[發明專利]一種以多孔襯底材料為支撐的梯度結構薄膜的制備方法

無效

• 申請號: 200710024612.4
• 申請日: 2007-06-25
• 公開（公告）號: CN101114719A
• 公開（公告）日: 2008-01-30
• 發明（設計）人: 田長安;曾燕偉;劉俊亮
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;C23C26/00;C08J5/18;C04B41/85;H01L21/00;B01J19/00
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

技術領域：

本發明涉及的是一種多孔襯底功能性梯度薄膜的制備方法。具體的說，是一種利用對流一擴散效應在多孔襯底材料表面制備具有梯度結構的功能性薄膜的方法，屬于先進功能薄膜材料制備技術領域。

背景技術：

梯度薄膜材料因與襯底材料具有組成一結構的梯度結構，可大大改善薄膜與基體材料的結合，在光電、能源、傳感器、熱電/熱離子轉換、核、醫學、生理、電磁和光學等領域有廣泛和實際的應用，得到了國內外學者的廣泛研究[解念鎖，梯度功能材料的制造方法及應用，陜西工學院學報，2002，4-7；B.“Functionally?graded?structural?members?obtained?via?the?low?temperature?straininduced?phase?transformation”，Journal?of?Solids?and?Structures，2007，44，5182-5207，低溫相變控制相轉變獲得功能梯度結構薄膜，固體和結構學報]。然而，目前用來制備梯度薄膜的技術(包括電化學氣相沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、等離子噴涂、脈沖激光沉積、噴霧熱解法、粉末冶金法、激光熔覆法)存在操作復雜、梯度結構難以控制以及制備成本高等一系列不足之處。如氣相沉積法中化學氣相沉積法原料價格昂貴、反應溫度高、膜生長速率較低；電化學氣相沉積法溫度非常高(＞1000℃)，成本很高，副產物有毒；物理氣相沉積法需要對不同組分的蒸發溫度分別加以控制，制備系統復雜、設備價格昂貴、沉積速度慢、成本較高；脈沖激光沉積法對被濺射出來的物質的定向沉積缺乏有效的控制，沉積效率低，薄膜厚度不均勻，不適合大面積制備；濺射法沉積速度慢、薄膜質量差，特別是當基質為多孔材料時，沉積后薄膜表面粗糙，很難完全避免裂紋、針孔等缺陷。等離子熱噴涂易使基體材料損傷；噴霧熱解法具有腐蝕性、原料利用率低；電泳沉積法需重復操作，沉積、煅燒循環次數多；沉積層中粉末團聚嚴重，導致燒結后團聚體之間的空隙較大；溶膠．凝膠法需要多次重復涂膜、預燒，費時費力，成膜效率低；流延法氣密性較差；漿料涂敷法薄膜難以致密化，在熱處理過程中收縮較大、易開裂、溶劑蒸發時表面和內部易出現氣孔和針眼?？傊?，目前報道的各種薄膜技術尚未達到薄膜層的高效、清潔、可控、規?；a要求[FAN?Baoan，ZHU?Qingshan，XIE?Chaohui“Review?on?fabricating?YSZ?electrolytefilm?for?SOFC”，J?Pro?Eng，2004，14(1)：75-83，固體氧化物燃料電池YSZ電解質薄膜的制備方法的概述，過程工程學報(2004)]。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術中的不足和缺陷，提供一種以多孔襯底為支撐的梯度結構薄膜的制備方法，它利用對流-擴散效應在多孔襯底表面制備梯度薄膜，使薄膜材料與襯底在結構上的形成連續漸變的梯度結構，從而達到降低應力，增加薄膜與襯底的結合強度與熱膨脹適配性等目的。

本發明是通過以下技術方案實現的，采用對流-擴散效應，將使薄膜沉積在預先制備好的多孔襯底表面上，實現材料的薄膜化和梯度化同時實現。其具體制備工藝包括如下步驟：

A.選擇粉體制備成型，預燒后獲得孔隙率為30％～50％的多孔襯底材料；

B.選擇可提供薄膜組分的物質作溶質，將溶質溶于溶劑中，配制沉積溶液；

C.將多孔材料以周邊密封的形式置于容器上，在容器中注入溶液，通過調節溶液的壓力和溫度，使溶液進入襯底材料并維持其液面始終在多孔襯底材料的表面上；

D.溶劑在襯底表面揮發，并發生溶劑-溶質在多孔襯底孔道中的對流-擴散運動，導致溶質在多孔材料上表面及其附近孔道中的沉積，形成具有梯度結構的沉積層；

E.揮發-沉積0.5h～100h后，將容器中溶液移出，注入溶劑進行與步驟D相似的揮發過程，以清洗襯底材料孔道中的溶質和調節溶質沉積的梯度結構；

F.將帶有沉積層的多孔襯底由容器上取下，于烘箱中加熱烘干，然后放入高溫爐中在保護氣氛下燒結，冷卻后得到沉積在多孔襯底材料上的以多孔襯底材料為支撐的梯度結構薄膜。