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磷酸铁锂的高温固相反应法烧结窑炉 如果您已经看准了项目,准备要上磷酸铁锂项目,正在选择烧结窑炉,也许此文能够带给您一些启发,这也是写这一篇文章的目的。 磷酸铁锂的合成方法主要采用高温固相反应法:在氩气或氮气等惰性气氛保护下,于300℃左右使混合物初步分解,然后升温到600~800℃,保温若干小时,视具体工艺而定,就可以得到橄榄石晶型的LiFePO4材料。如何在热处理的过程中防止二价铁的氧化是合成的关键控制点,也是制备设备必须解决的关键问题。 现在市场上比较成熟、稳定、可靠窑炉,一般都是使用气氛推板窑炉,当然现在市场上也已经有客户在使用气氛辊道窑炉,包括本公司也研发了气氛辊道炉,为此我公司还特意放入条中试线在公司,供客户实验使用。气氛辊道炉是趋势,但是气氛推板炉是现阶段的主力窑炉。 磷酸铁锂窑炉选择的几个参考点。 1、 温度:现在烧结温度大概在600-800℃,这个可以说对所有的厂家都不是困难的事,如何控制好各温区的温度,各个温区不窜温是关键也是难点;温场均匀性也是至关重要的,通俗一点来理解就是物料堆放在匣钵中,最底层和最上层在炉内的温差,发热元器件的选择以及分布都至关重要。 2、 气氛保护:如何在热处理的过程中防止二价铁的氧化是合成的关键!氮气进入炉体气场如何分布、氮气流量大小、炉体的密封性、以及前后闸门的密封等。 3、 耐火砖的使用:选择合理的耐火砖不仅能够增加保温效果还能够降低单位能耗,包括窑炉内部砌炉工艺等。 4、 烟囱:烟囱的分布走向都决定着废气排出速度炉内的清洁度等。 5、 电气控制系统:电气控制系统对整个驾动率至关重要。 6、 匣钵:匣钵的选择也至关重要,匣钵的寿命、材质等。 7、 服务:售前提供符合自身的设计方案;售后提供快速准确的技术服务。 8、 价格:价格方面当然是仁者见仁智者见智啦。
磷酸铁锂的高温固相反应法烧结窑炉 如果您已经看准了项目,准备要上磷酸铁锂项目,正在选择烧结窑炉,也许此文能够带给您一些启发,这也是写这一篇文章的目的。 磷酸铁锂的合成方法主要采用高温固相反应法:在氩气或氮气等惰性气氛保护下,于300℃左右使混合物初步分解,然后升温到600~800℃,保温若干小时,视具体工艺而定,就可以得到橄榄石晶型的LiFePO4材料。如何在热处理的过程中防止二价铁的氧化是合成的关键控制点,也是制备设备必须解决的关键问题。 现在市场上比较成熟、稳定、可靠窑炉,一般都是使用气氛推板窑炉,当然现在市场上也已经有客户在使用气氛辊道窑炉,包括本公司也研发了气氛辊道炉,为此我公司还特意放入条中试线在公司,供客户实验使用。气氛辊道炉是趋势,但是气氛推板炉是现阶段的主力窑炉。 磷酸铁锂窑炉选择的几个参考点。 1、 温度:现在烧结温度大概在600-800℃,这个可以说对所有的厂家都不是困难的事,如何控制好各温区的温度,各个温区不窜温是关键也是难点;温场均匀性也是至关重要的,通俗一点来理解就是物料堆放在匣钵中,最底层和最上层在炉内的温差,发热元器件的选择以及分布都至关重要。 2、 气氛保护:如何在热处理的过程中防止二价铁的氧化是合成的关键!氮气进入炉体气场如何分布、氮气流量大小、炉体的密封性、以及前后闸门的密封等。 3、 耐火砖的使用:选择合理的耐火砖不仅能够增加保温效果还能够降低单位能耗,包括窑炉内部砌炉工艺等。 4、 烟囱:烟囱的分布走向都决定着废气排出速度炉内的清洁度等。 5、 电气控制系统:电气控制系统对整个驾动率至关重要。 6、 匣钵:匣钵的选择也至关重要,匣钵的寿命、材质等。 7、 服务:售前提供符合自身的设计方案;售后提供快速准确的技术服务。 8、 价格:价格方面当然是仁者见仁智者见智啦。
纳米材料合成技术—等离子体技术 纳米材料制备方法可根据反应物的相态简单的分为“气相合成法”、“液相合成法”和“固相合成法”。 固相合成法主要应用于陶瓷和金属氧化物等纳米粉末材料的制备。液相合成法主要应用于氧化物系超微粉末的制备。气相合成法主要有物理气相反应法和化学气相反应法两种,其中物理气相反应法可用于制备各种金属、化合物、陶瓷、半导体、和聚合物等薄膜材料。而化学气相合成法即化学气相沉积,具有气压范围宽(10Pa~5×105Pa)、纳米材料生长可控性强、可合成多种形态的纳米材料以及适用于不同种类纳米材料合成等优点,被广泛的应用于新材料研制、无机薄膜材料制备和物质提纯等,是当前材料领域制备高品质高性能纳米材料应用最广泛的纳米材料合成方法。 自化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)出现以来,科学界从来没有停止对它的改进。为了克服传统的热化学气相沉积技术纳米材料生长速度较慢的问题,热丝化学气相沉积、激光诱导化学气相沉积和等离子体辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced CVD,PECVD)等技术被相继开发出来。其中,PECVD以沉积温度低、速度快、材料附着性强、台阶覆盖性强和材料缺陷少等优点,应用广泛。 等离子体分类 等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态的宏观体系,被认为是固态、液态、气态之后的物质第四态。等离子体处理技术的实质是气体分子电离产生的高能量自由基与材料表面发生物理化学反应,从而改变材料的物理化学性质。 根据等离子体中电子温度的不同,可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。