液相沉積法制備鎂合金負載納米TiO-,2-薄膜及其性能研究.pdf

1、TiO2作為一種弱的n型半導(dǎo)體材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光催化活性。鎂合金是輕型結(jié)構(gòu)金屬材料，在航天、航空、汽車、電子工業(yè)、生物材料上有廣闊的應(yīng)用前景。將TiO2薄膜沉積在鎂合金產(chǎn)品上，使鎂合金產(chǎn)品具有光催化效應(yīng)，能夠降解有機物，實現(xiàn)清潔除污、殺菌除臭等功能。本論文采用液相沉積法(LPD)制備鎂合金負載納米TiO2薄膜。在室溫下，配制(NH4)2TiF6和H3BO3的混合溶液，添加納米銳鈦礦TiO2粉末作為結(jié)晶誘導(dǎo)劑，在鎂合金上沉積出

2、納米TiO2薄膜。將溶液中沉積出來的粉末干燥，經(jīng)不同溫度下熱處理，用X射線衍射法(XRD)研究其物相變化規(guī)律；采用DSC-TG分析銳鈦礦轉(zhuǎn)變的形成溫度；研究分析了在不同條件下得到的TiO2薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、耐腐蝕性能和光催化性能。采用正交實驗方法優(yōu)化了影響耐腐蝕性能的工藝參數(shù)。實驗結(jié)果表明：沉積態(tài)的TiO2在194.2℃開始轉(zhuǎn)變成銳鈦礦型結(jié)構(gòu)。反應(yīng)溫度的提高能促進TiO2晶核的形成和長大。相對于反應(yīng)溫度，熱處理溫度對銳鈦礦的衍射

3、峰強度影響更強烈，熱處理溫度在300℃-350℃之間影響最為劇烈。薄膜的X射線衍射表明：提高熱處理溫度有利于銳鈦礦結(jié)構(gòu)的形成，促使晶粒長大；熱處理溫度從300℃升高到420℃，銳鈦礦D101從低于100nm升高到112nm；隨著熱處理時間的延長薄膜的銳鈦礦相結(jié)構(gòu)越來越完整，主峰變的尖銳，而且強度也隨之增強，延長熱處理時間和提高熱處理溫度一樣有利于銳鈦礦型TiO2薄膜的形成，促使銳鈦礦型晶粒生長，熱處理時間從1h升高到2.5h時，銳鈦礦D

4、101從99nm升高到109nm；提高熱處理升溫速率對于銳鈦礦型TiO2薄膜的形成和晶粒生長影響很小。通過研究薄膜的表面形貌可知：表面顆粒垂直于基體生長，呈八面體外觀結(jié)構(gòu)，粒徑大約為150nmr在銳鈦礦的形核和結(jié)晶過程中，生長擇優(yōu)取向很明顯；適當短的沉積時間可以獲得均勻、整齊、致密的薄膜表面，20小時以上繼續(xù)延長沉積時間出現(xiàn)宏觀裂紋；較低的熱處理溫度下制備的薄膜表面較為平緩，晶體學(xué)外觀初步形成，局部還有微小的孔洞存在，其尺寸范圍在10n

5、m左右，進一步提高熱處理溫度能夠加速銳鈦礦的生長，促進顆粒之間生長融合，有利于微孔的坍陷閉合，提高其表面晶體學(xué)特征；延長熱處理時間，促進表面顆粒間的融合，減小顆粒間隙，顆粒棱角變得明顯；快速升溫對于晶型轉(zhuǎn)化過程和表面宏觀形貌影響甚微，但是能影響到表面的介觀結(jié)構(gòu)。斷面SEM和EDS表明：薄膜由C、N、F、O、Mg、Al、Ti組成，薄膜的厚度為6μm.。 各個溫度下制備的薄膜的漫反射光譜都有不同程度的紅移，常壓熱處理下制備的薄膜的U

6、V-VIS-DR圖線形狀基本相近，300℃制備的薄膜的吸收帶邊紅移較大。升溫速率對光催化速率影響不大。經(jīng)200℃熱處理的薄膜光催化能力較微弱；300℃-400℃升高熱處理溫度反而降低了光催化活性。真空條件下制備的薄膜的吸收帶邊隨著熱處理溫度升高，依次向可見光方向偏移，吸收率下降，300℃和400℃的UV-VIS-DR曲線上出現(xiàn)了第二吸收帶邊。真空熱處理氣氛中制備的薄膜具有更強的光催化能力，這是由于真空條件下的缺陷反應(yīng)造成的。鎂合金基體負

7、載TiO2薄膜能在自然光照下顯示出優(yōu)良的光催化效果，并且在真空條件下制備的薄膜的光催化效率更高，這些來源于基體元素的擴散引起的缺陷反應(yīng)，缺陷反應(yīng)帶來的h·、Ti3+-Vo-Ti3+晶體缺陷；在真空條件下制備的薄膜不僅產(chǎn)生更多的氧缺位，而且表面具有較多的表面孔隙和突起。這些都有助于提高光催化性能。 鎂合金負載TiO2薄膜具有良好的耐腐蝕性能，正交實驗表明：各因素影響耐腐蝕性能的程度如下：水解反應(yīng)溫度(A)＞沉積時間(B)＞熱處理溫

8、度(C)＞熱處理時間(D)。其較佳組合為：A(35℃)B(20h)C(450℃)D(2.0h)。低溫沉積時耐腐蝕性能較好，隨著溫度升高耐腐蝕性能下降，在40℃后隨著溫度上升而耐腐蝕性能有所改善，故水解反應(yīng)溫度不宜選在40℃-45℃間，取常溫為宜；隨著沉積時間的增加，試樣的耐腐蝕性能下降。沉積時間長，薄膜厚度增加，在熱處理過程中熱應(yīng)力大，出現(xiàn)微裂紋的機會較多，造成表面出現(xiàn)微裂紋等宏觀的缺陷，影響耐腐蝕性能；隨著熱處理溫度升高，腐蝕速率下降