反應(yīng)等離子噴涂與等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)簡介

1、現(xiàn)代表面技術(shù) 101101922 反應(yīng)等離子噴涂與等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)簡介摘 要 本文簡要介紹了反應(yīng)等離子噴涂和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)的基本知識, 包括這兩種表面處理技術(shù)的原理、反應(yīng)過程、特點(diǎn)、 工藝參數(shù)、 應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容, 并結(jié)合具體實(shí)例來闡述通過這兩種技術(shù)所制備涂層的性能. 結(jié)果表明, 反應(yīng)等離子噴涂制備的涂層組織致密, 結(jié)合力好, 并且有很好的韌性; 而采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在鹽基體比在硅膠基體上獲得的涂層更加的致密連續(xù), 通過該技術(shù)制備的SiN薄膜應(yīng)用在太陽電池上, 可大幅度的提高電池效率. 關(guān)鍵詞 反應(yīng)等離子噴涂, 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積, 涂層THE INTROD

2、UCTION OF REACTIVE PLASMA SPRAYING AND PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION ABSTRACT This paper described the basic knowledge of the reactive plasma spraying and plasma enhanced chemical vapor deposition, such as the principles, the processes, the characteristics, technological parameters, appl

3、ications and so on. It also depicted the coatings performances made up by these two technologies. The results show that the coating prepared by the reactive plasma spraying has compact phases and good adhesions and good toughness; the coating prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition wit

4、h the salt substrate has a better compact phases than that with the silica gel substrate and this technology can be used to prepare the SiN films of the solar cell and it can improve the efficiency.KEY WORDS Reactive plasma spraying, Plasma enhanced chemical vapor deposition, Coating人們應(yīng)用表面處理技術(shù)已有上千年的

5、歷史, 從19世紀(jì)工業(yè)革命開始表面處理技術(shù)開始迅速發(fā)展, 尤其是最近幾十年來, 表面處理技術(shù)更是獲得飛速的發(fā)展, 涌現(xiàn)了大量的現(xiàn)代表面技術(shù), 在工、 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 生物、醫(yī)學(xué), 人們?nèi)粘Ｉ钪械玫皆絹碓綇V泛的應(yīng)用. 表面工程技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為橫跨材料學(xué)、摩擦學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、表面力學(xué)、材料失效與防護(hù)、金屬熱處理學(xué)、腐蝕與防護(hù)學(xué)、光電子學(xué)等學(xué)科的邊緣型、綜合型、復(fù)合型學(xué)科. 表面工程技術(shù)具有學(xué)科的綜合性、手段的多樣性、廣泛的功能性、潛在的創(chuàng)新性、極強(qiáng)的實(shí)用性和巨大的增效性, 因而受到各行業(yè)的重視, 產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益令人矚目1.對于固體材料來說, 使用表面技術(shù)的主要目的是提高材料的抵御環(huán)境作用的能力;

6、使材料表面具有某種功能特性, 包括熱、磁、光、電、吸附和分離等各種物理和化學(xué)性能; 可以實(shí)現(xiàn)在特定的表面上加工, 從而制造元器件、構(gòu)件和零部件等.表面技術(shù)使材料表面具有某種特殊功能主要是通過以下兩種途徑2得以實(shí)現(xiàn)的: 施加各種覆蓋層, 主要采用各種涂層技術(shù), 包括電鍍、化學(xué)鍍、堆焊、熱噴涂、塑料粉末涂敷、熱浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍、化學(xué)氣相沉積、分子束外延制膜、離子束合成薄膜技術(shù)等. 此外, 還有其他形式的覆蓋層, 例如各種金屬經(jīng)過氧化和磷化處理后的膜層和貼片的整體覆蓋層等. 用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法, 改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀

