一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜的制备方法 【技术领域】
本发明属于薄膜材料技术领域, 具体涉及一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜的制备方法。 背景技术
涂层导体以其 77K 下优越的高场性能成为目前实用高温超导材料研究的热点之 一。人们成功发展了化学溶液沉积技术制备 YBCO 超导膜, 其中对于晶化过程中的形核与晶 粒优势取向生长是研究的重点。在采用化学溶液沉积技术制备涂层导体的过程中, 纳米银 加入到超导膜中, 有利于降低超导层的成相温度, 促进其均匀形核生长。
在 REBCO(RE 代表稀土元素 ) 大块制备过程中, 通过银掺杂来降低 REBCO 坯体的熔 点, 促使冷籽晶诱导大块的生长, 它对于银粒子的纯度和尺寸要求不高。 而在涂层导体制备 过程中, 要求银粒子在纳米尺寸且具有良好均一性以及分散性。目前涂层导体中所掺杂的 纳米银粒子均采用机械球磨工艺或化学还原法制备, 采用机械球磨工艺制备的银粒子形状 不规则、 粒径大, 造成掺杂银的前驱溶胶不稳定 ; 而采用化学还原法制备的纳米银粒子, 容 易在胶体中引入杂质, 使得制备的超导层性能降低。 发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足, 提供一种纳米银掺杂 钇钡铜氧膜的制备方法。 采用该方法制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜成相温度低, 形核均匀, 具有优异的超导性能。
为解决上述技术问题, 本发明采用的技术方案是 : 一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜的 制备方法, 其特征在于, 该方法包括以下步骤 :
步骤 (1) 前驱溶胶的制备 :
步 骤 101、 将 硝 酸 银 溶 解 于 乙 醇 和 水 的 混 合 溶 剂 中, 配制成硝酸银浓度为 0.01mol/L ~ 0.5mol/L 的溶液, 以所配制的溶液为反应液, 以氩气流为阴极, 银箔为阳极, 接通电源进行电化学反应, 得到纳米银溶胶 ; 所述混合溶剂中乙醇和水的体积比为 1 ∶ 1 ~ 10 ;
步骤 102、 将三氟乙酸钇、 三氟乙酸钡和苯甲酸铜按钇∶钡∶铜= 1 ∶ 2 ∶ 3 的原 子比溶解于乙醇中, 得到钇钡铜氧前驱液 ; 所述钇钡铜氧前驱液中钇、 钡和铜金属离子的总 浓度为 0.5mol/L ~ 2.5mol/L ;
步骤 103、 将步骤 101 中所述纳米银溶胶在 50℃条件下减压蒸馏浓缩, 将浓缩后 的纳米银溶胶采用乙醇分散, 将分散后的纳米银溶胶加入步骤 102 中所述钇钡铜氧前驱液 中, 混合均匀得到前驱溶胶 ; 所述前驱溶胶中银纳米粒子的质量百分含量为 0.5%~ 5% ;
步骤 (2) 涂覆 : 采用浸涂法将步骤 103 中所述前驱溶胶均匀涂覆于 CeO2/YSZ/Y2O3/ NiW 衬底上, 得到厚度为 10μm ~ 50μm 的湿膜, 其中, 所述 YSZ 为钇稳定的氧化锆 ;
步骤 (3) 热解 : 将步骤 (2) 中所述湿膜在管式炉中进行低温热解, 得到前驱膜 ;步骤 (4) 晶化 : 将步骤 (3) 中所述前驱膜进行晶化处理, 得到纳米银掺杂钇钡铜氧膜。 上述的一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜制备方法, 步骤 101 中所述混合溶剂中乙醇和 水的体积比为 1 ∶ 2 ~ 5。
