CN107698171A - 一种TiN镀膜玻璃的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种TiN镀膜玻璃的制备方法，包括：将TiN纳米粉体溶于挥发性有机溶剂中配置成镀膜前驱体悬浮液，超声处理后得到浓度为0.01～0.1mol·L^‑1均匀分散的TiN镀膜前驱体；对玻璃基底进行清洗并加热；利用超声雾化所述的TiN镀膜前驱体，并喷射在所述玻璃基底的表面，沉积后得到镀有TiN薄膜的玻璃。本发明采用TiN纳米粉体为原料，利用溶剂的挥发性以及超声辅助雾化固相纳米颗粒的特性，借助纳米颗粒表面能高、比表面积大等特点，实现常压、低温条件沉积TiN纳米结构薄膜。

Description

一种TiN镀膜玻璃的制备方法

技术领域

本发明属于节能镀膜玻璃领域，尤其是涉及一种采用超声雾化法和纳米TiN粉体制备TiN镀膜玻璃的方法。

背景技术

进入21世纪，全球各国科学技术快速发展，综合国力得到显著提升，但同时也伴随着自然资源短缺、环境污染等自然问题，人类的生存环境遭到了前所未有的挑战。我国也是能源消耗大国，其中建筑物能耗占全社会总能耗的近40％，并且呈现逐年上升的趋势。建筑物能耗从狭义上主要指建筑的运行能耗，即日常用能，包括采暖、空调、照明等。据统计，到2020年，全国仅建筑能耗就将达到11亿吨标准煤(相当于2000年全国一次能源的总产量)，空调高峰符合则相当于10个三峡电站满负荷供电。从节能的角度考虑，急需降低建筑物能耗。玻璃是建筑物的最主要采光材料，已成为现代建筑不可或缺的材料。但是我国建筑面积的95％以上采用的是普通的玻璃，这类玻璃具有良好的透光性，但是无法阻挡太阳光的热量向建筑物内辐射以及建筑物内热量向外部扩散，不能达到节能的目的。在玻璃表面增镀一层导电性能良好的功能性薄膜，既能够保持玻璃的透光性，又可以高效阻隔热量的传递，降低玻璃的辐射率，使普通平板玻璃具有特殊的性能，从而能够满足节能、环保、装饰等多种需求。

氮化钛的禁带宽度为3.35～3.45eV，氮化钛薄膜材料既具有共价化合物的高熔点、高硬度、良好的热力稳定性以及耐腐蚀性等特点，又具备金属所特有的良好热导性和电导性，已在切割刀具的保护涂层、金色装饰膜、大规模集成电路的介质阻挡层等方面得到广泛应用，是一种性能优异、极具发展潜力和广泛应用前景的材料。TiN薄膜常用的制备方法有化学气相沉积、溶胶凝胶法、磁控溅射法等，制备得到的TiN薄膜能够实现可见光波段高的透过率和红外波段较高的反射率，同时TiN薄膜的电阻率能够得到有效的调控和降低。但采用化学法制备TiN薄膜所用的前驱体多为钛的酰胺配合物，在空气和湿气中极易发生水解和氧化，在薄膜的制备和热处理过程中要求反应环境氧含量低，部分要求NH₃气氛或N₂气氛，实验条件苛刻且存在一定的危险性，不适合大规模镀膜的生产。

发明内容

本发明的目的在于开发一种TiN镀膜玻璃的制备方法，在常压、低温环境下，以TiN纳米粉体为原料，采用超声雾化法，在玻璃表面沉积TiN薄膜，实现对薄膜组分、形貌、光电性能的快速调控以及影响薄膜低辐射性能物理参数的确定。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种TiN镀膜玻璃的制备方法，包括：

将TiN纳米粉体溶于挥发性有机溶剂中配置成镀膜前驱体悬浮液，超声处理后得到浓度为0.01～0.1mol·L^-1均匀分散的TiN镀膜前驱体；

对玻璃基底进行清洗并加热；

利用超声雾化所述的TiN镀膜前驱体，并喷射在所述玻璃基底的表面，沉积后得到镀有TiN薄膜的玻璃。

本发明以TiN纳米粉体为原料，利用溶剂的挥发性以及超声辅助雾化固相纳米颗粒的特性，借助纳米颗粒表面能高、比表面积大等特点，实现常压、低温条件沉积TiN纳米结构薄膜。

利用超声震动产生TiN纳米粉体与溶剂复合的雾滴，不同的超声频率将产生不同直径的雾滴，当雾滴经过管路传递到加热的基底表面时，在高温和溶剂易挥发溶剂特性的协同作用下发生溶剂的蒸发，被包裹的TiN纳米粉体在重力作用下沉积在石英基底表面，由于纳米粉体的比表面积大，表面能高，当一定数量的雾滴达到基底表面时，TiN纳米粉体相互碰撞接触并形成较强的相互作用，同时热基底能够促进颗粒之间的聚集生长过程，实现在石英基底表面成膜。

作为优选的，所述的挥发性有机溶剂为甲醇或乙醇。

本发明通过加热基板和测温装置对镀膜玻璃基底进行温度控制，控制玻璃基底加热温度范围在150～250℃之间，一方面控制一定的温度下限是保证挥发性的溶剂在到达基底表面或者接触后能够有效挥发，另一方面控制温度上限是由于反应装置处在常压空气环境中，考虑到TiN纳米粉体的氧化特性，防止过高温度造成粉体的氧化而影响镀膜性能。

