时间：2023-08-16 09:19:59
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇化学气相沉积的概念，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
关键词：晶体硅薄膜；CulnSe2薄膜；商业化
中图分类号：TM914.42 文献标识码：A 文章编号：1672-8882（2015）05-117-02
近几年来，光伏市场发展极其迅速，1997年光伏组件的销售量达122Vw，比上年增加38%。世界主要几大公司宣称，近期光伏组件产量将会增加到263.5MW，其中薄膜太阳电池将达到91.5MW，占太阳电池总量的34.7%。快速发展的光伏市场导致许多太阳电池生产厂家力求扩大生产能力，开辟大容量的太阳电池生产线。但目前太阳电池用硅材料大部分来源于半导体硅材料的等外品和单晶硅的头尾料，不能满足光伏工业发展的需要。同时硅材料正是构成晶体硅太阳电池组件成本中很难降低的部分，因此为了适应太阳电池高效率、低成本、大规模生产化发展的要求，最有效的办法是不采用由硅原料、硅锭、硅片到太阳电池的工艺路线，而采用直接由原材料到太阳电他的工艺路线，即发展薄膜太阳电他的技术。
一、晶体硅薄膜太阳电池发展
晶体硅薄膜太阳电池，近年来在国外发展比较迅速。为了使晶体硅薄膜太阳电池达到商业化，努力将实验室结果推向市场，1988年制造出100cm2的薄膜太阳电池，其转换效率为8%。18个月后，其效率在同样面积下达到10.9%，3年半后12kw薄膜太阳电池系统投入市场。1994年底美国加利福尼亚区成功建立了17.1kW硅薄膜太阳电池方阵系统，这个系统电池是利用高温热分解喷涂法制备的。在薄膜电池上覆盖了一层抗反射层，硅薄膜晶粒为毫米级，具有宏观结构特性，减少了兰色和远红外光的响应。
1997年召开的26届IEEE PVSC，14届欧洲PVSEC和世界太阳能大会报道了Uvited Solar Systemn薄膜硅太阳电池，转换效率为16.6%，日本的Kanebo为9.8%，美国NREL提供的测试结果，USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜电池，面积为903cm2，转换效率为10.2%，功率为9.2W。
我国晶体硅薄膜太阳电他的研究仍处于实验室阶段。1982年长春应用化学研究所韩桂林等人用CVD法，在系统中采用高频加热石墨，系统抽真空后通氖气以驱除残留气体，加热石墨至所需温度，随即通入混合气体，在1100℃-1250℃下，SiCl4被H2还原，硅沉积在衬底上。研究了多晶硅薄膜的生长规律并对膜的基本物理特性进行研究。1998年北京市太阳能研究所赵玉文等报道了以SiH2Cl2为原料气体，采用快速热化学气相沉积（RTCVD）工艺在石英反应器中沉积多晶硅薄膜。气源为H2和SiH2Cl2的混合物，石英管内配有石墨样品托架，采用程控光源将石墨样品托架加热到1200℃。试验所用衬底为重掺杂磷非活性单晶硅片或非硅质底材。在1030℃下薄膜生长速率为10nm/s，研究了薄膜生长特性，薄膜的微结构，并研制了多晶硅薄膜电池，电池结构为金属栅线/p+多晶硅膜/n多晶硅膜/n++C-硅/金属接触。采用扩硼形成p+层，结深约为1?m，电池面积为1cm2，AM1.5、100mV/cm2条件下，无减反射涂层，电池转换效率为4.54%，Jsc=14.3mA/cm2，Voc=0.460V，FF=0.67。
我国晶体硅薄膜太阳电池研究水平与国际水平相差较大，应加速发展。在廉价衬底上形成高质量的多晶硅薄膜，研究衬底与硅膜之间夹层，用以阻挡杂质向硅膜扩散，并研制出具有较高转换效率的多晶硅薄膜电池，在近期内使其转换效率能达到10%左右，为工业化生产作准备，以期成本能降低到$1/w左右。
二、国内CulnSe2薄膜太阳电池发展情况
我国的CulnSe2薄膜太阳电池研究始于80年代中期。内蒙古大学、南开大学、云南师范大学、中国科学院长春应用化学研究所等单位先后开展了这项研究。1986年长春应用化学研究所用喷涂法制备了C1S薄膜。薄膜具有黄铜矿结构，并制备了全喷涂C1S/CdS太阳电池，电池具有光伏效应。1990年内蒙古大学采用双源法，研制了pin CdS/CulnSe2薄膜太阳电池，经天津电源研究所测试，面积为0.9cm×0.9cm，效率为8.5%。南开大学采用蒸发硒化法制作CulnSe/C北薄膜太阳电池，面积为0.1cm2和lcm2的太阳电池，其效率分别达到7.62%和7.28%，5cm×5cm电他的平均效率为6.67%。
我国该技术仍处于实验室阶段，而且处于较低的水平，投入很少，进展缓慢。因此，急需加快研究和开发力度，加大对薄膜太阳电他的投入，尽快向工业化生产过渡，将薄膜太阳电池作为21世纪优先发展的高科技项目。近期内，对CulnSe2薄膜太阳电池的研制，通过控制Se、In、Cu三元素配比和蒸发速率，以获得重复性好、化学计量比符合要求，具有黄铜矿结构的硒钢铜薄膜，用化学成膜法制备致密和均匀的CdS薄膜，用溅射法制备ZnO薄膜。期望近期内，光伏转换效率能达到10%左右，为21世纪大规模发展Cu1nSe2薄膜太阳电池奠定基础。
三、薄膜光伏的商业化
在过去的几年，世界光伏市场以每年45%的增幅在快速发展，不断有新的公司进入市场，基于CIGS和CdTe的薄膜光伏市场化也取得了进展，并在很多领域广泛应用（包括屋顶计划和建筑物等）。2006年，整个世界范围内薄膜光伏的市场份额小于6%，然而在美国薄膜光伏的市场份额高达44%，这主要得益于位于奥尔良的First Solar和密歇根的United Solar，这2个公司在2006年取得长足进展。 中机院-专注于园区规划、产业研究、产业规划、城市发展规划、投融资服务
世界上很多薄膜光伏公司从事a-Si、CIGS和CdTe的商业化发展，美国也有很多致力于此的公司，在CIGS和CdTe研究方面取得的进展和技术进步足以支持其往兆瓦级的生产转化。在美国有16家公司从事非晶硅和薄硅的商业化进程，很显然，其中的领跑者为密歇根的Uni-Solar，其在2006年产能为60MW，而2007年的产能达到120MW。美国薄膜光伏的快速发展得益于美国国家再生能源实验室（NREL）在多结太阳电池技术上的成就；Applied Material则可提供单结非晶硅和纳米硅叠层太阳电池“交钥匙”工程，迄今为止，已在包括中国、印度、德国、西班牙等世界各地装机超过200MW。目前美国有15家公司采用不同的吸收层沉积技术开展CIGS业务，机会和挑战在这儿并存；同时有8个公司从事CdTe薄膜光伏的市场化运作。
目前世界上有5个公司致力于CIGS薄膜光伏的商业化生产，主要是德国的Wurth Solar、美国的Global Solar、日本本田、日本昭和壳牌和德国的Sulfurcell，其年产量介于5MW至27MW之间。同时有34家公司正在开发CIGS薄膜太阳电池生产技术，采用了约10种不同的吸收层沉积技术。在生产中，不论吸收层是采用共蒸发法还是两步法（如溅射后硒化），在所有技术路线中均采用溅射法制备Mo底电极以及溅射或化学气相沉积法制备ZnO薄膜。
参考文献：
[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.