7、態(tài), 即采用各種表面改性技術(shù). 主要有噴丸強(qiáng)化、表面熱處理、化學(xué)熱處理、等離子體表面處理、激光表面處理、電子束表面處理、高密度太陽能表面處理、離子注入表面改性等. 1 緒論1.1 反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)1.1.1 反應(yīng)等離子噴涂的工作原理及反應(yīng)過程反應(yīng)等離子噴涂是利用等離子焰流作為熱源, 引發(fā)所噴涂粉末發(fā)生高溫自蔓延反應(yīng), 反應(yīng)放出的熱量使其本身迅速蔓延, 從而在焰流中合成所需產(chǎn)物, 并以極高的速度噴出, 沉積到基體上形成涂層3. 產(chǎn)物的合成以及涂層的形成幾乎是同步完成的. 這種表面工程技術(shù)可以提高工件耐蝕、耐磨、耐熱等性能. 其工作原理如圖1所示, 其中等離子弧是一種高能密度熱源, 當(dāng)噴槍的鎢電

8、極 (陰極) 和噴嘴 (陽極) 分別接電源負(fù)極和正極(工件不帶電) 時(shí), 通過高頻振蕩器激發(fā)引燃電弧, 使供給噴槍的工作氣體在電弧的作用下電離成等離子體. 由于熱收縮效應(yīng), 磁收縮效應(yīng)和機(jī)械收縮效應(yīng)的聯(lián)合作用, 電弧被壓縮, 形成非轉(zhuǎn)移型等離子弧. 圖1 反應(yīng)等離子噴涂工作原理Fig.1 The schematic plan of the reactive plasma spraying 以TiN涂層的形成過程為例, 其反應(yīng)過程如圖2所示4. Ti粉顆粒在進(jìn)入高溫等離子焰流中的一瞬間就開始熔化、收縮, 表面甚至被部分汽化. 在這種狀態(tài)下, Ti粉顆粒表面與氮等離子體中的N原子、離子及部分 N2

9、分子充分接觸, 發(fā)生燃燒合成反應(yīng)并放出大量的熱量. 由于等離子氣流的作用, 表面反應(yīng)后的Ti顆粒在熔化狀態(tài)下會(huì)不斷的旋轉(zhuǎn), 使內(nèi)部沒有反應(yīng)的Ti運(yùn)動(dòng)到顆粒的表面, 進(jìn)一步進(jìn)行氮化反應(yīng). 而劇烈的反應(yīng)和等離子氣體使大部分生成的TiN熔滴破碎成細(xì)小的顆粒, 在撞擊基體之前, 這些小顆粒部分團(tuán)聚在一起, 還有部分團(tuán)聚以后被燒結(jié)形成較大的顆粒團(tuán)聚體, 然后撞擊到基體表面, 形成TiN涂層. 圖2 反應(yīng)等離子噴涂TiN涂層過程示意圖 Fig.2 Schematic process of reactive plasma spraying TiN coating 1.1.2 反應(yīng)等離子噴涂的特點(diǎn)反應(yīng)等離子噴

10、涂技術(shù)是在火焰噴涂之后大力發(fā)展起來的一種新型多用途的精密噴涂方法, 它具有以下特點(diǎn): 反應(yīng)溫度很高, 有利于進(jìn)行高熔點(diǎn)材料的噴涂. 噴射粒子的速度高, 所形成的涂層致密, 粘結(jié)強(qiáng)度高. 由于使用惰性氣體作為工作氣體, 所以噴涂材料不易氧化, 性能好. 1.1.3 影響涂層質(zhì)量的工藝參數(shù) 在反應(yīng)等離子噴涂過程中, 影響涂層質(zhì)量的工藝參數(shù)5很多, 主要有: 等離子氣體氣體的選擇原則主要根據(jù)的是可用性和經(jīng)濟(jì)性, N2氣便宜, 并且離子焰熱焓高, 傳熱快, 有利于粉末的加熱和熔化, 但是對于容易發(fā)生氮化反應(yīng)的粉末或基體則是不適用的. Ar氣電離電位較低, 等離子弧穩(wěn)定且易于引燃, 弧焰較短, 適用于小

