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關(guān)鍵詞：晶體硅薄膜；CulnSe2薄膜；商業(yè)化
中圖分類號：TM914.42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-8882（2015）05-117-02
近幾年來，光伏市場發(fā)展極其迅速，1997年光伏組件的銷售量達(dá)122Vw，比上年增加38%。世界主要幾大公司宣稱，近期光伏組件產(chǎn)量將會增加到263.5MW，其中薄膜太陽電池將達(dá)到91.5MW，占太陽電池總量的34.7%?？焖侔l(fā)展的光伏市場導(dǎo)致許多太陽電池生產(chǎn)廠家力求擴(kuò)大生產(chǎn)能力，開辟大容量的太陽電池生產(chǎn)線。但目前太陽電池用硅材料大部分來源于半導(dǎo)體硅材料的等外品和單晶硅的頭尾料，不能滿足光伏工業(yè)發(fā)展的需要。同時硅材料正是構(gòu)成晶體硅太陽電池組件成本中很難降低的部分，因此為了適應(yīng)太陽電池高效率、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)化發(fā)展的要求，最有效的辦法是不采用由硅原料、硅錠、硅片到太陽電池的工藝路線，而采用直接由原材料到太陽電他的工藝路線，即發(fā)展薄膜太陽電他的技術(shù)。
一、晶體硅薄膜太陽電池發(fā)展
晶體硅薄膜太陽電池，近年來在國外發(fā)展比較迅速。為了使晶體硅薄膜太陽電池達(dá)到商業(yè)化，努力將實(shí)驗室結(jié)果推向市場，1988年制造出100cm2的薄膜太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率為8%。18個月后，其效率在同樣面積下達(dá)到10.9%，3年半后12kw薄膜太陽電池系統(tǒng)投入市場。1994年底美國加利福尼亞區(qū)成功建立了17.1kW硅薄膜太陽電池方陣系統(tǒng)，這個系統(tǒng)電池是利用高溫?zé)岱纸鈬娡糠ㄖ苽涞摹Ｔ诒∧る姵厣细采w了一層抗反射層，硅薄膜晶粒為毫米級，具有宏觀結(jié)構(gòu)特性，減少了蘭色和遠(yuǎn)紅外光的響應(yīng)。
1997年召開的26屆IEEE PVSC，14屆歐洲PVSEC和世界太陽能大會報道了Uvited Solar Systemn薄膜硅太陽電池，轉(zhuǎn)換效率為16.6%，日本的Kanebo為9.8%，美國NREL提供的測試結(jié)果，USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜電池，面積為903cm2，轉(zhuǎn)換效率為10.2%，功率為9.2W。
我國晶體硅薄膜太陽電他的研究仍處于實(shí)驗室階段。1982年長春應(yīng)用化學(xué)研究所韓桂林等人用CVD法，在系統(tǒng)中采用高頻加熱石墨，系統(tǒng)抽真空后通氖氣以驅(qū)除殘留氣體，加熱石墨至所需溫度，隨即通入混合氣體，在1100℃-1250℃下，SiCl4被H2還原，硅沉積在襯底上。研究了多晶硅薄膜的生長規(guī)律并對膜的基本物理特性進(jìn)行研究。1998年北京市太陽能研究所趙玉文等報道了以SiH2Cl2為原料氣體，采用快速熱化學(xué)氣相沉積（RTCVD）工藝在石英反應(yīng)器中沉積多晶硅薄膜。氣源為H2和SiH2Cl2的混合物，石英管內(nèi)配有石墨樣品托架，采用程控光源將石墨樣品托架加熱到1200℃。試驗所用襯底為重?fù)诫s磷非活性單晶硅片或非硅質(zhì)底材。在1030℃下薄膜生長速率為10nm/s，研究了薄膜生長特性，薄膜的微結(jié)構(gòu)，并研制了多晶硅薄膜電池，電池結(jié)構(gòu)為金屬柵線/p+多晶硅膜/n多晶硅膜/n++C-硅/金屬接觸。采用擴(kuò)硼形成p+層，結(jié)深約為1?m，電池面積為1cm2，AM1.5、100mV/cm2條件下，無減反射涂層，電池轉(zhuǎn)換效率為4.54%，Jsc=14.3mA/cm2，Voc=0.460V，F(xiàn)F=0.67。
我國晶體硅薄膜太陽電池研究水平與國際水平相差較大，應(yīng)加速發(fā)展。在廉價襯底上形成高質(zhì)量的多晶硅薄膜，研究襯底與硅膜之間夾層，用以阻擋雜質(zhì)向硅膜擴(kuò)散，并研制出具有較高轉(zhuǎn)換效率的多晶硅薄膜電池，在近期內(nèi)使其轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到10%左右，為工業(yè)化生產(chǎn)作準(zhǔn)備，以期成本能降低到$1/w左右。
二、國內(nèi)CulnSe2薄膜太陽電池發(fā)展情況
我國的CulnSe2薄膜太陽電池研究始于80年代中期。內(nèi)蒙古大學(xué)、南開大學(xué)、云南師范大學(xué)、中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所等單位先后開展了這項研究。1986年長春應(yīng)用化學(xué)研究所用噴涂法制備了C1S薄膜。薄膜具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，并制備了全噴涂C1S/CdS太陽電池，電池具有光伏效應(yīng)。1990年內(nèi)蒙古大學(xué)采用雙源法，研制了pin CdS/CulnSe2薄膜太陽電池，經(jīng)天津電源研究所測試，面積為0.9cm×0.9cm，效率為8.5%。南開大學(xué)采用蒸發(fā)硒化法制作CulnSe/C北薄膜太陽電池，面積為0.1cm2和lcm2的太陽電池，其效率分別達(dá)到7.62%和7.28%，5cm×5cm電他的平均效率為6.67%。
我國該技術(shù)仍處于實(shí)驗室階段，而且處于較低的水平，投入很少，進(jìn)展緩慢。因此，急需加快研究和開發(fā)力度，加大對薄膜太陽電他的投入，盡快向工業(yè)化生產(chǎn)過渡，將薄膜太陽電池作為21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的高科技項目。近期內(nèi)，對CulnSe2薄膜太陽電池的研制，通過控制Se、In、Cu三元素配比和蒸發(fā)速率，以獲得重復(fù)性好、化學(xué)計量比符合要求，具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的硒鋼銅薄膜，用化學(xué)成膜法制備致密和均勻的CdS薄膜，用濺射法制備ZnO薄膜。期望近期內(nèi)，光伏轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到10%左右，為21世紀(jì)大規(guī)模發(fā)展Cu1nSe2薄膜太陽電池奠定基礎(chǔ)。
三、薄膜光伏的商業(yè)化
在過去的幾年，世界光伏市場以每年45%的增幅在快速發(fā)展，不斷有新的公司進(jìn)入市場，基于CIGS和CdTe的薄膜光伏市場化也取得了進(jìn)展，并在很多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用（包括屋頂計劃和建筑物等）。2006年，整個世界范圍內(nèi)薄膜光伏的市場份額小于6%，然而在美國薄膜光伏的市場份額高達(dá)44%，這主要得益于位于奧爾良的First Solar和密歇根的United Solar，這2個公司在2006年取得長足進(jìn)展。 中機(jī)院-專注于園區(qū)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)研究、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、城市發(fā)展規(guī)劃、投融資服務(wù)
世界上很多薄膜光伏公司從事a-Si、CIGS和CdTe的商業(yè)化發(fā)展，美國也有很多致力于此的公司，在CIGS和CdTe研究方面取得的進(jìn)展和技術(shù)進(jìn)步足以支持其往兆瓦級的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。在美國有16家公司從事非晶硅和薄硅的商業(yè)化進(jìn)程，很顯然，其中的領(lǐng)跑者為密歇根的Uni-Solar，其在2006年產(chǎn)能為60MW，而2007年的產(chǎn)能達(dá)到120MW。美國薄膜光伏的快速發(fā)展得益于美國國家再生能源實(shí)驗室（NREL）在多結(jié)太陽電池技術(shù)上的成就；Applied Material則可提供單結(jié)非晶硅和納米硅疊層太陽電池“交鑰匙”工程，迄今為止，已在包括中國、印度、德國、西班牙等世界各地裝機(jī)超過200MW。目前美國有15家公司采用不同的吸收層沉積技術(shù)開展CIGS業(yè)務(wù)，機(jī)會和挑戰(zhàn)在這兒并存；同時有8個公司從事CdTe薄膜光伏的市場化運(yùn)作。
目前世界上有5個公司致力于CIGS薄膜光伏的商業(yè)化生產(chǎn)，主要是德國的Wurth Solar、美國的Global Solar、日本本田、日本昭和殼牌和德國的Sulfurcell，其年產(chǎn)量介于5MW至27MW之間。同時有34家公司正在開發(fā)CIGS薄膜太陽電池生產(chǎn)技術(shù)，采用了約10種不同的吸收層沉積技術(shù)。在生產(chǎn)中，不論吸收層是采用共蒸發(fā)法還是兩步法（如濺射后硒化），在所有技術(shù)路線中均采用濺射法制備Mo底電極以及濺射或化學(xué)氣相沉積法制備ZnO薄膜。
參考文獻(xiàn)：
[1] Goetzberger A；Hebling C Photovoltaic. materials，past，present，future [外文期刊] 2000（1/2） DOI：10.1016/S0927-0248（99）00131-2.
