[發明專利]用于制備立方氧化鋯層的方法

有效

• 申請號: 201080053523.2
• 申請日: 2010-09-24
• 公開（公告）號: CN102666908B
• 公開（公告）日: 2020-07-21
• 發明（設計）人: J.拉姆;B.維德里希
• 申請（專利權）人: 歐瑞康表面解決方案股份公司;普費菲孔
• 主分類號: C23C14/00
• 分類號: C23C14/00;C23C14/06;C23C14/08;C23C14/32
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 石克虎;林森

為了在沉積基材上產生基于氧化鋯的層，使用了包含單質鋯石和至少一種穩定劑的混合靶，或者使用由元素鋯組成的鋯靶，在該方法中使用了反應性火花蒸發，該火花蒸發使用脈沖的火花電流和/或施加了垂直于火花靶的磁場，其中除了氧氣之外，將氮氣用作反應性氣體。作為選項，與混合靶使用相結合，除了氧氣之外，氮氣也可以用作反應性氣體。

本發明涉及一種制備氧化鋯層的方法以及含有氧化鋯的層和/或層系統。本發明還涉及具有氧化鋯層的產品以及它們的應用。

基于氧化鋯的層令人感興趣之處主要在于它們的立方和/或四方形式，例如在燃料電池固體電解質應用領域。

但是，基于氧化鋯的層的離子傳導率和它們的熱穩定性也使得它們能夠用于傳感器領域中。

同樣在這個領域中，優選倚重立方晶體結構，如US20040084309中所述：該文獻描述了一種傳感器，基于四方或者立方的Zr-O層，并且其包含小于5mol%的單斜晶相摻混物。必需限制單斜晶相的理由在于，在能夠避免在暴露于交變溫度負荷時形成裂紋，其是由于相轉變過程中的體積變化引起的。依靠穩定劑來避免單斜晶相。第101段還描述了在所述層中小的平均晶粒尺寸(小于2.5微米)是有利的，因為它在相轉變過程中表現更穩定。在第103段，表示了立方晶相與四方晶相的優選比率，(400)用于立方晶相，(004)和(220)用于四方晶相。

因為良好的機械性能以及相關的良好的熱障行為，所述的層還能夠有利地用于工具涂層領域，特別是用于部件涂層。這里的焦點集中在摩擦系統的設計上。所述層的可調整的形態和可調整的硬度以及易于與其他氧化物層的組合性可以用于優化涂覆工件/部件的磨損和撕裂以及相對物體的磨損。

另外一種應用描述在US20070004589中：使用四方和立方Zr-O的混合物，并且加入穩定劑用于催化劑應用中。

基于氧化鋯的層可以將它們的組成主要描述為Zr-O，Zr-O-N，Zr-St-O，Zr-St-O-N，這里St代表穩定劑元素，其對立方或四方結構的ZrO₂的穩定化作出了貢獻。作為穩定劑，優選使用Y。在現有技術中，用于生產基于氧化鋯的層的不同方法是已知的，并且將在下文中簡要描述。

a)通過燒結生產的層：

在US05709786以及EP00669901中，描述了由Zr-O來生產固體電解質的燒結方法。討論了添加穩定劑來提高Zr-O的離子傳導率，以及還討論了與金屬和陶瓷粉共燒結來產生與固體電解質連接的接觸。根據該現有技術，作為必要特性，描述了這樣的事實，即，粒徑在納米范圍的粉末降低了離子傳導率的溫度依賴性和小尺寸粉末在燒結方法過程中是有利的，并且降低了燒結所需溫度。這特別是與下面方面相關地進行了討論，即，有利地用于提高離子傳導率的一些穩定劑可以僅僅在非常高的溫度在通常的粉末尺寸進行燒結。該文獻描述了在燒結方法過程中生產層的難度，并且顯示了通過降低粉末尺寸的可能解決方案。沒有對所述層分析表征，但是該文獻證實了這樣的必要性，即，對于具體應用來說，有利的是使得摩擦系統中Zr-O層的層硬度和其他機械性能是可調整的。

US20040084309的Zr-O層(其適用于傳感器中)也是在燒結方法中生產的。

但是，在燒結方法過程中，所需的高溫將引起相當大的缺點。為了降低它們，將昂貴的納米粉末用作起始材料。在高熔點材料的情況中，通常的燒結溫度(大約1500℃)必須進一步提高來使得該燒結方法成為可能。當加入穩定化的高熔點元素時(如US05709786所述)就是這種情況。從該文獻中，還顯而易見的是將固體電解質層與其他功能層(例如電極)或與機械和熱保護層組合是重要的。這意味著必需用于生產具有彼此匹配的功能的完全的層疊體，并且生產溫度必須彼此匹配來實現良好的層疊(例如界面問題，層穩定性)。從該文獻中還顯而易見的是高的生產溫度在材料(嵌入穩定劑)方面是有利的，但是這并不能容易地實現，甚至難以實現層復合體。