关键词:梯度功能材料，复合材料，研究进展
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、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料，特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力，直接体现国家的科学技术水平和经济实力，也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此，新材料的开发与研究是材料科学发展的先导，是21世纪高科技领域的基石。
近年来，材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因，一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1 FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2， 其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差，传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料，如金属基陶瓷涂层材料，由于各相的热胀系数和热应力的差别较大，很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面，消除物理性能的突变，使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分类
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2，因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2 FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3 FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM 研究的不断深入，人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化，可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM，并可望应用于许多领域。
功 能
应 用 领 域 材 料 组 合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材 陶瓷 金属
陶瓷 金属
塑料 金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石 金属
碳纤维 金属 塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料 轻元素 高强度材料
耐热材料 遮避材料
耐热材料 遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学 磷灰石 氧化铝
磷灰石 金属
磷灰石 塑料
异种塑料
硅芯片 塑料
电磁功能
电磁功能 陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板 压电陶瓷 塑料
压电陶瓷 塑料
硅 化合物半导体
多层磁性薄膜
金属 铁磁体
金属 铁磁体
金属 陶瓷
金属 超导陶瓷
塑料 导电性材料
陶瓷 陶瓷
光学功能 防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素 玻璃
能源转化功能
MHD 发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池 陶瓷 高熔点金属
金属 陶瓷
金属 硅化物
陶瓷 固体电解质
金属 陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4. 1 FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件，然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构，以及制备和评价方法，最后基于上述结构和材料组合选择，根据假定的组成成份分布函数，计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数，就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布，此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状，热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法，包括有限元方法计算FGM的应力分布，采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合，借助于计算机辅助设计系统，得出最优的设计方案。
4. 2 FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段，实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布，从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高温合成法(SHS) ;涂层法:如等离子喷涂法，激光熔覆法，电沉积法，气相沉积包含物理气相沉积(PVD) 和化学相沉积(CVD) ;形变与马氏体相变[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形，然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高，适用于制造形状比较简单的FGM部件，但工艺比较复杂，制备的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点，但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前苏联科学家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃烧反应时，发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应，此后化学反应在自身放热的支持下，自动持续地蔓延下去， 利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
SHS 法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系，金属与陶瓷的发热量差异大，烧结程度不同，较难控制，因而影响材料的致密度，孔隙率较大，机械强度较低。目前利用SHS 法己制备出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺，适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常，将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内，并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上，其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等离子喷涂法(PS)
PS 法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物，形成等离子体，其温度高达1 500 K，同时处于高度压缩状态，所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流，速度可高达1. 5 km/ s。原料粉末送至等离子射流中，粉末颗粒被加热熔化，有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应，随后被雾化成细小的熔滴，喷射在基底上，快速冷却固结，形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分与组织，获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成，沉积效率高，无需烧结，不受基体面积大小的限制，比较容易得到大面积的块材[10]，但梯度涂层与基体间的结合强度不高，并存在涂层组织不均匀，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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，便会产生用B合金化的A薄涂层，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比，在上述覆层熔覆的同时注入，在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程，就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度，以及熔区的深度来获得，熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能，但由于激光温度过高，涂层表面有时会出现裂纹或孔洞，并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化，并喷涂到基底上凝固，因此，建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中，这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固态，混入金属液滴而被涂覆在基底，形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中，通过连续地改变增强颗粒的馈送速率，热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4 电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理，将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中，通过注入另一相的悬浮液使之混合，并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度，在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃，涂层的主要材料为TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层，以改变固体材料的表面特性，提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能，该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低，精度易控制，生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度，在厚度方向上实现组分的梯度化，适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制备出大厚度的梯度膜，与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD) 和化学气相沉积(CVD) 两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度，精确地控制材料的组成、结构和形态，并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化，可得到按设计要求的FGM。另外，该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM，因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质，使其蒸发为气相，然后沉积于基材上，形成约100μm 厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD 法的特点是沉积温度低，对基体热影响小，但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化，马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此，在合适的温度范围内，可以通过施加应变(或等价应力) 梯度，在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18 -8 不锈钢(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围，但能提供一个简单的方法，可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料，这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4. 3 FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计，为成分设计数据库提供实验数据，目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前，对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前，日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5 FGM的研究发展方向
5.1 存在的问题
作为一种新型功能材料，梯度功能材料范围广泛，性能特殊，用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决，主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单，还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2 FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3 对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随 时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6 结束语
FGM 的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉，多产业结合，国际化合作的方向发展。
参考文献
[1] 杨瑞成，丁旭，陈奎等.材料科学与材料世界[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2] 李永，宋健，张志民等.梯度功能力学[ M].北京:清华大学出版社.2003.
[3]王豫，姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展[J].物理，2000，29(4):206-211.
[4] 曾黎明.功能复合材料及其应用[M]. 北京：化学工业出版社，2007.
[5] 高晓霞，姜晓红，田东艳等。功能梯度材料研究的进展综述[J]. 山西建筑，2006， 32(5):143-144.
[6] Erdogan， F.Fracture mechanics of functionally graded materials[J].Compos. Engng，1995(5):753-770.
[7] 李智慧，何小凤，李运刚等. 功能梯度材料的研究现状[J]. 河北理工学院学报，2007， 29(1):45-50.
[8] 李杨，雷发茂，姚敏，李庆文等.梯度功能材料的研究进展[J]. 菏泽学院学报，2007， 29(5):51-55.
[9] 林峰.梯度功能材料的研究与应用[J].广东技术师范学院学报，2006，6:1-4.
[10] 庞建超，高福宝，曹晓明.功能梯度材料的发展与制备方法的研究[J]. 金属制品，2005，31(4):4-9.
[11] 戈晓岚，赵茂程.工程材料[ M].南京:东南大学出版社，2004.
[12] 唐小真.材料化学导论[M].北京：高等教育出版社，2007.
[13] 李进，田兴华.功能梯度材料的研究现状及应用[J]. 宁夏工程技术，2007， 6(1):80-83.
[14] 戴起勋，赵玉涛.材料科学研究方法[M] .北京：国防工业出版社，2005.
[15] 邵立勤.新材料领域未来发展方向 [J]. 新材料产业， 2004，1:25-30.
[16] 自蔓延高温合成法.材料工艺及应用etsc.hnu.cn/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm
[17] 远立贤.金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状.91th.com/articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.
[18] 工程材料. col.njtu.edu.cn/zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基
体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-
20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6结束语
FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
参考文献：
[1]杨瑞成，丁旭，陈奎等.材料科学与材料世界[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2]李永,宋健,张志民等.梯度功能力学[M].北京:清华大学出版社.2003.
