[发明专利]一种水泥水化产物自支撑纳米薄膜的制备方法

说明书

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种水泥水化产物自支撑纳米薄膜的制备方法，包含以下步骤：(1)制备水泥水化产物靶材；(2)制备水牺牲层薄膜；(3)采用所述步骤(1)中得到的水泥水化产物靶材对步骤(2)中得到的水牺牲层薄膜表面进行溅射镀膜，得到水泥水化产物薄膜；(4)将所述步骤(3)的水泥水化产物薄膜置于氢氧化钙饱和水溶液中浸泡，使水牺牲层薄膜水解，得到水泥水化产物自支撑纳米薄膜；其中，所述水泥水化产物为C‑S‑H、AFt或AFm。采用本发明的方法制备的水泥水化产物自支撑纳米薄膜均匀单一，尺寸和厚度可控。

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种水泥水化产物自支撑纳米薄膜的制备方法。

技术背景

水泥是世界上使用量最大和应用最广泛的建筑材料。在过去十年，全球的水泥年产量均在30亿吨以上，已成为支撑人类社会文明发展的重要材料；未来相当长时期内，水泥仍将作为主要的建筑材料应用于各工程领域中。

水泥水化产物主要为水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)和水化硫铝酸钙(AFm)。三者占水化产物的78％-85％，是材料强度的主要来源，也是影响水泥建筑结构耐久性的主要因素，通过对C-S-H、AFt和AFm的研究，对水泥材料的工作机理有一个更精确的把握，为解决混凝土建筑质量和耐久性问题提供理论依据，对整个国民经济影响重大，因此C-S-H、AFt和AFm具有重要的研究价值。

以往的C-S-H、AFt和AFm研究主要集中在宏观或细观尺度，由于水泥基建筑材料的破坏是由微观到宏观的发展过程，所以C-S-H、AFt和AFm材料在微观层面的研究尤为重要。但是由于C-S-H、AFt和AFm结构复杂，目前关于其微观结构研究相对较少，多年来C-S-H的微纳观研究只能局限于第一性原理和分子动力学计算模拟，而关于AFt和AFm的微纳观研究更是寥寥无几。水泥熟料与水反应后，生成的水泥水化产物将逐渐以“薄膜(层)”形式“梯度地”覆盖在未水化水泥颗粒表面。如这些水化硅酸钙根据薄膜(层)梯度密度不同，可简单地划分为低密度水化硅酸钙、高密度水化硅酸钙或者超高密度水化硅酸钙。这些不同形态的水化产物薄膜展现出不同的传输特征和力学特性，对水泥基材料的宏观特性产生深刻的影响。因此，制备和分析微纳观尺度的水泥水化产物C-S-H、AFt和AFm自支撑薄膜显得尤其重要。

微纳米薄膜的制备是研究材料微纳观特性的常见手段，常用的镀膜制备方法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶液镀膜法、磁控溅射法和热蒸镀法等。磁控溅射是一种十分有效物理气相沉积方法，该方法利用阴极溅射原理进行镀膜，膜层粒子来源于辉光发电中正离子对阴极靶材的溅射作用。磁控溅射技术被普遍和成功地应用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。磁控溅射镀膜的应用范围广泛，可制备成靶材的材料均可被制作成薄膜，包括各种金属、半导体、铁磁材料，以及绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物等物质；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜；在溅射的放电气氛中加入氧、氢或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；控制真空室中的气压、溅射功率，基本上可获得稳定的沉积速率，通过精确地控制溅射镀膜时间，可获得均匀的高精度的膜厚，且重复性好；溅射粒子几乎不受重力影响，靶材与衬底位置可自由调整；衬底与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上，且由于溅射粒子带有高能量，在成膜面会继续扩散而得到坚硬且致密的薄膜，同时高能量使衬底在较低的温度下也可得到结晶膜；薄膜形成初期成核密度高，故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜。热蒸镀法也是一种技术成熟的沉积薄膜的方法，原材料在真空腔中被电子束或者电阻丝加热蒸发成气态，气态的源材料会直接粘附在置于原材料上侧的衬底上，而不会与背景气氛碰撞，相对于其他薄膜薄膜制备技术，蒸发沉积一般在高真空条件下进行，薄膜沉积速率比较高，化学纯度比较高，对衬底的辐射损伤较小，同时易于进行薄膜的自动精密监控从而实现制膜过程的全自动化。目前还未见磁控溅射方法和热蒸镀方法用于水泥水化产物自支撑薄膜纳米薄膜制备的相关报道。

发明内容