而根据低温等离子体热力学平衡状态的不同,又可将其分为热等离子体和冷等离子体。 热等离子体具有高温、髙焓和高化学活性的物理化学特性。在工业领域中热等离子体最常用的产生方法主要有:直流电弧、高频耦合等离子体和微波等离子体。 数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。若电子、离子、中性粒子的温度被命名为Te、Ti和Tn。此时,电子在与离子和中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量,所以有Te>>Ti,Te>>Tn。人们把这样的等离子体称为冷等离子体(ColdPlasma)。当然,即使是在高气压下,冷等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式如射频等离子体(Radio Frequency Plasma)、电晕放电(Corona Discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)和滑动电弧放电(Glide Arc Discharge)来生成。 等离子体技术的应用 等离子体技术是一种重要的加工处理技术,在多个领域均有重要应用,并逐渐发展成为微电子、半导体、材料、航天、冶金等产业的关键技术,在生物、医药、临床和环境等领域也有广泛应用。 在材料领域,等离子体技术可用于无机纳米材料、碳基材料(如石墨烯、碳纳米管等)及耐热、耐磨、耐腐蚀涂层的制备和改性。如液相等离子体法可在溶液中放电产生大量高能活性粒子、自由基和各种物理效应(电、热、冲击波、辐射等),多效协同地促进了合成反应,为高效能、高品质合成碳纳米材料提供了可能的途径。 放电等离子体(液相)法制备碳纳米材料 此外,等离子体领域的一个发展分支是微等离子体,指至少在一个维度上被限制在亚毫米尺度内的特殊放电。由于极小的电极间距和极大的比表面积,微等离子体不仅兼具常规等离子体的准电中性、复杂的集体效应等特征,同时还具有体积小、活性粒子密度高、易集成、能在常压/高压下稳定运行等优势,在碳材料、硅材料、金属纳米材料,氧化物、氮化物、碳化物等无机纳米材料等领域都表现出良好的应用前景。 再者,等离子体技术也被越来越多地应用于电池材料中,展现出极大的应用潜力。等离子体技术在锂离子电池材料的表面处理中,不仅可通过辅助沉积的方式在材料表面形成包覆层,还可通过刻蚀、掺杂等方式调节材料表面的极性、粗糙度等,也可通过产生自由基的方式在表面引入多种官能团。 通过等离子体技术的不断革新,相信未来等离子体技术将在不同反应性能金属及金属氧化物纳米颗粒制备、具有混合相和异质结构特征材料制备、以及硫化氢、氮化物、磷化物、合金及多金属催化剂制备等方面都将有新的突破;另外,在制备多孔聚合物、生物分子、纳米沸石等各种热敏底物材料,带有金属底物及核壳结构的纳米催化剂等方面将会显现出更大的技术优势,并将广泛应用于涂层、掺杂以及各种材料的表面改性处理等领域。 工业微波技术转发
纳米材料合成技术—等离子体技术 纳米材料制备方法可根据反应物的相态简单的分为“气相合成法”、“液相合成法”和“固相合成法”。 固相合成法主要应用于陶瓷和金属氧化物等纳米粉末材料的制备。液相合成法主要应用于氧化物系超微粉末的制备。气相合成法主要有物理气相反应法和化学气相反应法两种,其中物理气相反应法可用于制备各种金属、化合物、陶瓷、半导体、和聚合物等薄膜材料。而化学气相合成法即化学气相沉积,具有气压范围宽(10Pa~5×105Pa)、纳米材料生长可控性强、可合成多种形态的纳米材料以及适用于不同种类纳米材料合成等优点,被广泛的应用于新材料研制、无机薄膜材料制备和物质提纯等,是当前材料领域制备高品质高性能纳米材料应用最广泛的纳米材料合成方法。 自化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)出现以来,科学界从来没有停止对它的改进。为了克服传统的热化学气相沉积技术纳米材料生长速度较慢的问题,热丝化学气相沉积、激光诱导化学气相沉积和等离子体辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced CVD,PECVD)等技术被相继开发出来。其中,PECVD以沉积温度低、速度快、材料附着性强、台阶覆盖性强和材料缺陷少等优点,应用广泛。 等离子体分类 等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态的宏观体系,被认为是固态、液态、气态之后的物质第四态。等离子体处理技术的实质是气体分子电离产生的高能量自由基与材料表面发生物理化学反应,从而改变材料的物理化学性质。 根据等离子体中电子温度的不同,可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。而根据低温等离子体热力学平衡状态的不同,又可将其分为热等离子体和冷等离子体。 热等离子体具有高温、髙焓和高化学活性的物理化学特性。在工业领域中热等离子体最常用的产生方法主要有:直流电弧、高频耦合等离子体和微波等离子体。 数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。若电子、离子、中性粒子的温度被命名为Te、Ti和Tn。此时,电子在与离子和中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量,所以有Te>>Ti,Te>>Tn。人们把这样的等离子体称为冷等离子体(ColdPlasma)。