成果库

本项目开发了远端自由基等离子体的真空刻蚀系统和硅基光学元件加工工艺技术和方法，有效地提高了中大口径光学元件损伤层快速去除等离子体加工工艺技术，并在硅基半导体加工方面展开了应用。 在大型强激光光学系统以及激光武器系统中，需要大量中大口径脆硬光学元件。例如：蓝宝石、碳化硅等高脆硬光学材料，其加工精度要求高、韧性低，加工过程中极易产生破碎和裂纹，加工难度极大，一直是制约我国高功率强激光装置发展的瓶颈。等离子体刻蚀技术被认为是可能高效率去除硅基脆硬光学元件损伤层最有效的方法，具体工程实践中，真空等离子抛光技术，大气等离子体加工技术等在对元件表面和亚表面缺陷层消除方面，具有极高的工作效率。但前者受到电极尺寸影响，无法实现大尺寸加工，后者则存在严重的温度效应，本成果基于自由基远端等离子源技术，利用自由基等离子体实现硅基光学材料和半导体材料高效、低温、大面积去除。 针对光学系统中光学元件损伤层去除问题、半导体器件加工中元器件微刻蚀，本成果采用德国远端等离子体技术，将等离子体放电产生等离子体与含氟活性气体作用，使后者激发活化，基于等离子体密度控制手段，产生大量自由基，在真空气体流导作用下，可实现 300mm 均匀刻蚀，由于自由基等离子体中实际等离子体密度非常低，可以保证在刻蚀过程中无物理溅射，无温升，确保不产生新的损伤和热伤害，可以用光学平板显示、光电微器件制造、光学制造等方面。

镍基等高温合金是航空航天业中不可替代的材料，其加工时切削温度高(>1200℃)、切削力大、加工硬化严重、刀具磨损严重，而国产刀具在这个领域长期以来一直难于胜任。Al2O3陶瓷刀具的耐高温抗磨损性能优越，成为高速切削加工镍基高温合金的理想选择之一。但Al2O3陶瓷刀具的韧性较低，高速切削加工高温合金时，易发生崩刃、表面剥落和刀尖破碎，刀具寿命仍不高。据此，本成果提出了陶瓷刀具断裂韧性逆向定量调控方法。建立了微缺陷动态扩展过程损伤模型，探明了微观损伤演化机理；提出了韧性预测方法，揭示了烧结工艺-组织-性能间定量关系；以高韧性为导向，基于性能-组织-工艺定量关系，逆向求解了刀具最佳微观组织和烧结工艺参数。在该方法指导下，设计并制备成功一种基体相为微米 Al2O3，添加20%微米 TiN、10%微米TiC和10%纳米TiC的微纳米复合陶瓷刀具材料，当烧结温度为1650℃，保温时间10min时，其抗弯强度为898.6MPa，断裂韧性为8.9MPa•m1/2，维氏硬度为21.3GPa。本项目改善了现用Al2O3陶瓷刀具材料的韧性，提高了设计效率，并且使陶瓷刀具材料的实验法或经验法设计向科学设计前进关键的一步，推动了我国刀具技术的发展。

金刚石薄膜分为单晶、多晶和非晶态材料，单晶和多晶金刚石材料常常是在高温下形成，而 DLC 是在常温下形成的一种亚稳态的非晶态材料，可分为含氢类金刚石膜（hydrogenated amorphous carbon，简称 a-C:H）和不含氢类（amorphous carbon，简称 a-C）。一般 a-C 的 sp3 键含量高于 a-C:H，所以也具有更高的硬度。当 a-C 中 sp3 键含量达 70%以上，被称为非晶四面体碳 （tetrahedral amorphous carbon，简称 ta-C）。 本项目即为 ta-c 薄膜制备技术。衡量金刚石薄膜质量的方法主要是看其 SP3 结构含量，含量越高，其性质越接近天然金刚石，如何得到高含量的 sp3 键是科学家们研究的重点。而目前国际上制备的金刚石薄膜以 ta-c 的 SP3 含量最高，可以达到 85%以上，因此其性质最接近天然金刚石。 本项目目前达到的水平为：SP3 结构达到 87%，薄膜硬度 HV≥85Gpa，平整度 0.2nm，摩擦系数≤0.08，紫外吸收 97%以上。 本技术自从 1991 年由澳大利亚的 D.R.Mckenzie 和 D.Muller 研制成功，目前美国、英国、德国、新加坡、日本、韩国、澳大利亚、以色列、香港各国科学家都在努力将该技术应用于工业生产中。

