溶胶-凝胶法制备ZrSiO4薄膜的研究.pdf

摘 要 以乙酸锆为锆源、正硅酸乙酯为硅源，氟化锂为矿化剂，乙酰丙酮为螯合剂， 硝酸为胶溶剂，采用溶胶-凝胶法在SiC 基底上可以制备出硅酸锆薄膜。在此基础上 于溶胶中引入硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES ），可以增强薄膜与基底 的结合力、进一步提升镀膜次数。此外，在溶胶中引入 Y3+可以稳定薄膜中的杂质 ZrO ，减少相变应力，提升薄膜的稳定性及抗氧化能力。运用DTA-TG、XRD 、SEM、 2 EDS 、AFM 和FTIR 等测试手段系统研究了溶胶化工艺、螯合剂用量、pH 值、前驱 体浓度、陈化时间、热处理制度及镀膜工艺参数对硅酸锆薄膜成膜质量的影响。实 验结果表明： 采用硝酸作为胶溶剂，在螯合剂乙酰丙酮浓度高于0.47 mol·L-1，pH 值为1 时， 通过酸催化工艺可以得到稳定的硅酸锆溶胶。ZrSiO4 前驱体浓度为0.4 mol·L-1、陈 化时间大于24 h 时，以1 mm·s-1 的速度提拉，经60 ℃干燥2 h 、900 ℃保温0.5 h 的热处理后可以获得均匀、无开裂的硅酸锆薄膜。胶溶剂硝酸的添加有利于稳定溶 胶的制备，从而制备出致密的硅酸锆薄膜。当前驱体浓度低于0.4 mol·L-1 时不利于 致密硅酸锆薄膜的制备，高于这一数值溶胶黏度增加，容易导致薄膜开裂，影响薄 膜性能。陈化时间对薄膜微观形貌有较大的影响，SEM 结果表明，当陈化时间小于 24 h 时，未完全均匀化的溶胶会影响薄膜表面的平整度，导致小颗粒的生成。大于 24 h 时，薄膜厚度适中无开裂，具有较好的抗腐蚀性能。 在溶胶中添加APTES 可以提高基底与薄膜的结合力，FT-IR 结果表明胶体中形 成了 Si-C 键合，有机-无机的结合更为紧密。当APTES 添加量为ZrSiO4 摩尔比的 10 %时，可以将薄膜的可镀膜次数从2 次提升至4 次，AFM 测试结果表明，添加 APTES 后薄膜表面平滑致密度提高。多次镀膜后的薄膜具有较好的抗氧化性能，在 1300 ℃下循环氧化102 h 后，质量损失仅为0.03%,低于未添加APTES 样品的0.08% 和未镀膜样品的0.16% 。 ZrSiO4 薄膜中所含的ZrO2 杂质相容易产生相变应力，导致薄膜开裂，当添加硅 酸锆摩尔比1%的Y(NO ) ·6H O 时，可以制备出高温条件下更为稳定的ZrSiO 薄膜。 3 3 2 4 SEM 测试结果表明稳定后的薄膜高温氧化形成的裂纹更少，有利于提升其抗氧化性 能。总之，溶胶-凝胶法制备硅酸锆薄膜拓宽了镀膜用 ZrSiO4 溶胶的制备范围，同 时也为抗氧化膜的制备和应用提供了新的思路。 关键词：硅酸锆 薄膜 溶胶-凝胶法 抗腐蚀 抗氧化 I 目 录 摘 要I Abstract II 目录IV 1 引 言 1 2 文献综述 2 2.1 硅酸锆概述 2 2.1.1 硅酸锆晶体结构 2 2.1.2 硅酸锆的性能 3 2.2 薄膜材料概述 3 2.2.1 薄膜材料的应用 3 2.2.1.1 保护膜 3 2.2.1.2 光学功能薄膜 4 2.2.1.3 电磁功能膜 4 2.2.1.4 催化功能膜 5 2.2.1.5 分离膜 5 2.2.1.6 传感膜 5 2.3 溶胶-凝胶法概述 6 2.3.1 水解溶胶-凝胶法 6 2.3.2 非水解溶胶-凝胶法 9 2.4 硅酸锆薄膜国内外研究现状 9 2.4.1 溶胶-凝胶法 10 2.4.2 化学气相沉积法 10 2.4.3 磁控溅射沉积法 11