關(guān)鍵詞:梯度功能材料，復(fù)合材料，研究進(jìn)展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
0 引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱。現(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對材料，特別是對高性能材料的認(rèn)識水平、掌握和應(yīng)用能力，直接體現(xiàn)國家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，也是一個國家綜合國力和社會文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此，新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo)，是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。
近年來，材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因，一方面是各個學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。
1 FGM概念的提出
當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2， 其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差，傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料，如金屬基陶瓷涂層材料，由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大，很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面，消除物理性能的突變，使熱應(yīng)力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機(jī)輔助材料設(shè)計為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分類
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2，因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層，既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動力。
2.2 FGM的分類
根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3 FGM的應(yīng)用
FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著FGM 研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化，可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM，并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。
功 能
應(yīng) 用 領(lǐng) 域 材 料 組 合
緩和熱應(yīng)
力功能及
結(jié)合功能
航天飛機(jī)的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機(jī)械部件
耐熱性機(jī)械部件
耐蝕性機(jī)械部件
加工工具
運(yùn)動用具:建材 陶瓷 金屬
陶瓷 金屬
塑料 金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石 金屬
碳纖維 金屬 塑料
核功能
原子爐構(gòu)造材料
核融合爐內(nèi)壁材料
放射性遮避材料 輕元素 高強(qiáng)度材料
耐熱材料 遮避材料
耐熱材料 遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學(xué)功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關(guān)節(jié)
人工內(nèi)臟器官:人工血管
補(bǔ)助感覺器官
生命科學(xué) 磷灰石 氧化鋁
磷灰石 金屬
磷灰石 塑料
異種塑料
硅芯片 塑料
電磁功能
電磁功能 陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導(dǎo)材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板 壓電陶瓷 塑料
壓電陶瓷 塑料
硅 化合物半導(dǎo)體
多層磁性薄膜
金屬 鐵磁體
金屬 鐵磁體
金屬 陶瓷
金屬 超導(dǎo)陶瓷
塑料 導(dǎo)電性材料
陶瓷 陶瓷
光學(xué)功能 防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導(dǎo)體
稀土類元素 玻璃
能源轉(zhuǎn)化功能
MHD 發(fā)電
電極;池內(nèi)壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地?zé)岚l(fā)電
太陽電池 陶瓷 高熔點(diǎn)金屬
金屬 陶瓷
金屬 硅化物
陶瓷 固體電解質(zhì)
金屬 陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究內(nèi)容包括材料設(shè)計、材料制備和材料性能評價。
4. 1 FGM設(shè)計
FGM設(shè)計是一個逆向設(shè)計過程[7]。
首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件，然后從FGM設(shè)計數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu)，以及制備和評價方法，最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇，根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù)，計算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù)，就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布，此時的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計參數(shù)。
FGM設(shè)計主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀，熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計算方法，包括有限元方法計算FGM的應(yīng)力分布，采用通用的和自行開發(fā)的軟件進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計。
FGM設(shè)計的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合，借助于計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)，得出最優(yōu)的設(shè)計方案。
4. 2 FGM的制備
FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過合適的手段，實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計分布，從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高溫合成法(SHS) ;涂層法:如等離子噴涂法，激光熔覆法，電沉積法，氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD) 和化學(xué)相沉積(CVD) ;形變與馬氏體相變[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設(shè)計的梯度成分成形，然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性，可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高，適用于制造形狀比較簡單的FGM部件，但工藝比較復(fù)雜，制備的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 簡稱SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng)，此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下，自動持續(xù)地蔓延下去， 利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：
SHS 法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系，金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大，燒結(jié)程度不同，較難控制，因而影響材料的致密度，孔隙率較大，機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS 法己制備出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝，適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常，將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi)，并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機(jī)葉片的熱障涂層上，其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等離子噴涂法(PS)
PS 法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，其溫度高達(dá)1 500 K，同時處于高度壓縮狀態(tài)，所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流，速度可高達(dá)1. 5 km/ s。原料粉末送至等離子射流中，粉末顆粒被加熱熔化，有時還會與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng)，隨后被霧化成細(xì)小的熔滴，噴射在基底上，快速冷卻固結(jié)，形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例，調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速，即可調(diào)整成分與組織，獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成，沉積效率高，無需燒結(jié)，不受基體面積大小的限制，比較容易得到大面積的塊材[10]，但梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高，并存在涂層組織不均勻，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7] 、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2 激光熔覆法
激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便會產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比，在上述覆層熔覆的同時注入，在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過程，就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度，以及熔區(qū)的深度來獲得，熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能，但由于激光溫度過高，涂層表面有時會出現(xiàn)裂紋或孔洞，并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化，并噴涂到基底上凝固，因此，建立起一層快速凝固的材料。通過將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中，這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固態(tài)，混入金屬液滴而被涂覆在基底，形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中，通過連續(xù)地改變增強(qiáng)顆粒的饋送速率，熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。
4.2.3.4 電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理，將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中，通過注入另一相的懸浮液使之混合，并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度，在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃，涂層的主要材料為TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層，以改變固體材料的表面特性，提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能，該工藝由于對鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低，精度易控制，生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度，在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化，適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制備出大厚度的梯度膜，與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD) 和化學(xué)氣相沉積(CVD) 兩類。
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合，在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度，精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)，并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化，可得到按設(shè)計要求的FGM。另外，該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM，因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質(zhì)，使其蒸發(fā)為氣相，然后沉積于基材上，形成約100μm 厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD 法的特點(diǎn)是沉積溫度低，對基體熱影響小，但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應(yīng)變變化，馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此，在合適的溫度范圍內(nèi)，可以通過施加應(yīng)變(或等價應(yīng)力) 梯度，在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18 -8 不銹鋼(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍，但能提供一個簡單的方法，可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料，這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。
4. 3 FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計，為成分設(shè)計數(shù)據(jù)庫提供實(shí)驗數(shù)據(jù)，目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機(jī)械強(qiáng)度測定等四個方面。這些評價技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前，對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評價[8]。目前，日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評價體系[7~8]。
5 FGM的研究發(fā)展方向
5.1 存在的問題
作為一種新型功能材料，梯度功能材料范圍廣泛，性能特殊，用途各異。尚存在一些問題需要進(jìn)一步的研究和解決，主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設(shè)計的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；
3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計算機(jī)模擬對材料性能進(jìn)行理論預(yù)測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡單，還不具有較多的實(shí)用價值;