上述的一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜制备方法, 步骤 101 中所述电化学反应过程 中, 采用不锈钢针管向反应液中通入氩气流, 将不锈钢针管放置在反应液表面以上 2mm ~ 5mm, 控制氩气流的气体流量为 200mL/min ~ 1000mL/min, 电化学反应电压为 0.5KV ~ 2KV, 电流为 1mA ~ 20mA, 反应时间为 10min ~ 60min。
上述的一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜制备方法, 所述氩气流的气体流量优选 500mL/ min, 电化学反应电压优选 1KV, 电流优选 10mA。
上述的一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜制备方法, 步骤 102 中所述钇钡铜氧前驱液中 钇、 钡和铜金属离子的总浓度优选 1.5mol/L。
上述的一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜制备方法, 步骤 103 中所述前驱溶胶中银纳米 粒子的质量百分含量优选 1%~ 3%, 所述前驱溶胶中的银纳米粒子为球形或柱形。
上述的一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜制备方法, 步骤 (3) 中所述低温热解的过程 为: 将管式炉以 2℃ /min ~ 10℃ /min 的速率升温, 当炉内温度高于 200℃时向炉内引入水 汽分压为 2%~ 2.5%的湿氧气, 继续升温, 当炉内温度升至 400℃时反应结束, 停止通气随 炉冷却。
上述的一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜制备方法, 所述升温速率优选 5℃ /min, 所述 湿氧气的水汽分压优选 2.3%。
上述的一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜制备方法, 步骤 (4) 中所述晶化处理的过程 为: 以 15℃ /min ~ 35℃ /min 的速率升温至 710℃~ 740℃, 并在湿氩氧混合气氛下恒温 2h, 然后在干燥的氩氧混合气氛下随炉冷却, 当温度降至 525℃时将气氛更换为氧气氛, 当 温度降至 450℃时恒温 3h, 最后在氧气氛下随炉冷却 ; 所述湿氩氧混合气氛的水汽分压为 2.5%~ 3.5%, 湿氩氧混合气氛中氧气质量含量为 100ppm, 余量为氩气 ; 所述干燥的氩氧 混合气氛中氧气质量含量为 100ppm, 余量为氩气。
上述的一种纳米银掺杂钇钡铜氧膜制备方法, 所述升温速率优选 25℃ /min, 所述 湿氩氧混合气氛的水汽分压优选 3.1%。
本发明与现有技术相比具有以下优点 :
1、 本发明采用电化学反应制备纳米银溶胶, 采用中空的阴极, 通过气流引入电子, 以等离子气替代固体阴极, 使得电流导通, 实现电极无接触, 从而在阴极制备出银纳米粒 子, 这种方法不需要分散剂、 还原剂等复杂化合物, 容易获得高纯无杂质的纳米银溶胶。
2、 本发明的前驱溶胶中纳米银粒子分布均匀, 不团聚, 尺寸小于 20nm, 具有高稳定 性, 采用该前驱溶胶涂覆后制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜成相温度低, 形核均匀。
3、 本发明制备的纳米银掺杂的钇钡铜氧膜具有厚度为 400nm ~ 600nm 的超导层, 超导层的超导性能优异, Jc 达到 1MA/cm2 ~ 2MA/cm2。