作为优选的，喷嘴与玻璃基底间的距离为1.5～5cm。

本发明中，不同的超声频率将产生不同直径的雾滴，为确保沉积前液滴较小的粒径分布，合理控制液滴的大小达到控制反应速率的目的；作为优选的，超声雾化的超声频率为100K～2MHz。

作为优选的，将沉积有TiN薄膜的玻璃放入H₂烧结炉中，设定烧结温度为450～580℃，热处理时间为30min～5h，关闭烧结炉，冷却至室温，得到退火后的TiN镀膜玻璃。

本发明采用H₂气氛对雾化沉积得到的TiN薄膜进行热处理，温度范围在450～580℃之间，一方面采用H₂气条件能够防止TiN薄膜发生氧化，对薄膜的组分不产生影响，另一方面为了进一步增加沉积的TiN粉体之间的结合强度，在450～580℃较高温度下能够进一步增加薄膜的致密性，减少薄膜的缺陷，改善薄膜的光电性能。

作为优选的，所述TiN纳米粉体内的纳米颗粒粒径为20nm～50nm。由于纳米颗粒比表面积较大，表面能较高，因此在颗粒之间发生碰撞和接触时易发生颗粒的结合和长大，能够有效降低薄膜的沉积温度。

本发明的优点在于TiN薄膜前驱体简单采用纳米TiN粉体为原料，避免了原料杂质对薄膜性能的影响，采用超声雾化法，能够将前驱体雾化成为粒径较小的颗粒，确保了沉积前液滴较小的粒径分布，能够合理控制液滴的大小达到控制反应速率的目的，能够通过改变前驱体中固含量、沉积温度、超声频率和时间对薄膜沉积速率、厚度和形貌进行研究和控制，在H₂气氛下对薄膜高温热处理能够增加薄膜与玻璃基底、纳米粉体之间的结合力，使薄膜进一步致密化，改善薄膜的形貌和性能。

附图说明

图1为所用TiN纳米粉体的XRD图与超声雾化沉积得到的TiN薄膜的XRD图；

图2为本发明用超声雾化喷涂示意图，其中，1为载气，2为超声雾化TiN液滴，3为喷嘴，4为玻璃基底，5为加热平台；

图3为本发明制备得到的未经退火处理的TiN薄膜表面SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1和图2所示，本实施例中制备TiN镀膜玻璃的步骤如下：

(1)用表面活性剂、乙醇、水分别超声清洗石英片(玻璃基底)30min，80℃真空干燥；

(2)将309.4mg的TiN粉体溶于100mL体积比为1:1的乙醇水溶液中，配置成浓度为0.05mol·L^-1的悬浮液，使用超声粉碎机处理悬浮液30min得到均匀分散的TiN前驱体；

(3)打开加热平台5，将清洗后的石英片(即玻璃基底4)放置在平台上，升温至240℃，用测温枪测量基底的温度，温度变化控制在±5℃范围内；

(4)将分散好的TiN前驱体倒入超声雾化器的给料装置内，调节喷嘴3与玻璃基底4的距离1.5cm，开启超声雾化器，通入载气1使TiN前驱体混合成为超声雾化TiN液滴2后，喷射在玻璃基底4的表面。

(5)沉积30min后，关闭加热平台，使沉积有TiN的石英基底随加热平台自然冷却至室温，之后取下镀有TiN的样品。

(6)将上述样品装入瓷舟内，放入可通气氛保护的烧结炉内，设定500℃的热处理温度，通入保护气体H₂，热处理时间为3h，随炉冷却至室温，得到退火后的TiN镀膜玻璃。

本实施例中所用TiN纳米粉体的XRD图和超声雾化沉积得到的TiN薄膜的XRD图见图1，TiN薄膜表面的SEM图见图3。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种TiN镀膜玻璃的制备方法，其特征在于：

将TiN纳米粉体溶于挥发性有机溶剂中配置成镀膜前驱体悬浮液，超声处理后得到浓度为0.01～0.1mol·L^-1均匀分散的TiN镀膜前驱体；

对玻璃基底进行清洗并加热；

利用超声雾化所述的TiN镀膜前驱体，并喷射在所述玻璃基底的表面，沉积后得到镀有TiN薄膜的玻璃。

2.如权利要求1所述的TiN镀膜玻璃的制备方法，其特征在于：所述的挥发性有机溶剂为甲醇或乙醇。

3.如权利要求1所述的TiN镀膜玻璃的制备方法，其特征在于：所述玻璃基底加热至150℃～250℃。

4.如权利要求1所述的TiN镀膜玻璃的制备方法，其特征在于：喷嘴与玻璃基底间的距离为1.5～5cm。

5.如权利要求4所述的TiN镀膜玻璃的制备方法，其特征在于：超声雾化的超声频率为100K～2MHz。

6.如权利要求1所述的TiN镀膜玻璃的制备方法，其特征在于：将沉积有TiN薄膜的玻璃放入H₂烧结炉中，设定烧结温度为450～580℃，热处理时间为30min～5h，关闭烧结炉，冷却至室温，得到退火后的TiN镀膜玻璃。

7.如权利要求1或6所述的TiN镀膜玻璃的制备方法，其特征在于，所述TiN纳米粉体内的纳米颗粒粒径为20nm～50nm。