CN108362748A - 一种耐热丝束电极的制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高通量电化学表征领域，具体涉及一种耐热丝束电极的制备和使用方法。所述制备方法为在多根电极部分表面浇注封装材料，固化后得到耐热丝束电极；其中，所述封装材料为氧化铝粉末和水泥的混合浆料。该耐热丝束电极采用低温固化封装，封装材料耐高温，使得丝束电极可以工作在高温（1500℃以下）以及超高真空环境下，实现镀膜和薄膜的后续热处理工艺以及完成组合材料芯片的高通量电化学检测。

Description

一种耐热丝束电极的制备和使用方法

技术领域

本发明属于高通量电化学表征领域，具体涉及一种耐热丝束电极的制备和使用方法。

背景技术

随着高通量制备与测试实验的发展，丝束电极作为微区电化学的重要测量工具，具有多探针的特点，在高通量电化学表征方面拥有独特的优势。丝束电极(WBE)主要为一系列相互耦合的、微小的、按照一定规则排列的独立微电极构成的电极，可以用来模拟单个的大面积的金属电极，也可以将每一个微小电极独立使用，这样可以提供单电极所不能提供的表面分布、差异大小等一系列重要信息。

丝束电极在应用上尤其独有的特点，解决了单电极只能得到电极表面均匀化信息而不能获得电极局部电化学信息的缺点。目前，丝束电极在涂层表面不均匀性、缓蚀剂、电沉积、微生物腐蚀、大气腐蚀、材料表面的电化学腐蚀等多个领域表现了其独特的优势，为腐蚀等研究的细节化，以及微观化作出重要贡献。

目前，丝束电极一般由多根金属棒封装在环氧树脂中组成，每根金属丝之间通过环氧树脂密封绝缘、构成一个小传感器。环氧树脂作为封装材料，具有优良的电绝缘性能和介电性能，以及较好的致密度，但环氧树脂具有吸湿性、易老化、高温和短波光照下易变色、熔点低、耐热性差，而且环氧树脂在超高真空下易挥发，不能实现表面沉积薄膜，使得此类丝束电极不适宜在高温和超高真空环境下使用。

在现有的电极封装材料主要包括两大类：有机材料和无机材料。有机材料主要包括聚四氟乙烯（PTFE-F4）、聚三氟乙烯（PCTFE-F3）、环氧类塑封等。其中，聚四氟乙烯（PTFE-F4）、聚三氟乙烯（PCTFE-F3）具有良好的化学稳定性、电绝缘性和耐腐蚀、耐溶剂性，且金属的粘结性良好、透明。但两种材料均不易熔融加工成形，加工困难，极易导致封装的电极泄露。而环氧类塑封材料虽具有纯度高、粘附力好、成本低等优点，但其固化物质较脆，耐开裂性质、抗冲击性能较低，且耐热性能差，使其应用受到一定限制。无机材料以玻璃材料为主，大多用于铂金属电极的封装。玻璃电极具有化学惰性高、耐溶剂性好，并具有较宽的电位使用区域等优点，但它又容易破碎、且耐温变能力差。

由于目前使用的封装材料普遍不耐高温，若想要在高温环境下使用丝束电极，一般需寻求高熔点材料，且须高温熔融浇注，但往往此类材料膨胀系数较大，不易与金属材料结合，若封装材料与电极材料热膨胀系数相差较大，恢复到常温后器件收缩，二者之间存在一定的内部应力，可引起电极出现裂缝甚至断裂，导致封装失效，成功率低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种耐热丝束电极的制备和使用方法。该耐热丝束电极采用低温固化封装，封装材料耐高温，使得丝束电极可以工作在高温（1500℃以下）以及超高真空环境下，实现镀膜和薄膜的后续热处理工艺以及完成组合材料芯片的高通量电化学检测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种耐热丝束电极的制备方法，所述制备方法为在多根电极部分表面浇注封装材料，固化后得到耐热丝束电极；