[3]王豫,姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展[J].物理,2000,29(4):206-211.
[4]曾黎明.功能复合材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007.
[5]高晓霞，姜晓红，田东艳等。功能梯度材料研究的进展综述[J].山西建筑,2006,32(5):143-144.
[6]Erdogan,F.Fracturemechanicsoffunctionallygradedmaterials[J].Compos.Engng,1995(5):753-770.
[7]李智慧,何小凤,李运刚等.功能梯度材料的研究现状[J].河北理工学院学报,2007,29(1):45-50.
[8]李杨,雷发茂,姚敏,李庆文等.梯度功能材料的研究进展[J].菏泽学院学报,2007,29(5):51-55.
[9]林峰.梯度功能材料的研究与应用[J].广东技术师范学院学报,2006,6:1-4.
[10]庞建超,高福宝,曹晓明.功能梯度材料的发展与制备方法的研究[J].金属制品,2005,31(4):4-9.
[11]戈晓岚,赵茂程.工程材料[M].南京:东南大学出版社，2004.
[12]唐小真.材料化学导论[M].北京：高等教育出版社,2007.
[13]李进,田兴华.功能梯度材料的研究现状及应用[J].宁夏工程技术,2007,6(1):80-83.
[14]戴起勋,赵玉涛.材料科学研究方法[M].北京：国防工业出版社,2005.
[15]邵立勤.新材料领域未来发展方向[J].新材料产业,2004,1:25-30.
[16]自蔓延高温合成法.材料工艺及应用/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm
[17]远立贤.金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状./articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.
[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.
【关键词】表面处理；金属电镀
一、表面处理的概念
表面处理是在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。 表面处理一般可包括前处理、电镀、涂装、化学氧化、热喷涂等众多物理化学方法。
二、涂装前表面处理
为了把物体表面所附着的各种异物（如油污、锈蚀、灰尘、旧漆 膜等）去除，提供适合于涂装要求的良好基底，以保证涂膜具有良好的防腐蚀性能、装饰性能及某些特种功能，在涂装之前必须对物体表面进行预处理。人们把进行这种处理所做的工作，统称为涂装前（表面）处理或（表面）预处理。
基体前处理的目的：一是增加涂层与基体的结合强度既加大附着力，二是增加涂层的功能如防腐蚀、防磨损及等特殊功能。常见的前处理方法主要有以下：
1.手工处理
如刮刀、钢丝刷或砂轮等。用手工可以除去工件表面的锈迹和氧化皮，但手工处理劳动强度大、生产效率低，质量差，清理不彻底。
2.化学处理
主要是利用酸性或碱性溶液与工件表面的氧化物及油污发生化学反应，使其溶解在酸性或碱性的溶液中，以达到去除工件表面锈迹氧化皮及油污，再利用尼龙制成的毛刷辊或304#不锈钢丝（耐酸碱溶液制成的钢丝刷辊）清扫干净便可达到目的。
3.机械处理
主要包括钢丝刷辊抛光法、抛丸法和喷丸法。抛光法也就是刷辊在电机的带动下，刷辊以与轧件运动相反的方向在板带的上下表面高速旋转刷去氧化铁皮。刷掉的氧化铁皮采用封闭循环冷却水冲洗系统冲掉。抛丸法清理是利用离心力将弹丸加速，抛射至工件进行除锈清理的方法。
4.等离子处理
等离子表面处理器由等离子发生器，气体输送管路及等离子喷头等部分组成，等离子发生器产生高压高频能量在喷嘴钢管中被激活和被控制的辉光放电中产生低温等离子体，借助压缩空气将等离子喷向工件表面，当等离子体和被处理物体表面相遇时，产生了物体变化和化学反应。表面得到了清洁，去除了碳化氢类污物，如油脂，辅助添加剂等，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团（羟基、羧基），这些基团对各类涂敷材料具有促进其粘合的作用，在粘合和油漆应用时得到了优化。
三、常见的表面处理方法
目前金属的表面处理方法可以总结为以下的类型：、
1.电化学法
这种方法是利用电极反应，在工件表面形成镀层。其中主要的方法是：1）电镀。在电解质溶液中，工件为阴极，在外电流作用下，使其表面形成镀层的过程，称为电镀。镀层可为金属、合金、半导体或含各类固体微粒，如镀铜、镀镍等。2）氧化。在电解质溶液中，工件为阳极，在外电流作用下，使其表面形成氧化膜层的过程，称为阳极氧化，如铝合金的阳极氧化。钢铁的氧化处理可用化学或电化学方法。化学方法是将工件放入氧化溶液中，依靠化学作用在工件表面形成氧化膜，如钢铁的发蓝处理。
2.化学方法
这种方法是无电流作用，利用化学物质相互作用，在工件表面形成镀覆层。其中主要的方法是：1）化学转化膜处理。在电解质溶液中，金属工件在无外电流作用，由溶液中化学物质与工件相互作用从而在其表面形成镀层的过程，称为化学转化膜处理。如金属表面的发蓝、磷化、钝化、铬盐处理等。2）化学镀。在电解质溶液中，工件表面经催化处理，无外电流作用，在溶液中由于化学物质的还原作用，将某些物质沉积于工件表面而形成镀层的过程，称为化学镀，如化学镀镍、化学镀铜等。
3.热加工法
这种方法是在高温条件下令材料熔融或热扩散，在工件表面形成涂层。其主要方法是：1）热浸镀。金属工件放入熔融金属中，令其表面形成涂层的过程，称为热浸镀，如热镀锌、热镀铝等。2）热喷涂。将熔融金属雾化，喷涂于工件表面，形成涂层的过程，称为热喷涂，如热喷涂锌、热喷涂铝等。3）热烫印。将金属箔加温、加压覆盖于工件表面上，形成涂覆层的过程，称为热烫印，如热烫印铝箔等。4）化学热处理。工件与化学物质接触、加热，在高温态下令某种元素进入工件表面的过程，称为化学热处理，如渗氮、渗碳等。5）堆焊。以焊接方式，令熔敷金属堆集于工件表面而形成焊层的过程，称为堆焊，如堆焊耐磨合金等。
