金属基DTi薄膜的制备及其在热带海洋季风气候下的耐蚀性能研究

海南属热带海洋性季风气候，金属制品易受大气和微生物腐蚀。申请者从提高耐磨耐蚀性能出发，设计在不锈钢基体上制备类金刚石+TiO2复合薄膜（DTi薄膜）。利用类金刚石（DLC）和TiO2两种材料间的相互掺杂效应，通过DLC对TiO2的掺杂，改变TiO2的能带结构，降低TiO2禁带宽度，扩大其光催化效应有效波长范围，提高对太阳能利用率，增强抗菌效果；通过TiO2对DLC的掺杂，改变DLC薄膜的亲疏水性，提高表面能，减少DLC与TiO2表面能错配影响TiO2的抗菌效果，同时缓解DLC薄膜高的内应力，增强膜/基结合强度。通过在基体与DTi薄膜之间制备Ti缓冲过渡层，形成不锈钢到DTi薄膜的化学键和过渡，提高基体/DTi薄膜的化学键和强度。本研究（1）提出Ti缓冲过渡层对膜/基结合强度的影响机制；（2）分析DTi薄膜的成分、结构和性能间的关系，提出在热带海洋季风气候条件下DTi薄膜抗菌耐腐蚀的机理

海南高温多湿的气候特点使金属制品易受大气和微生物腐蚀。本项目从提高金属材料耐磨耐蚀性能出发，提出使用CO2气体作为碳源和氧源，使用磁控溅射法成功的在金属表面制备出可重复利用的具有一定光催化效率的碳掺杂Ti-O（C-Ti-O）薄膜。经过多次实验调试寻求到相对稳定的磁控溅射参数，通过改变CO2/O2的流量混合比获得系列碳掺杂Ti-O薄膜。通过设计金属基体与薄膜间不同的界面工艺，优选出利于提高薄膜力学性能的界面工艺。研究表明，采用CO2气体作为碳源，成功实现了对Ti-O薄膜的碳掺杂。C的掺杂可在一定程度上抑制金红石相的形成，使得薄膜具有TiO晶体结构，尤其在使用CO2单组份反应气体时最为显著，且伴有类金刚石相的生成（DTi薄膜）。CO2反应气体促进柱状晶的生成。随着反应气体中O2量的增加，生成金红石相的倾向增加。当采用CO2/O2混合反应气体时，Ti会优先与O结合。合成的C-Ti-O薄膜的吸收边相对于TiO2 都发生了红移，尤其是DTi薄膜的吸收边（508nm）红移最为明显，其带隙宽度窄化也最为显著，为2.44eV。碳掺杂可使Ti-O薄膜光生载流子寿命延长，电子交换阻力减小，对氧化还原反应在表面的发生更有利，但不利于容抗性能的提高。不锈钢表面镀Ti-O薄膜后自腐蚀电位降低，耐腐蚀性增强，且掺杂碳后可使耐腐蚀性进一步提高。自然环境下的实验结果反映出合成的C-Ti-O薄膜具有很好的耐腐蚀性能，但并未表现出明显优于不锈钢基体的结果。C-Ti-O薄膜具有一定的光催化活性且可多次重复利用。DTi薄膜在合成的系列薄膜中表现出最高的光降解甲基橙能力，薄膜光催化活性在酸碱条件下均高于中性条件。对不锈钢基体进行N+注入强化虽能提高C-Ti-O薄膜的硬度，但不利于其耐磨性和膜基结合力强度的提高。在基体和膜之间添加Ti缓冲过渡层有益于改善薄膜的力学性能。合成的C-Ti-O薄膜接触角在72-80o之间，较TiO2疏水，较DLC亲水，能够匹配DLC和TiO2，从而保证了获得较高的膜基结合力。采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法分析并提出了DTi薄膜的光催化机理。C的掺杂使非晶态TiO2的禁带宽度变窄，出现了吸收边红移的现象。同时在非晶态TiO2的表面，C掺杂TiO作为金属负载参加到运输光生电子中，有利于光生电子与空穴的分离。因此含有TiO 晶体的C掺杂Ti-O薄膜有光催化活性。