材料概论(周达飞)(二版)第3-2章.ppt

物理气相沉积法(Phsical Vapor Deposition，PVD) 化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD),气相法 液相法 固相法,3.2 工艺过程与方法 整个材料领域中，可分为3大类：,1.物理气相沉积法(PVD) 利用电弧、高频电场or等离子体等高温热源将原料 加热 高温气化/等离子体 骤冷 凝聚成各种形态(如晶须、薄片、晶粒等) 。包括3个步骤：,蒸汽的产生：简单的蒸发和升华or阴极溅射方法。 通过减压使气化材料从供给源转移到衬底。挥发的镀膜材料能用各种方式激活or离子化，离子能被电场加速。 在衬底上发生凝结，最后可能是在高能粒子轰击期间，or在反应气体or非反应气体粒子碰撞过程中(or两者共同作用)，通过异相成核作用和膜生长形成1种沉积膜。,PVD法制备薄膜材料 在一定的基体表面制备膜层，由元素和化合物从蒸气相凝结而成。膜沉积技术的基本类型有： (1)真空沉积法(真空蒸镀) (2)溅射法：利用溅射现象使飞出的原子团or离子在对面基片上析出的方法。 (3)离子镀法： 蒸镀工艺与溅射技术的结合(较新)，基本原理与真空沉积法相同.,(1)真空沉积法(真空蒸镀)：很早就用于电容器、光学薄膜、塑料等的真空蒸镀、沉积膜等，近年用于塑料表面镀金属，还制备In2O3-SnO2系等透明导电陶瓷薄膜。,机理:将需制成膜的金属元素or化合物在真空中蒸发or升华，使之在基片表面上析出并附着的过程。,图 真空沉积法机理图,第三章 材料的制备方法,优点：与真空沉积法相比，所得到的膜成分基本上与靶材相同，易于获得复杂组成的合金，而前者合金成分和蒸气压的差异无法精确控制；溅射法与基体的附着力蒸镀法。 应用金属or合金膜(特别是e元件的电极和玻璃表面红外线反射薄膜)，还功能薄膜如液晶显示装置的In2O3-SnO2透明导电陶瓷薄膜。,（2）真空溅射法：荷能粒子（高能的离子、中性原子等）冲击靶材，使靶材表面原子or原子团逸出。,溅射设备主要有以下几种：,二极直流溅射：最简单，很早就工业生产，但无法获得绝缘膜。 高频溅射：可在较低电压下进行，能制介质膜，高频溅射仪自1965年问世以来很快得到普及，数量在溅射仪中占绝对优势。 磁控溅射：与真空蒸镀相比，二极直流or高频溅射的V成膜都非常小(只有50nm/min，约为蒸镀的1/51/10)。磁控溅射是在溅射仪中附加了磁场，洛仑兹力的作用，能使V溅射，使溅射技术新的高度。 反应溅射：通过将活性气体混合在放电气体中，可控制膜的组成和性质，主要用于制绝缘化合物薄膜。可采用直流、高频和磁控等溅射方法。,第三章 材料的制备方法,(3)离子镀法 是蒸发工艺与溅射技术的结合，1种较新的方法。 薄膜的耐磨性、耐磨擦性、耐腐蚀性等，与基片的结合强度，在形状复杂的基片表面能形成厚度较均匀的薄膜等。不像电镀那样有废液产生，作为无公害涂膜法正在拓展其应用。,基本原理与真空沉积法相同，将蒸发了的金属原子在等离子体中离子化后在基体上析出薄膜。通过输入反应性气体也能够析出陶瓷等化合物膜。与前者相比，作用气体P高，膜均匀性较好，与基体结合性也好。,第三章 材料的制备方法,B. PVD法制备超细粉体材料 可制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物or金属等微粉。特别适用于制备液相法和固相法难以直接合成的非氧化物系列(金属、合金、氮化物、碳化物等)的超细粉，粒径通常0.1m，且分散性好。,真空蒸发法是目前用PVD法来制备超细粉理论上研究最多和制备超细粉最常用的方法之一。 优点：可通过输入惰性气体和改变P载气来调节微粒的大小、表面光洁度和粒度均匀性。也存在形状难控制、最佳工业条件难以掌握等问题。,2.化学气相沉积法(CVD) A. CVD法原理：涉及反应化学、热力学、动力学、转移机理、膜生长现象和反应工程。以金属蒸气、挥发性金属卤化物、氢化物or金属有机化合物等蒸汽为原料 气相热分解反应， or2种单质or化合物的反应 凝聚生成 各种形态的材料。可制多种组成的材料：单质、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等,CVD法的反应类型：热分解、化学合成(氢还原、氧化、水解、固相、置换) CVD法的分类：热CVD法、等离子体CVD法、光子增强CVD法、激光CVD法 CVD的原料种类：卤化物、氢化物、有机金属化合物等,以制备涂层为例，反应气体中不同物质间的化学反应和向基片的析出是同时发生的，机理是复杂的。