下面通过附图和实施例, 对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明图 1 为本发明实施例 1 制备的前驱溶胶中纳米银粒子的透射电镜 (TEM) 图。
图 2 为本发明实施例 1 制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜的 x 衍射 θ-2θ 扫描图。
图 3 为本发明实施例 1 制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜的表面形貌的扫描电镜 (SEM) 图。 具体实施方式
实施例 1
步骤 (1) 前驱溶胶的制备 :
步 骤 101、 将 硝 酸 银 溶 解 于 乙 醇 和 水 的 混 合 溶 剂 中, 配制成硝酸银浓度为 0.15mol/L 的溶液, 以所配制的溶液为反应液, 采用不锈钢针管向反应液中通入氩气流作 为阴极, 将不锈钢针管放置在反应液表面以上 3mm, 控制气体流量为 500mL/min, 以银箔 为阳极, 接通电源进行电化学反应, 控制电化学反应电压为 1KV, 电流为 10mA, 反应时间为 60min, 得到纳米银溶胶 ; 所述混合溶剂中乙醇和水的体积比为 1 ∶ 2 ;
步骤 102、 将三氟乙酸钇、 三氟乙酸钡和苯甲酸铜按钇∶钡∶铜= 1 ∶ 2 ∶ 3 的原 子比溶解于乙醇中, 得到钇钡铜氧前驱液 ; 所述钇钡铜氧前驱液中钇、 钡和铜金属离子的总 浓度为 1.5mol/L ; 步骤 103、 将步骤 101 中所述纳米银溶胶在 50℃条件下减压蒸馏浓缩, 将浓缩后的 纳米银溶胶采用乙醇分散, 将分散后的纳米银溶胶加入 102 中所述钇钡铜氧前驱液中, 混 合均匀得到银纳米粒子质量百分含量为 5%的前驱溶胶 ; 所述前驱溶胶中的银纳米粒子为 球形 ;
步骤 (2) 涂覆 : 采用浸涂法将步骤 103 中所述前驱溶胶均匀涂覆于 CeO2/YSZ/Y2O3/ NiW 衬底上, 得到厚度为 20μm 的湿膜, 其中, 所述 YSZ 为钇稳定的氧化锆 ;
步骤 (3) 热解 : 将步骤 (2) 中所述湿膜在管式炉中进行低温热解, 得到前驱膜 ; 所 述低温热解的过程为 : 将管式炉以 5℃ /min 的速率升温, 当炉内温度高于 200℃时向炉内引 入水汽分压为 2.3%的湿氧气, 继续升温, 当炉内温度升至 400℃时反应结束, 停止通气随 炉冷却 ;
步骤 (4) 晶化 : 将步骤 (3) 中所述前驱膜进行晶化处理, 得到纳米银掺杂钇钡铜氧 膜; 所述晶化处理的过程为 : 以 25℃ /min 的速率升温至 740℃, 并在水汽分压为 3.1%, 氧 气质量含量为 100ppm 的湿氩氧混合气氛下恒温 2h, 然后在氧气质量含量为 100ppm 的干燥 的氩氧混合气氛下随炉冷却, 当温度降至 525℃时将气氛更换为氧气氛, 当温度降至 450℃ 时恒温 3h, 最后在氧气氛下随炉冷却。
图 1 是本实施例制备的前驱溶胶中纳米银粒子的透射电镜 (TEM) 图, 其中银纳米 粒子的尺寸为 10nm, 银纳米粒子充分分散于前驱液中, 在后期的热处理过程中能有效降低 超导层的成相温度。图 2 是本实施例制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜的 x 衍射 θ-2θ 扫描 图, 从图中可以看出制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜具有 YBCO(001) 峰, 且基本没有杂相峰, 显示锐利立方织构, 说明掺杂的纳米银促进了超导层的均匀形核和生长。图 3 是本实施例 制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜的表面形貌的扫描电镜 (SEM) 图, 从图中可以看出制备的纳 米银掺杂钇钡铜氧膜表面致密。
