CN104528822B - 一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法 - Google Patents
一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104528822B CN104528822B CN201410816703.1A CN201410816703A CN104528822B CN 104528822 B CN104528822 B CN 104528822B CN 201410816703 A CN201410816703 A CN 201410816703A CN 104528822 B CN104528822 B CN 104528822B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solution
- cubic
- cubic phase
- preparation
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法，属于纳米晶薄膜材料制备技术领域。本发明以氧氯化锆为锆源，硝酸钇为掺杂剂，草酸为沉淀剂，来制备8％摩尔钇掺杂的稳定立方相氧化锆溶胶(记作8YSZ)。溶胶的制备过程均在室温下进行，使得操作更为简便。用单晶Si片作为衬底，结合旋转涂膜，然后退火处理的方法，制备出了立方相的ZrO2薄膜。薄膜表面平整无裂纹，在相对较低的热处理温度下就可以获得纯的立方相，并且薄膜的晶粒非常小，而且分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备工艺简单、成本低廉的立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法，属于纳米晶薄膜材料制备技术领域。
背景技术
核反应堆中的核燃料，如二氧化铀、二氧化钍、二氧化钚等材料具有放射性，研究这些材料在辐照环境中的演化对研究条件的要求非常苛刻，同时研究过程具有一定的危险性。立方相氧化锆(ZrO2)与上述材料具有相同的结构，但是没有放射性，而且还具有非常优良的抗辐照性能，这使得它成为研究陶瓷氧化物在核反应堆中辐照行为的理想材料[K.E.Sickafus,H.Matzke,T.Hartmann,et al.Journal ofNuclear 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是高温稳定相，一般在室温条件下不易获得。目前国际上一般采用离子束辅助沉积(IBAD)方法来制备立方相ZrO2纳米晶薄膜[J.Lian,J.Zhang,F.Namavar,et al.Nanotechnology,2009,20:245303]，这种方法合成的纳米晶晶粒大小比较均匀，但是其操作工艺复杂，成本较高，而且可控性也比较差。也有报道将ZrSiO4进行离子束非晶化，获得埋覆在非晶SiO2中的ZrO2纳米晶[A.Meldrum,L.A.Boatner,R.C.Ewing.Physical Review Letters,2002,88:025503]，但是这种方法制备出的ZrO2纳米晶在辐照条件下容易非晶化。溶胶―凝胶方法制备工艺比较简单，而且成本比较低廉。目前已报道的采用溶胶―凝胶方法合成的立方相ZrO2纳米晶大部分是粉体材料[蒋银花,倪良,李澄,等.无机盐工业,2006,38:29-35]，也有部分文献报道在衬底上制备出ZrO2纳米晶薄膜[A.Mehner,H.K.Westkamp,F.Hoffmann,et al.Thin SolidFilms,1997,308:363-368]，但是仍然存在许多问题，如在衬底上涂覆的薄膜容易发生开裂、薄膜不平整、多孔、相不纯、烧结温度高等问题。
发明内容
本发明所要解决的问题是制备出一种晶粒大小均匀的、表面平滑无裂纹的、有稳定立方相的氧化锆纳米晶薄膜。提供了一种溶胶―凝胶法结合旋涂的方式，制备8YSZ的方法。
一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法，制备步骤如下：
1)、分别采用分析纯ZrOCl2·8H2O为锆源，Y(NO3)3·6H2O为钇源，加入去离子水配制成浓度为0.4-0.8mol/L的ZrOCl2溶液，其中Zr:Y的摩尔比为0.92:0.16；
2)、以H2C2O4·2H2O为沉淀剂，加入去离子水，配制成与ZrOCl2溶液浓度比为0.5-1的溶液；将ZrOCl2溶液缓慢滴加到H2C2O4溶液中，制备成溶胶前驱体；
3)、以聚乙烯醇(PVA)溶液作为分散剂，乙酰丙酮作为溶胶稳定剂，分别加入到溶胶前驱体当中；其中PVA的质量浓度为5％-10％，溶胶前驱体当中PVA的质量分数为8％-12％，乙酰丙酮的体积分数为3％-5％；
4)、旋涂；以单晶Si作为衬底，匀胶机的转速为7000-9000r/min，旋转时间为50-100s；
5)、分级干燥处理，80℃保温15-30min，50℃保温30-60min，30℃保温30-60min。将干燥好的薄膜进行300-400℃，20-50min的预烧结处理后再重复旋涂的步骤进行多次涂膜。
6)、烧结：涂膜阶段完成后，进行500-1200℃，保温0.5-1.5h的烧结处理，即可获得稳定立方相的氧化锆薄膜。
本发明以氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)为锆源，硝酸钇(Y(NO3)3·6H2O)为掺杂剂，草酸(H2C2O4·2H2O)为沉淀剂，来制备8％摩尔钇掺杂的稳定立方相氧化锆溶胶(记作8YSZ)。溶胶的制备过程均在室温下进行，使得操作更为简便。用单晶Si片作为衬底，结合旋转涂膜，然后退火处理的方法，制备出了立方相的ZrO2薄膜。薄膜表面平整无裂纹，在相对较低的热处理温度下就可以获得纯的立方相，并且薄膜的晶粒非常小，而且分布均匀。
本发明的优点在于：
(1)制备的ZrO2纳米晶薄膜表面平整无裂纹，并且纳米晶的平均晶粒尺寸非常小，一致性非常好。