4.真空法
这种方法是在高真空状态下令材料气化或离子化沉积于工件表面而形成镀层的过程。其主要方法是：1）物理气相沉积（PVD）。在真空条件下，将金属气化成原子或分子，或者使其离子化成离子，直接沉积到工件表面，形成涂层的过程，称为物理气相沉积，其沉积粒子束来源于非化学因素，如蒸发镀溅射镀、离子镀等。2）离子注入。高电压下将不同离子注入工件表面令其表面改性的过程，称为离子注入，如注硼等。3）化学气相沉积（CVD）。低压（有时也在常压）下，气态物质在工件表面因化学反应而生成固态沉积层的过程，称为化学气相镀，如气相沉积氧化硅、氮化硅等。
5.其它方法
主要是机械的、化学的、电化学的、物理的方法。其中的主要方法是：1）涂装。闲喷涂或刷涂方法，将涂料（有机或无机）涂覆于工件表面而形成涂层的过程，称为涂装，如喷漆、刷漆等。2）冲击镀。用机械冲击作用在工件表面形成涂覆层的过程，称为冲击镀，如冲击镀锌等。3）激光面表处理。用激光对工件表面照射，令其结构改变的过程，称为激光表面处理，如激光淬火、激光重熔等。4）超硬膜技术。以物理或化学方法在工件表面制备超硬膜的技术，称为超硬膜技术。如金刚石薄膜，立方氮化硼薄膜等。5）电泳及静电喷涂。电泳的方法，是工件作为一个电极放入导电的水溶性或水乳化的涂料中，与涂料中另一电极构成解电路。在电场作用下，涂料溶液中已离解成带电的树脂离子，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。这些带电荷的树脂离子，连同被吸附的颜料粒子一起电泳到工件表面，形成涂层，这一过程称为电泳。静电喷涂是在直流高电压电场作用，雾化的带负电的油漆粒子定向飞往接正电的工件上，从而获得漆膜的过程，称为静电喷涂。
四、发展前景
目前表面处理一些传统方法，如堆焊、热喷涂、电刷渡等工艺往往适应不了现代工业的需求。如一些对温度特别敏感的金属零部件，会使零件表面达到很高温度，造成零件变形或产生裂纹，影响零件的尺寸精度和正常使用，严重时还会导致轴断裂；电刷渡虽无热影响，但渡层厚度不能太厚，污染严重，应用也受到了极大的限制。目前西方国家针对上述方法的弊端研制出高分子复合材料的现场表面处理方法，其中比较成熟的有福世蓝技术体系。材料所具有的综合性能及在任何时间内可机械加工的优越性，不但完全满足修复后的使用要求及精度，还可以降低设备在运行中承受的冲击震动，延长使用寿命。因材料是“变量”关系，当外力冲击材料时，材料会变形吸收外力，并随着轴承或其它部件的胀缩而胀缩，始终和部件保持紧配合，降低磨损的几率，针对大型设备的磨损，也可采用“模具”或“配合部件”针对损坏的设备进行现场修复，避免设备的整体拆卸，还可以最大限度地保证部件配合尺寸，满足设备的生产运行要求，延长设备的使用寿命，确保企业的安全连续生产。在国内表面处理的应用中，高分子复合材料也起到了越来越重要的作用。
参考文献：
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.
关键词： 光学薄膜技术；教学体系；主动式教学；教学方法
Key words： the optical thin film technology; teaching system; active teaching；teaching methods
0 引言
《光学薄膜技术》这门课程是我院光电类专业必修的一门专业课，但现有的这门课的教学方法并不适用于独立学院的学生，并且这方面发表的论文也很少。本文对本课程的内容组织方式和传授方法进行适当的改进[1-2]，以加强知识内容组织的严密性和课堂教学讲授的生动性，调动学生课堂学习的主动性。其目的就是要用合理的课程体系组织教学内容，以互动式教学方法让学生主动地参与到课堂教学中来，重视课堂上实际教学效率，最终实现教学质量的提高。
1 课程体系的构建
《光学薄膜技术》课程综合了物理光学、大学物理以及材料科学基础等诸多课程[3]。各部分内容之间层层递进、环环相扣，但是学生在上课时一些相关基础课大多数同学都未曾学过，这样许多重要的概念大家都不能很好地理解，致使教学效果大打折扣，也严重影响了授课进度。比如，在讲授薄膜的物理气相沉积工艺时，涉及到辉光放电，但是学生并没有接触过关于等离子体物理方面内容等等。
因此在教学内容编排上，从光学薄膜设计的基础出发，到真空科学与技术，然后讲述薄膜制备和工艺的基本方法，再介绍几类典型的薄膜材料，最后讲授薄膜的生长机制和表征手段[4]。整个课程的教学目标清晰，构建合理完善的课程体系，科学合理地构建就是要准确地归纳、提炼课程中包含的概念，形成一个完整的课程体系，正确的概念是科学判断和推理的基础。
2 主动式教学法
因为并不是每个人都对推理过程紧凑、公式化的表现形式都能敏感，都能接受，那么即使再严密的逻辑，再科学的表达，如果仅仅是枯燥呆板地平铺直叙，那么由于表现形式的面目可憎，也达不到理想的教学效果。运用适当的技术去刺激鼓励指导学生的思考和自动学习，亦应视学生的学习兴趣需要、能力和教材的内容，甚至教学的环境等，决定采用的教学方法。在教学实践中也总结并提炼了一些认识，并在课堂上已经取得了一些颇有意义的效果简列如下：
2.1 将抽象的概念具体化 高深的理论之所以难懂，就是因为包含众多抽象晦涩的概念。人的思维往往对于一些具体的直观的事物有着良好的亲和性，那么为什么不将一些抽象的概念具体化呢？比如定位辉光等离子体[5]，从霓虹灯说明辉光等离子体的具体应用，这样学生就能够很好地接受抽象的概念。
2.2 采用多种语言丰富表达形式 思想内容的表达可以采纳多种表现形式，利用形体语言往往可以取得意想不到的表现效果，例如形容磁控溅射靶表面电子的跑道式运动方向，可以形容成刘翔跨栏的动作，并用肢体语言表示，学生更容易理解和接受。
2.3 适当吸纳前沿科研经验充实教学内容 多数情况下，学生对课堂讲授内容缺乏理解，往往就是因为没有形成相关概念的正确认识。在每一讲中穿插一些研究实践的体会，学生在张弛有度地学到了学习内容。比如，在讲授类金刚石等先进薄膜材料时，学生对类金刚石材料这一范畴的属性概念非常模糊，对非晶金刚石的概念在行业中也没有统一的定义。那么就从这一研究领域中最权威最主流最有影响力的刊物、专著， 充分考虑多数专家学者的建议，对非晶金刚石明确界定科学的定义。非晶金刚石是薄膜中四配位杂化含量超过50%的无氢类金刚石碳[6]。上课的时候，可以通过sp2-sp3-H三元相图明确不同类金刚石范畴的划分。再比如，在讲授等离子增强化学气相沉积时，学生对等离子辅助沉积能够降低界面反应温度的物理过程不能理解。上课的时候，从辉光放电产生等离子体着手，基于等离子的物理特性，解析反应气氛中的物理过程，通过演绎推理阐明等离子激发能够降低界面反应温度的本质[7]。
