钨粉合成WO3薄膜的前驱溶液制备

电致变色装置在军事伪装、智能灵巧调光窗、可变反射率镜、太阳镜及高对比度非辐射信息显示器等方面有着广泛的应用。WO3具有着色效率高性好、响应时间短、寿命长、成本低等优点,被认为是最有发展潜力的电致变色材料之一。
 
WO3薄膜的制备方法很多,如真空蒸发、直流射、电子束蒸发等。这些方法都有其自身的优点,但同时也存在着缺陷,最主要的缺陷就是设备过于昂贵,且不利于大面积制膜,使其工业化推广受到了很大程度的限制。而湿化学法中的sol-gel法,因其具单、设备成本低廉、易于掺杂改性、制膜均匀及便于制备大面积薄膜等优点,近年来得以广泛应用并取得了长足的进展。Sol-gel法制备WO3薄膜学反应主要有WCI6和无水乙醇反应,聚乙二醇、钨酸铵和二次去离子水反应,固态钨酸粉末与H2O2进行混合搅拌,钨粉和H2O2进行氧化还原等。用钨粉或钨酸与H2O2反应制备前躯时,H2O2的浓度一般为30%,为了拉膜的需要,之后的胶体溶液要有一定的浓度,这就涉及溶液的蒸溜过程。
 
用钨粉和H2O2反应制备实验前躯体溶液同时对搅拌和不搅拌的反应溶液进行对比,然后对溶液进行蒸馏操作,并对蒸馏过程中遇到的问题进行讨论。
 
胶体颗粒粒度比较
图1为不搅拌溶液A和搅拌溶液B中所含胶颗粒的粒度测试结果,测试仪器为BT-90纳米激光粒度分布仪。对比溶液A、B可以发现,A中存在很100 nm以上的粒子,这些粒子为未充分反应的钨粉颗粒,由于粒度较小,所以悬浮在溶液当中;B中的胶体颗粒粒度在100 nm以下,说明经过强烈搅拌,钨粉和H2O2反应充分,故其溶液的质量较好。
 
蒸馏所得溶液成膜比较
钨粉和H2O2发生剧烈的氧化还原反应,首先应生成过氧钨酸,加入无水乙醇和过氧钨酸反应,生成过氧化酯一钨衍生物。无水乙醇在反应中起溶剂的作用,乙酸在溶液中起稳定剂的作用。对B溶液80℃下进行蒸馏,除去部分水后拉膜。图2为W薄膜的光学照片,放大倍数为100倍。a膜的溶液蒸馏时间较短。溶液浓度小;b膜的溶液蒸馏时间较长a、b 2种薄膜均拉膜2层,经320℃热处理60 min。从图2中可见b膜的颜色较深。
 
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蒸馏过程讨论
当溶液成膜时,薄膜透明是因为拉膜时胶体颗粒均匀分布在ITO导电玻璃上,相对位置基本已经固定。经高温处理,胶体颗粒失去小分子配体而生成WO3,胶体颗粒之间不进行缩合,成膜过程大体如图3所示。溶液温度超过100℃,则胶体颗粒之间开缩合,溶液出现浑浊,甚至出现白色沉淀。低温蒸馏,要注意蒸馏所用容器必须有利于水蒸汽的流通。若水蒸汽排出不畅,由于热量积累,溶液长时间被加热还是会出现沉淀。简单方法是在无尘环境下敞口并搅拌进行蒸馏如果蒸馏过程中溶液混入了杂质,则成膜不均匀,图2中的黑点即为杂质。溶液浓度小,颜色为黄浅色,随着浓度加大,颜色逐渐变成橘红色。
 
成膜过程
 
用sol-gel法制备WO3电致变色薄膜时和H2O2的氧化还原反应制备实验前驱体溶液,反应过程需要强烈搅拌,以保证钨粉被充分氧化。由于所用H2O2一般为30%浓度的,而且溶液中还要混合一量的无水乙醇和乙酸,所以初始溶液的浓度较小,这样就需要对溶液进行蒸馏。蒸馏时溶液的温度要严格控制在100℃以下,同时要注意水蒸汽的流通。若水蒸不能及时有效地排除,由于热量积累,会造成溶液中的胶体颗粒之间缩合,颗粒的粒径增大,使溶液变得浑浊,甚至出现沉淀。 
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低温热处理三氧化钨电致变色薄膜

电致变色薄膜的材料包括各种有机和无机化合物,其中,三氧化钨是无机电致变色材料的典型代表,对其的研究也是最多的;它的主要制备方法有真空热蒸法、电子束蒸法、溅射、气相沉积、电沉积和溶胶-凝胶法等。电致变色是指材料的光学属性(反射率、透过率、吸收率等)在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象,在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。

