溶胶凝胶法制备薄膜及涂层材料 PPT
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
水。特别是放置时间长久的钠一钙玻璃，所放出
的气体的量是新鲜玻璃表面的数倍。这时可用稀
氢氟酸处理，将玻璃表层除去。如果玻璃表面风 化到模糊不清的程度，可用CeO2研磨剂，将玻璃 表面抛光，以除去其表层。石英玻璃比含碱玻璃 的吸附水少。
镀膜
干燥
热处理
图 7-3溶胶-凝胶法制备薄膜的工艺流程图
7.2.1 基板性质及清洗方法
▪ 7.2.1.1基板性质 ▪ 常用的基板有玻璃、Si(100)、Si(111)、蓝宝石(Al2O3)、
瓷片以及树脂基板等。 ▪ 为了降低成本和获得工业用途，大多数薄膜制备在玻
璃基板上。 ▪ 表7-3 给出了几种玻璃基板的化学组成
▪ (1) 溶胶稳定性
▪
沉淀剂的种类，沉淀反应的速度和温度；pH；溶胶
剂种类，溶胶温度和时间；成膜促进剂加入后的分散方式
与时间。
▪ (2)干燥制度
▪
特别细致的升温并在有关分解温度充分保温有利于获
得结构致密的陶瓷膜，反之有利于得到多孔膜。
▪ 图7-2 为ZrO2(Y2O3)-Al2O3膜的早期干燥曲线
溶胶凝胶法制备薄膜及涂层材料
7.1 溶胶－凝胶法制备薄膜的工艺特征
▪ 7.1.1反应体系的确定 ▪ 考虑因素 ▪ (1)以当前先进功能烧结陶瓷主成分为依据选择相
应的无机前驱体； ▪ (2)合成初期的化学现象具有代表性； ▪ (3)涉及单组分和多组分氧化物。
反应体系的组成如表7-1所示。
表7-1 反应体系的组成
表7-7列出了Pyrex玻璃的物理性质。
表7-7 Pyrex玻璃(CGW # 7740)的性质
(4)普通平板玻璃基板
普通平板玻璃的用量最大。它是以CaO和 Na2O取代价格较高的硼酸和难熔的铝所得。
现在，在平板玻璃产量中，浮法玻璃占有 很大比例。
表7-8列出了普通平板玻璃的物理性质。
表7-8普通平板玻璃基板的性质
表7-3几种玻璃基板的化学组成/%
(1)石英玻璃基板
表7-5透明石英玻璃基板的性质
(2)高硅玻璃基板
表7-6 Vycor(CGW # 7900)玻璃基板的性质
(3)硼硅酸玻璃基板
硼硅酸玻璃的线膨胀系数介于石英玻璃和普 通平板玻璃之间。具有优良的耐热性和耐久性。 常作为理化实验室用玻璃器皿。
不过，由于硼硅酸盐玻璃容易分相，在 500~600℃温度范围内使用时，性能显著下降。
7.2溶胶-凝胶法制备薄膜的工艺方法
▪ 溶胶-凝胶法制备薄膜方法有：浸渍法(Dipping)，旋覆法 (Spinning)，喷涂法(Spraying)和简单刷涂法(Painting) 及 电沉积法等等。常用的是浸渍法和旋覆法。
▪ 溶胶-凝胶法制备薄膜的工艺流程如图7-3所示。
基板清洗
溶胶的配制
溶胶的陈化
(3)烧结制度
按一般烧结理论，随着烧结温度的提高， 晶粒长大造成组织均匀性下降，对多孔膜来说 则伴随孔径长大和孔隙率降低。但在制备的许 多陶瓷薄膜或涂层时，这种变化并不明显。
(4)基体 在制备载体膜(或涂层)时，基体必须在表面状
态和热膨胀系数方面与Sol-Gel膜相匹配。
7.1.2 醇盐法制备薄膜的溶胶-凝胶工艺特征
(5)玻璃基板中的气体及表面吸附气体
玻璃中气体的种类及含量依玻璃成分及生产方 法的不同而不同。表7-9列出了经加热后自玻璃释 放出的气体种类及含量。
表7-9经加热后自玻璃基板释放的气体
平板玻璃和铅玻璃在加热到200℃左右时放出气体 的量最多，硼硅酸盐玻璃在300℃附近放出气体的 量最多。在真空中加热，玻璃放出的气体多半是
主要反应体系介绍： (1) 氧化铝系列
以Al2O3为主要成分，用于超过虑、气体分离和膜催化。
(2)氧化锆系列
MgO-ZrO2、Y2O3-ZrO2材料可用于膜催化，氧离子传感器 和低湿度湿敏材料，一般要求制成微孔结构。
(3)镁尖晶石系列
用于制备全量程湿敏材料，具有湿阻线性好、响应快、无 需加热清洗等特点，但其薄膜化问题很难解决。
料的微结构有控制作用。 在成膜促进剂的参与下，无机前驱体Sol-Gel
膜的成膜机制如图7-1所示。
稳定的均匀溶胶
Baidu Nhomakorabea
