[发明专利]一种以多孔衬底材料为支撑的梯度结构薄膜的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及的是一种多孔衬底功能性梯度薄膜的制备方法。具体的说，是一种利用对流一扩散效应在多孔衬底材料表面制备具有梯度结构的功能性薄膜的方法，属于先进功能薄膜材料制备技术领域。

背景技术：

梯度薄膜材料因与衬底材料具有组成一结构的梯度结构，可大大改善薄膜与基体材料的结合，在光电、能源、传感器、热电/热离子转换、核、医学、生理、电磁和光学等领域有广泛和实际的应用，得到了国内外学者的广泛研究[解念锁，梯度功能材料的制造方法及应用，陕西工学院学报，2002，4-7；B.“Functionally graded structural members obtained via the low temperature straininduced phase transformation”，Journal of Solids and Structures，2007，44，5182-5207，低温相变控制相转变获得功能梯度结构薄膜，固体和结构学报]。然而，目前用来制备梯度薄膜的技术(包括电化学气相沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、等离子喷涂、脉冲激光沉积、喷雾热解法、粉末冶金法、激光熔覆法)存在操作复杂、梯度结构难以控制以及制备成本高等一系列不足之处。如气相沉积法中化学气相沉积法原料价格昂贵、反应温度高、膜生长速率较低；电化学气相沉积法温度非常高(＞1000℃)，成本很高，副产物有毒；物理气相沉积法需要对不同组分的蒸发温度分别加以控制，制备系统复杂、设备价格昂贵、沉积速度慢、成本较高；脉冲激光沉积法对被溅射出来的物质的定向沉积缺乏有效的控制，沉积效率低，薄膜厚度不均匀，不适合大面积制备；溅射法沉积速度慢、薄膜质量差，特别是当基质为多孔材料时，沉积后薄膜表面粗糙，很难完全避免裂纹、针孔等缺陷。等离子热喷涂易使基体材料损伤；喷雾热解法具有腐蚀性、原料利用率低；电泳沉积法需重复操作，沉积、煅烧循环次数多；沉积层中粉末团聚严重，导致烧结后团聚体之间的空隙较大；溶胶．凝胶法需要多次重复涂膜、预烧，费时费力，成膜效率低；流延法气密性较差；浆料涂敷法薄膜难以致密化，在热处理过程中收缩较大、易开裂、溶剂蒸发时表面和内部易出现气孔和针眼。总之，目前报道的各种薄膜技术尚未达到薄膜层的高效、清洁、可控、规模化生产要求[FAN Baoan，ZHU Qingshan，XIE Chaohui“Review on fabricating YSZ electrolytefilm for SOFC”，J Pro Eng，2004，14(1)：75-83，固体氧化物燃料电池YSZ电解质薄膜的制备方法的概述，过程工程学报(2004)]。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足和缺陷，提供一种以多孔衬底为支撑的梯度结构薄膜的制备方法，它利用对流-扩散效应在多孔衬底表面制备梯度薄膜，使薄膜材料与衬底在结构上的形成连续渐变的梯度结构，从而达到降低应力，增加薄膜与衬底的结合强度与热膨胀适配性等目的。

本发明是通过以下技术方案实现的，采用对流-扩散效应，将使薄膜沉积在预先制备好的多孔衬底表面上，实现材料的薄膜化和梯度化同时实现。其具体制备工艺包括如下步骤：

A.选择粉体制备成型，预烧后获得孔隙率为30％～50％的多孔衬底材料；

B.选择可提供薄膜组分的物质作溶质，将溶质溶于溶剂中，配制沉积溶液；

C.将多孔材料以周边密封的形式置于容器上，在容器中注入溶液，通过调节溶液的压力和温度，使溶液进入衬底材料并维持其液面始终在多孔衬底材料的表面上；

D.溶剂在衬底表面挥发，并发生溶剂-溶质在多孔衬底孔道中的对流-扩散运动，导致溶质在多孔材料上表面及其附近孔道中的沉积，形成具有梯度结构的沉积层；

E.挥发-沉积0.5h～100h后，将容器中溶液移出，注入溶剂进行与步骤D相似的挥发过程，以清洗衬底材料孔道中的溶质和调节溶质沉积的梯度结构；

F.将带有沉积层的多孔衬底由容器上取下，于烘箱中加热烘干，然后放入高温炉中在保护气氛下烧结，冷却后得到沉积在多孔衬底材料上的以多孔衬底材料为支撑的梯度结构薄膜。