电致变色薄膜
 
电致变色薄膜经过一定温度的热处理可以提高其粘附性和循环使用寿命,如电子束蒸法需500°C、热蒸法需350°C、溅射法需200~300°C等;然而,高温热处理往往会影响薄膜的响应时间和变色幅度。为此,研究一种低温热处理技术制备三氧化钨电致变色薄膜能够更好的提升薄膜的性能。
 
有研究采用溶胶-凝胶法,以钨酸钠为原料,经离子交换得到钨酸溶液,另外加入乙醇和聚乙烯醇(PVA)等添加剂,制得了性能优越的三氧化钨电致变色薄膜。这种薄膜为无色透明的,着色后呈蓝色,颜色均匀。研究表明,这种薄膜只需要很低的热处理温度(75°C)、极低的驱动电压(-1~+1V),并且完全着色和褪色时间只需要几秒钟。另外,测试结果显示,通电后薄膜颜色变化明显,且具有良好的可控性;薄膜在水溶液中经过连续的着色-褪色过程,仍保持稳定的状态,可见其性能优越。
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加热器材料用钨(钨加热子)和钼的对比

常见金属中熔点最低的有锡(232℃)、铅(327℃)、镁(651℃)、锌(419℃)、锑(630℃)、铝(660℃)、铜(1083℃)等,然而锡在低温时(0℃以下)会自毁;铅质软,强度不高,无金属光泽镁、锌化学性质活泼,即在通常情况下易与非金属起化学反应而变质。锑性脆,且受热易挥发。总之,均无镀膜价值。而铝和铜都具有人所喜爱的金属光泽,又稳定性高,价格低廉,且随手可得。从镀膜质量及材料的来源考虑,铝和铜是“最理想”的镀膜材料。

钨加热子钨和钼在高温下容易被氧化,这是决定它们作为高温结构材料运用前途的关键性问题。“镀膜机”的镀膜室中虽然是“真空”,但这仅是对大气而言,并非毫无空气分子且镀膜空中最难排除的是水分子及附着在镀膜室中的其他气体分子,如氮、氯、澳等。由于每次清洗镀膜室均要用到酒精和乙醚,这就更增加了排除镀膜室的水分子和附着气体分子的难度了。

钼在低于300℃条件下,相对稳定,超过的话就会在表面生成蓝色的氧化膜,高于500℃的话,生成的氧化膜会挥发,温度越高,挥发的速度就越快,超过700℃时形成MoO3白烟。

钨加热子中的钨在400~500℃条件下,在空气中开始氧化,600℃以上,表面形成WO3薄膜,由于WO3比容大于基体,所以在达到这一温度后会产生龟裂,使氧化速度显著增加,超过900℃,WO3挥发,金属以更快的速度氧化。

所以,选用钨或钼作为加热器材料应该根据被镀材料来决定,并且要恰当控制温度。

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真空镀膜加热器的选择——钨加热子

真空镀膜是现代新科技应用极广的一门尖端技术,也是高等院校“近代物理试验”中科研、应用的一个重要课题。作为实验教学,传统的常规办法是利用难熔金属也就是熔点最高的钨(熔点为3380℃)和钼(熔点为2620℃)作为加热元件。被镀的金属一般选用熔点较低的银(熔点为960℃)和金(熔点为1063℃)。为了确保镀膜的质量,一般选用高纯度的金和银,但是公用购买金银需要经过公安部门审批,而且价格很贵。所以才镀膜材料的选择上,需要考虑到方方面面的问题。

钨加热子经过实验证明,不管用钨杆还是钨舟做加热器,或者是钼杆还是钼舟作加热器,铝从预热到熔化,当铝发红刚要熔化的时候,钨杆、钨舟或钼杆、钼舟在温度最高处会发生脆裂而使镀膜电流中断,镀膜失败。用钨杆或钨舟作为加热器镀铜的时候恰当控制加热温度可以镀膜成功,但是成功率很低,用钼杆或钼舟作加热器镀铜,则成功率可达95%,所以结论是,用镀铝膜需要用钨作加热器,镀铜宜选金属钼作加热器。

钨和钼都是难熔金属,且具有优异的高温强度和耐酸蚀能力,是军事工业和化学工业的重要材料。但是,在使用中有两个问题必须要考虑到的是钨和钼的“冷脆性”和在高温下与周围气体发生激烈的作用。就是因为这两个问题极大限制了钨加热子镀铝膜的应用。

因此,真空镀膜必须注意以下几点:

1.加热器材料和被镀金属的选择;
2.尽可能提高镀膜室的真空度(1×10-4mmHG~1×10-5mmHG);
3.镀膜前镀膜室必须长时间烘烤(30~45分钟);
4.采用轰击棒低真空下长时间轰击(20~30分钟),以上措施均为清除镀膜室内各种杂离子及其他气体分子;
5.控制预热温度,把握镀膜时间,实现理想镀膜。

