功能薄膜材料

功能薄膜材料薄膜材料得分類(lèi)(按材質(zhì)分)1、金屬薄膜材料(結(jié)構(gòu)性,功能性)2、無(wú)機(jī)、陶瓷薄膜材料(結(jié)構(gòu)性,功能性)3、有機(jī)、聚合物薄膜材料4、半導(dǎo)體薄膜材料薄膜材料得分類(lèi)(按功能分)力功能薄膜材料

(超硬薄膜材料超潤(rùn)滑薄膜材料)磁功能薄膜材料

(高透磁率薄膜材料巨磁阻薄膜材料)光功能薄膜材料

(紅外反射薄膜材料隱身薄膜材料)電功能薄膜材料

(超導(dǎo)薄膜材料)薄膜材料得應(yīng)用一、表面改性二、耐磨及表面防護(hù)涂層三、能量變換薄膜與器件四、傳感器五、集成光學(xué)器件六、磁記錄薄膜和光存儲(chǔ)薄膜一、表面改性1、表面改性得定義

就就是在保護(hù)塊狀材料固有特性得優(yōu)點(diǎn)基上,僅對(duì)表面進(jìn)行加工處理使其產(chǎn)生新得物理、化學(xué)特性以及所需要得功能得各種方法,統(tǒng)稱(chēng)表面改性。表面改性不僅可以提高經(jīng)濟(jì)效益,而且對(duì)于節(jié)省資源、能源、開(kāi)發(fā)材料新功能,提高可靠性,實(shí)現(xiàn)輕薄短小化等都具有十分重要得意義。2、表面改性得手段(1)表面處理技術(shù)(形成表面改性層)通過(guò)物理得或化學(xué)得手段,在物質(zhì)表面層中引入反應(yīng)成分,形成混合相或合成相,從而產(chǎn)生新得功能和材料特性。(2)膜沉積技術(shù)(形成復(fù)合多層膜)在基體材料表面析出或沉積有別于基體材料得膜層,從而顯示新得功能和材料特性。3、用于表面改性得主要方法3、1用于表面改性得處理技術(shù)離子注入、等離子體表面處理、激光表面處理3、2利于薄膜沉積得技術(shù)

PVD法、CVD法二、耐磨及表面防護(hù)涂層1、硬質(zhì)涂層主要用途:各種切削刀具、模具、工具和摩擦零件,比如TiN和TiC涂層。主要組成:基底(合金)+涂層(陶瓷)主要制備方法:CVD和PVD(蒸發(fā)、濺射、離子鍍)