6)成本高。
5.2 FGM制備技術(shù)總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；
2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；
3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；
4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3 對FGM的性能評價進(jìn)行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進(jìn)行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨 時間變化關(guān)系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等
6 結(jié)束語
FGM 的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計思想進(jìn)入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉，多產(chǎn)業(yè)結(jié)合，國際化合作的方向發(fā)展。
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關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對材料,特別是對高性能材料的認(rèn)識水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個國家綜合國力和社會文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。
近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。
1FGM概念的提出
當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機(jī)輔助材料設(shè)計為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動力。
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應(yīng)用
FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。
功能
應(yīng)用領(lǐng)域材料組合
緩和熱應(yīng)
力功能及
結(jié)合功能
航天飛機(jī)的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機(jī)械部件
耐熱性機(jī)械部件
耐蝕性機(jī)械部件
加工工具
運(yùn)動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構(gòu)造材料
核融合爐內(nèi)壁材料
放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學(xué)功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關(guān)節(jié)
人工內(nèi)臟器官:人工血管
補(bǔ)助感覺器官
生命科學(xué)磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導(dǎo)材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導(dǎo)體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導(dǎo)陶瓷
塑料導(dǎo)電性材料
陶瓷陶瓷
光學(xué)功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導(dǎo)體
稀土類元素玻璃
能源轉(zhuǎn)化功能
MHD發(fā)電
電極;池內(nèi)壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地?zé)岚l(fā)電
太陽電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質(zhì)
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內(nèi)容包括材料設(shè)計、材料制備和材料性能評價。
4.1FGM設(shè)計
FGM設(shè)計是一個逆向設(shè)計過程[7]。
首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評價方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計參數(shù)。
FGM設(shè)計主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計算方法,包括有限元方法計算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計。
FGM設(shè)計的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設(shè)計的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時,發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：
SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基
體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變增強(qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計要求的FGM。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點(diǎn)是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過施加應(yīng)變(或等價應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計,為成分設(shè)計數(shù)據(jù)庫提供實(shí)驗數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機(jī)械強(qiáng)度測定等四個方面。這些評價技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設(shè)計的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；
3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計算機(jī)模擬對材料性能進(jìn)行理論預(yù)測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡單,還不具有較多的實(shí)用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢[13、15、19-
20]
1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；
2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；
3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；
4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進(jìn)行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進(jìn)行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關(guān)系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等
6結(jié)束語
FGM的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計思想進(jìn)入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國際化合作的方向發(fā)展。
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【關(guān)鍵詞】表面處理；金屬電鍍
一、表面處理的概念
表面處理是在基體材料表面上人工形成一層與基體的機(jī)械、物理和化學(xué)性能不同的表層的工藝方法。表面處理的目的是滿足產(chǎn)品的耐蝕性、耐磨性、裝飾或其他特種功能要求。 表面處理一般可包括前處理、電鍍、涂裝、化學(xué)氧化、熱噴涂等眾多物理化學(xué)方法。
二、涂裝前表面處理
為了把物體表面所附著的各種異物（如油污、銹蝕、灰塵、舊漆 膜等）去除，提供適合于涂裝要求的良好基底，以保證涂膜具有良好的防腐蝕性能、裝飾性能及某些特種功能，在涂裝之前必須對物體表面進(jìn)行預(yù)處理。人們把進(jìn)行這種處理所做的工作，統(tǒng)稱為涂裝前（表面）處理或（表面）預(yù)處理。
基體前處理的目的：一是增加涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度既加大附著力，二是增加涂層的功能如防腐蝕、防磨損及等特殊功能。常見的前處理方法主要有以下：
1.手工處理
如刮刀、鋼絲刷或砂輪等。用手工可以除去工件表面的銹跡和氧化皮，但手工處理勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，質(zhì)量差，清理不徹底。
2.化學(xué)處理
主要是利用酸性或堿性溶液與工件表面的氧化物及油污發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其溶解在酸性或堿性的溶液中，以達(dá)到去除工件表面銹跡氧化皮及油污，再利用尼龍制成的毛刷輥或304#不銹鋼絲（耐酸堿溶液制成的鋼絲刷輥）清掃干凈便可達(dá)到目的。
3.機(jī)械處理
主要包括鋼絲刷輥拋光法、拋丸法和噴丸法。拋光法也就是刷輥在電機(jī)的帶動下，刷輥以與軋件運(yùn)動相反的方向在板帶的上下表面高速旋轉(zhuǎn)刷去氧化鐵皮。刷掉的氧化鐵皮采用封閉循環(huán)冷卻水沖洗系統(tǒng)沖掉。拋丸法清理是利用離心力將彈丸加速，拋射至工件進(jìn)行除銹清理的方法。
4.等離子處理
等離子表面處理器由等離子發(fā)生器，氣體輸送管路及等離子噴頭等部分組成，等離子發(fā)生器產(chǎn)生高壓高頻能量在噴嘴鋼管中被激活和被控制的輝光放電中產(chǎn)生低溫等離子體，借助壓縮空氣將等離子噴向工件表面，當(dāng)?shù)入x子體和被處理物體表面相遇時，產(chǎn)生了物體變化和化學(xué)反應(yīng)。表面得到了清潔，去除了碳化氫類污物，如油脂，輔助添加劑等，或產(chǎn)生刻蝕而粗糙，或形成致密的交聯(lián)層，或引入含氧極性基團(tuán)（羥基、羧基），這些基團(tuán)對各類涂敷材料具有促進(jìn)其粘合的作用，在粘合和油漆應(yīng)用時得到了優(yōu)化。
三、常見的表面處理方法
目前金屬的表面處理方法可以總結(jié)為以下的類型：、
1.電化學(xué)法
這種方法是利用電極反應(yīng)，在工件表面形成鍍層。其中主要的方法是：1）電鍍。在電解質(zhì)溶液中，工件為陰極，在外電流作用下，使其表面形成鍍層的過程，稱為電鍍。鍍層可為金屬、合金、半導(dǎo)體或含各類固體微粒，如鍍銅、鍍鎳等。2）氧化。在電解質(zhì)溶液中，工件為陽極，在外電流作用下，使其表面形成氧化膜層的過程，稱為陽極氧化，如鋁合金的陽極氧化。鋼鐵的氧化處理可用化學(xué)或電化學(xué)方法?；瘜W(xué)方法是將工件放入氧化溶液中，依靠化學(xué)作用在工件表面形成氧化膜，如鋼鐵的發(fā)藍(lán)處理。
2.化學(xué)方法
這種方法是無電流作用，利用化學(xué)物質(zhì)相互作用，在工件表面形成鍍覆層。其中主要的方法是：1）化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理。在電解質(zhì)溶液中，金屬工件在無外電流作用，由溶液中化學(xué)物質(zhì)與工件相互作用從而在其表面形成鍍層的過程，稱為化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理。如金屬表面的發(fā)藍(lán)、磷化、鈍化、鉻鹽處理等。2）化學(xué)鍍。在電解質(zhì)溶液中，工件表面經(jīng)催化處理，無外電流作用，在溶液中由于化學(xué)物質(zhì)的還原作用，將某些物質(zhì)沉積于工件表面而形成鍍層的過程，稱為化學(xué)鍍，如化學(xué)鍍鎳、化學(xué)鍍銅等。
3.熱加工法
這種方法是在高溫條件下令材料熔融或熱擴(kuò)散，在工件表面形成涂層。其主要方法是：1）熱浸鍍。金屬工件放入熔融金屬中，令其表面形成涂層的過程，稱為熱浸鍍，如熱鍍鋅、熱鍍鋁等。2）熱噴涂。將熔融金屬霧化，噴涂于工件表面，形成涂層的過程，稱為熱噴涂，如熱噴涂鋅、熱噴涂鋁等。3）熱燙印。將金屬箔加溫、加壓覆蓋于工件表面上，形成涂覆層的過程，稱為熱燙印，如熱燙印鋁箔等。4）化學(xué)熱處理。工件與化學(xué)物質(zhì)接觸、加熱，在高溫態(tài)下令某種元素進(jìn)入工件表面的過程，稱為化學(xué)熱處理，如滲氮、滲碳等。5）堆焊。以焊接方式，令熔敷金屬堆集于工件表面而形成焊層的過程，稱為堆焊，如堆焊耐磨合金等。
4.真空法
這種方法是在高真空狀態(tài)下令材料氣化或離子化沉積于工件表面而形成鍍層的過程。其主要方法是：1）物理氣相沉積（PVD）。在真空條件下，將金屬氣化成原子或分子，或者使其離子化成離子，直接沉積到工件表面，形成涂層的過程，稱為物理氣相沉積，其沉積粒子束來源于非化學(xué)因素，如蒸發(fā)鍍?yōu)R射鍍、離子鍍等。2）離子注入。高電壓下將不同離子注入工件表面令其表面改性的過程，稱為離子注入，如注硼等。3）化學(xué)氣相沉積（CVD）。低壓（有時也在常壓）下，氣態(tài)物質(zhì)在工件表面因化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)沉積層的過程，稱為化學(xué)氣相鍍，如氣相沉積氧化硅、氮化硅等。
5.其它方法
主要是機(jī)械的、化學(xué)的、電化學(xué)的、物理的方法。其中的主要方法是：1）涂裝。閑噴涂或刷涂方法，將涂料（有機(jī)或無機(jī)）涂覆于工件表面而形成涂層的過程，稱為涂裝，如噴漆、刷漆等。2）沖擊鍍。用機(jī)械沖擊作用在工件表面形成涂覆層的過程，稱為沖擊鍍，如沖擊鍍鋅等。3）激光面表處理。用激光對工件表面照射，令其結(jié)構(gòu)改變的過程，稱為激光表面處理，如激光淬火、激光重熔等。4）超硬膜技術(shù)。以物理或化學(xué)方法在工件表面制備超硬膜的技術(shù)，稱為超硬膜技術(shù)。如金剛石薄膜，立方氮化硼薄膜等。5）電泳及靜電噴涂。電泳的方法，是工件作為一個電極放入導(dǎo)電的水溶性或水乳化的涂料中，與涂料中另一電極構(gòu)成解電路。在電場作用下，涂料溶液中已離解成帶電的樹脂離子，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。這些帶電荷的樹脂離子，連同被吸附的顏料粒子一起電泳到工件表面，形成涂層，這一過程稱為電泳。靜電噴涂是在直流高電壓電場作用，霧化的帶負(fù)電的油漆粒子定向飛往接正電的工件上，從而獲得漆膜的過程，稱為靜電噴涂。
四、發(fā)展前景
目前表面處理一些傳統(tǒng)方法，如堆焊、熱噴涂、電刷渡等工藝往往適應(yīng)不了現(xiàn)代工業(yè)的需求。如一些對溫度特別敏感的金屬零部件，會使零件表面達(dá)到很高溫度，造成零件變形或產(chǎn)生裂紋，影響零件的尺寸精度和正常使用，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致軸斷裂；電刷渡雖無熱影響，但渡層厚度不能太厚，污染嚴(yán)重，應(yīng)用也受到了極大的限制。目前西方國家針對上述方法的弊端研制出高分子復(fù)合材料的現(xiàn)場表面處理方法，其中比較成熟的有福世藍(lán)技術(shù)體系。材料所具有的綜合性能及在任何時間內(nèi)可機(jī)械加工的優(yōu)越性，不但完全滿足修復(fù)后的使用要求及精度，還可以降低設(shè)備在運(yùn)行中承受的沖擊震動，延長使用壽命。因材料是“變量”關(guān)系，當(dāng)外力沖擊材料時，材料會變形吸收外力，并隨著軸承或其它部件的脹縮而脹縮，始終和部件保持緊配合，降低磨損的幾率，針對大型設(shè)備的磨損，也可采用“模具”或“配合部件”針對損壞的設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)，避免設(shè)備的整體拆卸，還可以最大限度地保證部件配合尺寸，滿足設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行要求，延長設(shè)備的使用壽命，確保企業(yè)的安全連續(xù)生產(chǎn)。在國內(nèi)表面處理的應(yīng)用中，高分子復(fù)合材料也起到了越來越重要的作用。
參考文獻(xiàn)：
Abstract： This paper improves the teaching system and interactive teaching methods， scientifically organizes the assorted knowledge points， makes abstract concept into materialization， and infiltrate knowledge of course frontier in the teaching of optical thin film technology， and pays attention to teaching using a variety of forms in the classroom， ultimately explores a kind of teaching methods which suits independent institute.