2.4 实践教学 实验室镀膜过程录像的内容，使学生进一步了解薄膜镀制的过程。在薄膜设计中，增加薄膜设计软件的教学，使学生熟悉计算机完成膜系设计的过程。
2.5 课后练习 课后布置适当数量的作业，定期批改。最终使学生了解薄膜科学和技术科研具体过程，培养独立思维能力。
2.6 课堂演讲 针对重点、难点内容组织课堂讨论，拟定若干薄膜技术研究和应用中具体问题，由同学自主选择，让学生查阅相关文献，独立解决问题，课堂宣读。充分发挥学生的主观能动性。
3 结论
《光学薄膜技术》的教学实践中利用科学合理地组织教学内容，积极的调动学生参与课堂教学的主动性，探索了更适合独立学院光电类专业学生教学方法，促进教学质量的提高。
参考文献
[1]唐晋发等．现代光学薄膜技术[M]．浙江：浙江大学出版社，2006．
[2]卢进军，刘卫国.光学薄膜技术[M]．西安：西北工业大学出版社，2005．
[3]洪冬梅等．中红外激光薄膜的研究与特性分析[J]．光学仪器印刷世界，2008，30（5）：80-82．
[4]Spfer G．Flexible Display[J]，DisplaySearch， an NPD Group Company，2006，359．
[5]付秀梅．红外增透与保护技术的研究[J]．激光与红外，2006，36（12）：63-64．
1.1真空磁控溅射镀铝技术及方法
Al膜的制备方法依据成膜原理有3种：
（1）化学气相沉积法是某一固体表面发生气态物质化学反应而生成固态沉积物过程的方法；
（2）溶胶凝胶法是化合物或氧化物的固化，是金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶和热处理生成的方法；
（3）物理气相沉积法是基体表面沉积膜通过蒸发和溅射等使涂层材料气化的成膜方法。镀膜方法不同镀铝的效果也不同，每种方法本身又有若干种方法。磁控溅射沉积技术是低温高速的溅射方法，相对于蒸发法其优点是构成物体的个体物质容易掌控，且镀膜涂层细腻均匀，与基材体结合力强，适合材料表面薄膜生产。磁控溅射法有微波-ECR等离子体增强磁控溅射、交流反应磁控溅射、射频磁控溅射、直流反应磁控溅射和脉冲磁控溅射等，这都是由磁控溅射采用不同的离子源决定的。这里采用物理气相沉积法中的磁控溅射沉积方法，磁控溅射沉积技术通常使用的靶材为纯铝，溅射时铝靶被Ar离子轰击，这是由于通过电离Ar气并引入正交电磁场的结果，溅射出Al离子沉积到基体材料表面制备出高阻隔纳米Al膜新材料。实验观察，沉积物在基材表面运动成核或成膜只有保持较高的能量才能实现，因此，溅射是最终将基材表面原子激发出来的复杂过程，是在离子与基材表面原子碰撞过程中发生能量与动量转移的结果。
1.2镀铝瓦楞纸板制备各项必备条件
镀铝瓦楞纸板制备前实验要先选择其面纸材料，对镀铝瓦楞纸板技术要求和制备后的防护层进行处理。
1）纸基的选择。运用直流磁控溅射工艺制备纸基镀Al膜，进而制备镀铝瓦楞纸板，因此在选择镀铝膜的基材时，要综合各种因素，选择的基材要充分满足镀Al膜的质量要求。目前，较为广泛地将PET，PA，PP等塑料基材用作磁控溅射制备Al膜，实验采用的基材为纸基镀铝膜。直流磁控溅射是“低温”溅射相对二次溅射的方法，由于纸基材料的表面吸附能力弱且粗糙度高，与塑料薄膜基材比较Al膜沉积相对困难，本实验选择高强度特种纸，因高强度特种纸与Al具有较好的亲和力。为制备满足使用需要的各种规格的镀铝瓦楞纸板，对高强度特种纸纸基材料进行选择时，相对稳定的物理特性参数是各种纸基材料研究的重点，同时还要考虑提高纸基材料肌理感和质感的视觉效果。依据试验测试高强度特种纸纸基材料的物理性能，这里选择各种高强度特种纸作为纸基材料，其质量为120g～250g不等，选用纯木浆作为原材料，其表面纹理和图案不同，纸面纤维均匀、伸缩小、强度高、物理性能良好。
2）镀铝瓦楞纸板结构及材料技术要求。瓦楞纸板的结构是由面纸、里纸、芯纸和加工成波形的瓦楞纸通过黏合而成的。瓦楞纸板根据瓦楞波纹的形状、纸板的层数和瓦楞种类的不同大致分为3类[4]。由于构成瓦楞纸板的瓦楞波形分为U形、V形及UV形，楞型有A，B，C，E及其复合楞，其中复合楞AB，BC，BBC兼备了各单楞的优点。为了提高瓦楞纸板的强度，选择UV形多层复合楞瓦楞纸板为主要材料，使镀铝瓦楞纸板家具符合家具的类型、大小及主体框架结构等实用特性。同时，对瓦楞纸原纸的物理性能，如破裂强度、基重、环压强度、抗张强度、撕裂强度、防水性能等都有一定的要求。瓦楞纸板材料符合规定要求是铝纸复合的关键，也是能否取得镀铝瓦楞纸板家具新材料的关键所在。镀Al膜表面进行SiOx防护层处理。制备镀铝瓦楞纸板采取直接镀铝方法，其高阻隔性纳米铝薄膜新型材料是利用真空磁控溅射镀铝技术所获得的。必须提高铝膜表面的耐磨性、阻燃性和可擦洗性等，改变Al膜本身耐磨性较低的状况，从而改善瓦楞纸板的性能，因此这里采用和Al膜相同的工艺方法，对瓦楞纸板Al膜面纸进行Si靶二次磁控溅射。将SiOx沉积在Al膜表面并进行保护层处理，镀SiOx提高瓦楞纸板Al膜的物理性质和Al膜面纸质量，同时使其仍然保留银灰色Al膜色彩。实验采用射频磁控溅射将SiOx沉积在Al膜表面，以提高Al膜的耐磨擦性，从而获得高质量的镀铝瓦楞纸板材料。
2镀铝瓦楞纸板家具的商业化应用
2.1镀铝瓦楞纸板家具特点
镀铝瓦楞纸板家具以其鲜明的特点受到人们的喜爱。首先，镀铝瓦楞纸板所用原料和辅助材料都是无毒、无气味的，有效避免了如人造板家具中甲醛等有毒气体的挥发。镀铝瓦楞纸板家具其原材料有极少的铝材料，容易处理，瓦楞纸板可降解和循环利用。其次，镀铝瓦楞纸板材料表面韧性好、耐折。和木质家具比起来，优越的阻隔性使其表面无龟裂现象。第三，镀铝瓦楞纸板具有防止家具氧化及防水、防潮等特点，镀铝防止其受潮和吸水，有效地改善了镀铝瓦楞纸板材料的物理性能，比涂饰保护漆的普通纸板家具表面具有更好的防潮耐水性。第四，镀铝瓦楞纸板材料的金属光泽及肌理效果本身就具有装饰性，镀铝时可根据不同家具的需要，将其表面加工成各种式样图案，或各具特色的镂花使家具更加宜人。
