滲透阻擋層的制作方法
【專利說明】滲透阻擋層 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總的設(shè)及阻擋層的領(lǐng)域，阻擋層是在將該層施加到其上時(shí)能夠降低材料對 于特定物質(zhì)的滲透率的層.更特別地，本發(fā)明設(shè)及氨滲透阻擋物，其大大降低了該氨滲透阻 擋物施加在其上的物質(zhì)的氨滲透率。甚至更特別地，本發(fā)明設(shè)及氨的儲存和輸送，特別用于 其中產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、利用或儲存能量的應(yīng)用。
[0002]
[0003] ^^^所用的術(shù)語"氨"包括氨的^種同位素中的任意種:1山化(気)和31'(氣）。
[0004] "氨阻擋層"或"氨滲透阻擋層"是防止或大大妨礙氨通過其輸送的層。
[00化]發(fā)明背景
[0006] 在所有設(shè)及氨制備和利用的潛在的應(yīng)用領(lǐng)域中氨的擴(kuò)散都是嚴(yán)重的問題.特別需 要的情況存在于核反應(yīng)堆中，運(yùn)是由于存在高溫，W及因?yàn)槠渑c該反應(yīng)堆的操作所不可避 免的液態(tài)鋼和其他腐蝕性材料的接觸產(chǎn)生了嚴(yán)重的問題。在利用氨的內(nèi)燃機(jī)中，也必須考 慮高溫和耐腐蝕性。在與氨的產(chǎn)生和儲存相關(guān)的電化學(xué)過程中也需要耐化學(xué)性(惰性）。
[0007] 在用于產(chǎn)生氨滲透阻擋層的一種已知的方法中，將氨結(jié)合在氨化物中，如DE 03130906中所討論.該氨化物主要是基于形成氨化物的稀±(例如錠)或堿±金屬(例如巧 和儀)的。運(yùn)些材料與存在的容器或壁材料形成合金。
[000引氨滲透通過核反應(yīng)堆的各種組件的壁是反應(yīng)堆操作中的潛在問題。在US 4314880 中，建議通過將其浸潰到烙融侶中并加熱直到80(TC而形成反應(yīng)堆材料的金屬間化合物層. 通過該方法獲得的該金屬問化合物形成了氨阻擋層。
[0009] 在US 2007/0089764中，描述了氣密性儲存和輸送罐，其也使用對于使用的不同溫 度范圍而不同的金屬氨化物.
[0010] 此外，在US 2007/0089764中，描述了包含氨化物的熱塑性聚合物作為氨的擴(kuò)散阻 擋層。
[0011] US 6787007公開了由由電壓電源激活的陽極層、陰極層、電解層和催化層的完整 系統(tǒng)構(gòu)成的電化學(xué)活性氨阻擋層.
[0012] WO 04057051描述了由脈沖等離子體氮化得到的氨阻擋層。
[0013] 進(jìn)一步地且與本發(fā)明更緊密相關(guān)地，建議了 W薄膜形式的（特別地W基于陶瓷氧 化物(例如氧化侶的a相(a-氧化侶，Q-Ab化））的陶瓷氧化物的膜）的滲透阻擋層的應(yīng)用[1- 4].運(yùn)種膜在抑制氨輸送中具有高的效能.運(yùn)些阻擋層能夠用于其中關(guān)注氨在材料中的擴(kuò) 散和保持的很多領(lǐng)域。運(yùn)種膜能夠是多功能的，因?yàn)槠渚哂羞€用作承受熱循環(huán)的防腐蝕層、 用于承受高的熱和中子通量W及用于可W與侵蝕性介質(zhì)接觸的可能。滿足大多數(shù)運(yùn)些需求 的最高可能具有Q-氧化侶，因?yàn)槠渚哂歇?dú)特的高溫?zé)岷蜋C(jī)械性質(zhì)。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)中的問題
[0015] 基于聚合物和塑料擴(kuò)散阻擋層的所有解決方案都限制于相對低的溫度。
[0016] 具有金屬氨化物的方法顯示出兩個固有問題。氨化物的形成通常與在該基體材料 和該氨化物形成材料之間生成合金聯(lián)系在一起。在很多情況中，運(yùn)必須在升高溫度下進(jìn)行 (例如在US 4314880中，在800°C)，對于大的基體運(yùn)樣做是相當(dāng)復(fù)雜的，而且，基體材料(應(yīng) 當(dāng)在其中進(jìn)行合金化）的選擇自由度受到限制。該氨化物形成材料的選擇能夠影響該氨化 物的生成溫度.然而，通常較低的生成溫度導(dǎo)致較低溫度穩(wěn)定性的氨化物。
[0017] 等離子體氮化層是用于滲透阻擋層的在經(jīng)濟(jì)上有利的方法，但是尚未顯示該方法 能夠用于在聚變反應(yīng)堆或內(nèi)燃機(jī)中的高溫?cái)U(kuò)散阻擋層，運(yùn)些層的滲透阻擋層性能與現(xiàn)有技 術(shù)中已知最好的情況相比也較差。
[0018] 電化學(xué)活性擴(kuò)散阻擋層是精制但昂貴的方案.其基于與電接觸相結(jié)合的相對復(fù)雜 的層設(shè)計(jì)，且不能滿足高溫應(yīng)用的需要。而且，如果用于腐蝕性環(huán)境，還需要另外的保護(hù)。
[0019] 非常有吸引力且成本有效的產(chǎn)生氨阻擋物的方式是基于在運(yùn)些與氨接觸的組件 (基體;通常有金屬或陶瓷制成)上沉積薄膜層的.如上討論，由于其高溫穩(wěn)定性和突出的機(jī) 械性質(zhì)，a-Ab〇3(氧化侶的剛玉結(jié)構(gòu))是非常有前途的候選方案。然而，對于在工業(yè)規(guī)模上合 成曰-Ab化，需要高的沉積溫度(約IOO(TC),或者仍必須將該工藝方法放大用于涂覆大的和 復(fù)雜的表面[6-9]。在低于600°C和甚至500°C的溫度下分別用PECVD[10]和磁控管瓣射[11] 沉積氧化侶得到的最近的結(jié)果是有前途的。然而，運(yùn)些實(shí)驗(yàn)室研究距工業(yè)應(yīng)用仍很遠(yuǎn).