11、件或薄件的噴涂, Ar氣還具有很好的保護(hù)作用, 但Ar氣的熱焓低, 并且價(jià)格昂貴, 所以要綜合考慮, 有效的選擇等離子氣體. 電弧功率 電弧功率太高, 會(huì)使電弧溫度升高, 更多的氣體將轉(zhuǎn)變成為等離子體, 在大功率,低工作氣體流量的情況下, 幾乎全部工作氣體都轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚缘入x子流, 等離子火焰溫度也很高, 這可能使一些噴涂材料氣化并引起涂層成分改變, 噴涂材料的蒸汽在基體與涂層之間或涂層的疊層之間凝聚引起粘接不良. 此外還可能使噴嘴和電極燒蝕. 而電弧功率太低, 則得到部分離子氣體和溫度較低的等離子火焰, 又會(huì)引起粒子加熱不足, 涂層的粘結(jié)強(qiáng)度, 硬度和沉積效率較低. 供粉 供粉速度必須與輸入功率

12、相適應(yīng). 過大, 會(huì)出現(xiàn)生粉(未熔化), 導(dǎo)致噴涂效率降低; 供粉速度過低, 粉末氧化嚴(yán)重, 并造成基體過熱. 噴涂距離噴涂距離過大, 粉粒的溫度和速度都會(huì)下降, 結(jié)合力、氣孔、噴涂效率也會(huì)明顯下降; 噴涂距離過小, 會(huì)使基體溫升過高, 基體和涂層氧化, 影響涂層的結(jié)合. 在基體升溫允許的情況下, 噴涂距離應(yīng)該適當(dāng)小些. 基體溫度控制 較理想的噴涂工件是在噴涂前把工件預(yù)熱到噴涂過程所要達(dá)到的溫度, 然后在噴涂過程中對工件采用噴氣冷卻的措施, 使其保持原來的溫度. 1.2 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)1.2.1 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的性質(zhì)及原理等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積是借助微波或射頻產(chǎn)生輝光放電,

13、 使含有薄膜組成原子的氣體電離, 在局部形成等離子體, 而等離子體化學(xué)活性很強(qiáng), 這就會(huì)降低沉積溫度, 很容易發(fā)生反應(yīng), 從而在基片上沉積出所需要的薄膜. 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法早已用來制備多種非晶半導(dǎo)體材料, 它的優(yōu)勢在于可以在比傳統(tǒng)的熱化學(xué)氣相沉積更低的溫度下獲得化合物的薄膜材料. 之所以具有低的沉積溫度, 是由于在輝光放電的低溫等離子體中含有大量高能量的電子, 它們提供了化學(xué)氣相沉積過程所需的激活能. 電子與氣相分子的碰撞促進(jìn)了氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過程, 生成活性很高的各種化學(xué)基團(tuán), 因而顯著降低薄膜沉積的溫度, 使原來需要在高溫下才能進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積過程可以在低溫下

14、得到實(shí)現(xiàn). 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的設(shè)備主要有鍍膜室、電極、射頻電源、樣品加熱臺、泵抽系統(tǒng)、真空測量系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等組成, 其沉積設(shè)備及原理如圖3所示: 圖3 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備和原理圖 Fig.3 The sketch of PECVD set-up in this work and its working principle1.2.2 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的主要過程采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備薄膜材料時(shí), 薄膜的生長主要包含三個(gè)過程6:首先, 在非平衡等離子體中, 電子與反應(yīng)氣體發(fā)生初級反應(yīng), 使得反應(yīng)氣體發(fā)生分解, 形成離子和活性基團(tuán)的混合物.其次, 各種活性基

15、團(tuán)向薄膜生長表面和管壁擴(kuò)散輸運(yùn), 同時(shí)發(fā)生各反應(yīng)物之間的次級反應(yīng).最后, 到達(dá)生長表面的各種初級反應(yīng)和次級反應(yīng)產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng), 同時(shí)伴隨有氣相分子物的再放出.具體說來, 基于輝光放電方法的等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)是通過高能電子和反應(yīng)氣體分子的非彈性碰撞, 使氣體分子電離或者使其分解, 產(chǎn)生中性原子和分子生成物. 正離子受到離子層加速電場的加速與上電極碰撞, 放置襯底的下電極附近也存在有一較小的離子層電場, 所以襯底也受到某種程度的離子轟擊. 因而使分解產(chǎn)生的中性物擴(kuò)散到達(dá)管壁和襯底. 這些粒子和基團(tuán)在漂移和擴(kuò)散的過程中, 由于平均自由程很短, 所以都會(huì)發(fā)生離子-分子反應(yīng)和基團(tuán)-分