当然,即使是在高气压下,冷等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式如射频等离子体(Radio Frequency Plasma)、电晕放电(Corona Discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)和滑动电弧放电(Glide Arc Discharge)来生成。 等离子体技术的应用 等离子体技术是一种重要的加工处理技术,在多个领域均有重要应用,并逐渐发展成为微电子、半导体、材料、航天、冶金等产业的关键技术,在生物、医药、临床和环境等领域也有广泛应用。 在材料领域,等离子体技术可用于无机纳米材料、碳基材料(如石墨烯、碳纳米管等)及耐热、耐磨、耐腐蚀涂层的制备和改性。如液相等离子体法可在溶液中放电产生大量高能活性粒子、自由基和各种物理效应(电、热、冲击波、辐射等),多效协同地促进了合成反应,为高效能、高品质合成碳纳米材料提供了可能的途径。 放电等离子体(液相)法制备碳纳米材料 此外,等离子体领域的一个发展分支是微等离子体,指至少在一个维度上被限制在亚毫米尺度内的特殊放电。由于极小的电极间距和极大的比表面积,微等离子体不仅兼具常规等离子体的准电中性、复杂的集体效应等特征,同时还具有体积小、活性粒子密度高、易集成、能在常压/高压下稳定运行等优势,在碳材料、硅材料、金属纳米材料,氧化物、氮化物、碳化物等无机纳米材料等领域都表现出良好的应用前景。 再者,等离子体技术也被越来越多地应用于电池材料中,展现出极大的应用潜力。等离子体技术在锂离子电池材料的表面处理中,不仅可通过辅助沉积的方式在材料表面形成包覆层,还可通过刻蚀、掺杂等方式调节材料表面的极性、粗糙度等,也可通过产生自由基的方式在表面引入多种官能团。 通过等离子体技术的不断革新,相信未来等离子体技术将在不同反应性能金属及金属氧化物纳米颗粒制备、具有混合相和异质结构特征材料制备、以及硫化氢、氮化物、磷化物、合金及多金属催化剂制备等方面都将有新的突破;另外,在制备多孔聚合物、生物分子、纳米沸石等各种热敏底物材料,带有金属底物及核壳结构的纳米催化剂等方面将会显现出更大的技术优势,并将广泛应用于涂层、掺杂以及各种材料的表面改性处理等领域。工业微波技术转发
纳米材料合成技术—等离子体技术 纳米材料制备方法可根据反应物的相态简单的分为“气相合成法”、“液相合成法”和“固相合成法”。固相合成法主要应用于陶瓷和金属氧化物等纳米粉末材料的制备。液相合成法主要应用于氧化物系超微粉末的制备。气相合成法主要有物理气相反应法和化学气相反应法两种,其中物理气相反应法可用于制备各种金属、化合物、陶瓷、半导体、和聚合物等薄膜材料。而化学气相合成法即化学气相沉积,具有气压范围宽(10Pa~5×105Pa)、纳米材料生长可控性强、可合成多种形态的纳米材料以及适用于不同种类纳米材料合成等优点,被广泛的应用于新材料研制、无机薄膜材料制备和物质提纯等,是当前材料领域制备高品质高性能纳米材料应用最广泛的纳米材料合成方法。 自化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)出现以来,科学界从来没有停止对它的改进。为了克服传统的热化学气相沉积技术纳米材料生长速度较慢的问题,热丝化学气相沉积、激光诱导化学气相沉积和等离子体辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced CVD,PECVD)等技术被相继开发出来。其中,PECVD以沉积温度低、速度快、材料附着性强、台阶覆盖性强和材料缺陷少等优点,应用广泛。 等离子体分类 等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态的宏观体系,被认为是固态、液态、气态之后的物质第四态。等离子体处理技术的实质是气体分子电离产生的高能量自由基与材料表面发生物理化学反应,从而改变材料的物理化学性质。 根据等离子体中电子温度的不同,可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。而根据低温等离子体热力学平衡状态的不同,又可将其分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体具有高温、髙焓和高化学活性的物理化学特性。在工业领域中热等离子体最常用的产生方法主要有:直流电弧、高频耦合等离子体和微波等离子体。 数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。若电子、离子、中性粒子的温度被命名为Te、Ti和Tn。此时,电子在与离子和中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量,所以有Te>>Ti,Te>>Tn。人们把这样的等离子体称为冷等离子体(ColdPlasma)。当然,即使是在高气压下,冷等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式如射频等离子体(Radio Frequency Plasma)、电晕放电(Corona Discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)和滑动电弧放电(Glide Arc Discharge)来生成。等离子体技术的应用 等离子体技术是一种重要的加工处理技术,在多个领域均有重要应用,并逐渐发展成为微电子、半导体、材料、航天、冶金等产业的关键技术,在生物、医药、临床和环境等领域也有广泛应用。 