[發明專利]一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201410816703.1
• 申請日: 2014-12-24
• 公開（公告）號: CN104528822A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 常永勤;張靜;王卡;萬康;陳林;陳瓊;龍毅
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C01G25/02
• 分類號: C01G25/02;C04B41/50
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發明涉及一種制備工藝簡單、成本低廉的立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，屬于納米晶薄膜材料制備技術領域。

背景技術

核反應堆中的核燃料，如二氧化鈾、二氧化釷、二氧化钚等材料具有放射性，研究這些材料在輻照環境中的演化對研究條件的要求非常苛刻，同時研究過程具有一定的危險性。立方相氧化鋯(ZrO₂)與上述材料具有相同的結構，但是沒有放射性，而且還具有非常優良的抗輻照性能，這使得它成為研究陶瓷氧化物在核反應堆中輻照行為的理想材料[K.E.Sickafus,H.Matzke,T.Hartmann,et?al.Journal?of?Nuclear?Materials.1999,274:66-67；Y.W.Zhang,W.L.Jiang,C.M?Wang,et?al.Physical?review?B,2010,82:184105]。立方相ZrO₂是高溫穩定相，一般在室溫條件下不易獲得。目前國際上一般采用離子束輔助沉積(IBAD)方法來制備立方相ZrO₂納米晶薄膜[J.Lian,J.Zhang,F.Namavar,et?al.Nanotechnology,2009,20:245303]，這種方法合成的納米晶晶粒大小比較均勻，但是其操作工藝復雜，成本較高，而且可控性也比較差。也有報道將ZrSiO₄進行離子束非晶化，獲得埋覆在非晶SiO₂中的ZrO₂納米晶[A.Meldrum,L.A.Boatner,R.C.Ewing.Physical?Review?Letters,2002,88:025503]，但是這種方法制備出的ZrO₂納米晶在輻照條件下容易非晶化。溶膠―凝膠方法制備工藝比較簡單，而且成本比較低廉。目前已報道的采用溶膠―凝膠方法合成的立方相ZrO₂納米晶大部分是粉體材料[蔣銀花,倪良,李澄,等.無機鹽工業,2006,38:29-35]，也有部分文獻報道在襯底上制備出ZrO₂納米晶薄膜[A.Mehner,H.K.Westkamp,F.Hoffmann,et?al.Thin?Solid?Films,1997,308:363-368]，但是仍然存在許多問題，如在襯底上涂覆的薄膜容易發生開裂、薄膜不平整、多孔、相不純、燒結溫度高等問題。

發明內容

本發明所要解決的問題是制備出一種晶粒大小均勻的、表面平滑無裂紋的、有穩定立方相的氧化鋯納米晶薄膜。提供了一種溶膠―凝膠法結合旋涂的方式，制備8YSZ的方法。

一種立方相氧化鋯納米晶薄膜的制備方法，制備步驟如下：

1)、分別采用分析純ZrOCl₂·8H₂O為鋯源，Y(NO₃)₃·6H₂O為釔源，加入去離子水配制成濃度為0.4-0.8mol/L的ZrOCl₂溶液，其中Zr:Y的摩爾比為0.92:0.16；

2)、以H₂C₂O₄·2H₂O為沉淀劑，加入去離子水，配制成與ZrOCl₂溶液濃度比為0.5-1的溶液；將ZrOCl₂溶液緩慢滴加到H₂C₂O₄溶液中，制備成溶膠前驅體；

3)、以聚乙烯醇(PVA)溶液作為分散劑，乙酰丙酮作為溶膠穩定劑，分別加入到溶膠前驅體當中；其中PVA的質量濃度為5％-10％，溶膠前驅體當中PVA的質量分數為8％-12％，乙酰丙酮的體積分數為3％-5％；

4)、旋涂；以單晶Si作為襯底，勻膠機的轉速為7000-9000r/min，旋轉時間為50-100s；

5)、分級干燥處理，80℃保溫15-30min，50℃保溫30-60min，30℃保溫30-60min。將干燥好的薄膜進行300-400℃，20-50min的預燒結處理后再重復旋涂的步驟進行多次涂膜。

6)、燒結：涂膜階段完成后，進行500-1200℃，保溫0.5-1.5h的燒結處理，即可獲得穩定立方相的氧化鋯薄膜。