗、丙酮脱水吹干后，即完成真空除气处理。

7.  根据权利要求1-6任一项所述石墨表面钛金属化方法制备的产品。

说明书一种石墨表面钛金属化方法及其制备的产品
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其是材料表面涂层技术领域，具体为一种石墨表面钛金属化方法及其制备的产品。本发明能在石墨基体上制备高膜基结合强度钛膜，具有较好的应用前景。
背景技术
石墨具有熔点高(3400℃)、密度低及优良的抗热震性等优点，因而广泛地用于能源、航空航天、电子等领域。尤其是在高温条件下，如热核聚变装置中的面向等离子体元件，石墨具有较好的应用。石墨的导热率低(一般在100W/m·K左右)，其作为面向等离子体元件的受高温热流等离子体轰击面时，在热核聚变装置中，会使石墨表面温度骤升，性能发生改变，从而使其过早报废。因此，面向等离子体元件是由石墨与金属Cu及Cu合金连接而成。
石墨与金属Cu及Cu合金连接的难点在于：1）石墨表面能高，难被液态金属润湿，在常温下，石墨与纯铜间润湿角达到140°；2）两者的热膨胀系数（0.6×10-6/℃/16.5×10-6/℃）及弹性模量有很大的区别。因此，在石墨与金属Cu及Cu合金连接时，往往需要对石墨表面金属化。
为此，本发明提供一种石墨表面钛金属化方法及其制备的产品，以解决石墨与金属Cu及Cu合金连接的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对石墨与金属Cu及Cu合金连接时，存在石墨难被液态金属润湿，及两者膨胀系数、弹性模量差别大，连接困难的问题，提供一种石墨表面钛金属化方法及其制备的产品。本发明能够有效解决非金属材料石墨在扩散连接工艺中表面钛金属化层膜基结合强度低的问题，能够在石墨基体上制备高膜基结合强度金属钛薄膜。本发明的钛薄膜中，钛的浓度由石墨基体向外逐渐增大，呈梯度分布，钛镀层与基体具有良好的结合强度。本发明能够满足聚变堆面向等离子材料研究的需要，对于相关元件的发展具有重要的意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种石墨表面钛金属化方法，包括如下步骤：先利用磁控溅射法在石墨基体表面沉积钛膜，再对沉积的钛膜进行热等静压处理，从而在石墨基体表面形成钛薄膜。
进一步，包括如下步骤：
（1）利用磁控溅射法在石墨基体表面沉积钛膜
首先对石墨基体进行真空除气处理，然后将经真空除气处理后的石墨基体置于磁控溅射室内，以纯钛作为靶材，进行磁控溅射，在石墨基体表面沉积钛膜；
（2）对沉积的钛膜进行热等静压处理
对步骤1表面沉积钛膜的石墨基体进行热等静压处理，热等静压的压力为40-200MPa，热等静压的温度为900-1000℃，热等静压的保温时间为5-30min，从而在石墨基体表面形成钛薄膜。
所述步骤1中，纯钛的纯度为99.9%。
所述步骤1中，进行磁控溅射时，靶距为25-40mm，沉积时间为40-100min，溅射功率为100-150W，偏压为50-150V，真空度为0.5-1.5Pa。
所述步骤1中，对石墨基体进行真空除气处理，除气温度为1200~1500℃，真空度为0.5~2×10-3Pa，保温1~5h后，冷取至室温，再依次进行清洗、干燥后，即完成真空除气处理。
所述步骤1中，将石墨基体置于烧结炉内进行真空除气处理，烧结温度为1400℃，真空度1×10-3Pa，保温2h后，冷取至室温，再依次采用蒸馏水超声清洗、丙酮脱水吹干后，即完成真空除气处理。
采用前述石墨表面钛金属化方法制备的产品。