在材料领域,等离子体技术可用于无机纳米材料、碳基材料(如石墨烯、碳纳米管等)及耐热、耐磨、耐腐蚀涂层的制备和改性。如液相等离子体法可在溶液中放电产生大量高能活性粒子、自由基和各种物理效应(电、热、冲击波、辐射等),多效协同地促进了合成反应,为高效能、高品质合成碳纳米材料提供了可能的途径。放电等离子体(液相)法制备碳纳米材料 此外,等离子体领域的一个发展分支是微等离子体,指至少在一个维度上被限制在亚毫米尺度内的特殊放电。由于极小的电极间距和极大的比表面积,微等离子体不仅兼具常规等离子体的准电中性、复杂的集体效应等特征,同时还具有体积小、活性粒子密度高、易集成、能在常压/高压下稳定运行等优势,在碳材料、硅材料、金属纳米材料,氧化物、氮化物、碳化物等无机纳米材料等领域都表现出良好的应用前景。 再者,等离子体技术也被越来越多地应用于电池材料中,展现出极大的应用潜力。等离子体技术在锂离子电池材料的表面处理中,不仅可通过辅助沉积的方式在材料表面形成包覆层,还可通过刻蚀、掺杂等方式调节材料表面的极性、粗糙度等,也可通过产生自由基的方式在表面引入多种官能团。 通过等离子体技术的不断革新,相信未来等离子体技术将在不同反应性能金属及金属氧化物纳米颗粒制备、具有混合相和异质结构特征材料制备、以及硫化氢、氮化物、磷化物、合金及多金属催化剂制备等方面都将有新的突破;另外,在制备多孔聚合物、生物分子、纳米沸石等各种热敏底物材料,带有金属底物及核壳结构的纳米催化剂等方面将会显现出更大的技术优势,并将广泛应用于涂层、掺杂以及各种材料的表面改性处理等领域。工业微波技术转发
纳米材料合成技术—等离子体技术 纳米材料制备方法可根据反应物的相态简单的分为“气相合成法”、“液相合成法”和“固相合成法”。固相合成法主要应用于陶瓷和金属氧化物等纳米粉末材料的制备。液相合成法主要应用于氧化物系超微粉末的制备。气相合成法主要有物理气相反应法和化学气相反应法两种,其中物理气相反应法可用于制备各种金属、化合物、陶瓷、半导体、和聚合物等薄膜材料。而化学气相合成法即化学气相沉积,具有气压范围宽(10Pa~5×105Pa)、纳米材料生长可控性强、可合成多种形态的纳米材料以及适用于不同种类纳米材料合成等优点,被广泛的应用于新材料研制、无机薄膜材料制备和物质提纯等,是当前材料领域制备高品质高性能纳米材料应用最广泛的纳米材料合成方法。 自化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)出现以来,科学界从来没有停止对它的改进。为了克服传统的热化学气相沉积技术纳米材料生长速度较慢的问题,热丝化学气相沉积、激光诱导化学气相沉积和等离子体辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced CVD,PECVD)等技术被相继开发出来。其中,PECVD以沉积温度低、速度快、材料附着性强、台阶覆盖性强和材料缺陷少等优点,应用广泛。 等离子体分类 等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态的宏观体系,被认为是固态、液态、气态之后的物质第四态。等离子体处理技术的实质是气体分子电离产生的高能量自由基与材料表面发生物理化学反应,从而改变材料的物理化学性质。 根据等离子体中电子温度的不同,可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。而根据低温等离子体热力学平衡状态的不同,又可将其分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体具有高温、髙焓和高化学活性的物理化学特性。在工业领域中热等离子体最常用的产生方法主要有:直流电弧、高频耦合等离子体和微波等离子体。 数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。若电子、离子、中性粒子的温度被命名为Te、Ti和Tn。此时,电子在与离子和中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量,所以有Te>>Ti,Te>>Tn。人们把这样的等离子体称为冷等离子体(ColdPlasma)。当然,即使是在高气压下,冷等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式如射频等离子体(Radio Frequency Plasma)、电晕放电(Corona Discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)和滑动电弧放电(Glide Arc Discharge)来生成。等离子体技术的应用 等离子体技术是一种重要的加工处理技术,在多个领域均有重要应用,并逐渐发展成为微电子、半导体、材料、航天、冶金等产业的关键技术,在生物、医药、临床和环境等领域也有广泛应用。 在材料领域,等离子体技术可用于无机纳米材料、碳基材料(如石墨烯、碳纳米管等)及耐热、耐磨、耐腐蚀涂层的制备和改性。如液相等离子体法可在溶液中放电产生大量高能活性粒子、自由基和各种物理效应(电、热、冲击波、辐射等),多效协同地促进了合成反应,为高效能、高品质合成碳纳米材料提供了可能的途径。放电等离子体(液相)法制备碳纳米材料 此外,等离子体领域的一个发展分支是微等离子体,指至少在一个维度上被限制在亚毫米尺度内的特殊放电。