16、子反應(yīng)等過程. 到達(dá)襯底并被吸附的化學(xué)活性物的化學(xué)性質(zhì)都很活波, 由它們之間的相互反應(yīng)從而形成薄膜. 1.2.3 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的優(yōu)缺點(diǎn)各種表面處理技術(shù)都有它的優(yōu)缺點(diǎn), 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)也不例外, 它的優(yōu)缺點(diǎn)是: 優(yōu)點(diǎn)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)具有沉積溫度低、沉積速度快、產(chǎn)能大、工藝較為簡單且重復(fù)性好、薄膜均勻性好、可大面積制備等優(yōu)點(diǎn). 缺點(diǎn) 但等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)的工藝尾氣有一定的危害性, 對環(huán)境和人體均會(huì)造成不利的影響, 需要在設(shè)計(jì)上采取適當(dāng)?shù)奶幚碓O(shè)施和相應(yīng)的防范措施, 將危險(xiǎn)和有害因素減少到最低程度, 從而達(dá)標(biāo)排放, 并保證工作人員在生產(chǎn)過程中的安全和健康. 1.

17、2.4 影響涂層質(zhì)量的工藝參數(shù) 沉積溫度沉積溫度是影響沉積層質(zhì)量的重要因素, 而每一種材料都有自己最好的沉積溫度范圍. 總的來說, 溫度越高, 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的化學(xué)反應(yīng)速率就越快, 氣體分子或原子在基材表面吸附和擴(kuò)散作用就越強(qiáng), 所以沉積速率也越快, 這使沉積層致密性好, 結(jié)晶完美, 但過高的沉積溫度也會(huì)造成晶粒粗大的現(xiàn)象. 當(dāng)沉積溫度過低時(shí), 會(huì)使反應(yīng)不完全, 產(chǎn)生不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和中間產(chǎn)物, 這會(huì)使沉積層和基材表面的結(jié)合強(qiáng)度大幅下降. 反應(yīng)氣體分壓 (氣體配比) 反應(yīng)氣體分壓是決定沉積層質(zhì)量好壞的重要影響因素之一, 它直接影響沉積層形核、生長、 沉積速率、 組織結(jié)構(gòu)和成分等, 所以在實(shí)

18、驗(yàn)中要合理的選擇. 沉積室壓力 沉積室壓力7與化學(xué)反應(yīng)過程密切相關(guān), 壓力會(huì)影響沉積室內(nèi)熱量和質(zhì)量及動(dòng)量傳輸, 因此影響沉積速率、沉積層質(zhì)量和沉積層厚度的均勻性. 2 性能2.1 反應(yīng)等離子噴涂制備涂層的特點(diǎn)Lisong Xiao等8在Q235鋼的基體材料上成功制備了TiN涂層, 并用XRD分析TiN涂層的相組成, 用SEM和TEM來觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu), 結(jié)果表明: 用反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)制備的TiN 涂層是由TiN (主要) 和Ti3O 組成的, 該涂層的厚度大于300 m, 由等軸并且均勻的納米尺度的顆粒組成, 并且在這些涂層中沒有發(fā)現(xiàn)柱狀晶的存在. 且晶粒尺寸隨著輸入功率的增加而變的越來越

19、粗大. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示:(1) 涂層的相組成圖4 TiN涂層的XRD Fig.4 X-ray diffraction pattern on the coating of TiN圖4為TiN涂層的XRD, 從圖中可以看出, 涂層中只存在TiN (fcc) 和Ti3O (hcp), 而不存在其它相. TiN存在五個(gè)尖銳的峰值, 這表明TiN是該涂層的主相, 它們的晶面分別為: (111) 、 (200) 、(220)、(311) 和 (222), 其中, (111) 和 (200) 是擇優(yōu)取向的方向. 然而, 在XRD圖譜中同時(shí)存在Ti3O的五個(gè)較弱的峰, 它們的晶面分別為: (110)、 和

