熔盐法对陶瓷和不锈钢材料表面改性

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:linkageldap
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MnZn铁氧体陶瓷由于具有高磁导率、高磁化强度和低损耗等优良的电磁特性,在飞速发展的5G微波通讯技术中发挥着重要的作用,同时新应用对MnZn铁氧体的表面金属化提出了更高的要求。当前国内外对铁氧体表面金属化普遍采用水电镀和真空镀膜两种技术,这两种方法存在着重金属污染或者结合力不高及成本偏高等问题,因此迫切需要发展低成本高质量的金属化方法。Ti的氧化物种类丰富,性质各异,作为功能性材料有着广泛的应用。Al2O3陶瓷具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化等性质,应用在从日常生活到航空航天等各个领域,是目前氧化物陶瓷中应用最广泛的材料之一。目前实验上有多种途径可以在Al2O3陶瓷上制备Ti的氧化物薄膜,但如何控制薄膜生长和后处理条件达到精确控制Ti的氧化物薄膜成分,具有应用意义和研究价值。316L不锈钢是掺杂了钼元素的奥氏体不锈钢材料,在化工材料和工业生产等行业中有不可替代的地位。不锈钢在用于熔盐储能的容器时会受到熔盐的腐蚀,但是其有些腐蚀产物具备特殊的性质,因此可以考虑利用熔盐与不锈钢的相互作用来制备一些具有良好催化性能的结构。熔盐法利用了高温熔盐环境的化学反应和热扩散作用,可以实现材料表面改性,有着镀膜绕镀性好、结合力强和成本低、操作简单等优点。本文研究了通过熔盐法对MnZn铁氧体、Al2O3陶瓷和316L不锈钢材料的改性。实现了对MnZn铁氧体与A12O3陶瓷表面改性,得到Ti氧化物镀层。并探究了薄膜的性能和实验条件的影响,分析了薄膜形成的机理。使用熔盐法对316L不锈钢表面改性,得到了具有催化效应的Ni-Fe纳米线结构,并测试了相关电化学催化性,分析了表面改性获得催化效应的机理。最后,对熔盐法未来的发展与应用进行了思考与展望。具体工作如下:(1)使用NaCl-KCl-K2TiF6熔盐体系,加入单质Ti粉作为Ti源,在手套箱惰性气体环境下,在MnZn铁氧体表面制备了 Ti氧化物薄膜。Ti氧化物薄膜厚度随熔盐浸泡时间增加从10 μm增加到40 μm并趋于饱和,Ti氧化物成分起初为半导体TiO2,在熔盐浸泡时间增加到20 min后转变为到导电相Ti2O3。相应的表面方块电阻由103 Ω/□下降到10-1Ω/□,具备了与金属电极结合的潜力。并分析了相应的薄膜形成机制:利用Ti元素的歧化反应和熔盐中热扩散作用。使用熔盐法对铁氧体表面改性的方法成本低,效果好,操作简单,提供了一种铁氧体表面镀膜的新技术,具有工业化的前景。(2)使用NaCl-KCl-K2TiF6熔盐,单质Ti粉作为Ti源,在惰性气体环境下对Al2O3陶瓷片表面处理,可以在Al2O3表面形成Ti2O薄膜。对处理后的陶瓷片进行不同温度的退火处理,退火后Ti氧化物颗粒尺寸显著减小,O元素含量明显升高。同时研究了在硝酸盐环境中不同温度退火处理的影响,结果表明随温度的升高,表面大颗粒细化,小颗粒团聚,且Ti含量呈现增加的趋势,Ti2O一开始转变为TiO,并最终转变为TiO2。最后分析了 Al2O3经熔盐法表面改性后经硝酸盐和退火处理的影响机理。进一步认识了熔盐法材料表面改性的特点。(3)使用NaCl-KCl熔盐体系,在大气环境,氮化硼坩埚中,对316L不锈钢表面改性。经过熔盐腐蚀改性后,在不锈钢表面获得纳米结构。纳米结构经测试后具有电化学催化的潜力。同时研究了熔盐改性条件例如温度、时间、电压等对产生纳米结构的影响。结果表明改变温度和时间,或者构造三电极体系并加电压可以增加纳米结构的产出。进一步探究了纳米结构生成的原理:利用不锈钢中Ni、Fe和Cr三种金属元素电负性的不同,Cr元素率先在熔盐环境中析出并在材料表面形成大量空位,随后Ni和Fe元素一边析出一边倾向于按一定方向重新排列,从而形成纳米结构。又因为纳米结构具有很多空位缺陷,比表面积大,表面活性高,具有很好的催化潜力。(4)综合三个工作对熔盐法材料表面改性有一定研究和认识。熔盐法所具有的高温度,液态的溶液环境等特点,很好的促进原子的流动扩散,有利于材料表面改性。同时熔盐的成本低,对反应物没有特殊的要求,很适合大批量重复的工业操作。且表面改性的效果可以通过改变温度、时间和熔盐成分比例等条件简单的控制,以达到预想的目标。
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