纳米微粒埋植薄膜材料制备及应用研究

论文摘要

本论文在较为全面的分析纳米材料、纳米薄膜材料的研究现状和趋势的基础上,提出并研究了多项基于纳米胶体的纳米微粒埋植薄膜制备新方法,形成了一批专有技术,申请并获得了“电场沉积制备薄膜的方法”、“一种制备纳米薄膜的方法”、“一种有色金属用变质剂及其制备方法”、“高纯碳酸锶制备方法”等发明专利。①研究了纳米胶体的稳定性,动力学、热力学研究及实验研究结果表明:纳米胶体中的分散相存在离析倾向。在影响离析速度的微粒粒径、分散相与分散介质密度差、分散介质粘度等因素中,微粒粒径的影响较大,其他因素的影响相对较小。常见纳米胶体的离析速度较慢,尤其是小尺寸的纳米微粒的胶体,其离析过程十分缓慢,处于动力学上的“亚稳定”状态。纳米胶体的分散相浓度不均匀时,有通过扩散以使其浓度均匀化的趋势,纳米微粒可不借助外力而在液相中自分散成为纳米胶体。纳米胶体中,分散相的扩散过程与离析过程是纳米胶体中两个同时存在但结果相反的过程,在离析与扩散达到平衡时,胶体的浓度分布为c2/c1=e-（4/3）πr3NAg/RT（ρp-ρ1）（h2-h1）。在影响浓度分布的因素中,微粒粒径的影响甚大,粒径较小时（小于10nm）,浓度随高度的变化较小,粒径较大时,浓度随高度的变化较大,粒径较大时（大于100nm）,浓度随高度的变化十分显著;分散相与分散介质的密度差对浓度分布有影响,但影响较小;温度对浓度分布的影响通常小到可忽略不计。在调控纳米胶体稳定性的措施中,最为有效的措施是控制胶体中分散相微粒的粒径及其衍变过程,其他措施包括:调整分散相与分散介质的密度差、调整分散介质的粘度、调整异电性离子的电性及浓度、使用高分子稳定剂或絮凝剂等。②研究了超声波在液相中的传播机制、超声波在液相中的微区域瞬时高能效应、超声波在纳米胶体制备中的分散、能量转化、工艺促进等作用。研究并获得了纳米胶体超声制备方法。结果表明,采用超声波制备纳米胶体具有胶体微粒粒径细小、均匀,工艺效率高等显著优点。同时,超声波设备结构简单,运行稳定性好,振动及噪音较低,易于实现纳米胶体的高质量、高效率、低能耗、低成本、批量化生产。③研究了电沉积的共同特征,结果表明,实现电沉积的基本条件应当包括:微粒荷电、微粒处于方向性外电场中、微粒能在电场力作用下定向移动等;普通的液相电沉积中,沉积电路通常为封闭的电流回路,常存在电极反应,并可能危害沉积过程的进行和沉积膜的质量,采用低电压沉积可在一定程度上减缓不良电极反应的危害,但会使沉积速度变得十分缓慢。④创新性地提出并研究了电场沉积制备薄膜的方法,该方法通过在开放的沉积电路中进行电场沉积,在实现电场力作用下的微粒沉积成膜的同时,从根本上防止了不良电极反应对沉积过程和沉积膜质量的危害。研究结果表明:该方法能采用高电压快速沉积纳米微粒薄膜,沉积速度和沉积膜质量明显优于普通电沉积;该方法不但可以在导电基材上沉积薄膜,而且可在非导电基材上沉积薄膜;电场沉积的电极可采用普通电导体制作;电场沉积除用于制备沉积膜外,还可与电镀、化学镀等工艺联合使用,在电镀、化学镀等工艺过程中,通过单独设置沉积电场,将分散体系中的微粒沉积到镀层中,获得复合镀层,不同于普通复合镀,新方法可通过调整沉积电场强度和沉积时间,使复合镀层中微粒含量和分布的控制成为可能。⑤创新性地提出并研究了以逐层叠加法为核心的制备纳米薄膜的方法。该方法有机结合了埋植技术和插层技术的优点,在保证制品技术性的同时,兼顾了工艺成本和工艺效率。⑥创新性的提出并研究了有色金属用变质剂及其制备方法。该方法通过变质元素的化合物的溶液及胶体的制备、分散/埋植—隔离、后处理等工艺过程,实现了化合物类变质剂的纳米化。