由于极小的电极间距和极大的比表面积,微等离子体不仅兼具常规等离子体的准电中性、复杂的集体效应等特征,同时还具有体积小、活性粒子密度高、易集成、能在常压/高压下稳定运行等优势,在碳材料、硅材料、金属纳米材料,氧化物、氮化物、碳化物等无机纳米材料等领域都表现出良好的应用前景。 再者,等离子体技术也被越来越多地应用于电池材料中,展现出极大的应用潜力。等离子体技术在锂离子电池材料的表面处理中,不仅可通过辅助沉积的方式在材料表面形成包覆层,还可通过刻蚀、掺杂等方式调节材料表面的极性、粗糙度等,也可通过产生自由基的方式在表面引入多种官能团。 通过等离子体技术的不断革新,相信未来等离子体技术将在不同反应性能金属及金属氧化物纳米颗粒制备、具有混合相和异质结构特征材料制备、以及硫化氢、氮化物、磷化物、合金及多金属催化剂制备等方面都将有新的突破;另外,在制备多孔聚合物、生物分子、纳米沸石等各种热敏底物材料,带有金属底物及核壳结构的纳米催化剂等方面将会显现出更大的技术优势,并将广泛应用于涂层、掺杂以及各种材料的表面改性处理等领域。 工业微波技术转发
高温吸波材料研究新进展与趋势 通讯技术和电子对抗技术的迅速发展对吸波材料的吸波性能要求越来越高,一般传统的吸波材料已难以满足需要。目前美、目和西欧国家在电磁波吸收材料研究和应用上处于领先,虽然主要涉及军事应用,在民用领域已分别研制出了毫米厚度电磁波吸收体。最先进的吸收材料是美国在隐身飞机上的电磁波吸收涂料,可以在较宽的频带内使雷达波的反射降低7~10 dB。我国的吸波材料和电磁波分析开始于20世纪80年代,90年代中后期进入发展阶段,基本上处于跟踪国外和探索阶段。总体上吸波材料和电磁波吸收体的理论分析和应用分析目前还没有形成成熟的理论。 根据对电磁波吸收机理的不同,吸波材料主要可分为电损耗型(如石墨粉、导电高分子、碳化硅、碳纳米管等)和磁损耗型(如铁氧体粉、磁性金属粉、磁性纤维等)两大类。迄今为止,对铁氧体、金属粉末等粉类吸波材料已进行了较深入的研究,但粉类吸波剂普遍存在密度大、单位厚度吸收率低等缺点,新型吸波材料则要求满足“薄、轻、宽、强”等特点。若考虑严苛条件(如高温、氧化和腐蚀等条件)则对吸波材料有更高的要求。目前巡航导弹、地地导弹和空空导弹的速率已达到5马赫以上,未来空天飞机的运行速率更是接近10马赫,这就对经受强烈气动加热的电磁窗口材料提出了耐高温的要求。在气动加热温度超过1 000 ℃以上情况下,聚合物和金属材料因为化学分解和强度下降等因素已经不能满足吸波材料的使用要求(整体性、高温强度、耐烧蚀性、吸波性能),因此国内外主要针对碳和陶瓷材料及其复合材料作为超高温耐烧蚀吸波材料的研究。本文对最近报道的>1 000 ℃耐高温碳基和陶瓷基吸波材料进行了回顾,同时对在纳米技术、静电纺丝技术等研究中发现的新型碳基或陶瓷基耐高温材料应用为电磁吸收材料进行了展望。1 耐高温吸波材料的选择 纵观国内外现状,目前新型吸波材料主要是缺乏基础原材料。在设计、合成和制备新型耐高温电磁波吸收剂方面,是国内外研究的热点,力求为电磁吸收材料提供宽频、轻质、高强、易加工、具有温度稳定性的吸收剂。 手征性材料,比如螺旋形碳纤维,因兼具手性强化吸收、电损耗和各向异性特性,同时密度小、强度大和耐高温(吸收性能随温度变化很小),得到研究者的关注,如Gifu大学S. Motojima和北京化工大学赵东林等就研究了在3.76~18 GHz反射率小于-10 dB的宽频带吸波螺旋碳纤维。但本征性手性材料较难制备,现在基本处于设计制备结构型手性材料上,这也限制了这方面的应用进展。 导电高分子因质轻(1~2 g/cm3)、加工性好(成型方便)、性能可设计和品种多而受到广泛研究,有可能设计成飞机“灵巧蒙皮”。近几年研究比较多的导电高分子材料有聚苯胺、聚吡咯、聚(亚苯基乙烯)和二茂铁配位高分子等。但导电高分子的问题在于性能稳定性差、耐热性低和不耐老化,目前还没有达到实用阶段。 由于绝大部分磁性吸收剂(如磁性氧化铁、铁粉等)居里温度偏低,在高温下失去吸波性能,因此磁性吸波材料一般只能用于中常温电磁波吸收。在传统的高温材料如金属不能发挥作用时(如 > 1 000℃的应用环境),高温隐身或高温吸波材料必须采用碳、陶瓷材料及其复合材料,其优点是高温力学性能好(熔点2 000 ℃以上、蠕变小)、密度低(约为铁的1/4~1/3)、吸波性能稳定(电阻型吸波且电阻随温度升高较稳定,无电磁损耗衰减和屈服效应),还可以有效地减弱红外辐射信号;其中碳化硅基陶瓷是制作多波段超高温吸波材料的主要组分。2 碳和碳化硅基吸波材料碳和碳化硅基陶瓷材料是目前研究最多的耐高温吸波材料。据报道,美国已经研究出了SiC纤维增强玻璃陶瓷基复合材料,应用在F 117隐身飞机的尾喷管后沿,能够承受l 093 ℃的高温。国防科技大学和西北工业大学等高校也进行了此类研究。为了克服碳化硅陶瓷没有磁损耗、吸波频宽较窄的缺点,国防科技大学陈志彦等采用低分子量聚硅烷(LPS)和二茂铁合成出聚铁碳硅烷(PFCS),可制得电阻率低至10-2 Ω·m的Si-C-Fe-O纤维,这种含铁粒子的碳化硅纤维将是很好的高温宽频电磁波吸收材料。如果能够优化铁粒子的含量和分布状态,并且形成批量制备能力,含铁碳化硅材料将对我国开发超高温吸波材料提供有力的技术支撑。 碳纤维作为吸波材料已有较长的历史,北京航空材料研究院和天津大学等也进行了研究。但碳纤维易氧化、电磁参数也不容易调整,所以应用受到很大限制。这一方面是因为碳材料的长期抗氧化技术有待提高,更主要的是国内碳纤维技术不过关,制备多元组分碳纤维材料仅仅处于探索阶段。所以,尽管碳纤维及其复合材料具有耐超高温( >3 000 ℃条件仍可承载、高温导电性、无磁滞损耗)和轻质(密度约1.8~2.2 g/cm3,约为常见金属材料的1/4)的优势,要想获得抗氧化烧蚀、宽频和高效的吸波材料,仍取决于多元碳纤维制备技术和抗氧化技术的突破。 