水化硅酸钙纳米薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水化硅酸钙纳米薄膜的制备方法，即是利用磁控溅射法制备水化硅酸钙(C‑S‑H)纳米薄膜的方法，首先将一定钙硅比的水化硅酸钙粉末煅烧，然后将煅烧后的粉体利用钢模压制成靶材，之后利用磁控溅射技术在衬底表面沉积一定厚度的薄膜，最后将薄膜样品放入氢氧化钙饱和水溶液中浸泡，即可得到水化硅酸钙的纳米薄膜。本发明专利技术为微观尺度上水化硅酸钙微观形貌的观测、力学性能及耐久性能等方面的研究奠定了基础。

Preparation of Calcium Silicate Hydrate Nanofilm

The invention discloses a preparation method of hydrated calcium silicate nano-film, which is a method of preparing hydrated calcium silicate (C_S_H) nano-film by magnetron sputtering. Firstly, the hydrated calcium silicate powder with a certain ratio of calcium to silicon is calcined, then the calcined powder is pressed into target material by steel mould, and then a film of certain thickness is deposited on the surface of the substrate by magnetron sputtering technology. The nano-film of hydrated calcium silicate can be obtained by immersing the film sample in the saturated water solution of calcium hydroxide. The invention lays a foundation for the observation of micro-morphology, mechanical properties and durability of hydrated calcium silicate at micro-scale.

【技术实现步骤摘要】
水化硅酸钙纳米薄膜的制备方法
本专利技术属于无机材料
，具体涉及一种水化硅酸钙纳米薄膜的制备方法。技术背景水泥是世界上使用量最大、应用最广泛的建筑材料。在过去十年，全球的水泥年产量均在30亿吨以上，已成为支撑人类社会文明发展的重要材料；未来相当长时期内，水泥仍将作为主要的建筑材料应用于各工程领域中。水化硅酸钙(简称C-S-H)是水泥的主要水化产物，占产物总质量的50～70％，是材料强度的主要来源，也是影响水泥建筑结构耐久性的主要因素，因此C-S-H具有重要的研究价值。以往的C-S-H研究主要集中在宏观或细观尺度，由于水泥基建筑材料的破坏是由微观到宏观的发展过程，所以C-S-H材料在微观层面的研究尤为重要。但是由于C-S-H材料结构复杂，目前关于其微观结构研究相对较少，多年来C-S-H的微观研究只能局限于第一性原理和分子动力学计算模拟。目前关于揭示C-S-H微观结构及性能的试验方法鲜有报导，宏观性能的表现也缺乏微观层面分析的支持，因此制备微观尺度的C-S-H将对该材料的研究起到推动作用。纳米薄膜是常用的微观研究材料，常用的镀膜制备方法包括物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)和溶液镀膜法等。磁控溅射是一种物理气相沉积现象，利用阴极溅射原理进行镀膜，膜层粒子来源于辉光发电中正离子对阴极靶材的溅射作用。磁控溅射技术作为一种十分有效的沉积方法，被普遍和成功地应用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。