2.2镀铝瓦楞纸板在概念家具设计中的应用
不同学者对概念家具设计有不同的解释，但常见的观点是强调新的设计理念和新材料的使用，主张在设计家具时注重生产的可行性并采用先进技术，产品使用安全，造型美观，经济合理。现代家具设计中的概念家具的魅力就在于，设计师根据当时特定的物质技术条件与时尚审美的需求，对某种家具提出概念或设想，并转化为实际产品投入市场，这不仅推动了新技术、新材料与新工艺的进步，还缩短了家具更新周期。狭义的概念家具设计是对新的家具设计潮流，即对现代主义家具设计的研究，其设计是个性化的，新思维和新风格集中运用，设计产品从结构、材料、功能、装饰、技术等对艺术拓展和产品开发有重要作用，体现后现代主义设计流派新的设计风格。广义的概念家具设计是以探求个性化开发和新风格组合，以及新的理念为目的，其创新性和探索性为以后的家具设计提供有益参考。概念家具设计是创新的材料设计、别致的造型设计、时尚的理念设计和多功能互动性设计等，因此涉及到设计外延的不断扩大，设计内涵的不断延伸，设计的立体表达中交叉融合了社会学、历史学、经济学、工程学、工艺学和美学等学科。无论是概念家具还是实用家具，均可使用镀铝瓦楞纸板进行设计与开发，生产的家具产品首先要具有良好的使用性，然后是时尚、耐用等其他需要。由于镀铝瓦楞纸板的材料特性，其家具开发可广泛应用于易更换、价格低、重量轻、便于回收的中小型轻便家具，如钟表、灯饰、凳子及小型书架等，适合用于时尚新颖的家居家具，如餐桌、茶几、电视柜、椅子等，也可用于较厚重的现代家具，如橱柜、书柜、立柜大型板式家具及轻巧绿色能够重复利用的办公家具，如文件柜、办公桌椅、书立、档案盒等，还可用于承重性较强、结构简单的大型家具，如展示柜、工作台，大型运动场馆使用的媒体桌和服务台等，以及探索开发美观、实用、环保性强的儿童家具、休闲家具等，或者用于承载较大质量的家具支撑底座，模块或零部件等，还可根据不同群体和对象研制其他家具产品，满足不同的消费需要。
2.3镀铝瓦楞纸板概念家具设计
根据家具设计意图，对所获得的镀铝瓦楞纸板材料进行分切和加工，可将其制备成各种中小型轻便镀铝瓦楞纸板家具产品。折叠结构形式、层叠结构形式、插接结构形式和组合结构形式及其工艺方法是镀铝瓦楞纸板概念家具设计的常用形式[13-15]。同时使用不同的镀铝瓦楞纸板制作家具时，应根据家具特性确定其成形工艺，构思结构和进行不同的造型设计。镀铝瓦楞纸板是由多层纸板复合而成的，如使用三层板制作家具，家具设计及加工工艺可根据特定需要，对镀铝瓦楞纸板进行模切标准压痕后通过折叠来实现，如镀铝瓦楞纸板插接结的构凳子和桌子见图1-2，采取折叠结构形式，将镀铝瓦楞纸板面材模切成按照设计意图事先设定好的造型，通过折叠构成立体形态家具。
3镀铝瓦楞纸板概念家具拓展设计
3.1概念家具拓展设计创意思路
随着科技的发展，创新材料和设计已成为各国研发的主题，设计师力图采用不同类型的材料进行创新设计，富有想象力的设计构思会形成具有生命力的家具。按此思路使用镀铝瓦楞纸板作为新型材料，采用模块化家具组合的设计方法，应用于镀铝瓦楞纸板概念家具设计。组合家具是由标准零部件或若干个标准化模块组合而成的，家具的整体功能可划分为若干个子功能，整体功能通过不同的模块或零部件组合来实现，现代家具特别是板式家具的模块化结构，拆装灵活，用途多样，容易组合。模块化组合家具可通过灵活切换模块转换功能，产生各种不同的使用方法或衍生新型家具来满足需求差异，其制作过程应注意标准化、组合化、通用性等特征。组合模块家具的种类众多，如桌凳、茶几、床等，家具的形态变得更加丰富多样，功能性也得到更大程度的拓展。
3.2镀铝瓦楞纸板与其他材料的组合设计
镀铝瓦楞纸板制作的标准模块，根据使用需要，配合其他材料，如设计镀铝瓦楞纸板模块组合餐桌，这种设计充分发挥两种不同材料的优势互补作用，餐桌上部分桌面使用玻璃材料，餐桌下部分底座采用镀铝瓦楞纸板模块。玻璃面材具有坚硬、光滑、耐磨、耐烫、容易清洗的特点，镀铝瓦楞纸板塑造成各种所需形状模块的底座，具有较强的支撑作用。另外可根据设计餐桌面板大小自行决定底座标准模块配置的多少。餐桌面板材质、形状和规格可依据消费者需要，利用造型要素交合法提取造型要素，灵活派生多种设计方案。家具模块化设计的实践方法，可开发研制新功能模块与部分通用模块形成新家具，可用通用模块和接口结构组合成新家具，可通过部分通用模块改型形成新家具，可以以通用为主与部分专用模块构成新家具，还可采用如木材、塑料、金属、玻璃等不同质地的材料进行模块组合成形。
3.3模块化的应用组合
模块化是设计模块作为标准化、通用化的零部件灵活组成多种新家具的设计方法。以镀铝瓦楞纸板制作的标准模块，还可按对家具不同使用价值的需求，来制作不同种类和规格的镀铝瓦楞纸板的标准化模块，并配合其他材料设计制作中小型家具。根据设计意图，结合镀铝瓦楞纸板制作的标准模块，可选用层叠结构形式的镀铝瓦楞板模块，组合形成茶几、长条桌等家具。利用镀铝瓦楞纸板制作的标准模块为主要造型材料，结合多种其他材料，创造性地设计多种变化造型。选用镀铝瓦楞纸板和其他材料共同构成概念家具时，可充分利用两种材料各自的优势特点进行设计，推进镀铝瓦楞纸板新材料的应用。可将其应用于制备各种中小型轻便纸板家具产品中。
4结语
本文介绍了溅射镀膜的基本原理和特点。根据现有设备，摸索出多种镀膜的工艺参数，重点介绍了溅射镀膜技术的实际应用。
2溅射设备
2.1溅射基本原理
镀膜工艺在各行各业中已得到广泛应用，在电镀行业中有人称为“干镀”。在电子、光学领域人们常叫薄膜沉积技术或真空镀膜技术。
真空镀膜技术按其成膜的基本原理可以分为下列几类：物理气相沉积、化学气相沉积和等离子体刻蚀等。其中物理气相沉积包括热蒸发、溅射、离子镀和离子束。
溅射只是入射离子和靶材表面原子进行能量交换，使靶材原子获得足够能量脱离母材，并按相应的溅射方向飞跃出来。它与气蚀概念无关。溅射的材料适应性广：高熔点、介质、化合物、陶瓷和合金等材料均可作为靶材。溅射粒子的初始动能较大（1?10电子伏特），蒸发仅有0.1电子伏特，离化率高。也就是说：用荷能离子轰击靶材，而使其表面原子从靶材逸出的过程。荷能离子--氩离子是由辉光放电形成的等离子体提供的。
溅射可分为二级、三极、四极和磁控。磁控溅射又分为直流源和交流源。
2.2磁控溅射技术
