[发明专利]纳米金填充氧化物复合陶瓷薄膜的制备方法

说明书

本发明叙述了一种纳米金填充氧化物复合陶瓷薄膜的制备方法。

纳米金属-陶瓷复合薄膜作为一种新型的功能材料，由于其在催化剂、电学、热学、光学、磁学、摩擦学等众多领域具有潜在的应用前景，近年来已引起了国内外学者的高度重视。纳米金属-陶瓷复合薄膜的制备技术有射频溅射、离子注入和溶胶-凝胶法等。溶胶-凝胶法由于可以达到分子水平的一致性，可在不同的陶瓷基体中填充多种的金属，并具有热处理温度相对低以及工艺设备简单、成本低等优点，被认为是目前最有效的制膜技术之一。

然而，金属-氧化物前驱体溶胶-凝胶体系较强的化学反应活性，严重限制了纳米金属-陶瓷复合薄膜的广泛应用和发展。通过对氧化物起始原料功能化或者对金离子配位，溶胶-凝胶体系的稳定性一般也仅有10天左右，且金属的添加量一般小于10mol％。

本发明的目的在于提供一种纳米金填充氧化物复合陶瓷薄膜的制备方法。

本发明的制备方法依次包括以下步骤：

(1)将异丙醇铝、钛酸四丁酯、结晶氯化氧锆、硅酸乙酯、无水六氯化钨的其中一种溶解于无水乙醇或异丙醇中，并加入的稳定剂，滴加浓盐酸或浓硝酸调节PH＝1～4，陈化，获得相应的氧化物前驱体溶胶液；

(2)配制氯金酸的乙醇或异丙醇溶液；

(3)将氯金酸溶液慢慢滴加到氧化物前驱体溶胶液中，室温下搅拌1～10小时，放置，获得金-氧化物前驱体溶胶；

(4)将制得的溶胶用浸渍-提拉法在载玻片、石英玻璃和单晶硅底材上制备溶胶薄膜，制膜温度15～25℃，相对湿度40～60％，控制提拉速度10～90cm/min获得溶胶薄膜；

(5)溶胶薄膜在空气中室温～70℃干燥，然后加热至200～700℃并保温，最后在炉中自然冷却至室温，获得纳米金填充氧化物复合陶瓷薄膜。

本发明所涉及的稳定剂是乙酰丙酮，其添加量是氧化物前驱体的摩尔量的1～2倍。

本发明金的添加量是氧化物前驱体的2.5～15％mol。

本发明所涉及的纳米金填充氧化物复合陶瓷薄膜中，金以纳米核的形式均匀、不连续分散，金粒子的直径为13～30nm。

本发明所涉及的纳米金填充氧化物复合陶瓷薄膜为电的不良导体。

本发明所涉及的纳米金填充氧化物复合陶瓷薄膜在可见光区有光学吸收，可用作光学薄膜材料。所用的实验方法如下：

光学吸收在Carlzeiss Jena紫外-可见光谱计上测量，扫描范围320～800nm，以无涂敷的玻璃作参比。以纳米金-二氧化钛复合薄膜为例说明。由于金纳米粒子的表面等离子体振荡激发，导致纳米金填充的二氧化钛复合薄膜在可见光区显示出较强的吸收。不同热处理温度(100～500℃)的光学吸收谱图表明，随着热处理温度升高，吸收峰的最大强度增大，吸收峰位置先红移400℃后蓝移，500℃时吸收峰波长为580nm。

本发明所涉及的纳米金填充氧化物复合陶瓷薄膜具有良好的摩擦学性能，可以用作减摩、抗磨保护性涂层。采用的试验方法如下：

摩擦磨损试验在日本协和株式会社生产的动静摩擦系数测定仪上进行。滑动速度90mm·min^-1，单向往复行程为9mm，法向负荷为1N。当摩擦系数升至0.7时认为薄膜已穿破，以此时所经历的滑动循环次数表示薄膜的耐磨寿命。对偶件选用φ3 GCr15钢球。1N负荷下，不同填充量的金-二氧化钛与GCr15钢摩擦摩擦磨损试验结果表明，在5mol％的添加时，复合陶瓷薄膜表现出最好的摩擦学性能：即摩擦系数为0.10，抗磨寿命为2100滑动周次，这是因为软金属金具有低的剪切强度，在发生摩擦时会在对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在转移膜与软金属之间，从而降低摩擦系数，减少磨损。但随着添加量的增加，复合薄膜的承载能力、均匀、致密性降低，其摩擦学性能有所下降。

本发明和现有技术相比有如下优点：

(1)制备工艺简单，溶胶的稳定性好，金填充量易于控制；

(2)复合薄膜致密、均匀，表面相对粗糙度低；

(3)复合薄膜的光学吸收强；

(4)复合薄膜抗磨减摩性能好，抗氧化腐蚀能力强。

为了更好地理解本发明，通过实例进行说明：

实施例1：纳米金-二氧化钛复合薄膜的制备过程如下：

(1)1.7mL钛酸四丁酯，0.85mL乙酰丙酮，0.15mL浓盐酸，30mL无水乙醇置于100mL的烧瓶中，室温搅拌3小时；