高通量薄膜表征方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术揭示了一种高通量薄膜表征方法及其装置，其包括有以下步骤：将包括两个或两个以上数量样本的待测薄膜置放于一一面开口的第一存储装置的开口上，其中薄膜与第一存储装置形成一个封闭的第一腔，其中薄膜的第一侧面对第一腔；往封闭的第一腔内通入一种或多种预定气体；将一探头置于待测薄膜的第二侧的上方并接近待测薄膜处进行其样本上方的气态物质采集，采集到的气态物质被输送到至少一个检测装置内进行分析。

【技术实现步骤摘要】
专利说明高通量薄膜表征方法及其装置
本专利技术涉及一种高通量薄膜表征方法及其装置。
技术介绍
随着材料科学的发展，无机功能膜(例如，透氧膜、透氢膜)在能源领域的分离工艺中，发挥着越来越重要的作用。 例如，以透氧膜为例，其作为一种可以同时传输氧离子和电子的无机功能膜，不但可以在中高温条件下选择性透氧，并且还具备一定的催化性能，如此，使其在固体氧化物燃料电池、氧传感器、氧气分离器以及天然气的转化等方面上有着巨大的应用前景，尤其是，透氧膜在天然气的转化上提供氧气的应用。 天然气的转化是指将天然气通过一系列的处理，使其转化为液体燃料或其他化学品等等，从而提高天然气的利用率。通常，天然气的转化经过两个阶段，第一阶段，天然气经过间接转化成为合成气；第二阶段，合成气再经过F-T(Fischer-Tropsch)合成转化为液体燃料或其他化学品。其中，在第一阶段制备合成气中，若使用传统的水蒸气重整方法，则其需要大量的能源来维持反应过程中的吸热反应；若使用新型的部分氧化、联合重整方法，其又需要大量的纯氧。而目前，提供大量的氧气，或者需要消耗大量的能源，比如低温分离法；或者生产效率低、规模小，比如变压吸附法。因此，由于制备合成气阶段的技术问题，使得该阶段的成本占据了总体成本的大约60％，由此使得天然气转化的成本居高不下，从而阻碍了天然气转化的大规模工业应用的前景。 但是，若将透氧膜和甲烷部分氧化/联合重整反应结合到一起，在同一个反应器中实现透氧和合成气的制备，则可以有效解决上述问题，使得成本大幅降低。此外，透氧膜还可以用于富氧催化燃烧，提高火焰稳定性，降低NOx及CO的排放量。进一步的，透氧膜在天然气转化工业上是否能够真正的大规模应用，一方面需要其可以实现足够高的透氧量，从而达到一定的生产效率；另一方面还需要其具有足够的机械强度，使其能够抵制住膜两侧压力差造成的应力开裂及蠕变。 透氧膜的透氧性能和机械强度与薄膜的材料元素组成、膜厚度、膜复合结构、膜表面活性等等有着重要的依赖关系。 最初的氧离子导体材料为YSZ(Y是指稳定ZrO2)系列氧化物。该类物质具有较高的氧离子传导率，但是电子导电率极低。因此，需要外接电路进行补充电荷，但是这样使设备变得复杂，且在高温下，外接电路比较困难。此外，电子传导集中在导线与薄膜的连接处，使得氧离子传输不均匀。因此，此类透氧膜并不符合要求。 1985年，Teraoka等揭示的钙钛矿结构的氧化物透氧膜，具有很高的透氧能力，因此，使得钙钛矿及其相关结构的材料受到极大的关注并且成为最具潜力的透氧膜材料。钙钛矿及相关结构的透氧膜为一种混合离子透氧膜，它不但可以利用氧空穴传输氧离子，还可以利用变价金属的变价性能传输电子，因而同步实现氧离子和电子的传导功能，使得氧离子的传输效果大大提高。 进一步的，根据Teraoka的发现，美国专利申请公开第US20030218991号中揭示了一种由La、Sr、Fe、Cr、O元素构成的透氧膜，其在一定条件下的透氧量为13～16sccm/cm2。美国专利5,723,074号中揭示的SrFeCo0.5Ox结构透氧膜具有1.8～4.6sccm/cm2的透氧量。美国专利6,638,575号中揭示的La0.05Sr0.95CoO3-d结构透氧膜的透氧量为9.0sccm/cm2。美国专利公开第US20050061663号中揭示的LSFT(由La、Sr、Co、Fe等元素构成的氧化物)与CGO(由Ce、Gd等元素构成的氧化物)混合体系透氧膜的透氧量在1000摄氏度达到15.6sccm/cm2。中国专利第CN1416946号中揭示的Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d结构的透氧膜的透氧量达到11.5sccm/cm2。 以上介绍的都是一些透氧膜的具体实施方式。