溅射技术经历了一个漫长的发展过程，才达到了实用化程度。1970年后，才出现磁控溅射装置，约1975年时有了商品。它使薄膜工艺发生了深刻变化，不但满足薄膜工艺越来越复杂的要求，而且促成了新的薄膜工艺。我国1980年前后发展了磁控溅射技术，现已广泛使用。
磁控溅射被称为一种高速低温的溅射技术，它本质上是磁控模式进行的二极溅射，它的发展是从强化放电理论出发的，事实上它既收到了提高溅射速率的效果，又达到了降低基片温升的目的。
磁控溅射装置是在直流二极溅射靶的内侧加上固定的磁场，该磁场用恒磁体来实现。靶的背面有冷却水套，靶的正面有屏蔽罩。
当靶上加上一个电压时，电场E和磁场B相互垂直，此时电子的运动是以速度为Vt，旋转半径为Rg的螺旋运动，在空间的三维轨道为螺旋距变化的斜螺旋线。
平面磁控靶的电场和磁场相互正交排列，产生了强的聚焦力，作用在快速电子上，而产生的二次电子在封闭的轨道上作无穷无尽的摆线运动。“跑道”式的电子漂移或是跨跃跑道的电子振荡都在阴极暗区外侧产生了丰富的电离，等离子体的磁聚焦由于静电聚焦作用得到了进一步增强。在阴极暗区边缘产生了电离密集区。由于磁体成环状腐蚀区，正离子很容易受到阴极压降的作用而垂直入射轰击在靶面上。
磁场的磁力线形成弧形的闭合磁路，起作用的仅有平行于靶面与电场E相垂直的Bx分量，由于各处Bx分量大小不等，使得“跑道”形状腐蚀区中间的等离子体强度最大，从而离子流轰击靶材粒子逸出最多，结果环状中间腐蚀最深，边缘最浅。所以经长期溅射的平面靶材出现一个环状沟糟。
2.3溅射镀膜的特点
(1)对溅射靶的面积以及形状无限制，而且可以在大面积工件上获得分布均匀的薄膜。
(2)溅射速率由溅射产额和靶的轰击电流密度决定，通过控制工作电流即可控制溅射速率，从而方便地控制镀膜厚度。
(3)靶的使用寿命长，溅射镀膜设备适合长时间运行和自动化。因此，制造的膜层性能稳定、重复性好。
(4)由于靶是固体蒸发源，所以工件和靶的相对位置可以自由选择，方便在不同工件上镀膜。
(5)所采用的气体多为氩气、氮气等，安全可靠无危险。
(6)可采用合金靶、复合靶和镶嵌靶来制取满足成分要求的合金膜。
(7)高熔点物质、介质和绝缘物质也容易成膜。
(8)溅射膜附着力良好。
以上特点，为溅射镀膜广泛使用提供了充分条件。
3溅射镀膜工艺
设备是JCK-500型磁控溅射台，靶为BF-250型平面矩形靶，磁体采用锶铁氧体（恒磁体），距靶面5毫米，磁场强度B大于400高斯。
为了溅射各种用途的“膜”，分别应用了Ta、Au、Ni、Ti、Cu、Ag、Al金属作为靶材，由于该设备有四个靶，可装四种不同材料的靶，因此可以在抽好真空时，一次完成四种金属的溅射，这方便了各类复合膜的制作。由于有两个气体入口，若通入反应气体可以制备各种化合物膜，例如钛在氩、氮气混合气氛中制备出TiN膜；锌在氩、氧混合气氛中制备出ZnO膜；铝在氩氧气氛中制备出A1203膜等等。
常用溅射条件：
At气量：0.01?0.001托
电压：400?900伏特
电流：2?10安培
由于靶材不同，厚度不同，所以在靶上施加电压时会呈现出不同的电压电流曲线，就JCK一500型溅射台的最佳溅射条件：电压500?600伏特，电流4?6安培，Ar气量（5-2)X0.01托，在工作中电压应保持在500伏特以上，根据不同材料可以适当改变Ar气量或电流大小.这样溅射出的膜质优良，性能最佳。
由于设备工件架可以按一定速度转动。保证了膜层的均匀性，长度方向20cm内，厚度差小于5%。
表1是对几种靶材实验时的工艺参数。
4溅射膜的作用
41制作微波集成电路
在微波集成电路中，导电材料主要作为传输线，互连线，电阻电容的电极，电感线圈等，在选材时需要考虑高频特征、沉积工艺、附着强度、可焊性等问题。目前国内普遍使用铬金或镍铬金制作微带线，方法大多数采用真空蒸发获得，但它与磁控溅射相比有许多缺点：生产数量不大、稳定性较差、可焊性差、附着力差。
为了克服上述蒸发工艺的一些缺点，可采用溅射的方法制作导电膜，经反复试验可以选用Ti_Cu-Ni-Au或Ta-Cu-Ni-Au及Cr-Cu-Ni-Au等复合膜代替传统的蒸发膜，并具有下述优点：
(1)可以在同一次真空中完成膜的制作，不需
要电镀；
(2)由于Ni层的引入，大大提高了焊接性能，Ni的隔热作用防止了Cu、Au相互扩张。电路表面，如金层被“吃掉”时，Ni同样具有优良的焊接性能；(3)节约黄金，生产批量大，缩短了工时，使成本降低；(4)溅射膜比蒸发膜的附着力高。
4.2电阻、电容的制作
电阻、电容可以用溅射Ta的方法制作，做成微小型片电阻、电容，也称无引线倒装阻容元件或芯片阻容元件。如果需要也可与“MLC”做在同一基片上。电阻值在几欧姆到几兆欧范围内，电容值一般在几十微微法到几百微微法内。
适当控制、改变工艺条件就能做出性能特别优异的电阻、电容，它适用于薄膜电路，厚薄膜混合电路，精密电阻网络，如转换器及温度补偿网络，各类精密衰减器件中。
4.3其他方面的应用
溅射膜除用于电子电路外，还有许多用途，如光学、装璜等方面。
(1)特种灯的聚光罩，用溅射铝膜的方法可得到极高的反光指数，有很强的聚光作用，这样的照明装置可以照射几十米外的距离。现已广泛用于边防前线.公安部门，还可用于文化艺术方面的舞场、舞厅、舞台演出作布景用，从1985年起，每年生产若干万件，生产量逐年增加，需求量越来越大。
(2)溅射钛、如在氩、氮混合气氛中进行，就能制备出TiN膜，能使模具、刀具的寿命提高5-10倍。表带表壳仿金色。玩具、日用品、陶瓷等都可以做成金色、古铜色、银色等等。
(3)各种用途的塑料制品，如需金属化都可以用溅射的方法获得。
塑料膜、纸张的金属化可制成铝箔、银箔、锡箔，用于包装与装璜。
塑料膜作掩膜溅射导电金属，可用于“电子薄膜式触摸按键开关”。如BSM系列电脑皮带秤面板上的功能操作键就是用这种方法。它省去了所有立体的开关、按键，在其它许多电子设备上也适用。
5彩电色度延迟线的光学玻璃、PZT压电陶瓷的金属化最初试验时采用蒸发铬金，常有脱落现象，特别是焊接问题不能过关，成为关键问题。经试验，用复合膜可以满足使用要求。由于使用贱金属，大大降低了成本，便于民用产品的开发，现有设备对40X12(mm)的换能片一次可溅射240片，可作延迟线器件8000件，对于40X20(mm)的光学玻璃一次可溅射120片，可作器件4000件，现能大批量投入生产。