磁控溅射镀膜的应用范围广泛，可制备成靶材的材料均可被制作成薄膜，包括各种金属、半导体、铁磁材料，以及绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物等物质；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜；在溅射的放电气氛中加入氧、氢或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；控制真空室中的气压、溅射功率，基本上可获得稳定的沉积速率，通过精确地控制溅射镀膜时间，可获得均匀的高精度的膜厚，且重复性好；溅射粒子几乎不受重力影响，靶材与基片位置可自由调整；基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上，且由于溅射粒子带有高能量，在成膜面会继续扩散而得到坚硬且致密的薄膜，同时高能量使基片在较低的温度下也可得到结晶膜；薄膜形成初期成核密度高，故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜。目前还未见磁控溅射方法用于水泥基材料的薄膜制备的相关报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种水化硅酸钙纳米薄膜的制备方法，用以制备组分均匀单一、尺寸可控的C-S-H纳米薄膜，可以方便地检测其形貌和结构，测量其微观力学性能，解决技术背景中存在的问题。为实现上述目的，本专利技术提供的水化硅酸钙纳米薄膜的制备方法，其特征在于：它包含以下步骤：(1)合成钙硅质量比为0.5～3.0的水化硅酸钙粉末；(2)将步骤(1)中合成的水化硅酸钙粉末在150～250℃条件下煅烧2～3h，冷却至室温；将煅烧得到的粉体以100～200MPa的压力压制得到直径50～60mm、厚度4～6mm的靶材；(3)将衬底固定在镀膜设备的样品台上，将步骤(2)中得到的靶材置于磁控靶位，调整衬底与靶材之间的距离为2～10cm；将镀膜室抽真空，控制真空度不大于1×10-3Pa；向镀膜室通入氩气或氪气，控制前述惰性气体的流量在10～100sccm，控制溅射室气压为0.5～2.5Pa；施加溅射功率启辉，设置溅射输出功率为50～250W，预溅射5～10min；打开样品台自转系统使衬底匀速转动，开始向衬底表面溅射镀膜，溅射时间为30～300min，得到薄膜；(4)将步骤(3)中得到的薄膜置于氢氧化钙饱和水溶液中，室温浸泡1～3d，即得到水化硅酸钙纳米薄膜。作为又一种优选方案，所述步骤(1)中的水化硅酸钙粉末是化学式为(CaO)x·SiO2·H2O的材料，其中x取值范围为0.5～3.0。作为又一种优选方案，所述步骤(2)中水化硅酸钙粉末在200℃的温度下煅烧，煅烧时间为2.5小时。作为又一种优选方案，所述步骤(3)中煅烧得到的粉末以150MPa的压力压制成靶；所述镀膜设备为磁控溅射仪；所述的衬底为玻璃片、硅片、金属或金属氧化物薄片；所述衬底与靶材间的距离为5cm；所述惰性气体流量为50sccm；镀膜时，控制镀膜室气压为1.5Pa；溅射输出功率为150W，预溅射时间为8min；磁控溅射时间为150min。作为又一种优选方案，所述步骤(4)中制备的薄膜置于氢氧化钙饱和水溶液中，室温浸泡2d。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、制备的C-S-H纳米薄膜大小尺寸可控：通过调整溅射功率、时间、衬底与靶材间的距离可以控制薄膜的制备厚度，改变衬底的尺寸可以制备所需尺寸的C-S-H纳米薄膜；2、薄膜材料的单一性和均匀性：通过磁控溅射来制备薄膜，不引入杂质且C-S-H在衬底上沉积速率均匀，可以获得纯净均匀的C-S-H薄膜；3、制备过程简单、经济性好：本文所述的磁控溅射方法简单、廉价，且整个过程不需要复杂的方法，仪器设备常见；4、方法通用性好：本专利技术使用的磁控溅射仪是一种技术成熟的薄膜制备设备，同类仪器使用相同参数即可达到与实施例相同的效果，不同型号的设备只需简单调整参数，如溅射功率和溅射时间即可达到与实施例相同的效果；5、开展进一步实验的便利性：本方法制备的C-S-H纳米薄膜，可以方便的用来进行后续实验，包括形貌观测和微观力学性能的测试等。附图说明图1为实施例一中制备的水化硅酸钙纳米薄膜横截面的SEM图像—(a)未标注薄膜厚度。