其中，所述封装材料为氧化铝粉末和水泥的混合浆料。

进一步地，所述封装材料中氧化铝粉末和水泥的质量比为95 : 5—96:4；所述封装材料中还包括质量百分比为5%—8%的水。

进一步地，所述制备方法中使用浇注模具，所述浇注模具包括底板和套筒；所述套筒中空且两端开口，所述底板置于所述套筒的一端；

所述底板上设置有多个孔，所述孔的尺寸与所述电极的尺寸相匹配，所述孔的个数与所述电极的数量相匹配；

所述耐热丝束电极制备过程中，将多根电极的一端相应的插入孔中实现对电极的固定，在套筒内倒入所述封装材料震荡排气后固化脱模得到耐热丝束电极；

浇注封装材料的高度小于电极露出孔的长度；

脱模后将电极原置于孔中的部分去除。

进一步地，得到耐热丝束电极后封装材料部分均匀涂防水层。

进一步地，所述固化为室温下静置24h—26h，随后将所述耐热丝束电极放入鼓风干燥箱中，100℃下干燥24小时。

进一步地，所述封装材料的制备方法为：称取配比量的水泥、氧化铝粉末放入搅拌机中充分搅拌均匀，混合均匀后加入5%—8%的水，搅拌至浆状。

进一步地，浇注前所述套筒的内壁涂上一层润滑油，以便于脱模。

进一步地，所述电极为银电极或不锈钢电极或哈氏合金电极。

一种耐热丝束电极的使用方法，在上述的耐热丝束电极的不同根电极上制备不同成分的薄膜，将所述耐热丝束电极作为工作电极测量不同成分薄膜的电流电位分布。

进一步地，利用磁控溅射、分立模板镀膜或连续模板镀膜在不同根电极的表面制备不同成分的薄膜。

本发明的有益技术效果：

1、本发明所制备的耐热丝束电极，探针相互之间的绝缘性质良好，密封效果良好，耐高温，耐溶剂性，不发生变形、开裂。

2、实现了室温固化，便于操作，过程简便易实现。耐高温材料具有较小的膨胀系数，与金属结合良好，封装成功率高；

3、在高温及超高真空下具有稳定性，实现了在高温（可达到1500℃）及超高真空下使用丝束电极的可能性，扩展了丝束电极的温度使用范围；

4、实现了丝束电极的电极数目的广泛调控，电极数目可在大范围内变化；

5、丝束电极表面具有防水功能，改善了耐高温材料基体的不防水缺陷，丝束电极可在酸碱盐溶液中使用。

附图说明

图1.实施例1耐热丝束电极平面示意图；

图2.实施例1磁控溅射示意图；

图3（a）.实施例1耐热丝束电极电化学测试电位（a）图；

图3（b）.实施例1耐热丝束电极电化学测试电流（b）图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例所涉及的丝束电极是由16根银电极棒以4×4规则排列密封于耐高温材料中组成，银电极棒的直径为2mm，银电极棒之间的中心间距为4mm，丝束电极的数量可根据实验需求做成16-100根。

具体制备方法如下：

固定：首先设计石墨模具用于固定银探针（1），在薄片圆形石墨片表面切割16个（4×4排列）的Ф2mm的通孔。套筒内径50mm与石墨片直径相同，将石墨片放置于套筒底部，将润滑油涂覆于模具内部，并一一对应插入银电极。

浇注：高温粉状材料（氧化铝微粉：水泥的质量比为95 : 5）加水（封装材料重量的5%）调制成浆状，倒入套筒内，震荡排气后室温冷却24小时。

脱模：样品脱模后放入鼓风干燥箱中，100℃下干燥24小时。

涂釉：冷却取出后，样品成型部分均匀涂釉，放入高温炉中800℃下烘烤2小时；实际使用中发现，封装材料不耐水，电化学测试过程中易污染电解液等，在封装材料表面涂釉作为防水层，也可替换为其他防水材料。

去除多余部分：随炉冷却取出，去除丝束电极多余电极棒部分，抛光，完成丝束电极制备。

制备方法中，涂釉步骤和去除多余部分步骤的顺序可调。

丝束电极的常规使用中是将丝束电极作为参比电极或者辅助电极，不同成分的薄膜材料作为工作电极使用测试。其不便性在于：为保证数据可靠，新制作丝束电极需定期进行空白校正。本发明将丝束电极作为工作电极使用。

本实施例中提供一种丝束电极的使用方法，将在丝束电极的不同根电极（探针）上制备不同成分的薄膜，将表面包覆不同薄膜材料的丝束电极作为工作电极，测量得到的每根探针表面薄膜材料的电流电位分布与其成分相互对照，就可以一次性得到丝束电极表面多种成分的薄膜材料的电化学信息，从而实现组合材料芯片的高通量电化学表征。

本实施例采用磁控双靶共溅射，在丝束电极表面镀膜。如图2所示，选用Cr靶、Ni80Cr20wt%靶，两靶夹角为130°，功率均为300W，并在丝束电极表面加盖掩模（使得表面各处薄膜彼此分开，保证电绝缘），溅射时间2小时，溅射过程中样品台不旋转，因为丝束电极中各电极与两靶的距离不同，各电极上镀覆的成分不同。镀膜完成后进行后续电化学测试及有可能的热处理等高温处理过程。探针一一对应连接导线，使用CST520丝束电极电位电流扫描仪，测量探针表面薄膜材料的电位与电流分布（如图3（a）和3（b）所示），与相应成分对照得到丝束电极表面多种成分的薄膜材料的电化学信息，从而实现组合材料芯片的高通量电化学表征。

Claims (10)

1.一种耐热丝束电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法为在多根电极部分表面浇注封装材料，固化后得到耐热丝束电极；

其中，所述封装材料为氧化铝粉末和水泥的混合浆料。

2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述封装材料中氧化铝粉末和水泥的质量比为95 : 5—96 : 4；所述封装材料中还包括质量百分比为5%—8%的水。

3.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述制备方法中使用浇注模具，所述浇注模具包括底板和套筒；所述套筒中空且两端开口，所述底板置于所述套筒的一端；

所述底板上设置有多个孔，所述孔的尺寸与所述电极的尺寸相匹配，所述孔的个数与所述电极的数量相匹配；

所述耐热丝束电极制备过程中，将多根电极的一端相应的插入孔中实现对电极的固定，在套筒内倒入所述封装材料震荡排气后固化脱模得到耐热丝束电极；

浇注封装材料的高度小于电极露出孔的长度；

脱模后将电极原置于孔中的部分去除。

4.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，得到耐热丝束电极后封装材料部分均匀涂防水层。

5.如权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述固化为室温下静置24h-26h，随后将所述耐热丝束电极放入鼓风干燥箱中，100℃下干燥24小时。

6.如权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述封装材料的制备方法为：称取配比量的水泥、氧化铝粉末放入搅拌机中充分搅拌均匀，混合均匀后加入5%-8%的水，搅拌至浆状。

7.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，浇注前所述套筒的内壁涂上一层润滑油，以便于脱模。

8.如权利要求1-7任一所述制备方法，其特征在于，所述电极为银电极或不锈钢电极或哈氏合金电极。

9.一种耐热丝束电极的使用方法，其特征在于，在权利要求1-7任一所述的耐热丝束电极的不同根电极上制备不同成分的薄膜，将所述耐热丝束电极作为工作电极测量不同成分薄膜的电流电位分布。

10.如权利要求9的使用方法，其特征在于，利用磁控溅射、分立模板镀膜或连续模板镀膜，在不同根电极的表面制备不同成分的薄膜。