胶粒 H2O NH4+或者NO3成膜促进剂
H2O CO2
NO3- H2O NH3 干燥初期
快升温
慢升温
图7-1 无机前驱体Sol-Gel膜的成膜机制示意图
对成膜促进剂成分的的一般要求
第一：根据最终材料的结构要求和溶胶粒子 表面电荷性质选择主成分和表而活性剂；
(4)磷酸盐系列
Ca10(OH)2(PO4)6、 (Ca，Mg)Zr4(PO4 )6
7.1.1.2 成膜促进剂的作用和组成原则
▪ 在薄膜与涂成的制备过程中，成膜促进剂主要起 到以下作用：
▪ (1)起到高分子的位阻作用。 ▪ (2)延缓溶剂挥发作用。 ▪ (3)带不同长度支链和极性基团的高分子对最终材
第二：各组分之间不应有强的化学作用，以 免影响各自的功能；
第三：主成分应具有较高的固化点。使固相 粒子在初期干燥阶段(<120℃)充分靠近以形成密 堆积；
第四，各组分在后期干燥和热处理早期 (<350℃)能够逐渐并完全分解。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
7.1.1.3 影响成膜性和膜结构的主要因素
7.1.3 溶胶-凝胶法制备膜工艺优点
▪ (1)工艺设备简单，无需真空条件或真空昂贵设备； ▪ (2)工艺过程温度低，这对于制备含有易挥发组分
或在高温下易发生相分离的多元系来说尤其重要； ▪ (3)可以大面积在各种不同形状、不同材料的基底
上制备薄膜，甚至可以在粉末材料的颗粒表面制 备一层包覆膜； ▪ (4)易制得均匀多组分氧化物膜，易于定量掺杂， 可以有效地控制薄膜成分及微观结构。
▪ 7.1.2.1 反应体系的确定 ▪ 反应体系包括：金属醇盐、溶剂、水、催化剂、
水解速度控制剂及成膜控制剂。
▪ 表7-2 给出了几种典型醇盐法制备薄膜的溶胶-凝 胶反应体系的组成
表7-2 几种典型醇盐法制备薄膜的溶胶-凝胶反应体系的组成
7.1.2.2影响成膜性和膜结构的主要因素
▪ 采用醇盐法制备薄膜时，影响成膜性和膜 结构的主要因素仍然是溶胶的配比、溶胶 的稳定性、干燥制度、烧结制度和基体的 选择等，具体情况与7.1.1.3节讨论的相同。 此处需要强调的是溶胶的稳定性是可以工 业化最关键的前提条件。
的气体的量是新鲜玻璃表面的数倍。这时可用稀
氢氟酸处理，将玻璃表层除去。如果玻璃表面风 化到模糊不清的程度，可用CeO2研磨剂，将玻璃 表面抛光，以除去其表层。石英玻璃比含碱玻璃 的吸附水少。
镀膜
干燥
热处理
图 7-3溶胶-凝胶法制备薄膜的工艺流程图
7.2.1 基板性质及清洗方法
▪ 7.2.1.1基板性质 ▪ 常用的基板有玻璃、Si(100)、Si(111)、蓝宝石(Al2O3)、
瓷片以及树脂基板等。 ▪ 为了降低成本和获得工业用途，大多数薄膜制备在玻
璃基板上。 ▪ 表7-3 给出了几种玻璃基板的化学组成
▪ (1) 溶胶稳定性
▪
沉淀剂的种类，沉淀反应的速度和温度；pH；溶胶
剂种类，溶胶温度和时间；成膜促进剂加入后的分散方式
与时间。
▪ (2)干燥制度
▪
特别细致的升温并在有关分解温度充分保温有利于获
得结构致密的陶瓷膜，反之有利于得到多孔膜。
▪ 图7-2 为ZrO2(Y2O3)-Al2O3膜的早期干燥曲线
溶胶凝胶法制备薄膜及涂层材料
7.1 溶胶－凝胶法制备薄膜的工艺特征
▪ 7.1.1反应体系的确定 ▪ 考虑因素 ▪ (1)以当前先进功能烧结陶瓷主成分为依据选择相
应的无机前驱体； ▪ (2)合成初期的化学现象具有代表性； ▪ (3)涉及单组分和多组分氧化物。
反应体系的组成如表7-1所示。
表7-1 反应体系的组成
表7-7列出了Pyrex玻璃的物理性质。
表7-7 Pyrex玻璃(CGW # 7740)的性质
(4)普通平板玻璃基板
普通平板玻璃的用量最大。它是以CaO和 Na2O取代价格较高的硼酸和难熔的铝所得。
现在，在平板玻璃产量中，浮法玻璃占有 很大比例。
表7-8列出了普通平板玻璃的物理性质。
表7-8普通平板玻璃基板的性质
表7-3几种玻璃基板的化学组成/%
(1)石英玻璃基板
表7-5透明石英玻璃基板的性质
(2)高硅玻璃基板
表7-6 Vycor(CGW # 7900)玻璃基板的性质
(3)硼硅酸玻璃基板