由于具有钙钛矿及相关结构的透氧膜的透氧性能，与其材料的组成元素及含量有着重要关系，不同的元素形成的材料在透氧性能上有着较大的差别。而目前在元素周期表中的90％的元素可以用来形成钙钛矿及相关结构，且形成同一结构所使用的元素的种类和元素的含量是多种多样的。而在目前阶段，对于构成这些具有较高透氧量的透氧膜材料的元素和含量的研发中，还未能发现这些元素和性能之间的对应规律。而若通过常规的手段，对这些元素一一进行实验筛选，需要耗费的时间及资源是难以想象的。 进一步的，对于透氧膜的厚度因素，根据经典的Wagner theory(具体参看Bouwmeester，H.J.M.，Dense ceramic membranes for methane conversion.CatalysisToday，2003.82(1-4)p.141-150)，当薄膜的表面影响较小时，透氧量与薄膜的厚度成大约反比的关系，因此，减小膜的厚度，有利于提高透氧量。而且美国专利6,332,964中揭示了，当由La0.05Sr0.95CoO3-d构成的薄膜的厚度从1mm降到0.3mm时，其透氧量从1.8sccm/cm2提高到4.0sccm/cm2。 进一步的，对于透氧膜的复合结构因素，其对透氧性能和机械性能的综合性能有着重要的影响。对于以上揭示的单层结构的透氧膜，在一定范围内，降低透氧膜的厚度，可以提高透氧量，但是，同时会降低薄膜的机械强度。在透氧膜用于甲烷部分氧化制备合成气时，考虑到生产效率和下游的F-T合成，常常在透氧膜的一侧采用高压(20-30bar)，而透氧膜的另一侧采用约常压的压力，从而造成透氧膜两侧巨大的压力差，因此，对透氧膜的机械强度要求较高。由此可见，透氧膜的高透氧量和高机械强度都是必须的，而单层膜难以满足要求。 1989年，Teraoka等提出的透氧膜复合结构，后来被广泛使用。这种复合结构包括多孔性支撑体层和致密层，其中支撑体层提供机械强度，致密层(可由以上揭示的钙钛矿结构的氧化物构成)提供透氧功能。由于致密层可以做得较薄，支撑体层可以做得较厚，所以这种复合结构的透氧膜同时具备高透氧量和高机械强度。此外，这种复合结构对透氧膜的透氧功效也有促进作用。 美国专利5,240,480号中揭示了多种具有复合结构的透氧膜，并对这些不同的复合结构进行了透氧量的模拟计算，发现复合结构可以显著提高通氧量。比如，当支撑层为活性物质时，会显著提高透氧量，此时，其厚度并不是很重要。支撑层的孔径对透氧量也有较大影响，孔径增大会使透氧量降低。 另外，美国专利6,165,553号也揭示了一种透氧膜，并研究了致密层厚度、多孔支撑体层的孔隙率、纳米晶表面对薄膜透氧量的影响。其中当致密层厚度从1.0mm降到0.5mm乃至2微米时，透氧膜的透氧量从约1sccm/cm2增大到16.6sccm/cm2。当多孔层的孔隙率从25％增大到32％时，薄膜的透氧量增大了6～12％。当在致密层表面负载一层具有同样材料LSCF的纳米晶薄膜时，薄膜表面氧的交换速率提高了4-5倍。 由此可见，致密层和多孔支撑层的结构和组合形式对复合结构透氧膜的透氧性能有着较大的影响。但是，在目前阶段，对于透氧膜结构方面的研究还非常欠缺，缺乏大量的实验验证。 进一步的，对于透氧膜的表面活性因素，其是在当透氧膜的厚度降到一定程度之后，发挥作用。这时，继续降低厚度对透氧量影响不大，而对薄膜表面改性，则可以在进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高通量薄膜表征方法，其特征在于：其包括有以下步骤：第一步，将包括两个或两个以上数量样本的待测薄膜置放于一一面开口的第一存储装置的开口上，其中所述薄膜与所述第一存储装置形成一个封闭的第一腔，其中薄膜的第一侧面对所述第一腔；第二步，向所述封闭的第一腔内通入一种或多种预定气体；第三步，将一探头置于所述待测薄膜的相对第二侧的上方并接近所述待测薄膜处进行所述两个或两个以上样本上方的气态物质采集；第四步，分析采集到的气态物质以确定各检测样本的性能。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：王尤崎，王卓，
申请(专利权)人：亚申科技研发中心上海有限公司，美国亚申公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]