为了实现石墨表面金属化，通常采用的材料有Zr、Cr、W等。而针对前述问题，本发明提供一种石墨表面钛金属化方法及其制备的产品，采用本发明能够在石墨表面获得理想的表面形态，并实现石墨与铜及铜合金的良好结合。本发明中，以Ti为磁控溅射的靶材，在反应过程中，Ti与石墨表面发生界面反应，生成碳化钛。碳化钛具备一定的金属性，而碳化钛的存在实现了镀层与石墨基体间的化学键结合，降低了Ti层与基体石墨间的应力梯度，可以实现牢固的冶金结合。同时，Ti的热膨胀系数(8.2×10-6/℃)介于石墨与金属Cu及Cu合金之间，因此，在石墨表面形成的钛薄膜有利于石墨与金属Cu及Cu合金间应力的缓解。综上，现对于现有技术，采用本发明来实现石墨表面金属化，具有明显优势。
本发明中，首先采用磁控溅射在石墨基体表面形成一层致密的钛膜，然后再将石墨基体置于热等静压设备中进行处理，最终在石墨基体表面形成由基体内钛的扩散层和表面钛沉积层构成高膜基结合强度的钛镀层（即本发明中所指的钛薄膜），实现石墨表面金属化。本发明利用磁控溅射及热等静压技术，使石墨表面形成一层具有良好膜基结合强度的钛膜，有效解决了非金属材料石墨在扩散连接工艺中表面钛金属化层膜基结合强度低的技术难点。该方法结合了磁控溅射沉积薄膜的特点及热等静压有利于钛/碳发生扩散反应的优点，工艺重复性好，质量易控，可用于聚变堆面向等离子材料中石墨扩散连接技术研究的需要。
同时，本发明还提供该方法制备的产品，及该产品作为面向等离子体元件的应用。本发明能够在非金属材料基体上，制备高膜基结合强度金属钛薄膜（即钛镀层），镀层中钛的浓度由内到外逐渐增大，呈梯度分布，钛镀层与石墨基体具有良好的结合强度。
本发明能够满足聚变堆面向等离子材料研究的需要，对于相关元件的发展具有重要的意义。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
将经过真空除气处理后的石墨基体工件置于磁控溅射室内，用99.9wt%的纯钛做靶材，其沉积钛的工艺条件为：靶距25mm，沉积时间40min，溅射功率100W，偏压50V，真空度0.5Pa。磁控溅射完成后，在石墨基体表面形成一层钛膜。
再将沉积有钛膜的石墨基体工件置于热等静压设备中处理，即将镀有钛膜的石墨基体工件置于热等静压设备中进行加温、加压处理。处理工艺如下：工作温度900℃，工作压力40MPa，保温时间为5min。热等静压完成后，冷却至室温，取出工件，在石墨基体工件表面形成一层具有良好膜基结合强度的钛镀层，其结合强度为3.9MPa。
实施例2
将石墨基体置于烧结炉内进行真空除气处理，烧结温度为1400℃，真空度1×10-3Pa，保温2h后，冷取至室温，再依次采用蒸馏水超声清洗、丙酮脱水吹干后，即可。
再将经过真空除气处理后的石墨基体工件置于磁控溅射室内，用99.9%的纯钛做靶材，其沉积钛的工艺条件为：靶距35mm，沉积时间60min，溅射功率120W，偏压100V，真空度1Pa。磁控溅射完成后，在石墨基体表面形成一层钛膜。
再将沉积有钛膜的石墨基体工件置于热等静压设备中处理，即将镀有钛膜的石墨工件置于热等静压设备中进行加温、加压处理。处理工艺如下：工作温度950℃，工作压力100MPa，保温时间为15min。热等静压完成后，冷却至室温，取出工件，在石墨基体工件表面形成一层具有良好膜基结合强度的钛镀层，其结合强度为5.3MPa。
实施例3
将经过真空除气处理后的石墨基体工件置于磁控溅射室内，用99.9%的纯钛做靶材，其沉积钛的工艺条件为：靶距40mm，沉积时间100min，溅射功率150W，偏压150V，真空度1.5Pa。磁控溅射完成后，在石墨基体表面形成一层钛膜。
再将沉积有钛膜的石墨基体工件置于热等静压设备中处理，即将镀有钛膜的石墨工件置于热等静压设备中进行加温、加压处理。其处理工艺如下：工作温度1000℃，工作压力200MPa，保温时间为30min。热等静压完成后，冷却至室温，取出工件，在石墨基体工件表面形成一层具有良好膜基结合强度的钛镀层，其结合强度为7.1MPa。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。