硼硅酸玻璃的线膨胀系数介于石英玻璃和普 通平板玻璃之间。具有优良的耐热性和耐久性。 常作为理化实验室用玻璃器皿。
不过，由于硼硅酸盐玻璃容易分相，在 500~600℃温度范围内使用时，性能显著下降。
7.2溶胶-凝胶法制备薄膜的工艺方法
▪ 溶胶-凝胶法制备薄膜方法有：浸渍法(Dipping)，旋覆法 (Spinning)，喷涂法(Spraying)和简单刷涂法(Painting) 及 电沉积法等等。常用的是浸渍法和旋覆法。
▪ 溶胶-凝胶法制备薄膜的工艺流程如图7-3所示。
基板清洗
溶胶的配制
溶胶的陈化
(3)烧结制度
按一般烧结理论，随着烧结温度的提高， 晶粒长大造成组织均匀性下降，对多孔膜来说 则伴随孔径长大和孔隙率降低。但在制备的许 多陶瓷薄膜或涂层时，这种变化并不明显。
(4)基体 在制备载体膜(或涂层)时，基体必须在表面状
态和热膨胀系数方面与Sol-Gel膜相匹配。
7.1.2 醇盐法制备薄膜的溶胶-凝胶工艺特征
(5)玻璃基板中的气体及表面吸附气体
玻璃中气体的种类及含量依玻璃成分及生产方 法的不同而不同。表7-9列出了经加热后自玻璃释 放出的气体种类及含量。
表7-9经加热后自玻璃基板释放的气体
平板玻璃和铅玻璃在加热到200℃左右时放出气体 的量最多，硼硅酸盐玻璃在300℃附近放出气体的 量最多。在真空中加热，玻璃放出的气体多半是
主要反应体系介绍： (1) 氧化铝系列
以Al2O3为主要成分，用于超过虑、气体分离和膜催化。
(2)氧化锆系列
MgO-ZrO2、Y2O3-ZrO2材料可用于膜催化，氧离子传感器 和低湿度湿敏材料，一般要求制成微孔结构。
(3)镁尖晶石系列
用于制备全量程湿敏材料，具有湿阻线性好、响应快、无 需加热清洗等特点，但其薄膜化问题很难解决。
料的微结构有控制作用。 在成膜促进剂的参与下，无机前驱体Sol-Gel
膜的成膜机制如图7-1所示。
稳定的均匀溶胶
Baidu Nhomakorabea
胶粒 H2O NH4+或者NO3成膜促进剂
H2O CO2
NO3- H2O NH3 干燥初期
快升温
慢升温
图7-1 无机前驱体Sol-Gel膜的成膜机制示意图
对成膜促进剂成分的的一般要求
第一：根据最终材料的结构要求和溶胶粒子 表面电荷性质选择主成分和表而活性剂；
(4)磷酸盐系列
Ca10(OH)2(PO4)6、 (Ca，Mg)Zr4(PO4 )6
7.1.1.2 成膜促进剂的作用和组成原则
▪ 在薄膜与涂成的制备过程中，成膜促进剂主要起 到以下作用：
▪ (1)起到高分子的位阻作用。 ▪ (2)延缓溶剂挥发作用。 ▪ (3)带不同长度支链和极性基团的高分子对最终材
第二：各组分之间不应有强的化学作用，以 免影响各自的功能；
第三：主成分应具有较高的固化点。使固相 粒子在初期干燥阶段(<120℃)充分靠近以形成密 堆积；
第四，各组分在后期干燥和热处理早期 (<350℃)能够逐渐并完全分解。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
7.1.1.3 影响成膜性和膜结构的主要因素
7.1.3 溶胶-凝胶法制备膜工艺优点
▪ (1)工艺设备简单，无需真空条件或真空昂贵设备； ▪ (2)工艺过程温度低，这对于制备含有易挥发组分
或在高温下易发生相分离的多元系来说尤其重要； ▪ (3)可以大面积在各种不同形状、不同材料的基底
上制备薄膜，甚至可以在粉末材料的颗粒表面制 备一层包覆膜； ▪ (4)易制得均匀多组分氧化物膜，易于定量掺杂， 可以有效地控制薄膜成分及微观结构。
▪ 7.1.2.1 反应体系的确定 ▪ 反应体系包括：金属醇盐、溶剂、水、催化剂、
水解速度控制剂及成膜控制剂。
▪ 表7-2 给出了几种典型醇盐法制备薄膜的溶胶-凝 胶反应体系的组成
表7-2 几种典型醇盐法制备薄膜的溶胶-凝胶反应体系的组成
7.1.2.2影响成膜性和膜结构的主要因素
▪ 采用醇盐法制备薄膜时，影响成膜性和膜 结构的主要因素仍然是溶胶的配比、溶胶 的稳定性、干燥制度、烧结制度和基体的 选择等，具体情况与7.1.1.3节讨论的相同。 此处需要强调的是溶胶的稳定性是可以工 业化最关键的前提条件。