本实施例的前驱溶胶中纳米银粒子分布均匀, 不团聚, 具有高稳定性, 制备的纳米
银掺杂钇钡铜氧膜成相温度低, 形核均匀, 纳米银掺杂钇钡铜氧膜中超导层的厚度 400nm, 2 超导性能优异, Jc 达到 2MA/cm 。
实施例 2
步骤 (1) 前驱溶胶的制备 :
步骤 101、 将硝酸银溶解于乙醇和水的混合溶剂中, 配制成硝酸银浓度为 0.2mol/ L 的溶液, 以所配制的溶液为反应液, 采用不锈钢针管向反应液中通入氩气流作为阴极, 将 不锈钢针管放置在反应液表面以上 5mm, 控制气体流量为 1000mL/min, 以银箔为阳极, 接通 电源进行电化学反应, 控制电化学反应电压为 2KV, 电流为 20mA, 反应时间为 10min, 得到纳 米银溶胶 ; 所述混合溶剂中乙醇和水的体积比为 1 ∶ 10 ;
步骤 102、 将三氟乙酸钇、 三氟乙酸钡和苯甲酸铜按钇∶钡∶铜= 1 ∶ 2 ∶ 3 的原 子比溶解于乙醇中, 得到钇钡铜氧前驱液 ; 所述钇钡铜氧前驱液中钇、 钡和铜金属离子的总 浓度为 0.5mol/L ;
步骤 103、 将步骤 101 中所述纳米银溶胶在 50℃条件下减压蒸馏浓缩, 将浓缩后 的纳米银溶胶采用乙醇分散, 将分散后的纳米银溶胶加入步骤 102 中所述钇钡铜氧前驱液 中, 混合均匀得到银纳米粒子质量百分含量为 1%的前驱溶胶 ; 所述前驱溶胶中的银纳米 粒子为柱形 ; 步骤 (2) 涂覆 : 采用浸涂法将步骤 103 中所述前驱溶胶均匀涂覆于 CeO2/YSZ/Y2O3/ NiW 衬底上, 得到厚度为 50μm 的湿膜, 其中, 所述 YSZ 为钇稳定的氧化锆 ;
步骤 (3) 热解 : 将步骤 (2) 中所述湿膜在管式炉中进行低温热解, 得到前驱膜 ; 所 述低温热解的过程为 : 将管式炉以 10℃ /min 的速率升温, 当炉内温度高于 200℃时向炉内 引入水汽分压为 2.5%的湿氧气, 继续升温, 当炉内温度升至 400℃时反应结束, 停止通气 随炉冷却 ;
步骤 (4) 晶化 : 将步骤 (3) 中所述前驱膜进行晶化处理, 得到纳米银掺杂钇钡铜氧 膜; 所述晶化处理的过程为 : 以 35℃ /min 的速率升温至 730℃, 并在水汽分压为 3.5%, 氧 气质量含量为 100ppm 的湿氩氧混合气氛下恒温 2h, 然后在氧气质量含量为 100ppm 的干燥 的氩氧混合气氛下随炉冷却, 当温度降至 525℃时将气氛更换为氧气氛, 当温度降至 450℃ 时恒温 3h, 最后在氧气氛下随炉冷却。
本实施例的前驱溶胶中纳米银粒子分布均匀, 不团聚, 具有高稳定性, 尺寸小于 20nm, 制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜成相温度低, 形核均匀, 纳米银掺杂钇钡铜氧膜中超导 2 层的厚度 500nm, 超导性能优异, Jc 达到 1.5MA/cm 。
实施例 3
步骤 (1) 前驱溶胶的制备 :
步骤 101、 将硝酸银溶解于乙醇和水的混合溶剂中, 配制成硝酸银浓度为 0.5mol/ L 的溶液, 以所配制的溶液为反应液, 采用不锈钢针管向反应液中通入氩气流作为阴极, 将 不锈钢针管放置在反应液表面以上 2mm, 控制气体流量为 200mL/min, 以银箔为阳极, 接通 电源进行电化学反应, 控制电化学反应电压为 0.5KV, 电流为 1mA, 反应时间为 30min, 得到 纳米银溶胶 ; 所述混合溶剂中乙醇和水的体积比为 1 ∶ 1 ;
步骤 102、 将三氟乙酸钇、 三氟乙酸钡和苯甲酸铜按钇∶钡∶铜= 1 ∶ 2 ∶ 3 的原 子比溶解于乙醇中, 得到钇钡铜氧前驱液 ; 所述钇钡铜氧前驱液中钇、 钡和铜金属离子的总