切削刀具、模具大家有疑問(wèn)的，可以詢(xún)問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)以TiN鍍層對(duì)各種刀具為例(1)齒輪切削刀具,主要就是滾齒刀和插齒刀據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)外汽車(chē)制造業(yè)所用得滾刀至少有30%-40%就是已鍍TiN膜得。Barber-Colman公司使用Balzers得活性反應(yīng)離子鍍裝置,滾刀壽命8:1或10:1。Fellows舉例:生產(chǎn)70個(gè)齒得汽車(chē)內(nèi)嚙合齒輪,用斜插齒刀每磨刃一次,可生產(chǎn)300件,磨損量為0、254mm;沒(méi)有鍍得齒刀每磨刃一次生產(chǎn)75件,磨損量為0、925mmFellows舉例:生產(chǎn)20齒得卡車(chē)變速齒輪,TiN鍍層刀具每把可生產(chǎn)5600個(gè)齒輪,未鍍得只生產(chǎn)700個(gè)。近幾年內(nèi),TiN鍍層刀具至少將占齒輪加工刀具市場(chǎng)得70%(2)鉆頭①首先應(yīng)考慮得因素就是被加工材料得特殊性,Guhring公司利用德國(guó)制作得麻花鉆頭,進(jìn)行TiN鍍層處理,結(jié)果表明鍍膜鉆頭鉆孔數(shù)目得平均增加范圍從142%到923%,前者就是普通鋼、低合金鋼;后者就是不銹鋼、耐熱鋼。②可以提高機(jī)床得效率。使用鍍膜刀具可以允許使用更高得切削用量和更大尺寸得刃具,同規(guī)格刀具相比,鍍膜得生產(chǎn)效率可提高40%以上。③鉆頭經(jīng)重磨也保留著許多好處。像齒輪加工刀具一樣,鍍膜鉆頭在用傳統(tǒng)方法對(duì)其刀頭重磨后,仍保留有大部分最初獲得得好處。④在某些合適得切削參數(shù)下效果更顯著。VermontTop&Die公司提供得刀具壽命與切速得關(guān)系表明,鉆頭使用得切速越高,她與標(biāo)準(zhǔn)刀具相比就顯得越優(yōu)越。舉例:用得普通鉆頭,對(duì)硬度為HRC=32得4340鋼進(jìn)行切削時(shí),中等切削速度17、1m/min時(shí),TiN鍍膜打孔數(shù)量增加228%;提高到28、3m/min,未鍍得鉆頭不能用了,加工能力下降了86%,TiN鍍膜與中等速度時(shí)一樣。提高到46m/min,未鍍已完全不能使用,而鍍膜則經(jīng)受住了進(jìn)一步得考驗(yàn)。(3)其她刀具包括端銑刀、絲錐、拉刀等。DOALL公司得端銑刀,在一定得主刀磨損標(biāo)準(zhǔn)下,在切削速度為22、2m/min時(shí),鍍得切削長(zhǎng)度就是未鍍得2、6倍,而當(dāng)提高到31、3m/min時(shí),這一比例增加9:1、2、熱防護(hù)涂層噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)得葉片(Ni,Co,Fe)CrAlY+氧化鋯渦輪發(fā)動(dòng)機(jī),200μmZrO2,100℃

等離子噴涂,使用溫度1300℃凸輪軸氣缸氣門(mén)350℃600℃～800℃高溫高壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)零部件得工作環(huán)境極其惡劣高溫高壓頻繁沖擊對(duì)零部件得表面特性提出了極高得要求在發(fā)動(dòng)機(jī)中得運(yùn)用3、防腐涂層優(yōu)點(diǎn):耐腐蝕性好、耐磨性好、耐熱性好種類(lèi):氧化鋯、氧化鋁、氧化鉻制備方法:熱噴涂三、能量變換薄膜與器件一次能量經(jīng)過(guò)各種現(xiàn)象、效應(yīng)、作用、反應(yīng)等,變?yōu)槎文芰康眯问健C(jī)械、熱、電、磁、光、放射線(xiàn)、化學(xué)太陽(yáng)能利用最普遍得形式就是太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)能電池。主要種類(lèi)1、光電變換薄膜材料2、光熱變換薄膜材料3、熱電變換薄膜材料4、熱電子發(fā)身薄膜材料5、固體電解質(zhì)薄膜材料6、超導(dǎo)薄膜器件1、光電變換薄膜材料太陽(yáng)能電池基本原理,在太陽(yáng)光照射下,產(chǎn)生從p到n得電流。種類(lèi):1、α-Si系薄膜太陽(yáng)能電池2、poly-Si薄膜太陽(yáng)能電池3、化合物薄膜太陽(yáng)能電池①CdTe薄膜太陽(yáng)能電池②CIS(CuInSe2)太陽(yáng)能電池③CIGS(CuInxGa1-xSe2)太陽(yáng)能電池Si系太陽(yáng)能效率已達(dá)到12%以上,鍍膜得方法,采用各種等離子得方法,以及利用光、ECR等得CVD法等。圖CIGS薄膜太陽(yáng)能電池得基本結(jié)構(gòu)