(2)在相对较低的烧结温度下就可以获得了室温下稳定的立方相ZrO2纳米晶薄膜，并且没有杂相。
(3)溶胶的制备过程无需加热，使得操作更为简便。
(4)对薄膜进行预烧结处理，避免了再次涂膜时薄膜的重溶，从而可以进行多层涂膜。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
图2为8YSZ纳米晶薄膜的XRD图谱，可以看出此薄膜室温下只存在单一的立方相结构。
图3为8YSZ纳米晶薄膜的AFM的三维图像，可以看出薄膜表面十分致密，没有小气孔或者裂纹出现，整体十分平滑。
图4为8YSZ纳米晶薄膜的TEM图像，薄膜的厚度约60nm，晶粒大小比较均匀，直径约为5nm。
具体实施案例
实施例1
将H2C2O4·2H2O加去离子水溶解，配制成0.33mol/L的H2C2O4溶液；将ZrOCl2·8H2O和Y(NO3)3·6H2O加去离子水溶解，配制成ZrOCl2浓度为0.5mol/L的混合溶液，其中Zr:Y的摩尔比为0.92:0.16。
将ZrOCl2与Y(NO3)3的混合溶液缓慢滴加到H2C2O4溶液中，充分溶解后，滴加浓度为5％的PVA溶液，质量分数为10％。同时再滴加质量分数为3％的乙酰丙酮，充分搅拌均匀之后形成溶胶。
以单晶Si片作为基底，使用匀胶机，将溶胶涂覆在Si片上。匀胶机的转速设置为8000r/min，旋转时间为60s。涂膜后进行80℃保温15min，50℃保温30min，30℃保温30min的分级干燥处理。300℃保温20min预烧结之后，可重复涂膜。涂膜完成后，进行500℃保温1h的烧结后即可获得最终的立方相ZrO2薄膜。
实施例2
将H2C2O4·2H2O加去离子水溶解，配制成0.45mol/L的H2C2O4溶液；将ZrOCl2·8H2O和Y(NO3)3·6H2O加去离子水溶解，配制成ZrOCl2浓度为0.7mol/L的混合溶液，其中Zr:Y的摩尔比为0.92:0.16。
将ZrOCl2与Y(NO3)3的混合溶液缓慢滴加到H2C2O4溶液中，充分溶解后，滴加浓度为6％的PVA溶液，质量分数为10％。同时再滴加质量分数为4％的乙酰丙酮，充分搅拌均匀之后形成溶胶。
以单晶Si片作为基底，使用匀胶机，将溶胶涂覆在Si片上。匀胶机的转速设置为8500r/min，旋转时间为50s。涂膜后进行80℃保温20min，50℃保温40min，30℃保温40min的分级干燥处理。300℃保温20min预烧结之后，可重复涂膜。涂膜完成后，进行1200℃保温1h的烧结后即可获得最终的立方相ZrO2薄膜。
Claims (4)
1.一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法,其特征在于制备步骤如下：
1)、分别采用分析纯ZrOCl2·8H2O为锆源，Y(NO3)3·6H2O为钇源，加入去离子水配制成浓度为0.4-0.8mol/L的ZrOCl2溶液；
2)、以H2C2O4·2H2O为沉淀剂，加入去离子水，配制成H2C2O4溶液；将ZrOCl2溶液缓慢滴加到H2C2O4溶液中，制备成溶胶前驱体；
3)、以聚乙烯醇PVA溶液作为分散剂，乙酰丙酮作为溶胶稳定剂，分别加入到溶胶前驱体当中；
4)、旋涂；以单晶Si作为衬底，匀胶机的转速为7000-9000r/min，旋转时间为50-100s；
5)、分级干燥处理，80℃保温15-30min，50℃保温30-60min，30℃保温30-60min；将干燥好的薄膜进行预烧结处理后再重复旋涂的步骤进行多次涂膜；
6)、烧结：涂膜阶段完成后，进行烧结处理，即可获得稳定立方相的氧化锆薄膜；
其中步骤2)中H2C2O4溶液与ZrOCl2溶液浓度比为0.5-1；步骤6)中烧结处理温度为500-1200℃，保温0.5-1.5h。
2.根据权利要求1所述一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法,其特征在于步骤1)锆源和钇源中Zr:Y的摩尔比为0.92:0.16。
3.根据权利要求1所述一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法,其特征在于步骤3)中PVA溶液的质量浓度为5％-10％，溶胶前驱体当中分散剂的质量分数为8％-12％，乙酰丙酮的体积分数为3％-5％。
4.根据权利要求1所述一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法,其特征在于步骤5)中预烧结处理温度为300-400℃，时间为20-50min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410816703.1A CN104528822B (zh) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | 一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410816703.1A CN104528822B (zh) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | 一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104528822A CN104528822A (zh) | 2015-04-22 |
| CN104528822B true CN104528822B (zh) | 2016-12-07 |
Family
ID=52844517
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410816703.1A Expired - Fee Related CN104528822B (zh) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | 一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104528822B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109091955A (zh) * | 2018-08-07 | 2018-12-28 | 苏州华龙化工有限公司 | 一种载膜玻璃纤维过滤布的制备方法 |