20、(223), 其中, 是密排面. TiN的 (200) 之所以是擇優(yōu)取向的方向, 是由于反應(yīng)等離子噴涂的溫度梯度大, 冷卻速度快, 這就使得涂層中TiN相的擇優(yōu)取向變得復(fù)雜, 從而使密排面111不是擇優(yōu)取向長大的唯一晶面.(2) 涂層微觀結(jié)構(gòu)圖5 TiN涂層橫截面的SEM圖 (a) 200倍 (b) 2000倍 Fig.5 The cross-section SEM images of the TiN coating (a) 200× (b) 2000×圖5為TiN涂層橫截面的SEM圖, 該涂層噴涂在一個(gè)典型的層狀結(jié)構(gòu)的基板上, 層與層之間呈波浪狀形式結(jié)合在一起, 具有典型

21、的反應(yīng)等離子噴涂涂層的層狀組織結(jié)構(gòu), 這對于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度, 抑制裂紋擴(kuò)展, 提高涂層韌性有利. 通過分析, TiN涂層的厚度超過300 m, 而以前的文獻(xiàn)報(bào)道表明TiN涂層的性能取決于它的厚度, TiN涂層越厚，涂層所具有的耐磨性和耐腐蝕性越好. 此外, 如果TiN涂層的厚度低于12 m, 就不能阻止腐蝕介質(zhì)的滲透. 因此, 使TiN獲得更好性能的方法就是使涂層增厚. 與以前文獻(xiàn)中報(bào)道的TiN涂層相比, 本實(shí)驗(yàn)中的TiN涂層具有更好的性能. 同時(shí), 實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)在涂層中存在少量的孔隙和裂縫, 這是實(shí)驗(yàn)中不可避免的, 但我們可以通過控制工藝參數(shù)使這些缺陷減到最小. 為了觀察反應(yīng)等離子噴涂制

22、備的TiN涂層的晶粒尺寸, 還對所制備的涂層進(jìn)行了TEM分析. 圖6為TiN涂層的TEM明場像和選區(qū)電子衍射的花樣. TEM圖像表明, 用反應(yīng)等離子噴涂制備的TiN涂層是由等軸并且均勻的納米尺度的顆粒組成, 并且在這些涂層中沒有發(fā)現(xiàn)柱狀晶的存在. 當(dāng)輸入功率分別為26 kW (如圖5(a)所示) 和32 kW (如圖5(b)所示) 時(shí), 平均晶粒尺度分別為70 nm和90 nm, 這是由于輸入功率越大, 等離子體噴射的溫度就越高, 因此, 隨著輸入功率的增加, 基板的溫度會(huì)大幅度升高, 這就降低了冷卻速度. 從而, 當(dāng)輸入功率增加時(shí), 晶粒就會(huì)變得更粗大. 衍射環(huán)和衍射斑 (圖5(b)中的點(diǎn))

23、 皆表明, TiN涂層的晶體結(jié)構(gòu)是面心立方結(jié)構(gòu) (fcc) .圖6 TiN涂層的TEM圖 (a) 輸入功率為26 kW (b) 輸入功率為32 kW Fig.6 The TEM images of the TiN coatings (a) 26 kW (b) 32 kW馮文然等9通過反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)在Q235鋼的基底上成功制備了TiN涂層, 并檢測了TiN涂層在不同載荷下的顯微硬度, 結(jié)果如圖7所示:圖7 TiN涂層橫截面顯微硬度-載荷函數(shù)關(guān)系曲線 Fig.7 The curve of the microhardness-loading of TiN coatings cross secti

24、on由圖7可知, 隨著壓制載荷的增大, TiN涂層的顯微硬度值逐漸減小, 即表現(xiàn)出硬度壓痕尺寸效應(yīng). 在低載荷時(shí)變化趨勢較明顯, 曲線的斜率很大, 當(dāng)載荷增到200 g以上時(shí), 曲線變化趨于緩和, 斜率變小. 曲線在200 g處出現(xiàn)突變的原因可能是載荷低于200 g時(shí), 涂層的顯微硬度壓痕尖角處沒有出現(xiàn)微裂紋, 此時(shí)壓痕周圍的應(yīng)力很高, 并且載荷較低時(shí)卸載后壓痕表面的面積變化程度較大, 因此壓痕尺寸效應(yīng)比較明顯; 而當(dāng)載荷增到200 g及以上時(shí), 壓痕尖角處開始出現(xiàn)微裂紋, 微裂紋的出現(xiàn)在一定程度上可以使壓痕周圍的高應(yīng)力場得以釋放, 使能量降低, 這就使顯微壓痕表面積的回復(fù)程度減弱, 表現(xiàn)為壓