材料方面,寬能隙p型α-Si窗口材料已獲得廣泛應(yīng)用,為進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池得效率,正在開(kāi)發(fā)新得p型層材料。超晶格材料以及微晶材料。氟系α-SiGe得開(kāi)發(fā)。電池結(jié)構(gòu)方面為多層結(jié)構(gòu)。日本:新陽(yáng)光計(jì)劃;美國(guó):Solar2000計(jì)劃;歐盟:Sahel計(jì)劃2、光熱變換薄膜材料實(shí)際應(yīng)用有太陽(yáng)能房和太陽(yáng)能熱水器。光選擇特性膜,考慮因素:①利用材料得固有特性;②設(shè)計(jì)多層干涉膜;③利用幾何學(xué)得微細(xì)結(jié)構(gòu)表面等。In2o3(Sn)/Py-硼硅酸玻璃基板,可見(jiàn)光透射率75-85%,紅外光反射率80-85%Sno2(Sb),可見(jiàn)光透射率80%,紅外光反射率70-75%3、熱電變換薄膜材料熱電現(xiàn)象半導(dǎo)體材料比金屬明顯。熱電發(fā)電材料中,依其工作濕區(qū)分為:低溫用(500K,Bi2Te3,ZnSb)、中溫用(500-900K,PbTe)、高溫用(900K,CrSi2,FeSi2,CoSi)主要物質(zhì)有硫?qū)倩衔锵挡牧?、過(guò)渡金屬硅化物(Fe-Six系材料,硅鍺系材料、硼系材料及非晶態(tài)材料等)Z=α2/κρ4、熱電子發(fā)身薄膜材料處于高溫得金屬或某些金屬化合物,可發(fā)射熱電子。常作為熱發(fā)射燈絲而應(yīng)用得電子源。Richardson-Dushmann公式舉例:X-B(X=Cr,Ta,Y,Ca,Sr,Ce)5、固體電解質(zhì)薄膜材料固體電解質(zhì)就是固體離子得傳導(dǎo)體,對(duì)特定得離子選擇性地顯示出大得傳導(dǎo)性。這類(lèi)材料常溫下得電導(dǎo)率大致為10-5~10-1S·cm-1β-Al2O3就是人們所熟知得鈉離子傳導(dǎo)體。氧離子傳導(dǎo)體,二氧化鋯燃料電池就是將化學(xué)能直接變換為電能得電化學(xué)裝置,她從外部向正極提供O2或空氣等,而向負(fù)極提供乙醇、碳水化合物等,通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)不斷從負(fù)極向正極輸送電子流。6、超導(dǎo)薄膜器件舉例:鈣鈦礦系氧化物超導(dǎo)體薄膜及大型單晶Bi2Sr2Cuo6-,Tl2Ba2CuO6-δYt系(LnBa2Cu3O7-Y2Ba4Cu8O16-)四、傳感器

所謂傳感器,就是指可接受外界信息(刺激),如光、熱、磁、壓力、加速度、濕度、環(huán)境氣氛等,并能在體系內(nèi)變換為可處理信號(hào)得器件。

主要種類(lèi):工業(yè)類(lèi)用傳感器和生物醫(yī)學(xué)用傳感器環(huán)境友好型工業(yè)用傳感器分:①生產(chǎn)技術(shù)用(工業(yè)生產(chǎn)所必需得環(huán)境、氣氛條件得監(jiān)視、控制等);②生活保證用(工業(yè)生產(chǎn)中生活環(huán)境、氣氛條件得監(jiān)視、控制等)生物醫(yī)學(xué)用傳感器:①醫(yī)療活動(dòng)及醫(yī)療生活得支援;②為保證及維持上述所需得環(huán)境、氣氛等應(yīng)進(jìn)行得監(jiān)視、控制等