⑦通过对纳米微粒SrCl2、SrO埋植多层膜变质剂及其制备、应用技术的理论及实验研究,发现:相对于普通Sr化合物变质剂和Sr合金变质剂,金属熔体中的纳米Sr化合物微粒埋植多层膜变质剂在热量传输、质量传输上有其独特优势,纳米多层膜能快速吸热升温并快速与金属熔体间进行质量传输,变质起效快、Sr的利用更为充分;纳米微粒埋植Sr化合物变质剂实现了新生态的Sr在金属熔体中的高度弥散,待变质金属熔体中,只需极少量的Sr即可获得良好的变质效果,而且不会出现含锶过高造成的过变质及孔洞问题,合金综合性能优良;采用纳米Sr化合物微粒埋植多层膜变质剂对ZL101A进行变质处理时,ZL101A的含锶量只需0.005%以上即可达到优良的变质效果,仅为常规Sr化合物变质剂和Sr合金变质剂所需的适宜Sr含量的1/3-1/4,开创了ZL101A合金Sr变质中Sr含量的新低;纳米Sr化合物微粒埋植多层膜变质剂具有变质作用起效快、变质效果保持时间长,变质操作方便等优点,并具备Kg级及KKg级规模化制备与应用可行性,技术经济性好,工业化生产和应用前景好。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料术语
• 1.2 纳米材料科技进展
• 1.2.1 世界纳米材料科技进展
• 1.2.2 中国纳米科技进展
• 1.2.3 纳米材料科技的发展趋势
• 1.3 纳米薄膜及其研究与应用现状
• 1.3.1 纳米薄膜定义
• 1.3.2 纳米薄膜分类
• 1.3.3 纳米薄膜制备方法
• 1.3.4 纳米薄膜的应用
• 1.4 论文研究目的、意义和主要内容
• 2 纳米胶体及其超声制备技术研究
• 2.1 胶体的含义
• 2.2 纳米胶体稳定性及其影响因素
• 2.2.1 实验研究
• 2.2.2 理论分析
• 2.3 纳米胶体的超声制备技术研究
• 2.3.1 纳米材料超声制备常见方法
• 2.3.2 纳米胶体超声制备技术研究
• 2.4 本章小结
• 3 电场沉积制备纳米薄膜新方法研究
• 3.1 实现电沉积的基本条件
• 3.1.1 微粒荷电
• 3.1.2 微粒处于方向性外电场中
• 3.1.3 微粒能在电场力作用下定向移动
• 3.2 普通电沉积方法
• 3.2.1 电泳沉积
• 3.2.2 电镀及电解金属
• 3.2.3 复合电沉积
• 3.2.4 普通电沉积共性及特征分析
• 3.3 电场沉积制备纳米薄膜新方法的研究
• 3.3.1 基本构思
• 3.3.2 工艺流程设计
• 3.3.3 实验研究
• 3.3.4 结果与分析
• 3.4 本章小结
• 4 纳米微粒埋植多层膜及纳米变质剂研究
• 4.1 埋植技术及其在纳米材料科技中的应用概述
• 4.2 纳米微粒薄膜的结构模型及几何尺寸生长机制研究
• 4.2.1 纳米微粒薄膜的结构模型
• 4.2.2 纳米微粒薄膜的几何尺寸生长机制研究
• 4.3 纳米多层膜及其制备方法研究现状
• 4.4 纳米微粒埋植叠层膜及其制备新方法的提出
• 4.5 变质剂纳米化思路的提出
• 4.5.1 常规变质剂及其优劣势和发展趋势分析
• 4.5.2 纳米变质剂及其制备方法基本思路
• 4.6 纳米微粒埋植锶化合物变质剂及其制备方法研究
• 4.6.1 锶化合物纳米微粒埋植叠层膜制备
• 4.6.2 结果与分析
• 4.7 纳米微粒埋植锶化合物变质剂应用研究
• 4.7.1 实验研究
• 4.7.2 变质剂与ZL101A相互作用分析
• 4.7.3 锶变质Al-Si合金机理及纳米微粒锶化合物变质特点
• 4.8 纳米锶化合物变质剂的技术经济性分析
• 4.9 纳米微粒埋植薄膜及其制备新方法展望
• 4.10 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录