25、痕尺寸效應(yīng)減弱. 顯微硬度-載荷曲線的斜率能夠反映材料的加工硬化程度, 斜率越大, 說明加工硬化程度越高; 反之, 則加工硬化程度較低. 因此, 從圖中可以看出TiN涂層的加工硬化程度隨載荷的增加而逐漸降低, 從而反映出該涂層具有比較優(yōu)異的韌性, 這就克服了TiN陶瓷材料韌性差的缺點(diǎn). 2.2 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制備涂層的特點(diǎn)B. Borer 等10通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法使SiOX薄膜分別沉積在鹽和硅膠的基體上, 并通過掃描電子顯微鏡 (SEM) 分析了包覆顆粒的橫截面. 結(jié)果表明, 在光滑的鹽晶體上沉積的薄膜呈現(xiàn)出致密并且連續(xù)的薄膜形態(tài), 這種結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)使SiOX薄膜的性能得到

26、很大的提高, 然而在基體表面上存在的雜質(zhì)顆粒又會(huì)造成結(jié)節(jié)性缺陷. 通過對比可以發(fā)現(xiàn), 在硅膠微粒上沉積的薄膜是不連續(xù)的, 并且能觀察到柱狀生長結(jié)構(gòu), 該結(jié)構(gòu)使膜的性能降低. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示:(1) 在鹽晶體上不同沉積時(shí)間下SiOX薄膜橫斷面的SEM分析圖8在鹽晶體上不同沉積時(shí)間下的SiOX薄膜的斷裂面 Fig.8 Fracture cross-sections of deposited SiOx films on salt particles after different deposition times圖8是在鹽晶體上不同沉積時(shí)間下SiOX薄膜的橫斷面, 從圖中可看出, SiOX薄膜的厚

27、度隨沉積時(shí)間的增加而增加, 膜光滑、致密、連續(xù). 下圖9是沉積薄膜的厚度為200 nm時(shí), 一些雜志顆粒會(huì)彌漫的分布在膜中, 使薄膜表面存在結(jié)節(jié)性缺陷. 這些雜質(zhì)顆粒主要是由于顆粒和膜材料在循環(huán)過程中磨損產(chǎn)生的. 圖9在鹽晶體上沉積SiOX薄膜的結(jié)節(jié)性缺陷 Fig.9 Nodular defect in a SiOX thin film deposited on a salt particle(2) 在硅膠基體上不同沉積時(shí)間下SiOX薄膜斷裂面的SEM分析圖10在硅膠基體上不同沉積時(shí)間下的SiOX薄膜的斷裂面 Fig.10 Fracture cross-sections of deposite

28、d SiOx films on silica gel particles after different deposition times圖10是在硅膠基體上不同沉積時(shí)間下SiOX薄膜的斷裂面, 從圖中可看出, 與鹽晶體上沉積的SiOX薄膜相比, 硅膠基體上沉積的SiOX薄膜粗糙并且不連續(xù). 在早期 (1分鐘) 無法在粗糙的基體上看到涂層. 5分鐘后, 開始出現(xiàn)柱狀的結(jié)構(gòu). 分析可知, 硅膠顆粒起了形核中心的作用, 在硅膠顆粒上薄膜的沉積加強(qiáng). 并且從圖中可以明顯看到隨著沉積時(shí)間的增加, 這些柱狀顆粒長大, 但是數(shù)量減少. 原因是小的柱狀顆粒被大的所吞沒, 然后他們一起長大. 比較可知, 在硅

29、膠基體上沉積的SiOX薄膜的性能遠(yuǎn)不如在鹽基體上沉積的SiOX薄膜的性能好. 葉小琴等11采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積, 在單晶硅襯底上生長SiN薄膜, 研究了SiN薄膜對多晶硅電池性能的影響, 發(fā)現(xiàn)它能較大幅度地提高電池效率.表1為SiN薄膜對多晶硅體電池性能的改善情況. 從表中可以看出, 對電池短路電流ISC的提高作用非常大, 可達(dá)50 % . 開路電壓UOC和填充因子Ff稍有提高. 而電池的轉(zhuǎn)換效率平均增幅在40 %以上, 最高可達(dá)73.8 % . 圖11為多晶硅體電池沉積SiN膜前后的I-U曲線, 沉積薄膜以后曲線方了許多, 性能有很大提高. 這主要是由于SiN薄膜具有很高的減反射能力,