,析出CVD涂层的模型图,从混合气中析出CVD涂层的沉积过程可理解为由几个过程构成:,原料气体向基片表面扩散； 原料气体吸附到基片上； 进行表面反应 析出颗粒在表面的扩散； 产物从气相分离； 从产物析出区向块状固体的扩散。,第三章 材料的制备方法,从气相析出固相的驱动力(driving force)：,基体材料和气相间的扩散层内存在的温差T； 不同化学物质的浓度差； 由化学平衡所决定的过饱和度。 不同T析出和过饱和度将引起的析出物质的形态变化图314，实际应用中可根据反应条件的不同薄膜、晶须、晶粒、颗粒和超细粉体等不同形态的材料。,图3-14 CVD法所得产物的形态与T析出和过饱和度的关系,热CVD膜的组织与析出温度的关系,B. CVD工艺流程与基本装置,尽管CVD种类不同，但工艺流程基本上相同。CVD设备大多可分为4部分：,室温下呈气态的原料从高压贮气瓶通过纯化装置直接输入CVD反应炉; 液体or固体原料则需要使其在所规定的温度下蒸发or升华，并通过Ar、He、N2、H2等载气送入反应炉内; 废气必须通过放有吸收剂的水浴瓶、收集器或特殊的处理装置后进行排放。,(1)反应室; (2)加热系统; (3)气体控制系统 (4)排气系统。,CVD的基本工艺流程示意图,高压气体,泵,气体混合,高压原料气体,原料蒸发、升华器,流量调节、测定器,气体纯化装置,废气 处理器,热壁型方式的CVD反应炉,加热器,反应室,底材,反应气体,运载气体,气化槽,排气,第三章 材料的制备方法,C影响CVD的参数,反应体系成分、气体组成、P、T等。用CVD法制作的材料特性不仅与相应的化学反应关系极大，而且即使初始物质相同，也会由于CVD条件的不同而发生显著的变化。图316表示用CVD法制作薄膜涂层时应该控制的CVD参数与CVD基本反应过程之间的关系。,4.CVD法的特点,1.可在远低于材料熔点的温度下进行材料的合成；,10.能合成亚稳态物质和新材料的。,2.对于由 2种元素构成的材料，可调整其组分；,3.可控制晶体结构，还可使其沿特定的结晶方向排列；,4.可控制材料的形态（粉末状、纤维状、块状）；,5.不需要烧结助剂，可合成高纯度高密度的材料；,6.结构控制一般m亚m，某些条件下能达到级；,7.能制成复杂形状的制品；,8.绕镀性好，能对复杂形状的底材进行涂覆；,9.能容易地进行多层涂覆；,3.气相聚合 流化床气相聚合反应器的特点之一：传热特性好，T均匀。烯烃聚合过程是1个强放热反应，且树脂易熔融，对T要求高，有必要流化床作反应器。而且气相聚合免除了溶剂的精制与回收，可以节省投资和操作的费用。该技术最早由美国联碳公司(UCC)实现工业化，可进行乙烯、丙烯的均聚和共聚过程。,流化床气相聚合工艺与设备：工艺流程相对简单。关键设备：流化床反应器、循环气体压缩机、循环气体冷却器、调温水换热器、引发剂加料器、产品出料罐和产品吹扫罐，见图317。反应气体的循环是工艺流程的特征。,图317流化床气相聚合工艺示意图,共聚单体从循环气体压缩机出口、冷却器进口之间引入反应器；引发剂加入循环管路的位置是在冷却器出口与反应器入口之间。为调节组成，循环气部分放空前需要经过单体冷凝及粉粒分离器。 产品出料包括系统流化床料位测定、出料罐、吹送罐等。 流化床是整个聚合过程的核心设备，包括：筒体、分布板和扩大段3部分。 B.流化床反应器的基本原理,3.2.2 液相法 按制备时的反应状态、T等不同，又可分成：,第三章 材料的制备方法,1.熔融法 *2.溶液法：溶液聚合(均相和沉淀)和溶液缩聚。 *3.界面法：悬浮聚合、乳液聚合、界面缩聚 *4.液相沉淀法：沉淀剂 *5.溶胶-凝胶法 *6.水热法：制备无机材料超细粉及晶体材料 *7.喷雾法：溶剂蒸发法，盐溶液雾化成小液滴水分蒸发均匀的球状颗粒加热分解氧化物超细粉 *8.溶液生长法：人工合成晶体的制备 晶体原料做溶质-过饱和溶液随着结晶过程，晶体长大,通过加热使原料反应并熔融 (在加热过程和熔融状态下产生各种化学反应)从而形成一定的组成和结构。按T高低分为：,1.熔融法,A.高温熔融法：将矿物原料投入各种高温熔炉内，使其在高温下发生反应并熔融。如： 玻璃的熔制 金属的冶炼过程(高炉炼铁、转炉炼钢) *熔体生长单晶等。 *B.低温熔融法：制备高聚物 *本体聚合 *熔融聚合。