關(guān)鍵詞： 光學(xué)薄膜技術(shù)；教學(xué)體系；主動式教學(xué)；教學(xué)方法
Key words： the optical thin film technology; teaching system; active teaching；teaching methods
0 引言
《光學(xué)薄膜技術(shù)》這門課程是我院光電類專業(yè)必修的一門專業(yè)課，但現(xiàn)有的這門課的教學(xué)方法并不適用于獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生，并且這方面發(fā)表的論文也很少。本文對本課程的內(nèi)容組織方式和傳授方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)[1-2]，以加強(qiáng)知識內(nèi)容組織的嚴(yán)密性和課堂教學(xué)講授的生動性，調(diào)動學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的主動性。其目的就是要用合理的課程體系組織教學(xué)內(nèi)容，以互動式教學(xué)方法讓學(xué)生主動地參與到課堂教學(xué)中來，重視課堂上實(shí)際教學(xué)效率，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。
1 課程體系的構(gòu)建
《光學(xué)薄膜技術(shù)》課程綜合了物理光學(xué)、大學(xué)物理以及材料科學(xué)基礎(chǔ)等諸多課程[3]。各部分內(nèi)容之間層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣，但是學(xué)生在上課時一些相關(guān)基礎(chǔ)課大多數(shù)同學(xué)都未曾學(xué)過，這樣許多重要的概念大家都不能很好地理解，致使教學(xué)效果大打折扣，也嚴(yán)重影響了授課進(jìn)度。比如，在講授薄膜的物理氣相沉積工藝時，涉及到輝光放電，但是學(xué)生并沒有接觸過關(guān)于等離子體物理方面內(nèi)容等等。
因此在教學(xué)內(nèi)容編排上，從光學(xué)薄膜設(shè)計的基礎(chǔ)出發(fā)，到真空科學(xué)與技術(shù)，然后講述薄膜制備和工藝的基本方法，再介紹幾類典型的薄膜材料，最后講授薄膜的生長機(jī)制和表征手段[4]。整個課程的教學(xué)目標(biāo)清晰，構(gòu)建合理完善的課程體系，科學(xué)合理地構(gòu)建就是要準(zhǔn)確地歸納、提煉課程中包含的概念，形成一個完整的課程體系，正確的概念是科學(xué)判斷和推理的基礎(chǔ)。
2 主動式教學(xué)法
因為并不是每個人都對推理過程緊湊、公式化的表現(xiàn)形式都能敏感，都能接受，那么即使再嚴(yán)密的邏輯，再科學(xué)的表達(dá)，如果僅僅是枯燥呆板地平鋪直敘，那么由于表現(xiàn)形式的面目可憎，也達(dá)不到理想的教學(xué)效果。運(yùn)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)去刺激鼓勵指導(dǎo)學(xué)生的思考和自動學(xué)習(xí)，亦應(yīng)視學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣需要、能力和教材的內(nèi)容，甚至教學(xué)的環(huán)境等，決定采用的教學(xué)方法。在教學(xué)實(shí)踐中也總結(jié)并提煉了一些認(rèn)識，并在課堂上已經(jīng)取得了一些頗有意義的效果簡列如下：
2.1 將抽象的概念具體化 高深的理論之所以難懂，就是因為包含眾多抽象晦澀的概念。人的思維往往對于一些具體的直觀的事物有著良好的親和性，那么為什么不將一些抽象的概念具體化呢？比如定位輝光等離子體[5]，從霓虹燈說明輝光等離子體的具體應(yīng)用，這樣學(xué)生就能夠很好地接受抽象的概念。
2.2 采用多種語言豐富表達(dá)形式 思想內(nèi)容的表達(dá)可以采納多種表現(xiàn)形式，利用形體語言往往可以取得意想不到的表現(xiàn)效果，例如形容磁控濺射靶表面電子的跑道式運(yùn)動方向，可以形容成劉翔跨欄的動作，并用肢體語言表示，學(xué)生更容易理解和接受。
2.3 適當(dāng)吸納前沿科研經(jīng)驗充實(shí)教學(xué)內(nèi)容 多數(shù)情況下，學(xué)生對課堂講授內(nèi)容缺乏理解，往往就是因為沒有形成相關(guān)概念的正確認(rèn)識。在每一講中穿插一些研究實(shí)踐的體會，學(xué)生在張弛有度地學(xué)到了學(xué)習(xí)內(nèi)容。比如，在講授類金剛石等先進(jìn)薄膜材料時，學(xué)生對類金剛石材料這一范疇的屬性概念非常模糊，對非晶金剛石的概念在行業(yè)中也沒有統(tǒng)一的定義。那么就從這一研究領(lǐng)域中最權(quán)威最主流最有影響力的刊物、專著， 充分考慮多數(shù)專家學(xué)者的建議，對非晶金剛石明確界定科學(xué)的定義。非晶金剛石是薄膜中四配位雜化含量超過50%的無氫類金剛石碳[6]。上課的時候，可以通過sp2-sp3-H三元相圖明確不同類金剛石范疇的劃分。再比如，在講授等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積時，學(xué)生對等離子輔助沉積能夠降低界面反應(yīng)溫度的物理過程不能理解。上課的時候，從輝光放電產(chǎn)生等離子體著手，基于等離子的物理特性，解析反應(yīng)氣氛中的物理過程，通過演繹推理闡明等離子激發(fā)能夠降低界面反應(yīng)溫度的本質(zhì)[7]。
2.4 實(shí)踐教學(xué) 實(shí)驗室鍍膜過程錄像的內(nèi)容，使學(xué)生進(jìn)一步了解薄膜鍍制的過程。在薄膜設(shè)計中，增加薄膜設(shè)計軟件的教學(xué)，使學(xué)生熟悉計算機(jī)完成膜系設(shè)計的過程。
2.5 課后練習(xí) 課后布置適當(dāng)數(shù)量的作業(yè)，定期批改。最終使學(xué)生了解薄膜科學(xué)和技術(shù)科研具體過程，培養(yǎng)獨(dú)立思維能力。
2.6 課堂演講 針對重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容組織課堂討論，擬定若干薄膜技術(shù)研究和應(yīng)用中具體問題，由同學(xué)自主選擇，讓學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，獨(dú)立解決問題，課堂宣讀。充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。
3 結(jié)論
《光學(xué)薄膜技術(shù)》的教學(xué)實(shí)踐中利用科學(xué)合理地組織教學(xué)內(nèi)容，積極的調(diào)動學(xué)生參與課堂教學(xué)的主動性，探索了更適合獨(dú)立學(xué)院光電類專業(yè)學(xué)生教學(xué)方法，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。
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1.1真空磁控濺射鍍鋁技術(shù)及方法
Al膜的制備方法依據(jù)成膜原理有3種：
（1）化學(xué)氣相沉積法是某一固體表面發(fā)生氣態(tài)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)沉積物過程的方法；
（2）溶膠凝膠法是化合物或氧化物的固化，是金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠和熱處理生成的方法；