当前主流的离子镀技术中磁控溅射离子镀因镀料粒子绕镀性差而难以获得结合力好且厚度均匀的膜层、多弧离子镀因电弧放电易产生熔融态大颗粒喷溅至基体表面而影响膜层质量，这些严重制约了离子 镀技术在精密机械制造业的进一步发展和多领域的推广。因此，改善镀层的组织结构和提高薄膜的综合性能成为了离子镀技术发展的关键。 基于等离子气体放电的物理学知识和对薄膜性能影响的最终本质是沉积粒子自身特性与状态的理解，采用等通量变换原理和高频电压振荡技术构建宽脉冲强电离电场环境，辅助“闭合”和“非平衡” 磁场模式，将气体放电引入“双峰曲线”的微弧区间（辉弧过渡区）。利用真空腔内高密度Ar+ 集中轰击靶面的碰撞动能和电子流经金属靶材缺陷处所产生的热Joule 效应，共同诱发靶面原子与电子克服表面逸出功的热发射过程。从而实现沉积粒子具有不同于磁控溅射的碰撞脱靶和多弧离子镀的热场致发射脱靶的碰撞和热发射混合脱靶方式。以此研发一种新型的可获得高离化、高能量和高密度沉积粒子的微弧离子镀技术，能够制备结构致密、表面平整、结合力强和力学性能优异的薄膜。 该项目源自微纳米区域微小电弧致微区离化汽化的等离子体物理原理，既可集磁控溅射离子镀（MSIP）离子（原子）态G → S 所得膜层致密细腻，和电弧离子镀（EAIP）高离化率致膜层均匀的两厢优点，又规避MSIP 离化率低致均匀性差和EAIP 夹杂熔滴粗化膜层、回火基体的各自不足，实现精密机械基础件减摩延寿之目的。

铝碳化硅类金属基复合材料具有高比刚度、比强度、膨胀系数小等优点，该材料具有优良的散热能力和摩擦磨损性能，可制造大功率LED、IGBT等功率器件散热基板、刹车片/盘等，在航空、航天、交通、电子及新能源等领域具有潜在的重要应用价值。在国际上，关键技术掌握在美国，英国等国际大厂手中，一般采用真空热压、真空压力浸渗等方法制备该类材料，制备工艺复杂，导致生产效率低下、成本高昂，限制了其推广应用。在国内，主要处于实验室产品或小批量试用阶段；同时由于金属基复合材料机械加工性差，很难采用目前工业最常用的车、铣、刨等加工手段，而且焊接性也极差，进一步限制了其在工业上的应用。 本项目经过10年的探索，突破传统的粉末冶金工艺，研制了快速热压设备，实现了铝碳化硅复合材料在大气条件下低压、快速热压成型，对碳化硅含量在70%以内的铝碳化硅材料致密达到或超过98%。由于该技术避免了目前国内外制备技术中的真空工艺环节并采用快速加热和控制热压技术，使关键的热压工序的生产效率大大提高，同时由于低压成型使得在相同压力设备条件下生产效率可以十倍甚至更高，使生产成本大幅度降低，并可以通过大批量生产，使规模生产成本进一步降低。因而，该技术适合大规模工业生产，而且产品价格可以随着生产规模的提高大幅度下降，从而不但适用于高端的工业产品，也适用于广大的中低端工业产品市场。该技术为金属基复合材料的一种粉末冶金生产工艺，适合陶瓷含量一般在70%及以下任意含量的产品，尤其适合对强度要求不是太高的功能型产品，比如高导热、低膨胀的铝碳化硅基板、IGBT散热板、刹车片/盘等。