30、 使膜吸收的光能增多, 效率提高. 同時(shí), 該膜具有很好的鈍化作用, 使少子載流子的壽命提高, 電流提高, 從而提高效率.表1 SiN薄膜對多晶硅體電池性能的改善情況Table1 SiN film improving the efficiency of solar cell 沉積情況ISC / mAUOC / mVFf / % / %前21.72566.10.55066.77后33.3583.80.605711.77提高/ %53.33.110.073.8圖11多晶硅體電池沉積SiN膜前后的I-U曲線 Fig.11 The I-U curves before and after the pol

31、ysilicon cell deposited SiN film3 應(yīng)用3.1 反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)的應(yīng)用作為熱噴涂技術(shù)領(lǐng)域的反應(yīng)等離子噴涂, 其特點(diǎn)是等離子焰流溫度高, 所以能噴涂較高熔點(diǎn)的材料, 并且工件不帶電, 這就使基體材料選擇范圍更加廣泛, 加之基體受熱損傷小, 從而使制備的涂層比較致密, 孔隙率較低, 與基體有較高的結(jié)合強(qiáng)度等特點(diǎn). 反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)可用于產(chǎn)品制造, 零件修復(fù), 也可用作整個(gè)表面的噴涂, 同時(shí)對大型構(gòu)件也可以實(shí)施有選擇性的局部噴涂.目前, 廣泛使用的反應(yīng)等離子噴涂涂層材料12主要有: 純金屬粉末、合金粉末、復(fù)合粉末、陶瓷粉末等. 其中金屬粉末主要包括用于抗腐蝕, 抗

32、潮濕的鋅、鋁、鈦、鎢、釩等金屬. 合金粉末大多以鎳、鉆和鐵基為主. 而陶瓷粉末主要有金屬氧化物 (Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, CeO2)、金屬陶瓷 (WC-Co, WC-Ni等) , 這些材料硬度高、熱穩(wěn)定性好、抗腐蝕性能優(yōu)異, 因而得到廣泛應(yīng)用. 反應(yīng)等離子噴涂的應(yīng)用廣泛13, 可實(shí)現(xiàn)熱障、耐磨、耐腐蝕和提高生物相容性等多種功能. 熱障是反應(yīng)等離子噴涂材料應(yīng)用最早, 最廣泛的功能. 使用反應(yīng)等離子噴涂制備的熱障涂層已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)引擎部件、燃燒室器壁、高效燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片、大型鋼鐵廠軋輥、核反應(yīng)容器等方面. 在提高耐磨性方面, 反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)發(fā)揮了巨

33、大的作用, 制備的耐磨涂層已經(jīng)在汽車、造紙、紡織等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用. 汽車速度的不斷提高對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的耐磨性提出了更高的要求, 使用反應(yīng)等離子噴涂制備的復(fù)合涂層可以大大降低材料的摩擦系數(shù), 從而提高材料的性能. 另外, 反應(yīng)等離子噴涂還被應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域, 為提高人工組織尤其是人工骨的生物相容性發(fā)揮了巨大的作用. 通常, 人們使用鈦合金作為矯形外科和牙科的植入材料, 但鈦合金植入人體后與人體組織不能產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合, 長期使用后會(huì)發(fā)生松動(dòng). 研究表明, 羥基磷灰石涂層可極大的改善它們的生物活性, 并且采用反應(yīng)等離子噴涂制備的羥基磷灰石涂層已經(jīng)得到臨床應(yīng)用, 具有很好的效果. 這些涂層