（3）物理氣相沉積法是基體表面沉積膜通過蒸發(fā)和濺射等使涂層材料氣化的成膜方法。鍍膜方法不同鍍鋁的效果也不同，每種方法本身又有若干種方法。磁控濺射沉積技術(shù)是低溫高速的濺射方法，相對于蒸發(fā)法其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成物體的個體物質(zhì)容易掌控，且鍍膜涂層細(xì)膩均勻，與基材體結(jié)合力強(qiáng)，適合材料表面薄膜生產(chǎn)。磁控濺射法有微波-ECR等離子體增強(qiáng)磁控濺射、交流反應(yīng)磁控濺射、射頻磁控濺射、直流反應(yīng)磁控濺射和脈沖磁控濺射等，這都是由磁控濺射采用不同的離子源決定的。這里采用物理氣相沉積法中的磁控濺射沉積方法，磁控濺射沉積技術(shù)通常使用的靶材為純鋁，濺射時鋁靶被Ar離子轟擊，這是由于通過電離Ar氣并引入正交電磁場的結(jié)果，濺射出Al離子沉積到基體材料表面制備出高阻隔納米Al膜新材料。實(shí)驗觀察，沉積物在基材表面運(yùn)動成核或成膜只有保持較高的能量才能實(shí)現(xiàn)，因此，濺射是最終將基材表面原子激發(fā)出來的復(fù)雜過程，是在離子與基材表面原子碰撞過程中發(fā)生能量與動量轉(zhuǎn)移的結(jié)果。
1.2鍍鋁瓦楞紙板制備各項必備條件
鍍鋁瓦楞紙板制備前實(shí)驗要先選擇其面紙材料，對鍍鋁瓦楞紙板技術(shù)要求和制備后的防護(hù)層進(jìn)行處理。
1）紙基的選擇。運(yùn)用直流磁控濺射工藝制備紙基鍍Al膜，進(jìn)而制備鍍鋁瓦楞紙板，因此在選擇鍍鋁膜的基材時，要綜合各種因素，選擇的基材要充分滿足鍍Al膜的質(zhì)量要求。目前，較為廣泛地將PET，PA，PP等塑料基材用作磁控濺射制備Al膜，實(shí)驗采用的基材為紙基鍍鋁膜。直流磁控濺射是“低溫”濺射相對二次濺射的方法，由于紙基材料的表面吸附能力弱且粗糙度高，與塑料薄膜基材比較Al膜沉積相對困難，本實(shí)驗選擇高強(qiáng)度特種紙，因高強(qiáng)度特種紙與Al具有較好的親和力。為制備滿足使用需要的各種規(guī)格的鍍鋁瓦楞紙板，對高強(qiáng)度特種紙紙基材料進(jìn)行選擇時，相對穩(wěn)定的物理特性參數(shù)是各種紙基材料研究的重點(diǎn)，同時還要考慮提高紙基材料肌理感和質(zhì)感的視覺效果。依據(jù)試驗測試高強(qiáng)度特種紙紙基材料的物理性能，這里選擇各種高強(qiáng)度特種紙作為紙基材料，其質(zhì)量為120g～250g不等，選用純木漿作為原材料，其表面紋理和圖案不同，紙面纖維均勻、伸縮小、強(qiáng)度高、物理性能良好。
2）鍍鋁瓦楞紙板結(jié)構(gòu)及材料技術(shù)要求。瓦楞紙板的結(jié)構(gòu)是由面紙、里紙、芯紙和加工成波形的瓦楞紙通過黏合而成的。瓦楞紙板根據(jù)瓦楞波紋的形狀、紙板的層數(shù)和瓦楞種類的不同大致分為3類[4]。由于構(gòu)成瓦楞紙板的瓦楞波形分為U形、V形及UV形，楞型有A，B，C，E及其復(fù)合楞，其中復(fù)合楞AB，BC，BBC兼?zhèn)淞烁鲉卫愕膬?yōu)點(diǎn)。為了提高瓦楞紙板的強(qiáng)度，選擇UV形多層復(fù)合楞瓦楞紙板為主要材料，使鍍鋁瓦楞紙板家具符合家具的類型、大小及主體框架結(jié)構(gòu)等實(shí)用特性。同時，對瓦楞紙原紙的物理性能，如破裂強(qiáng)度、基重、環(huán)壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、防水性能等都有一定的要求。瓦楞紙板材料符合規(guī)定要求是鋁紙復(fù)合的關(guān)鍵，也是能否取得鍍鋁瓦楞紙板家具新材料的關(guān)鍵所在。鍍Al膜表面進(jìn)行SiOx防護(hù)層處理。制備鍍鋁瓦楞紙板采取直接鍍鋁方法，其高阻隔性納米鋁薄膜新型材料是利用真空磁控濺射鍍鋁技術(shù)所獲得的。必須提高鋁膜表面的耐磨性、阻燃性和可擦洗性等，改變Al膜本身耐磨性較低的狀況，從而改善瓦楞紙板的性能，因此這里采用和Al膜相同的工藝方法，對瓦楞紙板Al膜面紙進(jìn)行Si靶二次磁控濺射。將SiOx沉積在Al膜表面并進(jìn)行保護(hù)層處理，鍍SiOx提高瓦楞紙板Al膜的物理性質(zhì)和Al膜面紙質(zhì)量，同時使其仍然保留銀灰色Al膜色彩。實(shí)驗采用射頻磁控濺射將SiOx沉積在Al膜表面，以提高Al膜的耐磨擦性，從而獲得高質(zhì)量的鍍鋁瓦楞紙板材料。
2鍍鋁瓦楞紙板家具的商業(yè)化應(yīng)用
2.1鍍鋁瓦楞紙板家具特點(diǎn)
鍍鋁瓦楞紙板家具以其鮮明的特點(diǎn)受到人們的喜愛。首先，鍍鋁瓦楞紙板所用原料和輔助材料都是無毒、無氣味的，有效避免了如人造板家具中甲醛等有毒氣體的揮發(fā)。鍍鋁瓦楞紙板家具其原材料有極少的鋁材料，容易處理，瓦楞紙板可降解和循環(huán)利用。其次，鍍鋁瓦楞紙板材料表面韌性好、耐折。和木質(zhì)家具比起來，優(yōu)越的阻隔性使其表面無龜裂現(xiàn)象。第三，鍍鋁瓦楞紙板具有防止家具氧化及防水、防潮等特點(diǎn)，鍍鋁防止其受潮和吸水，有效地改善了鍍鋁瓦楞紙板材料的物理性能，比涂飾保護(hù)漆的普通紙板家具表面具有更好的防潮耐水性。第四，鍍鋁瓦楞紙板材料的金屬光澤及肌理效果本身就具有裝飾性，鍍鋁時可根據(jù)不同家具的需要，將其表面加工成各種式樣圖案，或各具特色的鏤花使家具更加宜人。
2.2鍍鋁瓦楞紙板在概念家具設(shè)計中的應(yīng)用
不同學(xué)者對概念家具設(shè)計有不同的解釋，但常見的觀點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)新的設(shè)計理念和新材料的使用，主張在設(shè)計家具時注重生產(chǎn)的可行性并采用先進(jìn)技術(shù)，產(chǎn)品使用安全，造型美觀，經(jīng)濟(jì)合理。現(xiàn)代家具設(shè)計中的概念家具的魅力就在于，設(shè)計師根據(jù)當(dāng)時特定的物質(zhì)技術(shù)條件與時尚審美的需求，對某種家具提出概念或設(shè)想，并轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品投入市場，這不僅推動了新技術(shù)、新材料與新工藝的進(jìn)步，還縮短了家具更新周期。狹義的概念家具設(shè)計是對新的家具設(shè)計潮流，即對現(xiàn)代主義家具設(shè)計的研究，其設(shè)計是個性化的，新思維和新風(fēng)格集中運(yùn)用，設(shè)計產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)、材料、功能、裝飾、技術(shù)等對藝術(shù)拓展和產(chǎn)品開發(fā)有重要作用，體現(xiàn)后現(xiàn)代主義設(shè)計流派新的設(shè)計風(fēng)格。廣義的概念家具設(shè)計是以探求個性化開發(fā)和新風(fēng)格組合，以及新的理念為目的，其創(chuàng)新性和探索性為以后的家具設(shè)計提供有益參考。概念家具設(shè)計是創(chuàng)新的材料設(shè)計、別致的造型設(shè)計、時尚的理念設(shè)計和多功能互動性設(shè)計等，因此涉及到設(shè)計外延的不斷擴(kuò)大，設(shè)計內(nèi)涵的不斷延伸，設(shè)計的立體表達(dá)中交叉融合了社會學(xué)、歷史學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、工程學(xué)、工藝學(xué)和美學(xué)等學(xué)科。無論是概念家具還是實(shí)用家具，均可使用鍍鋁瓦楞紙板進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，生產(chǎn)的家具產(chǎn)品首先要具有良好的使用性，然后是時尚、耐用等其他需要。由于鍍鋁瓦楞紙板的材料特性，其家具開發(fā)可廣泛應(yīng)用于易更換、價格低、重量輕、便于回收的中小型輕便家具，如鐘表、燈飾、凳子及小型書架等，適合用于時尚新穎的家居家具，如餐桌、茶幾、電視柜、椅子等，也可用于較厚重的現(xiàn)代家具，如櫥柜、書柜、立柜大型板式家具及輕巧綠色能夠重復(fù)利用的辦公家具，如文件柜、辦公桌椅、書立、檔案盒等，還可用于承重性較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單的大型家具，如展示柜、工作臺，大型運(yùn)動場館使用的媒體桌和服務(wù)臺等，以及探索開發(fā)美觀、實(shí)用、環(huán)保性強(qiáng)的兒童家具、休閑家具等，或者用于承載較大質(zhì)量的家具支撐底座，模塊或零部件等，還可根據(jù)不同群體和對象研制其他家具產(chǎn)品，滿足不同的消費(fèi)需要。
