[发明专利]用原子层沉积制备复合材料

说明书

相关申请

本申请要求2007年2月12日提交的美国临时申请第60/889,492 号的优先权，该申请通过全文引用结合到本文中。

技术领域

总体而言，本公开的领域涉及复合材料和薄膜复合材料以及制备 这类复合材料的方法。

发明背景

相比于均质材料，复合材料明显可有更多的机会拥有工程材料性 质。复合材料薄膜可通过层压膜的堆积体(stack)、沉积为混合物或金 属合金的膜或在第二材料的连续体中引入一种材料的部件(piece)来 构建。本发明人已认识到对由包埋在填料基体中的颗粒组成的复合材 料薄膜的需要，在其中，各组分-颗粒和填料-的材料的选择将决定 复合材料膜的独特性质，所述独特性质是单独的颗粒或填料所不能提 供的。

一些复合材料通过在于增强材料内和周围固化的液体聚合物基 体中包埋增强颗粒、纤维或织物制备。实例有玻璃纤维和碳纤维增强 塑料，但其通常没被做成薄膜。

在另一已知方法中，首先是形成薄膜基体(通常在基材上)，然后 通过将颗粒压或辗进基体表面中而植入颗粒。但这类材料中植入颗粒 的深度和密度可能有限，特别是对于相对基体而言较软的颗粒及非常 小的颗粒。以这种方式植入的颗粒也可能易于因机械保持力弱而移位 或洗掉。

在第二材料的基体中包埋颗粒的又一已知工艺涉及溶胶-凝胶反 应。在形成整体式膜的常规溶胶-凝胶工艺中，前体溶液经过一系列 水解和聚合反应形成胶状悬浮体，该胶状悬浮体被涂布到基材上。胶 状悬浮体中的颗粒然后在新相(凝胶)中凝聚，在所述凝胶中，固体大 分子浸没在挥发性溶剂中。干燥凝胶除去溶剂，得到高度多孔的干凝 胶，干凝胶然后通过烧结和/或其他热处理致密化而形成整体式玻璃 或陶瓷膜。Nogues等的美国专利5,076,980描述了一种制备溶胶-凝胶 整体料的类似工艺。还有人提出将第二材料的颗粒混入溶胶-凝胶基 体中来形成复合材料。

例如，Rolison等的美国专利6,492,014描述了在通过溶胶-凝胶 反应形成的中孔凝胶基体中混合客体颗粒来产生复合材料并随后干 燥所述复合材料。Knobbe等的美国专利6,749,945描述了在通过溶胶 -凝胶反应形成的有机改性硅酸盐(Ormosil)基体中包埋大于1微米的 氧化铝(Al₂O₃)或二氧化钛(TiO₂)的颗粒而获得薄膜复合材料。但溶胶- 凝胶复合材料具有某些缺点。可能的组分材料局限于能承受高温加工 的那些。粒径可能局限于能保持在胶状悬浮体中的那些。此外，用溶 胶-凝胶工艺制得的复合材料的颗粒-填料粘结性差、孔隙率高且其是 较软的材料。

Summers等的美国专利6,999,669描述了使用原子层沉积(ALD) 制备由荧光体基体和多个缺陷区域组成的光子晶体。所述基体的形成 通过采用ALD以硫化锌(ZnS)、磷化镓(GaP)、氧化铝(Al₂O₃)、二氧 化钛(TiO₂)或其他材料渗透带有缺陷的合成蛋白石中的间隙然后以化 学方式移除合成蛋白石，从而留下仅包含基体和缺陷结构的蜂窝样结 构。也参见J.S.King等，“Atomic Layer Deposition in Porous Structures： 3D Photonic Crystals(多孔结构中原子层沉积：3D光子晶体)，”J. Applied Surface Science v.244，pp.511-516(2005)和Jeffrey S.King等， “Conformally Back-filled，Non-close-packed Inverse-Opal Photonic Crystals(共形地回填、非紧密填充的反蛋白石光子晶体)，”Advanced Materials v.18，pp.1063-1067(2006)。Summers’669指出，选择ALD 是因为其能产生具有低孔隙率和良好光学质量的高品质膜。

本发明人已认识到对改进的薄膜复合材料的需要。

发明概述