浓度为 2.5mol/L ;
步骤 103、 将步骤 101 中所述纳米银溶胶在 50℃条件下减压蒸馏浓缩, 将浓缩后 的纳米银溶胶采用乙醇分散, 将分散后的纳米银溶胶加入步骤 102 中所述钇钡铜氧前驱液 中, 混合均匀得到银纳米粒子质量百分含量为 0.5%的前驱溶胶 ; 所述前驱溶胶中的银纳 米粒子为球形 ;
步骤 (2) 涂覆 : 采用浸涂法将步骤 103 中所述前驱溶胶均匀涂覆于 CeO2/YSZ/Y2O3/ NiW 衬底上, 得到厚度为 10μm 的湿膜, 其中, 所述 YSZ 为钇稳定的氧化锆 ;
步骤 (3) 热解 : 将步骤 (2) 中所述湿膜在管式炉中进行低温热解, 得到前驱膜 ; 所 述低温热解的过程为 : 将管式炉以 2℃ /min 的速率升温, 当炉内温度高于 200℃时向炉内引 入水汽分压为 2%的湿氧气, 继续升温, 当炉内温度升至 400℃时反应结束, 停止通气随炉 冷却 ;
步骤 (4) 晶化 : 将步骤 (3) 中所述前驱膜进行晶化处理, 得到纳米银掺杂钇钡铜氧 膜; 所述晶化处理的过程为 : 以 15℃ /min 的速率升温至 710℃, 并在水汽分压为 2.5%, 氧 气质量含量为 100ppm 的湿氩氧混合气氛下恒温 2h, 然后在氧气质量含量为 100ppm 的干燥 的氩氧混合气氛下随炉冷却, 当温度降至 525℃时将气氛更换为氧气氛, 当温度降至 450℃ 时恒温 3h, 最后在氧气氛下随炉冷却。 本实施例的前驱溶胶中纳米银粒子分布均匀, 不团聚, 具有高稳定性, 尺寸小于 20nm, 制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜成相温度低, 形核均匀, 纳米银掺杂钇钡铜氧膜中超导 2 层的厚度 600nm, 超导性能优异, Jc 达到 1MA/cm 。
实施例 4
步骤 (1) 前驱溶胶的制备 :
步 骤 101、 将 硝 酸 银 溶 解 于 乙 醇 和 水 的 混 合 溶 剂 中, 配制成硝酸银浓度为 0.01mol/L 的溶液, 以所配制的溶液为反应液, 采用不锈钢针管向反应液中通入氩气流作为 阴极, 将不锈钢针管放置在反应液表面以上 4mm, 控制气体流量为 600mL/min, 以银箔为阳 极, 接通电源进行电化学反应, 控制电化学反应电压为 1KV, 电流为 5mA, 反应时间为 20min, 得到纳米银溶胶 ; 所述混合溶剂中乙醇和水的体积比为 1 ∶ 5 ;
步骤 102、 将三氟乙酸钇、 三氟乙酸钡和苯甲酸铜按钇∶钡∶铜= 1 ∶ 2 ∶ 3 的原 子比溶解于乙醇中, 得到钇钡铜氧前驱液 ; 所述钇钡铜氧前驱液中钇、 钡和铜金属离子的总 浓度为 2mol/L ;
步骤 103、 将步骤 101 中所述纳米银溶胶在 50℃条件下减压蒸馏浓缩, 将浓缩后 的纳米银溶胶采用乙醇分散, 将分散后的纳米银溶胶加入步骤 102 中所述钇钡铜氧前驱液 中, 混合均匀得到银纳米粒子质量百分含量为 3%的前驱溶胶 ; 所述前驱溶胶中的银纳米 粒子为柱形 ;
步骤 (2) 涂覆 : 采用浸涂法将步骤 103 中所述前驱溶胶均匀涂覆于 CeO2/YSZ/Y2O3/ NiW 衬底上, 得到厚度为 30μm 的湿膜, 其中, 所述 YSZ 为钇稳定的氧化锆 ;
步骤 (3) 热解 : 将步骤 (2) 中所述湿膜在管式炉中进行低温热解, 得到前驱膜 ; 所 述低温热解的过程为 : 将管式炉以 6℃ /min 的速率升温, 当炉内温度高于 200℃时向炉内引 入水汽分压为 2.2%的湿氧气, 继续升温, 当炉内温度升至 400℃时反应结束, 停止通气随 炉冷却 ;