2.3鍍鋁瓦楞紙板概念家具設(shè)計
根據(jù)家具設(shè)計意圖，對所獲得的鍍鋁瓦楞紙板材料進(jìn)行分切和加工，可將其制備成各種中小型輕便鍍鋁瓦楞紙板家具產(chǎn)品。折疊結(jié)構(gòu)形式、層疊結(jié)構(gòu)形式、插接結(jié)構(gòu)形式和組合結(jié)構(gòu)形式及其工藝方法是鍍鋁瓦楞紙板概念家具設(shè)計的常用形式[13-15]。同時使用不同的鍍鋁瓦楞紙板制作家具時，應(yīng)根據(jù)家具特性確定其成形工藝，構(gòu)思結(jié)構(gòu)和進(jìn)行不同的造型設(shè)計。鍍鋁瓦楞紙板是由多層紙板復(fù)合而成的，如使用三層板制作家具，家具設(shè)計及加工工藝可根據(jù)特定需要，對鍍鋁瓦楞紙板進(jìn)行模切標(biāo)準(zhǔn)壓痕后通過折疊來實(shí)現(xiàn)，如鍍鋁瓦楞紙板插接結(jié)的構(gòu)凳子和桌子見圖1-2，采取折疊結(jié)構(gòu)形式，將鍍鋁瓦楞紙板面材模切成按照設(shè)計意圖事先設(shè)定好的造型，通過折疊構(gòu)成立體形態(tài)家具。
3鍍鋁瓦楞紙板概念家具拓展設(shè)計
3.1概念家具拓展設(shè)計創(chuàng)意思路
隨著科技的發(fā)展，創(chuàng)新材料和設(shè)計已成為各國研發(fā)的主題，設(shè)計師力圖采用不同類型的材料進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，富有想象力的設(shè)計構(gòu)思會形成具有生命力的家具。按此思路使用鍍鋁瓦楞紙板作為新型材料，采用模塊化家具組合的設(shè)計方法，應(yīng)用于鍍鋁瓦楞紙板概念家具設(shè)計。組合家具是由標(biāo)準(zhǔn)零部件或若干個標(biāo)準(zhǔn)化模塊組合而成的，家具的整體功能可劃分為若干個子功能，整體功能通過不同的模塊或零部件組合來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代家具特別是板式家具的模塊化結(jié)構(gòu)，拆裝靈活，用途多樣，容易組合。模塊化組合家具可通過靈活切換模塊轉(zhuǎn)換功能，產(chǎn)生各種不同的使用方法或衍生新型家具來滿足需求差異，其制作過程應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)化、組合化、通用性等特征。組合模塊家具的種類眾多，如桌凳、茶幾、床等，家具的形態(tài)變得更加豐富多樣，功能性也得到更大程度的拓展。
3.2鍍鋁瓦楞紙板與其他材料的組合設(shè)計
鍍鋁瓦楞紙板制作的標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)使用需要，配合其他材料，如設(shè)計鍍鋁瓦楞紙板模塊組合餐桌，這種設(shè)計充分發(fā)揮兩種不同材料的優(yōu)勢互補(bǔ)作用，餐桌上部分桌面使用玻璃材料，餐桌下部分底座采用鍍鋁瓦楞紙板模塊。玻璃面材具有堅硬、光滑、耐磨、耐燙、容易清洗的特點(diǎn)，鍍鋁瓦楞紙板塑造成各種所需形狀模塊的底座，具有較強(qiáng)的支撐作用。另外可根據(jù)設(shè)計餐桌面板大小自行決定底座標(biāo)準(zhǔn)模塊配置的多少。餐桌面板材質(zhì)、形狀和規(guī)格可依據(jù)消費(fèi)者需要，利用造型要素交合法提取造型要素，靈活派生多種設(shè)計方案。家具模塊化設(shè)計的實(shí)踐方法，可開發(fā)研制新功能模塊與部分通用模塊形成新家具，可用通用模塊和接口結(jié)構(gòu)組合成新家具，可通過部分通用模塊改型形成新家具，可以以通用為主與部分專用模塊構(gòu)成新家具，還可采用如木材、塑料、金屬、玻璃等不同質(zhì)地的材料進(jìn)行模塊組合成形。
3.3模塊化的應(yīng)用組合
模塊化是設(shè)計模塊作為標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的零部件靈活組成多種新家具的設(shè)計方法。以鍍鋁瓦楞紙板制作的標(biāo)準(zhǔn)模塊，還可按對家具不同使用價值的需求，來制作不同種類和規(guī)格的鍍鋁瓦楞紙板的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，并配合其他材料設(shè)計制作中小型家具。根據(jù)設(shè)計意圖，結(jié)合鍍鋁瓦楞紙板制作的標(biāo)準(zhǔn)模塊，可選用層疊結(jié)構(gòu)形式的鍍鋁瓦楞板模塊，組合形成茶幾、長條桌等家具。利用鍍鋁瓦楞紙板制作的標(biāo)準(zhǔn)模塊為主要造型材料，結(jié)合多種其他材料，創(chuàng)造性地設(shè)計多種變化造型。選用鍍鋁瓦楞紙板和其他材料共同構(gòu)成概念家具時，可充分利用兩種材料各自的優(yōu)勢特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，推進(jìn)鍍鋁瓦楞紙板新材料的應(yīng)用。可將其應(yīng)用于制備各種中小型輕便紙板家具產(chǎn)品中。
4結(jié)語
本文介紹了濺射鍍膜的基本原理和特點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，摸索出多種鍍膜的工藝參數(shù)，重點(diǎn)介紹了濺射鍍膜技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
2濺射設(shè)備
2.1濺射基本原理
鍍膜工藝在各行各業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用，在電鍍行業(yè)中有人稱為“干鍍”。在電子、光學(xué)領(lǐng)域人們常叫薄膜沉積技術(shù)或真空鍍膜技術(shù)。
真空鍍膜技術(shù)按其成膜的基本原理可以分為下列幾類：物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和等離子體刻蝕等。其中物理氣相沉積包括熱蒸發(fā)、濺射、離子鍍和離子束。
濺射只是入射離子和靶材表面原子進(jìn)行能量交換，使靶材原子獲得足夠能量脫離母材，并按相應(yīng)的濺射方向飛躍出來。它與氣蝕概念無關(guān)。濺射的材料適應(yīng)性廣：高熔點(diǎn)、介質(zhì)、化合物、陶瓷和合金等材料均可作為靶材。濺射粒子的初始動能較大（1?10電子伏特），蒸發(fā)僅有0.1電子伏特，離化率高。也就是說：用荷能離子轟擊靶材，而使其表面原子從靶材逸出的過程。荷能離子--氬離子是由輝光放電形成的等離子體提供的。
濺射可分為二級、三極、四極和磁控。磁控濺射又分為直流源和交流源。
2.2磁控濺射技術(shù)
濺射技術(shù)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，才達(dá)到了實(shí)用化程度。1970年后，才出現(xiàn)磁控濺射裝置，約1975年時有了商品。它使薄膜工藝發(fā)生了深刻變化，不但滿足薄膜工藝越來越復(fù)雜的要求，而且促成了新的薄膜工藝。我國1980年前后發(fā)展了磁控濺射技術(shù)，現(xiàn)已廣泛使用。
磁控濺射被稱為一種高速低溫的濺射技術(shù)，它本質(zhì)上是磁控模式進(jìn)行的二極濺射，它的發(fā)展是從強(qiáng)化放電理論出發(fā)的，事實(shí)上它既收到了提高濺射速率的效果，又達(dá)到了降低基片溫升的目的。
磁控濺射裝置是在直流二極濺射靶的內(nèi)側(cè)加上固定的磁場，該磁場用恒磁體來實(shí)現(xiàn)。靶的背面有冷卻水套，靶的正面有屏蔽罩。