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钨粉用于WO3纳米薄膜

WO3薄膜极好的变色特性已越来越引起人们的广泛关注。这种材料通过电子与小阳离子(H+、Li+、Na+和K+等)双重注入、紫外光子辐照、气体分子吸附等,会发生光学、电学等特性的显著变化,因此可作为电致变色、光致变色、气致变色、气体传感、智能伪装等器件的核心材料,在建筑与汽车的节能、信息显示与储存、环境监控、食品工业、军事等方面具有极大的应用前景。
 
至今人们已对WO3薄膜的电致变色特性进行了广泛而深入的研究,尤其在WO3薄膜性能的优化方面。近年来研究表明,纳米结构的WO3薄膜可突破传统结构WO3薄膜的性能,使得薄膜的特性明显提高。采用纳米晶结构WO3薄膜作为传感器,灵敏度能显著提高;作为光致变色材料,致色效应更强,并且致色峰蓝移;采用纳米多孔WO3薄膜作为电致和气致变色器件,致色响应速度更快,大面积致色更加均匀。因此,纳米结构的WO3薄膜为制备性能更优良的致色、气体传感、智能伪装材料等提供了新的途径。目前大多采用特殊的溅射技术、高压反应气体沉积等技术制备纳米结构WO3薄膜,但工艺控制复杂,制造成本高,薄膜纯度低。采用电化学沉积技术则可以低成本、大面积制备出纳米结构WO3薄膜,但是薄膜生长速率很慢,薄膜很易产生裂纹。另一方面,溶胶-凝胶技术可以裁剪纳米颗粒微结构.从而控制薄膜的特性,不仅能制备出纳米晶氧化物薄膜,而且能制备出纳米多孔材料,并且制备方法简单、成本低,便于工业化生产。目前溶胶·凝胶技术制备WO3薄膜有离子交换法、钨酸盐酸化法和钨粉过氧化聚钨酸法等方法。离子交换法工艺较为复杂而且溶胶不稳定,易于形成凝胶,未交换完全的金属离子对薄膜性能影响较大;钨酸盐酸化法工艺过程控制困难,易于形成沉淀;而以钨粉为原料,同过氧化氢反应制备WO3薄膜,工艺过程简单易控,而且形成的溶胶稳定,适合于镀膜。 
 
WO3薄膜具有很好的气致变色特性。致色较退色慢,致色响应时间短于60s,而退色响应时间短于20s,并且致色态与退色态透射率相差很大。图 给出了经100℃热处理的WO3薄膜气致变色前后可见光区透射光谱的变化。可以发现致色时平均透射率低于10%,而退色时平均透射率则高于70%,平均透射率变化超过60%,550nm处变化达65%以上,具有很好的光谱调控性能。
 
经过400℃热处理的WO3薄膜气致变色性能降低。特别是致退色响应速度变慢。这种现象在电、气致变色的WO3薄膜中均发现过,这主要由薄膜的结构变化引起的。通常非晶WO3薄膜具有较晶态更好的致色特性,而多孔WO3薄膜能够提高离子、氢原子的扩散速率,提高致色响应速度。从前面薄膜折射率的变化、SEM和XRD分析可发现.100℃热处理的薄膜由纳米颗粒构成,孔隙率较高(为41.5% ),而且为非晶结构,H扩散通道舒畅;而400℃热处理的薄膜孔隙率明显较低.仅为25.0% ,薄膜比较致密.而且具有晶态结构.这样就降低了薄膜的致色特性。 
 
WO3薄膜的这种气致变色效应主要涉及了3个反应步骤:首先氢分子在催化剂Pt表面化学吸附、分解;然后H沿着薄膜孔洞扩散、迁移;最后同WO3反应,形成钨青铜结构。致色机理基本相同于电致变色,H扩散到WO3薄膜中,同WO3反应形成了极化子,极化子从一个晶格(W+5)向另一个晶格(W+5)的“跳跃”导致了光吸收,从而产生了气致变色。 
 
采用钨粉过氧化形成聚钨酸法制备WO3纳米薄膜,研究旋转镀膜速度、热处理对薄膜的折射率、厚度、晶态结构、红外吸收等特性的影响,然后原位研究WO3纳米薄膜的气致变色特性。采用钨粉过氧化形成聚钨酸法,能制备出气致变色性能很好的WO3纳米结构薄膜。热处理使得薄膜致密.折射率增大,厚度减小,薄膜结晶;随着过氧键消失,WO3微结构发生了变化,共角W-O-W键吸收越来越强,且向高波数方向移动。这些变化归因于热处理导致的WO3颗粒形状、团聚状态的变化以及应变键的产生。WO3纳米薄膜致色态与退色态之间平均可见光透射率变化超过60%。致色机理在于H扩散到WO3薄膜中产生的小极化子吸收。 
 
纳米WO3薄膜气致变色光谱曲线
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