摘 要：研究发现一步法制备 CeO2涂层保护层的表面存在裂纹和孔洞，为了提高薄膜的表面质量，采用二步法制备 CeO2纳米涂层，用 XRD 和 SEM 研究了制备的薄膜，确定制备的参数，试验结果表明，二步法能够得到表面质量高的 CeO2薄膜涂层。
关键词：二步法烧结；CeO2纳米涂层；表面质量
0 引言
利用传统的涂层技术，添加纳米材料制备纳米复合涂层，增强传统涂层功能，关键是要突破纳米功能涂层材料的加工和结合技术，提高改性涂层的制造技术水平，强化表面效应，延长部件的工作寿命，减少因磨损造成的材料浪费[1－2]。一步法是前驱膜经过一步烧结制备样品的方法。它简单快捷、省时省料，但是制备的样品表面粗糙，存在着大量的缺陷[3]。
二步法(MOD 方法)的第一步，加热、浓缩处理溶液，得到前驱物；以不同的升温速率升温，当温度升高到某一温度时，保温后快速冷却至室温。第二步是在高温下烧结由第一步制取的样品前驱盐，以制备涂层薄膜[4]。本文讨论采用二步法制备 CeO2纳米涂层的问题，并集中研究二步法相关制备参数。
1 实验
二步法中第一步的作用是帮助热分解前驱膜上的有机物，并抑制薄膜表面的结晶和晶粒的长大，选择2-乙基己酸铈(Ce(EH)3)溶解在乙酸和甲醇中，配制成浓度为 0.2 mol/L 的溶液，用已研究过的工艺和参数[5]，即在 200~450 ℃之间进行热分解过程，当温度升至 450 ℃时，保温 5 min 后快速冷却至室温；第二步，在Ni 基底上，用 MOD 法，烧结温度分别为 1 150、1 100、1 050 ℃，保温 15 min。选用不同的冷却速度制备涂层薄膜。由于 Ni 基合金基底较易氧化，要在 Ar(4%H2)还原气氛中完成烧结过程。
2 分析与讨论
2.1 样品的 XRD 分析
在对前驱膜进行第二步处理的过程中，前驱膜表面晶化，逐渐形成 CeO2相，在此过程中还伴随着晶粒的不断长大。本文采用二步法分别以不同的升温速率完成第二步的制备任务，所得样品的常规XRD 衍射图如图 1 所示。由图 1 可见，由 1 150 ℃和 1 100 ℃进行第二步烧结的 CeO2薄膜，在 2θ＝33.077°处出现了唯一的 X 线衍射峰，这表明生成了单一的 CeO2相，且薄膜晶粒为 c 轴取向。而由 1 050℃烧结的薄膜，其衍射峰强度与由 1 150 ℃和 1 100℃烧结的样品相比弱了很多。一般来说，温度越高越有利于晶粒的长大，因此，在烧结制备 CeO2薄膜的过程中，温度越高其 X 线衍射峰的强度越高。
从图 1 中 1 050 ℃烧结样品的结果来看，在低于1 050 ℃的温度下，利用二步法制备 CeO2薄膜是没有意义的。
表 1 列出了在不同升温速率下、经第一步烧结后、1 100 ℃和 1 150 ℃高温烧成样品的晶粒尺寸，晶粒尺寸的计算采用国际上惯用的谢乐公式。由表1 可见，在使用二步法的过程中晶粒得到了细化。
2.2 样品的 SEM 分析
图 2 分别是相同放大倍数下，在 15 ℃ /min、10℃ /min和 5 ℃ /min的升温速率下，用二步法烧成样品的 SEM 图。观察发现图 2(1)的样品表面出现了大量的裂纹，不均匀现象非常明显；图 2(2)相对图 2(1)的样品表面晶粒得到了细化，提高了均匀度；图 2(3)样品的表面出现了明显的缺陷；图 2(4)所示晶粒的尺寸减小了，但仍然存在明显的缺陷；图 2(5)样品表面缺陷没有图 2(1)、(2)、(3)、(4)的明显，表面的颗粒也相对较小，但仍然不符合作为过渡层的要求。
由于图 2(5)样品表面仍然存在缺陷，所以，很难完美地完成组织基底元素向超导层扩散的使命；图 2(6)样品表面平整致密，且从图 2(6)中看不到任何缺陷，它是采用二步法制备过渡层样品中性质最好的，是在第二步以 1 100 ℃保温 15 min 烧结得到的 CeO2薄膜。
2.3 AFM 分析
图 3(2)是用二步法、在 Ni 基底上以 1 100 ℃烧制(其中第一步的升温速率为 5 ℃/min)样品的 AFM 图。与一步法的结果图 3(1)比较，由图 3 可见，采用优化的二步法制备的样品表面均匀致密，无任何裂纹和孔洞，与用一步法在 YSZ 单晶基底上烧制而成的 CeO2薄膜相比，前者样品的表面质量大大提高了，薄膜表面的粗糙度(RMS)为 8 nm，可见，与用一步法烧结的样品相比，二步法烧结大大地细化了薄膜表面的颗粒。
3 结束语
在研究二步法制备样品的过程中，比较了不同升温速率和烧结温度下制成样品的 XRD 和SEM 结果。讨论了二步法中第一步以 5 ℃/min 的升温速率、第二步在 1 100 ℃条件下烧结制备的 CeO2薄膜样品表面品质。结果表明，采用二步法制备的 CeO2过渡层质量大为提高。
另外，在实验过程中，严格采用0.4 mol/L 的前驱液进行涂覆，保证了薄膜厚度在 60 nm 左右。
参考文献略
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