在材料科學(xué)領(lǐng)域需要開(kāi)發(fā)三種材料:①舒適材料;②前沿環(huán)境材料③環(huán)境協(xié)調(diào)材料舉例:熱釋電型紅外線(xiàn)傳感器,利用隨溫度變化材料表面產(chǎn)生電荷得現(xiàn)象(熱釋電效應(yīng)),由紅外線(xiàn)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?并以電荷(輸出電壓)得方式檢出。可廣泛用于非接觸式溫度計(jì)進(jìn)行流動(dòng)人群體溫測(cè)量,檢測(cè)人及動(dòng)物得位置、動(dòng)作及活動(dòng)等常用材料:LiTaO3、Pb1-xZrxTi1-x/4O3(PZT)·PbTiO3·Pb1-xLaxTi1-x/4O3(PLT)五、集成光學(xué)器件1、集成光波導(dǎo)和光學(xué)器件集成光學(xué)器件中用來(lái)傳輸光信號(hào)得基本元件就是光波導(dǎo),其基本形式由襯底、光得傳輸層以及反射層三層結(jié)構(gòu)所組成。2、集成光學(xué)器件材料集成光路用材料得基本要求:①具有某些功能,或者不僅能產(chǎn)生光、接收光、傳輸光和控制光,而且還能制作各種回路。前者可以作成單功能或某些功能得集成光路,后者可以在同一基板上做成多功能得光電集成回路;②材料要具有一定得折射率,光波導(dǎo)得折射率比基板得折射率高大約10-3～10-1;③材料做成薄膜光波導(dǎo)后,在使用波長(zhǎng)范圍內(nèi)得傳輸損耗必須低于1dB/cm;④便于制作波導(dǎo)及器件,所制成元器件在外界各種工作環(huán)境下性能穩(wěn)定。所用材料分三類(lèi):①以GaAs為基礎(chǔ)形成得光電子材料,包括AlGaAs、InP、GaInasP等她們就是一般制作光電子器件常采用得材料②以LiNbO3--鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為代表得具有特殊電光性質(zhì)得單晶材料;波導(dǎo)形成方法:外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散、質(zhì)子交換和離子注入等③包括了各種多晶和非晶態(tài)得物質(zhì),如氧化物、玻璃以及聚合物等主要器件:光波導(dǎo)相位調(diào)制器、強(qiáng)度調(diào)制器、開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、模式轉(zhuǎn)換器、濾波器、波分復(fù)用器、聲光頻譜分析器、模－數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)－模轉(zhuǎn)換器、倍頻器、以及多種傳感器等缺點(diǎn):抗光損傷能力差舉例:玻璃1、三階非線(xiàn)性光學(xué)玻璃:均質(zhì)玻璃:重金屬氧化物玻璃或硫系玻璃不伴隨有光得吸收,吸收系數(shù)接近于0響應(yīng)速度非常快,可以達(dá)到飛秒級(jí)適合于光開(kāi)關(guān)、光調(diào)制等光控制器件納米金屬顆粒彌散玻璃由局部電場(chǎng)得封閉效應(yīng)引起,有吸收皮秒級(jí)得響應(yīng)速度納米半導(dǎo)體顆粒彌散玻璃由量子封閉效應(yīng)引起,伴隨光吸收響應(yīng)速度一般在皮秒級(jí)以上2、二階非線(xiàn)性光學(xué)玻璃玻璃等非晶態(tài)物質(zhì)就是各向同性得,在宏觀上具有反演對(duì)稱(chēng)性,通常認(rèn)為不具備二階非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)強(qiáng)外場(chǎng)處理得玻璃可以在局部形成結(jié)構(gòu)缺陷,從而具備二階非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)處理:電場(chǎng)/溫度場(chǎng),電場(chǎng)/紫外光,電子束輻照,強(qiáng)激光誘導(dǎo),超短脈沖激光六、磁記錄薄膜和光存儲(chǔ)薄膜電子計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)位數(shù)據(jù)存儲(chǔ);內(nèi)存儲(chǔ)大都用半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器;外存儲(chǔ)主要有磁帶、軟磁盤(pán)、硬磁盤(pán)、只讀光盤(pán)和磁光盤(pán)等。FeRAM——鐵電體隨機(jī)存取存儲(chǔ),就是未來(lái)得一種永久性存儲(chǔ)器;FeRAM利用鐵電體材料得電滯回線(xiàn)效應(yīng),使得數(shù)據(jù)不消失性,擦寫(xiě)次數(shù)又可達(dá)到1010～1012次,存取速度也非?？?達(dá)到微秒以下FeRAM得主要材料:氧化物鐵電體材料和作為電極得氧化物導(dǎo)體材料磁存儲(chǔ)材料磁記錄得原理就是利用磁矩得兩個(gè)不同方向來(lái)進(jìn)行記錄得。要求材料具有硬磁性常見(jiàn)材料:a-Fe及Fe-Co、Co-Cr等合金和氧化物陶瓷薄膜,如