當(dāng)靶上加上一個電壓時，電場E和磁場B相互垂直，此時電子的運(yùn)動是以速度為Vt，旋轉(zhuǎn)半徑為Rg的螺旋運(yùn)動，在空間的三維軌道為螺旋距變化的斜螺旋線。
平面磁控靶的電場和磁場相互正交排列，產(chǎn)生了強(qiáng)的聚焦力，作用在快速電子上，而產(chǎn)生的二次電子在封閉的軌道上作無窮無盡的擺線運(yùn)動?！芭艿馈笔降碾娮悠苹蚴强畿S跑道的電子振蕩都在陰極暗區(qū)外側(cè)產(chǎn)生了豐富的電離，等離子體的磁聚焦由于靜電聚焦作用得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。在陰極暗區(qū)邊緣產(chǎn)生了電離密集區(qū)。由于磁體成環(huán)狀腐蝕區(qū)，正離子很容易受到陰極壓降的作用而垂直入射轟擊在靶面上。
磁場的磁力線形成弧形的閉合磁路，起作用的僅有平行于靶面與電場E相垂直的Bx分量，由于各處Bx分量大小不等，使得“跑道”形狀腐蝕區(qū)中間的等離子體強(qiáng)度最大，從而離子流轟擊靶材粒子逸出最多，結(jié)果環(huán)狀中間腐蝕最深，邊緣最淺。所以經(jīng)長期濺射的平面靶材出現(xiàn)一個環(huán)狀溝糟。
2.3濺射鍍膜的特點(diǎn)
(1)對濺射靶的面積以及形狀無限制，而且可以在大面積工件上獲得分布均勻的薄膜。
(2)濺射速率由濺射產(chǎn)額和靶的轟擊電流密度決定，通過控制工作電流即可控制濺射速率，從而方便地控制鍍膜厚度。
(3)靶的使用壽命長，濺射鍍膜設(shè)備適合長時間運(yùn)行和自動化。因此，制造的膜層性能穩(wěn)定、重復(fù)性好。
(4)由于靶是固體蒸發(fā)源，所以工件和靶的相對位置可以自由選擇，方便在不同工件上鍍膜。
(5)所采用的氣體多為氬氣、氮?dú)獾?，安全可靠無危險。
(6)可采用合金靶、復(fù)合靶和鑲嵌靶來制取滿足成分要求的合金膜。
(7)高熔點(diǎn)物質(zhì)、介質(zhì)和絕緣物質(zhì)也容易成膜。
(8)濺射膜附著力良好。
以上特點(diǎn)，為濺射鍍膜廣泛使用提供了充分條件。
3濺射鍍膜工藝
設(shè)備是JCK-500型磁控濺射臺，靶為BF-250型平面矩形靶，磁體采用鍶鐵氧體（恒磁體），距靶面5毫米，磁場強(qiáng)度B大于400高斯。
為了濺射各種用途的“膜”，分別應(yīng)用了Ta、Au、Ni、Ti、Cu、Ag、Al金屬作為靶材，由于該設(shè)備有四個靶，可裝四種不同材料的靶，因此可以在抽好真空時，一次完成四種金屬的濺射，這方便了各類復(fù)合膜的制作。由于有兩個氣體入口，若通入反應(yīng)氣體可以制備各種化合物膜，例如鈦在氬、氮?dú)饣旌蠚夥罩兄苽涑鯰iN膜；鋅在氬、氧混合氣氛中制備出ZnO膜；鋁在氬氧氣氛中制備出A1203膜等等。
常用濺射條件：
At氣量：0.01?0.001托
電壓：400?900伏特
電流：2?10安培
由于靶材不同，厚度不同，所以在靶上施加電壓時會呈現(xiàn)出不同的電壓電流曲線，就JCK一500型濺射臺的最佳濺射條件：電壓500?600伏特，電流4?6安培，Ar氣量（5-2)X0.01托，在工作中電壓應(yīng)保持在500伏特以上，根據(jù)不同材料可以適當(dāng)改變Ar氣量或電流大小.這樣濺射出的膜質(zhì)優(yōu)良，性能最佳。
由于設(shè)備工件架可以按一定速度轉(zhuǎn)動。保證了膜層的均勻性，長度方向20cm內(nèi)，厚度差小于5%。
表1是對幾種靶材實(shí)驗時的工藝參數(shù)。
4濺射膜的作用
41制作微波集成電路
在微波集成電路中，導(dǎo)電材料主要作為傳輸線，互連線，電阻電容的電極，電感線圈等，在選材時需要考慮高頻特征、沉積工藝、附著強(qiáng)度、可焊性等問題。目前國內(nèi)普遍使用鉻金或鎳鉻金制作微帶線，方法大多數(shù)采用真空蒸發(fā)獲得，但它與磁控濺射相比有許多缺點(diǎn)：生產(chǎn)數(shù)量不大、穩(wěn)定性較差、可焊性差、附著力差。
為了克服上述蒸發(fā)工藝的一些缺點(diǎn)，可采用濺射的方法制作導(dǎo)電膜，經(jīng)反復(fù)試驗可以選用Ti_Cu-Ni-Au或Ta-Cu-Ni-Au及Cr-Cu-Ni-Au等復(fù)合膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸發(fā)膜，并具有下述優(yōu)點(diǎn)：
(1)可以在同一次真空中完成膜的制作，不需
要電鍍；
(2)由于Ni層的引入，大大提高了焊接性能，Ni的隔熱作用防止了Cu、Au相互擴(kuò)張。電路表面，如金層被“吃掉”時，Ni同樣具有優(yōu)良的焊接性能；(3)節(jié)約黃金，生產(chǎn)批量大，縮短了工時，使成本降低；(4)濺射膜比蒸發(fā)膜的附著力高。
4.2電阻、電容的制作
電阻、電容可以用濺射Ta的方法制作，做成微小型片電阻、電容，也稱無引線倒裝阻容元件或芯片阻容元件。如果需要也可與“MLC”做在同一基片上。電阻值在幾歐姆到幾兆歐范圍內(nèi)，電容值一般在幾十微微法到幾百微微法內(nèi)。
適當(dāng)控制、改變工藝條件就能做出性能特別優(yōu)異的電阻、電容，它適用于薄膜電路，厚薄膜混合電路，精密電阻網(wǎng)絡(luò)，如轉(zhuǎn)換器及溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，各類精密衰減器件中。
4.3其他方面的應(yīng)用
濺射膜除用于電子電路外，還有許多用途，如光學(xué)、裝璜等方面。
(1)特種燈的聚光罩，用濺射鋁膜的方法可得到極高的反光指數(shù)，有很強(qiáng)的聚光作用，這樣的照明裝置可以照射幾十米外的距離。現(xiàn)已廣泛用于邊防前線.公安部門，還可用于文化藝術(shù)方面的舞場、舞廳、舞臺演出作布景用，從1985年起，每年生產(chǎn)若干萬件，生產(chǎn)量逐年增加，需求量越來越大。
(2)濺射鈦、如在氬、氮混合氣氛中進(jìn)行，就能制備出TiN膜，能使模具、刀具的壽命提高5-10倍。表帶表殼仿金色。玩具、日用品、陶瓷等都可以做成金色、古銅色、銀色等等。
(3)各種用途的塑料制品，如需金屬化都可以用濺射的方法獲得。
塑料膜、紙張的金屬化可制成鋁箔、銀箔、錫箔，用于包裝與裝璜。
塑料膜作掩膜濺射導(dǎo)電金屬，可用于“電子薄膜式觸摸按鍵開關(guān)”。如BSM系列電腦皮帶秤面板上的功能操作鍵就是用這種方法。它省去了所有立體的開關(guān)、按鍵，在其它許多電子設(shè)備上也適用。
5彩電色度延遲線的光學(xué)玻璃、PZT壓電陶瓷的金屬化最初試驗時采用蒸發(fā)鉻金，常有脫落現(xiàn)象，特別是焊接問題不能過關(guān)，成為關(guān)鍵問題。經(jīng)試驗，用復(fù)合膜可以滿足使用要求。由于使用賤金屬，大大降低了成本，便于民用產(chǎn)品的開發(fā)，現(xiàn)有設(shè)備對40X12(mm)的換能片一次可濺射240片，可作延遲線器件8000件，對于40X20(mm)的光學(xué)玻璃一次可濺射120片，可作器件4000件，現(xiàn)能大批量投入生產(chǎn)。
6各類傳感器的應(yīng)用
雷達(dá)伺服傳動系統(tǒng)的碼盤，數(shù)控自動化機(jī)床采用的光電傳感器，用濺射方法很容易得到品質(zhì)優(yōu)良的器件。
另外難度比較大的，采用半導(dǎo)體集成工藝制成的包括變換器、敏感元件、放大電路、調(diào)整及補(bǔ)償電路在內(nèi)的混合式集成傳感器，用于壓力，流量、液體、加速度、聲音和溫度等多種測量，由于集成化帶來小化，這在醫(yī)用傳感器上是特別重要的，例如ZnO薄膜是一種很重要的壓電材料。此外.在光電材料和敏感材料領(lǐng)域也占有重要地位，用反應(yīng)派射出的ZnO膜是做氣敏元件的好材料，它可以測量酒精濃度、一氧化碳濃度等等。
總之，濺射膜幾乎可以取代傳統(tǒng)的蒸發(fā)膜，而且正廣泛深入應(yīng)用到各科技領(lǐng)域和民用產(chǎn)品中去。
7結(jié)語
