一种镁基合金调制薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种镁基合金调制薄膜及其制备方法和应用，所述镁基合金调制薄膜包括依次设置的镁合金调制层、催化层、聚合物层；所述镁合金调制层的元素组成为MgxM1‑x，其中0.5

A Mg-based alloy modulated film and its preparation method and Application

The invention discloses a magnesium-based alloy modulation film and its preparation method and application. The magnesium-based alloy modulation film comprises magnesium alloy modulation layer, catalytic layer and polymer layer arranged in sequence, and the element composition of the magnesium alloy modulation layer is MgxM1 x, of which 0.5.

【技术实现步骤摘要】
一种镁基合金调制薄膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种镁基合金调制薄膜及其制备方法和应用，所述薄膜具有氢气致变色功能，具有氢化响应速度较快、使用寿命长和光学转换区间大等优点，可用于氢气传感器。
技术介绍
氢气凭借可再生、高效洁净等优点，在航天、军事、汽车、医疗和工业领域具有广阔的应用前景。然而，由于氢气在空气中的体积分数为4％-75％时，如遇明火，极易引起爆炸。再者，氢气无色无味的特性使其不易被人察觉，因此开发安全灵敏的氢气传感器具有十分重大的意义。目前氢气传感器的研究按照检测信号的类型分为电信号和光信号。电信号应用较多的有电阻传感器和电化学装置传感器，它们共同的弊端在于使用了电引线，在感测点处可能会产生火花引起爆炸。此外，系统体积太大、建设费用昂贵等缺点也制约了它们的推广。作为一种新型技术，基于光信号原理的光纤氢气传感器正逐渐成为研究热点。光纤的使用，可以达到读出器与感测点分离的效果，消除了安全隐患。此外，它还具有体积小，可复用等优点。虽然在安全方面光纤氢气传感器有着得天独厚的优势，但目前它还不能完全满足市场的要求。面对未来氢能经济市场的巨大需求，不断提升传感器的灵敏度、响应时间和稳定性一直是氢气传感技术的热点和难点。光纤氢气传感器的性能主要取决于氢致变色薄膜，而薄膜通常采用磁控溅射的方法制取。为了提高实验的可操作性，一般首先在如玻璃基片上进行试验，之后再在光纤上镀膜。溅射时基片的摆放位置和样品台转速对薄膜的结构有很大影响，通过调整这些工艺参数可以制备出合金调制结构的薄膜。合金调制结构是一种特殊的薄膜结构，沿着合金调制薄膜的生长方向，薄膜内部元素呈现周期性变化。鉴于调制结构薄膜各元素层间存在的晶格失配现象，以及薄膜内部较大的应变利于形成更多的位错，因此氢原子在薄膜内部的扩散将更为快捷，薄膜的氢化速度得以提升。此外，调制结构膜层之间较强的结合力还有助于延长薄膜的使用寿命。在感应氢气的过程中，光源经历调制薄膜内部的多次反射将引起光学变化区间增大，使传感器能够采集更强烈的信号。目前尚未出现关于调制合金结构用于传感器领域的相关报道，因而此类结构的制备及其氢化性能的研究极具价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种镁基合金调制薄膜及其制备方法和应用，在氢化时具有响应速度较快、使用寿命长和光学转换区间大等优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种镁基合金调制薄膜，包括依次设置的镁合金调制层、催化层、聚合物层；所述镁合金调制层的元素组成为MgxM1-x，其中0.5<x<1，若镁的含量过高，M元素含量过低，会导致吸放氢时间过长，反应缓慢，转换速率降低；反之，亦会导致调光区间缩小，转换幅度减少；所述的M为Gd、Ti、Ni、Mn、Fe、Co、Y、Nb、Ru、Zr、Ca、Ba、La、Sm中的至少一种。优选地，所述镁合金调制层的厚度为20-300nm，若复镁合金调制层过厚，会导致吸放氢效率降低；若镁合金调制层过薄，则会导致吸氢前的反射率偏低，削弱调光效果；催化层的厚度为3～20nm，若催化层过厚，会有较强的反射作用，使得吸氢后的反射率较大；若催化层过薄，则易因扩散作用以及体积变化效应，降低薄膜的使用寿命；聚合物层的厚度为10～350nm。优选地，所述镁合金调制层中，包括交替排列的富M层和贫M层。镁合金调制层中，薄膜的TEM截面形貌测试结果(图2和3所示)表明其由亮暗两层交替排列组成。由于M原子序数大于Mg，因而对于颜色较暗的层，M含量较高，称其为“富M层”；对于颜色较暗的层，M含量较低，称其为“贫M层”。优选地，所述催化层的材料为Pd、Pt或含Pd的合金；所述聚合物层的材料为氟碳聚合物。本专利技术还提供了一种镁基合金调制薄膜的制备方法，包括以下步骤：A、对基片进行表面清洁预处理；B、采用直流磁控溅射法在上述预处理后的基片上，通过改变在溅射时基片的摆放位置以及样品台的转速，沉积镁合金调制层；C、采用射频磁控溅射的方法在镁合金调制层上原位沉积催化层；D、采用化学沉积的方法，在步骤C得到的催化层上沉积聚合物层。