步骤 (4) 晶化 : 将步骤 (3) 中所述前驱膜进行晶化处理, 得到纳米银掺杂钇钡铜氧 膜; 所述晶化处理的过程为 : 以 20℃ /min 的速率升温至 720℃, 并在水汽分压为 2.8%, 氧 气质量含量为 100ppm 的湿氩氧混合气氛下恒温 2h, 然后在氧气质量含量为 100ppm 的干燥 的氩氧混合气氛下随炉冷却, 当温度降至 525℃时将气氛更换为氧气氛, 当温度降至 450℃ 时恒温 3h, 最后在氧气氛下随炉冷却。
本实施例的前驱溶胶中纳米银粒子分布均匀, 不团聚, 具有高稳定性, 尺寸小于 20nm, 制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜成相温度低, 形核均匀, 纳米银掺杂钇钡铜氧膜中超导 2 层的厚度 450nm, 超导性能优异, Jc 达到 1.8MA/cm 。
实施例 5
步骤 (1) 前驱溶胶的制备 :
步骤 101、 将硝酸银溶解于乙醇和水的混合溶剂中, 配制成硝酸银浓度为 0.3mol/ L 的溶液, 以所配制的溶液为反应液, 采用不锈钢针管向反应液中通入氩气流作为阴极, 将 不锈钢针管放置在反应液表面以上 3mm, 控制气体流量为 400mL/min, 以银箔为阳极, 接通 电源进行电化学反应, 控制电化学反应电压为 1.5KV, 电流为 15mA, 反应时间为 40min, 得到 纳米银溶胶 ; 所述混合溶剂中乙醇和水的体积比为 1 ∶ 4 ;
步骤 102、 将三氟乙酸钇、 三氟乙酸钡和苯甲酸铜按钇∶钡∶铜= 1 ∶ 2 ∶ 3 的原 子比溶解于乙醇中, 得到钇钡铜氧前驱液 ; 所述钇钡铜氧前驱液中钇、 钡和铜金属离子的总 浓度为 1mol/L ;
步骤 103、 将步骤 101 中所述纳米银溶胶在 50℃条件下减压蒸馏浓缩, 将浓缩后 的纳米银溶胶采用乙醇分散, 将分散后的纳米银溶胶加入步骤 102 中所述钇钡铜氧前驱液 中, 混合均匀得到银纳米粒子质量百分含量为 2%的前驱溶胶 ; 所述前驱溶胶中的银纳米 粒子为球形 ;
步骤 (2) 涂覆 : 采用浸涂法将 103 中所述前驱溶胶均匀涂覆于 CeO2/YSZ/Y2O3/NiW 衬底上, 得到厚度为 40μm 的湿膜, 其中, 所述 YSZ 为钇稳定的氧化锆 ;
步骤 (3) 热解 : 将步骤 (2) 中所述湿膜在管式炉中进行低温热解, 得到前驱膜 ; 所 述低温热解的过程为 : 将管式炉以 5℃ /min 的速率升温, 当炉内温度高于 200℃时向炉内引 入水汽分压为 2.4%的湿氧气, 继续升温, 当炉内温度升至 400℃时反应结束, 停止通气随 炉冷却 ;
步骤 (4) 晶化 : 将步骤 (3) 中所述前驱膜进行晶化处理, 得到纳米银掺杂钇钡铜氧 膜; 所述晶化处理的过程为 : 以 30℃ /min 的速率升温至 740℃, 并在水汽分压为 3.1%, 氧 气质量含量为 100ppm 的湿氩氧混合气氛下恒温 2h, 然后在氧气质量含量为 100ppm 的干燥 的氩氧混合气氛下随炉冷却, 当温度降至 525℃时将气氛更换为氧气氛, 当温度降至 450℃ 时恒温 3h, 最后在氧气氛下随炉冷却。
本实施例的前驱溶胶中纳米银粒子分布均匀, 不团聚, 具有高稳定性, 尺寸小于 20nm, 制备的纳米银掺杂钇钡铜氧膜成相温度低, 形核均匀, 纳米银掺杂钇钡铜氧膜中超导 2 层的厚度 550nm, 超导性能优异, Jc 达到 1.2MA/cm 。
以上所述, 仅是本发明的较佳实施例, 并非对本发明做任何限制, 凡是根据发明技 术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 变更以及等效结构变化, 均仍属于本发明技术 方案的保护范围内。