[发明专利]一种氧化物纳米粒子掺杂的WO3气敏涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体金属氧化物WO₃涂层技术领域，尤其涉及一种利用热喷涂技术制备的氧化物纳米粒子掺杂的WO₃气敏涂层及其制备方法。

背景技术

随着我国经济高速发展，工业化石燃料和汽车的大量使用导致NO_x、CO_x、SO₂、H₂S、NH₃等气体的排放，引起了空气的污染，导致酸雨和温室效应，同时对人们的健康构成了一定的危害。为了更好的监视这类易燃易爆、有毒有害的气体，亟需开发灵敏度高、选择性好的气敏传感器及相关设备。金属氧化物半导体气敏传感器由于其灵敏度和选择性高、成本低、操作简单、携带方便等优点引起了研究者的注意。

WO₃作为一种过渡金属氧化物半导体材料，是一种宽带隙的n型半导体，具有优良的气敏性能，对某些气体(如O₃、NO₂、NO、NH₃、H₂S)有较好的敏感特性而受到广泛的关注。一般来说，影响传感器气敏特性的因素主要有灵敏性、选择性、稳定性、响应时间和重复性等。就如何提高传感器灵敏度来说，前人已研究发现，提高WO₃涂层的比表面积可显著改善其灵敏度，这是因为涂层较高的比表面积可为介质气体提供更多的附着点，即增大了气体与气敏涂层的接触面积。纳米材料具有特殊的力学、热学、光学、化学和磁性，与传统微米材料制备的涂层相比，其具备更大的比表面积，因此，制备具有纳米尺寸WO₃晶粒的气敏涂层具有更大性能优势。

WO₃涂层传统的制备方法主要有真空蒸发沉积法、溅射沉积法、气相生长沉积法、外延沉积法、激光沉积法、溶胶-凝胶法、电沉积法、丝网印刷法和水热法等。传统的制备或工艺复杂、设备昂贵，或生产成本较高、不宜工业化，或残余气体有毒有害，或薄膜面积小、不宜大规模成膜，或成膜基体受限等。因此，要实现WO₃涂层的大规模生产应用，亟需开发一种新型的低成本、高质量、大面积、适合工业化生产的涂层制备技术。

热喷涂技术是一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分，是适合工业化、大面积生产的表面技术。此外，热喷涂技术还有其自身的一些优点，如基体材料不受限制；可喷涂的涂层材料极为广泛，热喷涂技术可用来喷涂几乎所有的固体工程材料；喷涂过程中基体材料升温小，不产生应力和变形；操作工艺灵活方便，不受工件形状限制，施工方便；制备的涂层厚度范围较宽；涂层性能多种多样，可以形成耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等具有各种特殊功能的涂层；适应性强及经济效益好等优点。其中，等离子喷涂技术是一种重要的热喷涂技术，也是一种有效的纳米涂层制备技术；但是由于固体纳米粉末质量轻、流动性较差等特点，不适合直接作为等离子喷涂原料，传统制备纳米涂层时，常遵循“纳米原料→一次团聚造粒→二次致密化造粒→涂层制备”的工艺路线，该路线工艺繁琐、操作性差，且每个过程纳米粉体都有不同程度损失。另外，二次造粒过程中，由于温度较高，纳米粉体晶粒往往有长大趋势，可能超出纳米临界尺寸，进而影响纳米涂层的各种优异性能。

液相等离子喷涂是在传统等离子喷涂的基础上发展起来的，它使原有的固体粉末喂料改为液相喂料，将液相前驱体或悬浊液作为喷涂原料进行涂层制备，该技术将粉末制备和涂层制备合二为一，简化了工艺步骤；由于喷涂过程中液相的蒸发和挥发会带走大量的热，所以使粒子经历的温度较低，避免了纳米晶粒过分长大。目前国内外液相前驱体等离子喷涂主要集中在纳米氧化锆热障涂层制备领域，对WO₃气敏涂层的制备涉及较少。因此，开发利用液相前驱体为原料制备一种低成本、产业化、高灵敏性的亚微米多孔结构WO₃气敏涂层具有重要的应用价值。

发明内容

本发明提供一种氧化物纳米粒子掺杂的WO₃气敏涂层的制备方法。通过氧化物纳米粒子的掺杂，显著降低气敏涂层中WO₃的晶粒尺寸，提高WO₃气敏涂层的灵敏度。所述的制备方法具有操作简单、工艺流程少、成本低、适合工业化生产等优点。

一种氧化物纳米粒子掺杂的WO₃气敏涂层的制备方法，包括如下步骤：