直接液体注入化学气相沉积法制备钆锆酸盐薄膜的结构特性与热性能研究

为解决塑料注塑模具热管理难题，研究人员通过直接液体注入金属有机化学气相沉积(DLI-MOCVD)在550°C低温下制备了兼具热障性能与结构稳定性的钆锆酸盐(Gd2Zr2O7)薄膜。该研究实现了1 μm/h的高沉积速率和25 μm厚度的均匀涂层，其热导率低至1.2-1.3 W/(m·K)，为塑料成型工业提供了高效热障涂层(TBC)解决方案。

　　

在塑料工业快速发展的背景下，注塑模具的热管理成为制约产品质量与能源效率的关键瓶颈。传统模具因快速热传导导致熔融聚合物过早固化，产生表面缺陷和废品率升高。尽管氧化锆等陶瓷涂层已被尝试，但其热导率仍不足(<1.9 W/(m·K))，且高温沉积工艺(>550°C)会损伤模具钢材。钆锆酸盐(Gd₂Zr₂O₇)因其独特的焦绿石(P)和萤石(F)双相结构、高密度氧空位及1.2 W/(m·K)的超低热导率成为理想候选，但现有沉积技术如电子束物理气相沉积(EB-PVD)存在钆元素流失、工艺温度高等缺陷。

法国研究团队在《Thin Solid Films》发表的研究中，创新性地采用直接液体注入金属有机化学气相沉积(DLI-MOCVD)技术，以异配位前驱体[Zr(OiPr)₂(tbaoac)₂]和Gd(thd)₃为原料，在550°C低温下实现钆锆酸盐涂层的可控生长。通过调制光热辐射法(MPTR)等表征手段，系统研究了涂层结构-性能关系，为塑料注塑模具提供了革命性的热管理方案。

关键技术包括：1) DLI-MOCVD系统实现前驱体精准输送；2) 550°C低温沉积保护模具基材；3) 调制光热辐射法(MPTR)测量热导率；4) 电子探针微区分析(EPMA)测定元素分布；5) 聚焦离子束(FIB)分析微观结构。

Thin film deposition
研究采用水平热壁式反应器，通过双DLI系统共注入Zr/Gd前驱体溶液，在O₂氛围下实现1 μm/h的沉积速率。优化后的工艺参数使涂层厚度可达25 μm，表面粗糙度<1 μm。

Results and discussion
XRD分析显示涂层由P相(Fd-3m)和F相(Fm-3m)组成，柱状晶宽度随Gd/Zr比升高而减小。EPMA证实Gd/Zr化学计量比接近1:1，克服了传统技术Gd流失的缺陷。MPTR测试表明，最小柱宽(约200 nm)且Gd/Zr比最高的样品热导率最低(1.2 W/(m·K))，这归因于双相界面增强的声子散射效应。

Conclusion
该研究开创性地将DLI-MOCVD应用于钆锆酸盐涂层制备，突破性地实现三大优势：1) 550°C低温沉积兼容热敏感模具钢；2) 精准控制Gd/Zr化学计量比；3) 双相结构产生"声子玻璃-电子晶体"效应。其热障性能优于文献报道值，不仅可延长模具寿命、降低废品率30%以上，还为电子器件散热、汽车引擎等中低温领域(<800°C)的热管理提供了新思路。

研究团队特别指出，这种涂层的多孔柱状结构能有效延缓聚合物/模具界面的热传递，防止熔体过早固化。未来通过调控P/F相比例，有望进一步降低热导率至1 W/(m·K)以下，推动塑料工业向绿色制造转型。