优选地，所述基片为玻璃、高分子薄膜或透明陶瓷。优选地，所述制备方法为采用直流磁控溅射法在基片上沉积镁合金调制薄膜层，然后在镁合金调制薄膜层上采用射频磁控溅射法原位生长催化层。优选地，步骤B中，所述样品台的转速为0～20rpm，转速越快薄膜的调制周期越短，当转速足够快时薄膜内部的成分均匀分布；采用的工作气体为高纯度的氩气，该气体被电离后生成的氩离子可轰击靶材激发出靶材离子，而不与靶材离子反应，对薄膜成分无影响；所述沉积镁合金调制层时，Mg靶、M靶的溅射功率分别为30～300W、30-200W，两种靶材共沉积，溅射时间为20～380s；步骤C中，所述沉积催化层时，靶材的溅射功率为50～500W，溅射时间为2～80s；步骤D中，采用感应耦合等离子体化学气相沉积的方法进行沉积聚合物层，沉积过程中，样品台的温度为25℃、感应圈功率为800W，时间为10～200s。优选地，步骤B中，溅射时，基片位于样品台中心与样品台的边缘区域之间的任意位置，随着偏离中心位置的程度的增加，调制的幅度增加，因而不同层之间元素含量差异越大，将使调制结构的影响更显著，薄膜光学性能变化更大。优选地，步骤B和C中，所述溅射靶材前，还包括预溅射清洗靶材的步骤；所述预溅射时靶材前面应有竖有挡板，可保证清除靶材表面污染物和氧化层，同时也防止靶材离子溅射至基片上，沉积时打开挡板。优选地，所述步骤A中，所述预处理的具体步骤如下：配置浓硫酸和过氧化氢的混合物用作清洗溶液，将基片置于上述清洗溶液中浸泡10min，随后用去离子水冲洗，再超声清洗10min，最后使用氮气吹干；将氮气吹干后的基片在50℃下进行干燥0.5h，即可。本专利技术还提供了一种根镁合金调制薄膜在氢气传感器中的应用。本专利技术制得的镁基合金调制薄膜具有制备过程简单、成本低、实用范围较广等优点，由其构成的氢气传感器响应速度快、灵敏度高，无需升温加压，不存在安全隐患，亦可循环使用。另外，通过调节工艺参数还可以实现薄膜光学性能变化，获得具有较大光学转换区间的氢致变色薄膜，此镁基合金调制薄膜在其他领域同样具备较大的应用价值。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1)通过磁控溅射的方法制备薄膜，该制备工艺稳定、易于控制，膜层密度高、均匀性好。2)表层原位生长的催化膜层可防止镁基体被氧化，其对氢气的高催化效率可缩短调光薄膜的转换时间，提升灵敏度。3)本专利技术利用催化膜如钯膜的催化效应，使氢气分解为氢原子与镁基体结合生成氢化物，无需升温加压，室温下即可实现薄膜在反射态和透明态之间的可逆转换。4)该合金调制薄膜的制备工艺简单，仅需要改变基片的摆放位置以及溅射时样品台的转速，因而溅射效率高。5)本专利技术利用调制合金薄膜层间存在晶格失配，薄膜内部存在较大的应变位错较多，这为氢扩散提供了路径，从而具有较快的氢化速度。6)该合金调制薄膜成本低，响应时间快，光学变化区间大，循环寿命长。7)该薄膜使用FC聚合物层，能够有效地减小水分对薄膜的不良影响，提高薄膜吸放氢前后的光学变化区间和吸放氢动力学，同时还能有效地延长薄膜的使用寿命。8)该合金调制薄膜是一种特殊结构薄膜，沿着合金调制薄膜的生长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁基合金调制薄膜，其特征在于，包括依次设置的镁合金调制层、催化层、聚合物层；所述镁合金调制层的元素组成为MgxM1‑x，其中0.5<x<1，所述的M为Gd、Ti、Ni、Mn、Fe、Co、Y、Nb、Ru、Zr、Ca、Ba、La、Sm中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种镁基合金调制薄膜，其特征在于，包括依次设置的镁合金调制层、催化层、聚合物层；所述镁合金调制层的元素组成为MgxM1-x，其中0.5<x<1，所述的M为Gd、Ti、Ni、Mn、Fe、Co、Y、Nb、Ru、Zr、Ca、Ba、La、Sm中的至少一种。2.根据权利要求1所述的用于氢气传感器的镁基合金调制薄膜，其特征在于，所述镁合金调制层的厚度为20-300nm，催化层的厚度为3～20nm，聚合物层的厚度为10～350nm。3.根据权利要求1所述的用于氢气传感器的镁基合金调制薄膜，其特征在于，所述镁合金调制层中，包括交替排列的富M层和贫M层。4.根据权利要求1所述的用于氢气传感器的镁基合金调制薄膜，其特征在于，所述催化层的材料为Pd、Pt或含Pd的合金；所述聚合物层的材料为氟碳聚合物。5.一种根据权利要求1所述的镁基合金调制薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A、对基片进行表面清洁预处理；B、采用直流磁控溅射法在上述预处理后的基片上，通过改变在溅射时基片的摆放位置以及样品台的转速，沉积镁合金调制层；C、采用射频磁控溅射的方法在镁合金调制层上原位沉积催化层；D、采用化学沉积的方法，在步骤C得到的催化层上沉积聚合物层。6.根据权利要求5所述的镁基合金调制薄膜的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈娟，邓南香，彭立明，刘越，吴玉娟，丁文江，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海轻合金精密成型国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31