| RU2758998C1 (ru) * | 2020-10-28 | 2021-11-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Способ получения нанотрубок диоксида циркония с квантовыми проводниками |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100560779C (zh) * | 2008-03-31 | 2009-11-18 | 中国地质大学（武汉） | 一种热喷涂用纳米结构钇稳定球形氧化锆粉末的制备方法 |
-
2014
- 2014-12-24 CN CN201410816703.1A patent/CN104528822B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104528822A (zh) | 2015-04-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Huang et al. | Hydrothermal Synthesis and Properties of Ce1-x Sm x O2-x/2 and Ce1-x Ca x O2-x Solid Solutions | |
| Zhang et al. | Sol− gel fabrication and electrical property of nanocrystalline (RE2O3) 0.08 (ZrO2) 0.92 (RE= Sc, Y) thin films | |
| CN102050479B (zh) | 一种二氧化铈纳米棒及其制备方法 | |
| CN102153133B (zh) | 可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法 | |
| CN102923770B (zh) | 一种钇稳定纳米二氧化锆粉体的制备方法 | |
| CN104291816B (zh) | 一种适合制备高强度高韧性钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷的粉体材料及其制备方法 | |
| CN103183513A (zh) | 一种质子导电陶瓷电解质薄膜的制备方法 | |
| CN108441957A (zh) | 一种铁酸铋光催化薄膜的制备方法 | |
| CN106803601B (zh) | 一种固态电解质锂镧钛氧化合物薄膜的制备方法 | |
| CN100417598C (zh) | 一种氧化钐掺杂稳定氧化锆纳米材料的制备方法 | |
| CN104528822B (zh) | 一种立方相氧化锆纳米晶薄膜的制备方法 | |
| Biswas et al. | Chemical solution deposition technique of thin-film ceramic electrolytes for solid oxide fuel cells | |
| CN109111230A (zh) | 一种氧化钇-氧化镁纳米复合粉体及其制备方法 | |
| CN114427086B (zh) | 一种Al2O3纳米片增强ZrO2阻氚涂层及其制备方法 | |
| CN102603360A (zh) | 一种制备铁酸铋薄膜材料的方法 | |
| Wang et al. | Preparation of ceria-stabilized zirconia microspheres by external gelation: size control | |
| CN106084902B (zh) | 一种高红外辐射粉体及其制备方法 | |
| Hierso et al. | Design, synthesis, structural and textural characterization, and electrical properties of mesoporous thin films made of rare earth oxide binaries | |
| Yavo et al. | Rapid sintering protocol produces dense ceria‐based ceramics | |
| CN107500363B (zh) | 一种斜侧面六棱柱状纳米氧化铁的制备方法 | |
| Xu et al. | Recent Progress in Research of Solid Tritium Breeder Materials Li2TiO3: A Review | |
| Saligheh et al. | Production and characterization of zirconia (ZrO2) ceramic nanofibers by using electrospun poly (vinyl alcohol)/zirconium acetate nanofibers as a precursor | |
| CN105565677A (zh) | 一种二硼化锆陶瓷薄膜制备方法 | |
| CN107879376A (zh) | 一种亚化学计量氧化钨的制备方法 | |
| CN103757748A (zh) | 利用静电纺丝工艺制备管状锡酸锌（ZnSnO3）材料 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20161207 Termination date: 20201224 |