一种钯/陶瓷复合薄膜的制作方法

本发明涉及一种钯/陶瓷复合薄膜，属无机膜材料及应用领域。

背景技术：

钯及其合金具有高的氢渗透选择性，广泛应用于催化膜反应、氢分离与纯化领域。传统的催化膜反应、氢分离与纯化用钯元件采用了冷拔纯钯管、钯合金膜管，其工艺简单，膜管致密可靠，但膜管厚度大、成本高、效率低。目前开发的多孔载体钯膜技术将钯或钯合金膜负载于多孔载体表面，在保证器件整体机械强度的前提下，降低了钯膜的厚度及成本，提高了钯膜的氢渗透率，其商业应用前景广阔。

钯膜的多孔载体一般为多孔玻璃、多孔陶瓷、多孔金属等。由于多孔金属载体存在与钯膜的高温元素互扩散问题，多采用多孔陶瓷作为元素扩散阻挡过渡层。因此，不管采用何种多孔载体材料，都存在钯膜与陶瓷或玻璃的热膨胀匹配问题。而钯膜与陶瓷或玻璃热膨胀失配是造成钯膜工作温度下开裂、剥离的主要原因之一。另外，钯膜在工作状态下，长时间处于300-450℃温度下，这就会造成钯膜晶粒长大粗化，进而在钯膜层形成针孔缺陷等，造成钯膜失效。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钯/陶瓷复合薄膜，该复合薄膜具有膜基结合强度高，膜层高温结构稳定的特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钯/陶瓷复合薄膜，该复合薄膜负载于多孔载体上，该复合薄膜由金属钯或钯合金与陶瓷复合而成，其中钯或钯合金的体积占比为30-99％。

其中，所述多孔载体为多孔玻璃、多孔陶瓷和多孔金属中的一种或两种以上。

钯合金元素为ag、y、au、cu、pt、in和ru中的一种或两种以上。

所述陶瓷为al2o3、sio2、zro2和cr2o3中的一种或两种以上。

所述复合薄膜采用物理气相沉积法制备；优选采用磁控溅射法制备，通过同时溅射钯或钯合金靶和陶瓷靶而获得所述复合薄膜。

本发明的优点在于：

本发明通过对钯膜与陶瓷进行复合，一方面使陶瓷颗粒弥散分布于连续的钯或钯合金中，对钯晶界起到钉扎作用，增加钯晶粒高温晶粒长大和粗化的难度；另一方面，陶瓷的引入可以起到调节钯膜热膨胀系数的作用，降低钯膜与陶瓷或玻璃的热膨胀失配，提高钯膜的高温结构稳定性。

附图说明

图1为多孔金属载体表面钯/陶瓷复合薄膜的结构示意图。

图2为多孔陶瓷或玻璃载体表面钯/陶瓷复合薄膜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于以下实施例。

作为本发明的一种实施方式，如图1所示，为多孔金属载体表面钯/陶瓷复合薄膜的结构示意图，在多孔金属1表面形成多孔陶瓷层2，再在多孔陶瓷层上形成钯/陶瓷复合薄膜3。

作为本发明的另一种实施方式，如图2所示，多孔陶瓷或玻璃载体表面钯/陶瓷复合薄膜的结构示意图。在多孔陶瓷或玻璃4表面直接形成钯/陶瓷复合薄膜3。

实施例1

多孔氧化铝上钯/氧化铝复合薄膜的制备

在3英寸多孔氧化铝片上制备钯/氧化铝复合薄膜。采用金属钯、氧化铝靶材，金属钯采用直流电源供电，氧化铝采用射频电源供电，ar作为起辉气体。当背底真空优于2×10^-4pa后，在溅射室中用ar等离子体轰击清洗15分钟。通过同时溅射钯靶和氧化铝靶获得钯/氧化铝复合薄膜，溅射腔气压为0.9pa，靶基距为100mm，钯溅射功率为250w，氧化铝的溅射功率为100w，沉积时间为2小时。采用扫描电子显微镜测试，钯/氧化铝复合薄膜的厚度为2.5微米，金属钯体积含量为95％。

所制备的钯/氧化铝复合薄膜在700℃氢气氛下保温72小时，复合薄膜无针孔、开裂等缺陷产生，氦漏率优于10^-9pa·m³/s。

实施例2

多孔不锈钢上钯铜/氧化锆复合薄膜的制备

在3英寸多孔不锈钢片上制备钯铜/氧化铝复合薄膜，钯铜合金中铜含量为40wt％。采用钯铜合金(铜含量40wt％)、氧化铝靶材，钯铜合金采用直流电源供电，氧化铝采用射频电源供电，ar作为起辉气体。当背底真空优于2×10^-4pa后，在溅射室中用ar等离子体轰击清洗15分钟。通过同时溅射钯铜和氧化铝靶获得钯铜/氧化铝复合薄膜，溅射腔气压为0.85pa，靶基距为100mm，钯铜溅射功率为250w，氧化铝的溅射功率为150w，沉积时间为5小时。采用扫描电子显微镜测试，钯铜/氧化铝复合薄膜的厚度为6微米，钯铜体积含量为85％。

所制备的钯铜/氧化锆复合薄膜在700℃氢气氛下保温72小时，复合薄膜无针孔、开裂等缺陷产生，氦漏率优于10^-9pa·m³/s。

实施例3

多孔玻璃上钯银/氧化铬复合薄膜的制备

在3英寸多孔玻璃片上制备钯银/氧化铬复合薄膜，钯银合金中银含量为23wt％。采用钯银合金(银含量40wt％)、氧化铬靶材，钯银合金采用直流电源供电，氧化铬采用射频电源供电，ar作为起辉气体。当背底真空优于2×10^-4pa后，在溅射室中用ar等离子体轰击清洗15分钟。通过同时溅射钯银和氧化铬靶获得钯银/氧化铬复合薄膜，溅射腔气压为0.85pa，靶基距为100mm，钯银溅射功率为100w，氧化铬的溅射功率为250w，沉积时间为5小时。采用扫描电子显微镜测试，钯银/氧化铬复合薄膜的厚度为3微米，钯银体积含量为85％。

所制备的钯银/氧化铬复合薄膜在600℃氢气氛下保温72小时，复合薄膜无针孔、开裂等缺陷产生，氦漏率优于10^-9pa·m³/s。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种钯/陶瓷复合薄膜，该复合薄膜负载于多孔载体上，该复合薄膜由金属钯或钯合金与陶瓷复合而成，其中钯或钯合金的体积占比为30‑99％。该复合薄膜采用物理气相沉积法制备；优选采用磁控溅射法制备，通过同时溅射钯或钯合金靶和陶瓷靶而获得所述复合薄膜。本发明通过对钯膜与陶瓷进行复合，一方面使陶瓷颗粒弥散分布于连续的钯或钯合金中，对钯晶界起到钉扎作用，增加钯晶粒高温晶粒长大和粗化的难度；另一方面，陶瓷的引入可以起到调节钯膜热膨胀系数的作用，降低钯膜与陶瓷或玻璃的热膨胀失配，提高钯膜的高温结构稳定性。

技术研发人员：李帅;吕琴丽;何迪;张华;王树茂;蒋利军
受保护的技术使用者：北京有色金属研究总院
技术研发日：2017.12.26
技术公布日：2019.07.02