34、的應(yīng)用表明, 反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)是使材料獲得良好的工作性能, 延長材料的使用壽命, 提高產(chǎn)品質(zhì)量, 降低能源消耗, 節(jié)約材料的有效途徑.3.2 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)的應(yīng)用由于采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的薄膜具有特殊的性能, 而使該技術(shù)的應(yīng)用廣泛14: 絕緣薄膜在低溫下沉積氮化硅, 氧化硅或硅的氮氧化物等的絕緣薄膜, 可以實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成芯片的生產(chǎn). 非晶和多晶硅薄膜 非晶硅是一種良好的半導(dǎo)體材料, 用途很廣, 可以用于制作太陽能電池、電光攝影器件、光敏傳感器及薄膜晶體管等, 其中最重要的應(yīng)用就是制作太陽能電池. 多晶硅可以用作金屬氧化物半導(dǎo)體元件的柵極以及場效應(yīng)管的發(fā)射極, 它也

35、可以用作集成電路材料. 金剛石和類金剛石 金剛石是寶石之王, 然而, 金剛石天然礦產(chǎn)資源很少, 價(jià)格昂貴, 這就促使人們千方百計(jì)的進(jìn)行金剛石的人工合成. 自從1983年開發(fā)的微波等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在低壓下合成金剛石薄膜的方法取得突破性的進(jìn)展以來, 金剛石的工業(yè)化生產(chǎn)就成為可能, 同時(shí), 類金剛石也得到大量生產(chǎn). 等離子體聚合隨著技術(shù)的發(fā)展, 各個(gè)領(lǐng)域?qū)π虏牧系男枨笞兊氖值膹?qiáng)烈. 由于等離子體聚合生成的聚合物具有高度交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 同時(shí)在反應(yīng)過程中可以引入新的基元或元素, 實(shí)現(xiàn)材料的功能設(shè)計(jì), 因此, 等離子體聚合技術(shù)日益引人注目, 正越來越廣泛地用于開發(fā)具有介電特性、導(dǎo)電特性、感光特性

36、、光電轉(zhuǎn)換功能或存儲器開關(guān)功能的等離子體聚合膜和一些重要的有機(jī)金屬復(fù)合材料.4 總結(jié)反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)在21世紀(jì)的應(yīng)用市場潛力巨大, 特別是對于汽車工業(yè), 反應(yīng)等離子噴涂將提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)表面的耐磨性, 但是現(xiàn)在仍有一些問題亟待解決15: 反應(yīng)等離子噴涂形成的涂層的孔隙和裂紋將大大影響材料表面的性能, 今后有必要研究涂層的孔隙形狀, 大小和分布以及引起等離子涂層的失效影響因素. 而等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在太陽能電池薄膜的制備上有著巨大的發(fā)展?jié)摿? 因?yàn)榈入x子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)可以制備出性能優(yōu)異的光學(xué)減反射膜, 提高太陽能電池的效率, 但是如何利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備出更加復(fù)雜的光

37、學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)有待解決的問題. 隨著科技的高速發(fā)展, 材料表面處理技術(shù)將在人們生活中擔(dān)當(dāng)更加重要的角色, 它將大大改善我們的生活, 但仍然需要我們進(jìn)一步的研究問題, 解決問題, 并將最先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到日常生活中, 為我們服務(wù). 參考文獻(xiàn)1 Liu G M. The Introduction of Surface Treatment Technology. Beijing: Chemical Industry Press, 2011: 1(劉光明. 表面處理技術(shù)概論. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2011: 1)2 Yao S S, Li G Y, Hu W B. Surface Scienc

38、e and Technology. Beijing: Mechanical Industry Press, 2005: 2(姚壽山, 李戈楊, 胡文彬. 表面科學(xué)與技術(shù). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 2)3 Dong Y C, Yan D R, He J N, Zhang J X, Li X Z, Feng W R. Proceeding of 2005 Materials Science and Engineering Conference. Hebei: Hebei University of Technology, 2006: 519(董艷春, 閻殿然, 何繼寧, 張建新, 李香芝, 馮文然. 2005年國際材料科學(xué)與工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.河北: 河北工業(yè)大學(xué), 2006: 519)4 Chen H L, Yang H. Materials Heat Treatment Technology, 2009; 38 (20): 104 (陳海龍, 揚(yáng)暉. 材料熱處理技術(shù), 2009; 38 (20): 104)5 Li Z S, Yang M A