[0020] 發(fā)明目的
[0021] 因此，本發(fā)明的一個目的是產(chǎn)生已知氨滲透阻擋物的替代物，特別是不具有上述 問題或至少不是很多運(yùn)些問題的替代物。進(jìn)一步地，將提供包括氨滲透阻擋物的裝置和氨 滲透阻擋物的制備方法。此外，將提供層系統(tǒng)的用途。
[0022] 本發(fā)明的另一個目的是提供具有至少可與a-Ab化相當(dāng)?shù)陌睗B透阻擋質(zhì)量的薄膜 氨滲透阻擋物。
[0023] 本發(fā)明的另一個目的是提供具有低于lOOOr(優(yōu)選低于600°C，更優(yōu)選低于500°C， 甚至更優(yōu)選低于400°C)的形成溫度或沉積溫度或所需的基體溫度的氨滲透阻擋物。
[0024] 本發(fā)明的另一個目的是提供具有可與a-Ab化的硬度相當(dāng)?shù)挠捕鹊谋∧ぐ睗B透阻 擋物。
[0025] 本發(fā)明的另一個目的是提供能夠形成包括一個或多個不同相(特別是從無定形到 剛玉型結(jié)構(gòu)）的氨滲透阻擋物。剛玉型結(jié)構(gòu)顯示了非常有吸引力的氨滲透阻擋性能。如何確 定是否存在剛玉型結(jié)構(gòu)是薄膜和/或結(jié)晶學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的.
[00%]本發(fā)明的另一個目的是提供包括至少一個高溫相（即至少一個僅在高于1000°C下 才處于熱平衡的相)的氨滲透阻擋物。
[0027] 本發(fā)明的另一個目的是提供其性質(zhì)能夠W相當(dāng)不復(fù)雜的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)的氨滲透 阻擋物.特別地，其中該層系統(tǒng)的硬度能夠調(diào)節(jié).
[0028] 本發(fā)明的另一個目的是提供能夠調(diào)節(jié)用于各種應(yīng)用（特別是多用途應(yīng)用，即用于 需要各種不同性質(zhì)的組合的應(yīng)用）的氨滲透阻擋物。
[0029] 本發(fā)明的另一個目的是提供一方面能夠大大抑制氨的損失且另一方面能夠儲存 氨的氨滲透阻擋物。
[0030] 本發(fā)明的另一個目的是提供能夠W工業(yè)規(guī)模W中等的努力/中等的成本并大量制 備（即具有良好的再現(xiàn)性和均一性）（關(guān)于在涂覆有該氨滲透阻擋物的表面上的性質(zhì)）的氨 滲透阻擋物，特別是能夠W所述方式在至少IOOcm 2，更適宜地至少1000 cm2，或至少5000cm2 上沉積的氨滲透阻擋物。
[0031] 本發(fā)明的另一個目的是形成至少一個氨滲透阻擋層和至少一個能夠形成氨化物 的材料的層的組合.
[0032] 本發(fā)明的另一個目的是提供特別是耐磨損的氨滲透阻擋物.
[0033] 本發(fā)明的另一個目的是提供特別是耐熱的氨滲透阻擋物。
[0034] 本發(fā)明的另一個目的是提供特別是化學(xué)惰性的氨滲透阻擋物.
[0035] 本發(fā)明的另一個目的是提供用于為否則不能具有氨滲透阻擋物或至少不能具有 相當(dāng)性質(zhì)的氨滲透阻擋物的基體提供氨滲透阻擋物的方式.
