贵金属因具有良好的抗氧化性能、高的电导率、优异的催化活性以及使用中的高稳定性能,在基础工业、高新技术及军工宇航领域应用广泛。但贵金属资源量少,价格昂贵,在保障使用性能的条件下如何降低用量是业界关注的重要课题。使用薄膜或涂层代替整体材料是大幅降低用量的重要途径。同时,薄膜材料厚度与其长度和宽度相比几乎可以忽略不计,结构特殊且表面积大,除保持了贵金属优异的物理化学性能外,还具有块体状材料所不具备的、特异的光学、电学、磁学,以及催化等性能,二者兼备,使其作为磁性材料、催化剂材料、光学材料、传感材料、光电子功能材料,以及特种功能涂层等材料,得到了广泛的应用。
薄膜与涂层在厚度尺寸上不同,在功能定位上也有所侧重。一般来讲,以薄膜材料使用时,其厚度通常小于25μm,最薄的可小于1μm,甚至是原子尺度上的二维材料。功能上更多地是利用其光、电、磁及催化等物理化学特性,开发各类特殊用途的功能薄膜材料。涂层的厚度比薄膜厚,主要功能是作为抗腐蚀和抗氧化的表面保护材料。
贵金属的抗腐蚀性能、抗氧化性能及与常见气体的反应情况详见表1-3和表1-4。简言之,铱、铑的抗化学腐蚀能力最强,粉末态或致密金属甚至在加热的情况下都不溶于各种酸和王水,也耐很多腐蚀性化学试剂的浸蚀,银是贵金属中耐蚀性最差的金属。抗氧化能力最强的是铑和铂,高温下都很难氧化和挥发,最易氧化的是锇、钌、钯。贵金属(银除外)都耐硫及硫化物腐蚀,银在潮湿的空气中,易被硫或硫化物腐蚀生成硫化银。详细了解这些性质是研发及使用该类材料的基础。
材料的腐蚀是一个普遍现象,贵金属的耐腐蚀和抗氧化性并非意味着不腐蚀和不氧化,这与其存在状态和使用状态、使用环境和条件密切相关,其实是一个腐蚀和氧化速度及使用寿命问题。薄膜状态其厚度仅微米级,若发生腐蚀和氧化不仅严重改变其使用性能,也影响其寿命。因此利用贵金属薄膜特异的光、电、磁及催化性质开发相关的功能材料时,其使用目的、使用环境和条件、选择何种金属或合金、以什么工艺和技术制备薄膜、防蚀及防氧化设计等问题,是材料科学研究中必须兼顾的重要问题。
本章介绍各类贵金属薄膜涂层材料,包括单种纯贵金属、合金及化合物薄膜,含贵金属的双层及多层膜,纳米颗粒膜和复合膜的用途、性能及研发情况。同时还介绍各类材料的制备方法,如电镀法、化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)、溶胶-凝胶法(Sol-gel)以及分子束外延等。