我國70年展起來的微波集成電路或稱薄膜電路，早已進(jìn)入成熟應(yīng)用階段。在微波儀表、通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙控、衛(wèi)星等設(shè)備上大量采用。同時又從軍用向民用方向發(fā)展.取得了許多有價值的經(jīng)濟(jì)成果柙技術(shù)成果.這是眾所周知的。現(xiàn)仍在繼續(xù)穩(wěn)步深入發(fā)展：比如薄膜多層電路、單片微波集成電路的研制：由于厚膜電路工藝簡單、材料低廉、成本低,所以取代了部分薄膜電路，但隨著使用頻率提高，特別是毫米波、亞毫米波、厚膜電路是無法勝任的，因而薄膜電路是不可缺少的重要技術(shù)。繼續(xù)突破新的技術(shù)問題才是至關(guān)重要的。
當(dāng)然在薄膜電路的深入發(fā)展中，濺射工藝將會起著特殊重要的作用。
關(guān)鍵詞：薄膜太陽能電池；發(fā)展?fàn)顩r；特征；種類
中圖分類號：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007—9599 （2012） 14—0000—02
一、太陽能電池概述
伴隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)增長對于環(huán)境污染的問題也變得越來越嚴(yán)重，因此基于可持續(xù)發(fā)展理念來進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)提供等成為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律，而這也使得經(jīng)濟(jì)環(huán)保技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的理念深入人心。另一方面，在資源有限的情況下，如何有效利用現(xiàn)有資源，并不斷開發(fā)出對新資源的運(yùn)用也是擺在可持續(xù)發(fā)展理念上的重要考慮對象?；究磥?，目前人們普遍認(rèn)為對于太陽能的有效運(yùn)用是解決能源危機(jī)、環(huán)境問題的最有效的途徑。太陽能資源不僅具有清潔型能源的特征，而且其存在的長期性也能夠解決人們對于能源的需求問題，太陽能電池是對于太陽能運(yùn)用的最有效工具之一。太陽能電池已經(jīng)經(jīng)歷了多個階段的發(fā)展，其基本原理在于對半導(dǎo)體二極管的運(yùn)用，將太陽所輻射過來的光波經(jīng)由光伏作用轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑸槿藗兯?。半?dǎo)體二極管能夠在太陽光照射到其表面時，將太陽光加以吸收，并轉(zhuǎn)化為光子能量，將自身所帶的電子激發(fā)到導(dǎo)電帶部分，最終形成具有正的電極的空穴，從而演進(jìn)為光生載流子。在形成光生載流子之后，其能夠在二級管內(nèi)發(fā)生分離，而電子也相應(yīng)的發(fā)生位置變化，最終帶來空穴發(fā)生變化，產(chǎn)生具有負(fù)極的電極。正負(fù)極電荷的不斷聚集，就演變?yōu)楣夥?yīng)，產(chǎn)生電壓。因此，太陽能用的半導(dǎo)體二極管秩序在已經(jīng)形成的兩極進(jìn)行線路連接，就可以將形成的電能導(dǎo)出。盡管太陽能的發(fā)展種類很多，但卻普遍存在光電轉(zhuǎn)化效率不高的狀況，而這在軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域發(fā)展當(dāng)中難以起到自身應(yīng)有的作用，而提升光電轉(zhuǎn)化率也成為太陽能研究的焦點(diǎn)所在。光電轉(zhuǎn)化效率的研究多聚焦于太陽能材質(zhì)的改革、對于元器件進(jìn)行創(chuàng)新等方面，以增加太陽能電池對于陽光的吸收力度，減少陽光在太陽能電池中的傳播距離等，最終提升光轉(zhuǎn)電效率。當(dāng)然，關(guān)于太陽能電池的研究十分廣泛，而薄膜太陽能電池也逐步發(fā)展成為當(dāng)今太陽能電池研究的最重要區(qū)域。
二、薄膜太陽能電池的發(fā)展及特性
（一）薄膜太陽能電池的發(fā)展
薄膜太陽能電池，顧名思義，其是在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可產(chǎn)生光電效應(yīng)的薄膜，厚度僅需數(shù)μm，因此在同一受光面積之下比硅晶圓太陽能電池大幅減少硅原料的用量。薄膜太陽能電池并非是新概念的產(chǎn)品，實(shí)際上人造衛(wèi)星就早已經(jīng)普遍採用砷化鎵（GaAs）所制造的高轉(zhuǎn)換效率薄膜太陽能電池板（以單晶硅作為基板，轉(zhuǎn)換效能在30%以上）。不過，一方面因為制造成本相當(dāng)高昂，另一方面除了太空等特殊領(lǐng)域之外，應(yīng)用市場并不多，因此直到近幾年因為太陽能發(fā)電市場快速興起后，發(fā)現(xiàn)硅晶圓太陽電池在材料成本上的局限性，才再度引起為產(chǎn)業(yè)研發(fā)的關(guān)注，目標(biāo)則是發(fā)展出材料成本低廉，又有利于大量生產(chǎn)的薄膜型太陽能電池。自2006下半年以來，因全球太陽能市場需求成長，造成硅原料供應(yīng)不足、硅晶太陽能電池及模組生產(chǎn)成本水漲船高。而薄膜太陽能電池因具有輕薄、低成本、可撓曲、多種外觀設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)，成為繼硅晶太陽能電池之后，被認(rèn)為是當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲芗夹g(shù)。
（二）薄膜太陽能電池發(fā)電原理
薄膜太陽能電池，是以pn半導(dǎo)體接面作為光吸收及能量轉(zhuǎn)換的主體結(jié)構(gòu)。在基板上分別涂上二種具不同導(dǎo)電性質(zhì)的p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體，當(dāng)太陽光照射在pn接面，部份電子因而擁有足夠的能量，離開原子而變成自由電子，失去電子的原子因而產(chǎn)生空穴。透過p型半導(dǎo)體及n型半導(dǎo)體分別吸引空穴與電子，把正電和負(fù)電分開，在pn接面兩端因而產(chǎn)生電位差。在導(dǎo)電層接上電路，使電子得以通過，并與在 pn 接面另一端的空穴再次結(jié)合，電路中便產(chǎn)生電流，再經(jīng)由導(dǎo)線傳輸至負(fù)極。從光產(chǎn)生電的過程當(dāng)中可知，薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，與材料的能隙大小、光吸收系數(shù)及載子傳輸特性相關(guān)，因此廠商就提升轉(zhuǎn)換效率的研發(fā)方向出發(fā)，往往也從材料選用、鍍膜方面著手。
（三）薄膜太陽能電池發(fā)展的特征
首先是較高的生產(chǎn)成本。除了轉(zhuǎn)換效率造成薄膜太陽能電池?zé)o法普及外，昂貴的建廠成本，往往也是令廠商卻步的原因。以建一座30MW的太陽電池工廠為例，硅晶太陽電池的投資成本約4000～6000萬人民幣，而薄膜太陽能電池則為其成本的5～10倍不等，價格差別如此之大，在沒有雄厚資金注入的情況下，特別是在目前全球經(jīng)濟(jì)不景氣的環(huán)境下，廠商更難獲取充裕的資金，因此無法建立相應(yīng)的廠房設(shè)備。
其次是原料供應(yīng)充足。在鍍膜部分，非晶硅太陽能電池所需的硅鍍膜亦只需1～2μm，厚度僅為硅晶圓的1/100，當(dāng)硅料短缺時，可節(jié)省較多的材料費(fèi)。而CIGS所需的硒、銦及CdTe的碲雖為稀有金屬，但因全球?qū)Υ祟愒系男枨罅咳缘?，故不存在缺料問題。
最后是與載體做造型整合。由于薄膜電池非使用結(jié)晶硅做基板，因此不會受到晶圓尺寸大小限制，故容易進(jìn)行大面積及客制化生產(chǎn)。加上有些基板具有輕薄、可透光且可撓的特色，因而增加薄膜太陽能電池造型設(shè)計的彈性空間及應(yīng)用范圍，例如，可結(jié)合商業(yè)設(shè)施、大樓及住宅，融入遮陽板、玻璃帷幕及屋頂?shù)冗M(jìn)行相關(guān)設(shè)計。
三、薄膜太陽能電池種類