[0036] 本發(fā)明的相應(yīng)目的分別設(shè)及相應(yīng)的裝置、方法和用途。
[0037] 依照本專利的權(quán)利要求的裝置、方法和用途至少部分實(shí)現(xiàn)了運(yùn)些目的中的至少一 種。
[00；3引發(fā)明概述
[0039] 氨滲透阻擋物的制備方法包括W下步驟：
[0040] a)在基體上沉積包括至少一個層的層系統(tǒng)；
[0041] 其特征在于步驟a)包括W下步驟：
[0042] b)沉積至少一個包括至少=元氧化物的氨阻擋層.
[0043] W略微不同的角度考慮，該方法是包括上述步驟a)和b)的用于降低基體的氨滲透 率的方法.
[0044] 該裝置包括可密封的容積和形成限定所述容積的邊界的至少一部分的壁.所述壁 包括氨滲透阻擋物，其包括包含至少一個層的層系統(tǒng)。所述層系統(tǒng)包括至少一個包括至少 =元氧化物的氨阻擋層。
[0045] 從特別的角度來看，本發(fā)明包括系統(tǒng)，其包括第一和第二容積和將所述第一容積 與所述第二容積隔開的氨滲透阻擋物.所述第一容積中的氨密度與所述第二容積中的氨密 度不同，特別地實(shí)質(zhì)不同.所述氨滲透阻擋物包括包含至少一個層的層系統(tǒng)。所述層系統(tǒng)包 括至少一個包括至少=元氧化物的氨阻擋層。所述系統(tǒng)能夠被認(rèn)為是包括氨的系統(tǒng)。
[0046] 本發(fā)明進(jìn)一步包括依照本發(fā)明的裝置的制備方法，所述方法包括W下步驟：
[0047] B)在所述壁上沉積所述氨阻擋層。
[0048] 依照本發(fā)明的用途是包括至少一個包括至少=元氧化物的層的層系統(tǒng)作為氨滲 透阻擋物(特別是作為氨滲透阻擋層或涂層)的用途。
[0049] 從略微不同的角度來看，該用途是包括至少一個包括至少=元氧化物的層的層系 統(tǒng)用于降低(特別地顯著降低)基體的氨滲透率的用途。
[0050] 依照本發(fā)明的氨滲透阻擋物包括包含至少一個層的層系統(tǒng)，其中所述層系統(tǒng)包括 至少一個包括至少=元氧化物的氨阻擋層。
[0051] 通過本發(fā)明，能夠提供替代方式，特別是改進(jìn)的氨滲透阻擋物，W及改進(jìn)的氨滲透 阻擋物制備方法.本發(fā)明可W為很多類型的基體提供氨滲透阻擋物，特別是提供具有良好 質(zhì)量和優(yōu)良性質(zhì)的氨滲透阻擋物。
[0052] 該氨阻擋層是防止或大大阻擋氨通過其輸送的層。因此，當(dāng)沉積在基體上時(shí)，該氨 阻擋層將至少在很大程度上降低氨對該基體的滲透率。注意甚至在補(bǔ)充涂層之后，基體仍 認(rèn)為是該基體.
[0053] 在其上沉積氨阻擋層的基體能夠是例如：
[0054] -其本身防止(在很大程度上）與氨(存在于在其上沉積該氨阻擋層的該基體的該 側(cè)面上)接觸.
[0055] -避免(在很大程度上）該基體(至少部分)封閉的容積中存在的氨離開所述容積， 即保護(hù)所述容積的外部沒有所述容積中存在的氨。
[0056] -避免(在很大程度上）該基體（至少部分)封閉的容積外部存在的氨進(jìn)入所述容 積，即保護(hù)所述容積的內(nèi)部沒有所述容積外部存在的氨。
[0057] 至少=元氧化物是=元氧化物（即除0(氧）之外還包括至少兩種其他化學(xué)元素的 氧化物)或四元氧化物（即除〇(氧)之外還包括至少=種其他化學(xué)元素的氧化物)或除〇(氧） 之外還包括四種或更多種化學(xué)元素的氧化物.
[005引在一種實(shí)施方案中，所述至少一種氨阻擋層是由至少50at %的程度，更特別地至 少70at %的程度，更特別地至少SOat %的程度的所述至少=元氧化物構(gòu)成的.
[0059] 在一種實(shí)施方案中，所述至少一個氨阻擋層基本上由所述至少=元氧化物構(gòu)成， 特別地，所述至少一個氨阻擋層由至少90at%的程度，更特別地至少95at%的程度的所述 至少=元氧化物構(gòu)成的.
[0060] 在可W與前述實(shí)施方案的一種或多種相結(jié)合的一種實(shí)施方案中，該氨滲透阻擋物 基本由所述層系統(tǒng)構(gòu)成。
[0061] 在可W與前述實(shí)施方案的一種或多種相結(jié)合的一種實(shí)施方案中，該氨滲透阻擋物 具有至少Snm，特別