溶胶—凝胶法制备ZrSiO4薄膜的研究

作     者：查剑锐 

作者单位：景德镇陶瓷大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江伟辉;陈婷;刘健敏

授予年度：2016年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：硅酸锆 薄膜 溶胶-凝胶法 抗腐蚀 抗氧化 

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Y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、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,pH值为1时,通过酸催化工艺可以得到稳定的硅酸锆溶胶。ZrSiO前驱体浓度为0.4 mol·L、陈化时间大于24 h时,以1 mm·s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ZrSiO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%。ZrSiO薄膜中所含的ZrO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)·6HO时,可以制备出高温条件下更为稳定的ZrSiO薄膜。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ZrSiO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。