纳米吸波材料兼备了吸波宽频带、质量轻、种类多等特点,是一种极具发展前途的吸波材料,美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代吸波材料加以重点研究和探索。纳米材料的吸波原理是由于纳米材料的量子隧道效应、量子尺寸效应和界面效应,而且这些吸波机理(或效应)在高温下也会保持。磁性金属、磁性氧化物、碳和陶瓷材料的纳米级粉体都得到研究。由于磁性金属及其氧化物高温下磁性减弱,远不如碳和陶瓷材料稳定(包括力学性能、耐候性能和电磁吸收性能),所以尽管纳米铁合金粉或铁氧体具有很强的电磁吸收率,但在高温吸波材料领域,应该研究如何提高碳和陶瓷纳米材料的吸波性能。即在保持碳、陶瓷及其复合材料在力学性能、耐高温性能、抗烧蚀性能、导电介电性能方面的优势的同时,借助纳米材料的宽频吸波机理(量子隧道效应、尺寸效应和界面效应),研究和开发能够实用化的新型高温无机吸波材料。 比如美国继“超黑粉superblack”后,研究了吸收性能更为优异的“buckypaper”,这是基于CVD法生长的约10 μm高的单壁碳纳米管阵列森林,据认为接近0.99的吸收率来源于纳米管的手性吸收和电磁波在阵列中的反复反射与吸收(图1);这就体现了纳米材料在电磁波吸收性能上与传统材料电阻损耗和磁滞损耗完全不同的衰减机理,更为重要的是纳米材料(或纳米阵列)基于微观尺寸效应和宏量界面效应的吸波机理受温度影响很小,这就为纳米技术改造传统吸波材料和应用到高温吸波材料上提供了广阔的空间。北京交通大学和南昌大学等也有这方面的研究报道。 01 高温吸波纳米陶瓷主要指以SiC为基础的掺杂型陶瓷材料,包括SiC、SiC-C、Si-C-N、Si-C-O、Si-C-Fe等。它们具有一定的吸波性能,且耐高温、相对密度小、强度大、电阻率高等优点。西北工业大学研究了Si/C/N复合陶瓷粉体在厘米波和毫米波范围内具有良好的吸波性能。但掺杂型纳米陶瓷材料的问题是纳米化均匀性和吸波性能稳定性,如果有所突破,在高速飞行器上有极为广阔的用途。 若将纳米化和纤维化结合起来,将使陶瓷材料的力学和吸波性能有很大提高,如台湾逢甲大学Sheng-Cheng Chiu制备的SiC纳米线环氧复合材料在很宽频率范围内具有极佳的电磁波吸收能力,如图2所示。清华大学核能研究院采用聚碳硅烷前驱体法制备了SiC/CNTs纳米复合材料,SiC包覆CNTs纳米复合材料的损耗机制以介电损耗为主,当聚碳硅烷含<
核辐射的三种主要射线 核辐射,或通常称之为放射性,存在于所有的物质之中,这是亿万年来存在的客观事实,是正常现象。核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。核辐射可以使物质引起电离或激发,故称为电离辐射。电离辐射又分直接致电离辐射和间接致电离辐射。直接致电离辐射包括质子等带电粒子。间接致电离辐射包括光子、中子等不带电粒子。 放射性物质以波或微粒形式发射出的一种能量就叫核辐射,核爆炸和核事故都有核辐射。 核辐射主要是α(阿尔法)、β(贝塔)、γ(伽马)三种射线: α射线是氦核,只要用一张纸就能挡住,但吸入体内危害大; β射线是电子流,照射皮肤后烧伤明显。这两种射线由于穿透力小,影响距离比较近只要辐射源不进入体内,影响不会太大; γ射线的穿透力很强,是一种波长很短的电磁波。γ辐射和X射线相似,能穿透人体和建筑物,危害距离远。宇宙、自然界能产生放射性的物质不少但危害都不太大,只有核爆炸或核电站事故泄漏的放射性物质才能大范围地对人员造成伤亡。电磁波是很常见的辐射,对人体的影响主要由功率(与场强有关)和频率决定。通讯用的无线电波是频率较低的电磁波,如果按照频率从低到高(波长从长到短)按次序排列,电磁波可以分为:长波、中波、短波、超短波、微波、远红外线、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线、宇宙射线。以可见光为界,频率低于(波长长于)可见光的电磁波对人体产生的主要是热效应,频率高于可见光的射线对人体主要产生化学效应。 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 辐射是以波、粒子或光子的能量束形式传播的一种能量.核辐射是指来自于原子核的辐射.影响人类的核辐射主要有三种,即α、β、γ射线.α射线是由氦原子核组成的粒子流.它质量大且带电荷多,但穿透物质的能力弱,射程也短,只要用一张普通的纸就能挡住.但如果进入人体,会造成危害性很大的内照射,因此在防护上要特别防止α发射体进入人体内.β射线是由高速电子组成.与α射线相比它有较大的穿透力,能穿透皮肤的角质层而使活组织受到损伤,但它很容易被有机玻璃、塑料或铝板等材料所屏蔽.其内照射的危害也比α射线小.γ射线与X射线类似,也是由看不见的光子组成的.它的穿透力最强,能穿透一米多厚的水泥墙,一个能量为1MeV的γ射线就足以穿透人体.因此在外照射的防护中对γ射线的防护最重要.但由于γ射线是不带电的光子,它不能直接引起电离,所以它对人体内照射的危害要比α、β射线都小. 放射性是指原子能自发地发射粒子或电磁波的固有特性.具有能自发地发射粒子或电磁波的核素被称为放射性核素.迄今为止,人类已发现了109种元素,约1800种核素.109种元素中,92种是自然界存在的,17种是人工制造的.1800种核素中,只有270种是稳定的,其余1500余种是不稳定的,是放射性核素.由此不难理解为什么我们的环境中充满了各种各样的辐射.