图2为实施例一中制备的水化硅酸钙纳米薄膜横截面的SEM图像—(b)已标注薄膜厚度。图3为实施例二中制备的水化硅酸钙纳米薄膜横截面的SEM图像—(a)未标注薄膜厚度。图4为实施例二中制备的水化硅酸钙纳米薄膜横截面的SEM图像—(b)已标注薄膜厚度。图5为本专利技术的工艺流程图。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。实施例一：本实施方式利用磁控溅射法制备水化硅酸钙纳米薄膜的方法，按以下步骤进行：(1)合成钙硅比为0.5的水化硅酸钙粉末；(2)将合成的水化硅酸钙粉末在150℃条件下煅烧2h，冷却至室温；(3)将煅烧得到的粉体以100MPa的压力压制得到直径60mm、厚度4mm的靶材；(4)玻璃片作为衬底放置于磁控溅射仪的镀膜样品台上，将靶材置于磁控靶位，调整衬底与靶材之间的距离为2cm；(5)将镀膜室抽真空，控制真空度为5×10-4Pa；(6)向镀膜室通入氩气，控制惰性气体的流量为10sccm，控制镀膜腔室气压为0.5Pa；(7)施加溅射功率启辉，设置溅射输出功率为50W，预溅射5min；(8)打开样品台自转系统使衬底匀速转动，开始向衬底表面溅射镀膜，溅射时间为120min，得到薄膜；(9)将得到的薄膜置于氢氧化钙饱和水溶液中，室温浸泡处理1d，即得到水化硅酸钙纳米薄膜。实施例二：本实施方式利用磁控溅射法制备水化硅酸钙纳米薄膜的方法，按以下步骤进行：(1)合成钙硅比为1.5的水化硅酸钙粉末；(2)将合成的水化硅酸钙粉末在175℃条件下煅烧2.5h，冷却至室温；(3)将煅烧得到的粉体以200MPa的压力压制得到直径60mm、厚度5mm的靶材；(4)玻璃片作为衬底放置于磁控溅射仪的镀膜样品台上，将靶材置于磁控靶位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水化硅酸钙纳米薄膜的制备方法，其特征在于：它包含以下步骤：(1)合成钙硅质量比为0.5～3.0的水化硅酸钙粉末；(2)将步骤(1)中合成的水化硅酸钙粉末在150～250℃条件下煅烧2～3h，冷却至室温；将煅烧得到的粉体以100～200MPa的压力压制得到直径50～60mm、厚度4～6mm的靶材；(3)将衬底固定在镀膜设备的样品台上，将步骤(2)中得到的靶材置于磁控靶位，调整衬底与靶材之间的距离为2～10cm；将镀膜室抽真空，控制真空度不大于1×10‑3Pa；向镀膜室通入氩气或氪气，控制前述惰性气体的流量在10～100sccm，控制溅射室气压为0.5～2.5Pa；施加溅射功率启辉，设置溅射输出功率为50～250W，预溅射5～10min；打开样品台自转系统使衬底匀速转动，开始向衬底表面溅射镀膜，溅射时间为30～300min，得到薄膜；(4)将步骤(3)中得到的薄膜置于氢氧化钙饱和水溶液中，室温浸泡1～3d，即得到水化硅酸钙纳米薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种水化硅酸钙纳米薄膜的制备方法，其特征在于：它包含以下步骤：(1)合成钙硅质量比为0.5～3.0的水化硅酸钙粉末；(2)将步骤(1)中合成的水化硅酸钙粉末在150～250℃条件下煅烧2～3h，冷却至室温；将煅烧得到的粉体以100～200MPa的压力压制得到直径50～60mm、厚度4～6mm的靶材；(3)将衬底固定在镀膜设备的样品台上，将步骤(2)中得到的靶材置于磁控靶位，调整衬底与靶材之间的距离为2～10cm；将镀膜室抽真空，控制真空度不大于1×10-3Pa；向镀膜室通入氩气或氪气，控制前述惰性气体的流量在10～100sccm，控制溅射室气压为0.5～2.5Pa；施加溅射功率启辉，设置溅射输出功率为50～250W，预溅射5～10min；打开样品台自转系统使衬底匀速转动，开始向衬底表面溅射镀膜，溅射时间为30～300min，得到薄膜；(4)将步骤(3)中得到的薄膜置于氢氧化钙饱和水溶液中，室温浸泡1～3d，即得到水化硅酸钙...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤盛文，阿湖宝，余文志，周伟，陈敬涛，何真，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42