随着 LED 灯、IGBT 等功率电子产品的不断应用，对于高导热、低膨胀材料的研究越来越重视，比如金属基复合材料。相应地，对于材料或产品导热性能的表征和测量也越来越重要。目前，对低导热系数材料，比如陶瓷、塑料等，一般采用大平板的稳态测试方法；对高导热材料，比如金属等，一般采用细长棒的稳态测试法；还有非稳态测试法，常见的有热线法和激光闪光法。非稳态的热线法和激光闪光法等瞬态测试法的设备成本很高而且对材质不太均匀的样品测试结果非常不稳定，这对导热系数的测定和相关产品的研发非常不利；常规稳态法测试的设备简单、成本低、测试费用也低，但是对本身价值很高(比如银、铂等)的材料而言，加工各自标准试样只进行导热性能测试成本过高，限制了导热性能测试设备在企业和工业生产中的应用。 针对于这种情况，我们依托于西安工业大学材化学院自主研发了发明专利授权的高精度、低成本导热系数测试设备和方案，可实现低成本完成材料导热系数测试的目标。采用了一种打孔法测试圆柱形样品导热系数的方法，实现了利用普通稳态导热测试设备，对小型非标圆柱体样品的导热系数进行测试，样品直径和高度可以根据需要确定，同时在尺寸满足要求的情况下还可测试其他性能；项目还提供一种片状样品导热系数的测试辅助装置，能实现利用普通稳态导热测试设备测试片状试样的测试，片状样品的厚度理论上是任意的但厚度太小时测试精度会有较大的影响，此方法对材料要求最低用量最少，同样在尺寸满足要求的情况下还可测试其他性能。两种方案前者高于后者，前者主要需要可打盲孔的材料，后者则需要片状样品两端面光滑，显然适合任意材料尤其是高硬难机加的材料，而且这两种方案的主体设备可以是相同的，只是后者额外增加特殊的辅助装置。本技术设备投入少、测试方法简单，测试成本低，可大幅度降低材料导热测试成本，有力促进材料导热性能的研究，适合目前热管理材料的开发和推广，具有很强的实用价值与推广意义。

该成果围绕 5G 通讯领域中面临的微波器件集成化、小型化等亟需解决的问题，研究高品质因数微波介质陶瓷及其低温共烧陶瓷技术（LTCC），开发了低 K值（<20）低温烧结微波介质陶瓷，其中 Li2WO4 陶瓷可以在 640 摄氏度下致密烧结，介电常数 5.5、Qf 值高达 62,000GHz，与美国 Ferro 公司商用 A6m 材料（5G技术中 LTCC 主流材料、粉体及浆料禁运）相比，该体系烧结温度降低了 25%，介电常数减小了 10%；在 Bi2O3-MoO3 三元体系中研发出一系列中低 K 值无玻璃相掺杂本征低烧微波介质陶瓷；发现了利用单斜 BiVO4 调节四方白钨矿及独居石结构微波介质陶瓷谐振频率温度系数近零的有效途径；通过调节褐钇铌矿到白钨矿结构的相变温度，开发出一系列可用于介质滤波器的温度稳定型高品质因数 LnNbO4（Ln=稀土元素）微波介质陶瓷；利用 THz 谱-远红外-中红外-近红外宽频反射/透射谱较准确地揭示了白钨矿结构、尖晶石相、金红石相、褐钇铌矿、锆石相等系列微波介质陶瓷结构与本征微波介电性能的影响。该成果推动了微波介质陶瓷在 5G 通讯器件集成制备技术中的应用，对低烧低损微波介质陶瓷的设计与器件加工具有重要的科学意义和应用价值。

我国工业领域余热利用空间很大，工业废水、废气蕴含着大量余热，如何利用这些浪费的热能，近年来受到广泛关注。目前的余热回收主要为高温余热，中低温余热难以提取或利用效率低。 目前在中低温余热应用方面，主要采用换热技术来生产热水和蒸汽，用作其他生产工艺应用或生活用热使用，缺点是只能作为热能使用，无法灵活配置。 此外，也有使用余热回收发电，包括有机朗肯循环（ORC）和热电材料转换。有机朗肯循环在50-200℃的热效率为5-10％，基础设施的价格比较昂贵。热电材料的转化效率较低(<8％)，使用温度高，通常高于300℃，且需要用昂贵的半导体材料；而在200℃以下，其热电转化效率较低（0.1-1％），在此温度下基本没有应用价值。 本项目提供一种利用余热发电的氢离子热电池及其电极制备技术，可以将中低温废弃余热（50到200℃）直接转化为电能。主要的技术原理是：氢离子热电池在热的驱动下产生电流，氢气经阳极流场板进入阳极催化层被氧化为氢离子，释放出的电子通过外电路到达复合有阴极催化剂的阴极电极；氢离子通过质子交换膜迁移到阴极催化层并与外电路流入的电子结合，又被还原为氢气，电子在外电路移动的过程中收获了电流。这一过程中不需要外部供电，不需要高温或高压，通过废气的中低温余热产生电流；氢气不产生化学反应，可以持续再利用。 本项目关键技术优势为整套热电池系统开发，通过设计合理的余热气体流场与氢循环路径，在临界面上布置经过改性工艺的PBI质子交换膜，基于质子交换膜两边的氢浓度差，通过高效催化剂分别在阴、阳极发生还原和氧化反应实现电子得失，从而产生可输出使用的电流。热电池系统需要针对具体回收的余热废气成分、温度等数据，有针对性进行系统性设计，电池的结构设计、高效催化剂研制、以及质子交换膜的改性处理工艺等都对电池性能影响较大。