金刚石和碳基薄膜企业名单 DT高分子在线联合中国超硬材料协会共同你定了金刚石和碳基薄膜行业百强名单(入围公示)。今天小编带大家先来看看碳基薄膜行业的巨头们。碳基薄膜、涂层、设备企业(国际17家)1 W&L Coating Systems GmbH相关业务和产品:PVD、PECVD 等设备、提供薄膜和真空涂层(金刚石涂层)技术2iplas Innovative Plasma Systems Gmb相关业务和产品:金刚石生产设备(微波等离子设备等)等3PLASSYS相关业务和产品:金刚石生产设备(微波等离子体辅助CVD为主)、高压/超高压溅射系统等4豪泽涂层技术有限公司(IHI HAUZER TECHNO COATING B.V.)相关业务和产品:DLC涂层、PVD等涂层设备和技术服务(等离子涂层)等5 赛利涂层CemeCon公司相关业务和产品:涂层开发(金刚石涂层)和生产用设备技术及外围设备、提供切削刀具的最先进的涂层解决方案、根据客户需求开发涂层等6爱恩邦德涂层有限公司(Ionbond)相关业务和产品:薄膜涂层服务和设备,PVD,PACVD,CVD,CVA和CVI技术提供最高性能的磨损保护、低摩擦和装饰性涂层等,主要服务于刀具、成型模和注塑模、机械部件、汽车、医疗涂层、装饰。7米巴(Miba)精密零部件有限公司相关业务和产品:提供多种涂层技术和服务,如DLC涂层等,产品组合包括烧结组件,发动机轴承,摩擦材料,电力电子元件和涂料,主要用于机动车辆,火车,船舶,飞机和发电厂。8 Teer公司相关业务和产品:DLC涂层技术和检测等服务、涂层沉积系统、涂装服务、磁控管、测验设备和服务等9欧瑞康巴尔泽斯Oerlikon Balzers相关业务和产品:PVD涂层供应商,可提供700多种涂层系统,如DLC涂层,主要用于工具和部件,面向汽车、航天、能源和医疗等多个领域。10 Seki Diamond相关业务和产品:微波等离子体系统、热丝CVD系统、低温CVD系统等金刚石生产设备、金刚石种子、金刚石工具(铣削工具、拉丝模、散热片等)11CCR Technology GmbH相关业务和产品:COPRA等离子体源,薄膜涂层和表面处理,PECVD等设备,硅,碳,氧化物和氮化物等涂层,如DLC涂层12 Morgan Technical Ceramics( Morgan Advanced Materials)相关业务和产品:可提供DLC涂层、聚晶和非晶金刚石涂层,可用于航天航空、汽车、数码 产品、零部件等13 PLATIT Advanced Coating Systems相关业务和产品:PVD技术、涂装设备、涂层服务(如DLC涂层、纳米复合PLATIT涂层等)14 Techniques Surfaces梯爱司表面技术管理(上海)有限公司相关业务和产品:提供盐浴硫氮碳共渗技术-、真空气相沉积技术,等,可提供DLC涂层技术,用于汽车、液压机械等领域。15 纳峰集团NanoFilm相关业务和产品:镀膜设备和服务,如PVD 连续真空镀膜生产线 (金属 / 陶瓷膜)、FCVA连续真空镀膜生产线、FCVA 真空锁镀膜系统,DLC涂层、氮化铬涂层 (CrN)、氮化钛涂层(TiN)等,主要针对汽车、电子消费、新能源、医疗器械16美国野马真空系统中国区代理——东莞爱加真空科技有限公司相关业务和产品:刀具、模具、DLC等超硬涂层镀膜设备等17新加坡超强镀膜私人有限公司相关业务和产品:主要从事真空镀膜PVD设备和相关真空设备的制造和销售,同时提供应用于各种工业领域的硬质涂层服务。专业低温专利技术真空镀膜技术,PVD镀膜服务,PVD涂层,TiN涂层(氮化钛) ,TiCN涂层(氮碳化钛),TiAlN涂层(氮化铝钛), CrN涂层(氮化铬),DLC涂层(类金刚石),TiAlCrN涂层(氮化铬铝钛)。碳基薄膜、涂层、设备企业(大陆、港澳台地区16家)1科汇纳米技术有限公司(科汇工业机械有限公司)相关业务和产品:PVD涂层技术、服务和设备,可提供DLC等多种涂层,主要应用在刀具、齿轮、零件、模具等。2桂林桂冶重工股份有限公司相关业务和产品:人造金刚石液压机(超硬材料六面顶液压机)、金刚石单晶及制品(金刚石复合片地质钻头、金刚石符合截齿、金刚石复合球齿(PDC)潜孔钻头、金刚石复合片(PDC)、金刚石复合球齿、锥齿(PDC) )。3成都纽曼和瑞微波技术有限公司相关业务和产品:微波工业应用(微波解冻系统、全自动光波茶生产线等)、微波等离子体系列(多用途微波等离子体(CVD)系统、单膜腔型微波等离子体系统、微波等离子体CVD系统等)、微波源系列、微波大功率计等4大连维钛克科技股份有限公司相关业务和产品:高端装饰PVD 镀膜设备、磁镜式过滤电弧、精密模具 PVD 镀膜设备、金属切削刀具 PVD 镀膜设备、汽车零部件 PVD 镀膜设备,可提供卓越的硬质膜涂层产品(TiN、DLC、TiCN、CrN等)5星弧涂层新材料科技(苏州)股份有限公司相关业务和产品:金刚石涂层(DLC)和其它金属陶瓷类(CrN,TiN等)全系列硬质涂层、PVD等涂层设备、涂层服务、6苏州鼎利涂层有限公司相关业务和产品:TIALN、TIN、CrN、CP、DLC、HP涂层等7安徽纯源镀膜科技有限公司相关业务和产品:镀膜技术(PVD、CVD、基片表面处理)、镀膜设备(P系列、I系列、N系列等) 、镀膜服务,可提供DLC膜。8北京天地东方超硬材料股份有限公司相关业务和产品:CVD金刚石刀具、CVD金刚石修整笔、CVD金刚石热沉、CVD金刚石膜等9武汉喜威鼎超强金刚石膜高科技有限责任公司原(湖北咸宁超强金刚石膜高科技有限责任公司)相关业务和产品:微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜设备及零配件、金刚石薄膜、金刚石刀具、金属制品、非金属制品金刚石薄膜镀膜生产、销售。