6各类传感器的应用
雷达伺服传动系统的码盘，数控自动化机床采用的光电传感器，用溅射方法很容易得到品质优良的器件。
另外难度比较大的，采用半导体集成工艺制成的包括变换器、敏感元件、放大电路、调整及补偿电路在内的混合式集成传感器，用于压力，流量、液体、加速度、声音和温度等多种测量，由于集成化带来小化，这在医用传感器上是特别重要的，例如ZnO薄膜是一种很重要的压电材料。此外.在光电材料和敏感材料领域也占有重要地位，用反应派射出的ZnO膜是做气敏元件的好材料，它可以测量酒精浓度、一氧化碳浓度等等。
总之，溅射膜几乎可以取代传统的蒸发膜，而且正广泛深入应用到各科技领域和民用产品中去。
7结语
我国70年展起来的微波集成电路或称薄膜电路，早已进入成熟应用阶段。在微波仪表、通讯、雷达、导航、遥控、卫星等设备上大量采用。同时又从军用向民用方向发展.取得了许多有价值的经济成果柙技术成果.这是众所周知的。现仍在继续稳步深入发展：比如薄膜多层电路、单片微波集成电路的研制：由于厚膜电路工艺简单、材料低廉、成本低,所以取代了部分薄膜电路，但随着使用频率提高，特别是毫米波、亚毫米波、厚膜电路是无法胜任的，因而薄膜电路是不可缺少的重要技术。继续突破新的技术问题才是至关重要的。
当然在薄膜电路的深入发展中，溅射工艺将会起着特殊重要的作用。
关键词：薄膜太阳能电池；发展状况；特征；种类
中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1007—9599 （2012） 14—0000—02
一、太阳能电池概述
伴随着经济社会的不断快速发展，经济增长对于环境污染的问题也变得越来越严重，因此基于可持续发展理念来进行工业生产、服务提供等成为当今世界经济发展的主旋律，而这也使得经济环保技术与工业生产相结合的理念深入人心。另一方面，在资源有限的情况下，如何有效利用现有资源，并不断开发出对新资源的运用也是摆在可持续发展理念上的重要考虑对象。基本看来，目前人们普遍认为对于太阳能的有效运用是解决能源危机、环境问题的最有效的途径。太阳能资源不仅具有清洁型能源的特征，而且其存在的长期性也能够解决人们对于能源的需求问题，太阳能电池是对于太阳能运用的最有效工具之一。太阳能电池已经经历了多个阶段的发展，其基本原理在于对半导体二极管的运用，将太阳所辐射过来的光波经由光伏作用转变为电能，为人们所用。半导体二极管能够在太阳光照射到其表面时，将太阳光加以吸收，并转化为光子能量，将自身所带的电子激发到导电带部分，最终形成具有正的电极的空穴，从而演进为光生载流子。在形成光生载流子之后，其能够在二级管内发生分离，而电子也相应的发生位置变化，最终带来空穴发生变化，产生具有负极的电极。正负极电荷的不断聚集，就演变为光伏效应，产生电压。因此，太阳能用的半导体二极管秩序在已经形成的两极进行线路连接，就可以将形成的电能导出。尽管太阳能的发展种类很多，但却普遍存在光电转化效率不高的状况，而这在军事领域、航天领域发展当中难以起到自身应有的作用，而提升光电转化率也成为太阳能研究的焦点所在。光电转化效率的研究多聚焦于太阳能材质的改革、对于元器件进行创新等方面，以增加太阳能电池对于阳光的吸收力度，减少阳光在太阳能电池中的传播距离等，最终提升光转电效率。当然，关于太阳能电池的研究十分广泛，而薄膜太阳能电池也逐步发展成为当今太阳能电池研究的最重要区域。
二、薄膜太阳能电池的发展及特性
（一）薄膜太阳能电池的发展
薄膜太阳能电池，顾名思义，其是在塑胶、玻璃或是金属基板上形成可产生光电效应的薄膜，厚度仅需数μm，因此在同一受光面积之下比硅晶圆太阳能电池大幅减少硅原料的用量。薄膜太阳能电池并非是新概念的产品，实际上人造卫星就早已经普遍採用砷化镓（GaAs）所制造的高转换效率薄膜太阳能电池板（以单晶硅作为基板，转换效能在30%以上）。不过，一方面因为制造成本相当高昂，另一方面除了太空等特殊领域之外，应用市场并不多，因此直到近几年因为太阳能发电市场快速兴起后，发现硅晶圆太阳电池在材料成本上的局限性，才再度引起为产业研发的关注，目标则是发展出材料成本低廉，又有利于大量生产的薄膜型太阳能电池。自2006下半年以来，因全球太阳能市场需求成长，造成硅原料供应不足、硅晶太阳能电池及模组生产成本水涨船高。而薄膜太阳能电池因具有轻薄、低成本、可挠曲、多种外观设计等优点，成为继硅晶太阳能电池之后，被认为是当前最具发展潜力的太阳能技术。
（二）薄膜太阳能电池发电原理
薄膜太阳能电池，是以pn半导体接面作为光吸收及能量转换的主体结构。在基板上分别涂上二种具不同导电性质的p型半导体及n型半导体，当太阳光照射在pn接面，部份电子因而拥有足够的能量，离开原子而变成自由电子，失去电子的原子因而产生空穴。透过p型半导体及n型半导体分别吸引空穴与电子，把正电和负电分开，在pn接面两端因而产生电位差。在导电层接上电路，使电子得以通过，并与在 pn 接面另一端的空穴再次结合，电路中便产生电流，再经由导线传输至负极。从光产生电的过程当中可知，薄膜太阳能电池的能量转换效率，与材料的能隙大小、光吸收系数及载子传输特性相关，因此厂商就提升转换效率的研发方向出发，往往也从材料选用、镀膜方面著手。
（三）薄膜太阳能电池发展的特征
首先是较高的生产成本。除了转换效率造成薄膜太阳能电池无法普及外，昂贵的建厂成本，往往也是令厂商却步的原因。以建一座30MW的太阳电池工厂为例，硅晶太阳电池的投资成本约4000～6000万人民币，而薄膜太阳能电池则为其成本的5～10倍不等，价格差别如此之大，在没有雄厚资金注入的情况下，特别是在目前全球经济不景气的环境下，厂商更难获取充裕的资金，因此无法建立相应的厂房设备。
其次是原料供应充足。在镀膜部分，非晶硅太阳能电池所需的硅镀膜亦只需1～2μm，厚度仅为硅晶圆的1/100，当硅料短缺时，可节省较多的材料费。而CIGS所需的硒、铟及CdTe的碲虽为稀有金属，但因全球对此类原料的需求量仍低，故不存在缺料问题。
最后是与载体做造型整合。由于薄膜电池非使用结晶硅做基板，因此不会受到晶圆尺寸大小限制，故容易进行大面积及客制化生产。加上有些基板具有轻薄、可透光且可挠的特色，因而增加薄膜太阳能电池造型设计的弹性空间及应用范围，例如，可结合商业设施、大楼及住宅，融入遮阳板、玻璃帷幕及屋顶等进行相关设计。
三、薄膜太阳能电池种类
购物车(0)