10安徽多晶涂层科技有限公司相关业务和产品:多弧镀工具和模具涂层加工、类金刚石DLC涂层加工、耐磨耐蚀抗高温氧化涂层方案设计与加工;多弧离子镀、空心阴极、DLC和磁控溅射PVD涂层设备及HFCVD金刚石涂层设备的设计与制造;特殊要求的刀具与模具的开发与销售。11苏州涂冠镀膜科技有限公司相关业务和产品:PVD技术、CVD技术、电弧镀膜、溅射镀膜、DLC涂层、氮化钛涂层等多种涂层、涂层检测等12上海交友钻石涂层有限公司相关业务和产品:新材料专业领域内的技术服务、技术咨询、技术开发、技术转让,超硬材料、超硬涂层制品、超硬材料或制品相关的专用设备的生产、销售。纳米金刚石复合涂层、拉丝模、拉管膜等13厦门微思纳涂层技术有限公司相关业务和产品:纳米金刚石涂层(VSN BDIA)、微晶金刚石涂层(VSN GDIA)、光滑金刚石涂层(VSN SDIA)、复合金刚石涂层、多层金刚石涂层等先进工艺技术,公司拥有对PVD涂层、DLC涂层、CVD金刚石涂层的先进退膜技术。高性能金刚石涂层刀具、高品质涂层加工服务、金刚石涂层专用材料、模具、工具退涂加工、原辅材料供应等。14沈阳市北宇真空设备有限公司相关业务和产品:双离子束溅射镀膜机、磁控溅射镀膜机、离子镀膜机、真空炉、电弧纳米粉设备、太阳能集热管镀膜机、真空配件及耗材,可提供各种功能膜,如DLC(类金刚石)、TiC(碳化钛)、TiN(氮化钛)、ZrN(氮化铬)、TiAlN(氮化铝钛)、耐高温膜层和低摩擦系数膜等。15山东坤伦纳米科技有限公司相关业务和产品:CVD金刚石涂层技术和产品,纳米金刚石涂层拉丝模具、压紧模具、涂层刀具等。16苏州弧光纳米涂层有限公司相关业务和产品:真空涂膜刀具, 模具的研发 , 生产 , 销售及提供以上产品的售后服务金刚石制品(工具、刀具等)相关企业(国际13家)1诺顿Norton公司相关业务和产品:金刚石磨料、砂轮、锯片等2不二越Nachi株式会社相关业务和产品:金刚石涂层钻头、金刚石球头铣刀、金刚石涂层铣刀、金刚石表面涂层工具、DLC系列、金刚石镀层等3京瓷Kyocera相关业务和产品:可提供金刚石陶瓷刀片等切削工具、精密刀具、特殊刀具4则武Noritake株式会社相关业务和产品:金刚石工具(砂轮、带锯、修整器、耐磨工具等)5 Asahi Diamond旭金刚石相关业务和产品:天然钻石拉丝模、聚晶金刚石拉丝模、金刚石砂轮、金刚石钻头、金刚石滚轮修整器、钻石齿轮修整器、金刚石带锯、金刚石锯片等6德国Condias公司相关业务和产品:金刚石电极材料7 Winter Saint-Gobain公司相关业务和产品:金刚石磨削工具(砂轮、滚轮、刀片)等,可用于航天、玻璃、轴承、汽车、光学等多个领域8吴砂轮株式会社相关业务和产品:各种金刚石磨削砂轮及金刚石器具的制造加工及销售,金刚石砂轮(外圆磨削用金刚石砂轮、平面磨削用金刚石砂轮、无心磨削用金刚石砂轮)等9三井研削砥石株式会社相关业务和产品:金刚石砂轮、磨石等10迪思科DISCO公司相关业务和产品:金刚石切割片、研削磨轮等11京滨工业所Keihin Kogyosho Co., Ltd.相关业务和产品:单结晶合成金刚石工具、金刚石烧结工具、金刚石磨刀石、金刚石修整块、金刚石磨砂轮等12日本金刚砥石制作所Nihon Grinding Wheel Co.Ltd.相关业务和产品:金刚石磨轮、修整块等13德国乐客Leuco公司相关业务和产品:金刚石刀具(铣刀、刀片等)、金刚石锯片、金刚石钻头等,主要针对木工、建筑、家具等行业金刚石制品(工具、刀具等)相关企业(大陆、港澳台地区30家)1郑州磨料磨具磨削研究所有限公司相关业务和产品:人造金刚石、金刚石砂轮、金刚石钻头、金刚石研磨膏、金刚石研磨液、金刚石刀具、配备检测仪器和设备等2北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司相关业务和产品:制造金刚石制品、金刚石单晶、金刚石工具预合金粉末;加工金刚石制辅料,粉末烧结材料制品等3白鸽磨料磨具有限公司(郑州白鸽钻石科技有限公司)相关业务和产品:金刚石锯片、金刚石砂轮、金刚石修整滚轮等4博深工具股份有限公司相关业务和产品:金刚石工具(烧结圆锯片、金刚石磨盘、焊接圆锯片、软磨片、工程薄壁钻头)、金刚石滚刀、金刚石磨块、金刚石圆锯片等5桂林特邦新材料有限公司相关业务和产品:金刚石绳锯、金刚石钻头、金刚石锯片、金刚石线锯机、金刚石复合片、金刚石复合球齿等6广东奔朗新材料股份有限公司相关业务和产品:金刚石滚刀、金刚石磨边轮、金刚石模块、金刚石排锯、金刚石锯片等7长沙岱勒新材料科技股份有限公司相关业务和产品:金刚石线等8郑州市钻石精密制造有限公司相关业务和产品:PCD刀具,天然金刚石刀具9日照海恩锯业有限公司相关业务和产品:锯片基体、锯机装备、制锯设备、金刚石圆锯片等10黑旋风锯业股份有限公司相关业务和产品:金刚石圆锯片基体、金刚石框架锯条和硬质合金圆锯片基体等11江苏锋泰工具有限公司(江苏锋泰钻石工具制造有限公司 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常用气相沉积方法 常用气相沉积方法 CVD技术有多种分类方法,按激发方式可分为热CVD、等离子体CVD、光激发CVD、激光(诱导)CVD等;按反应室压力可分为常压CVD、低压CVD等;按反应温度可分为高温CVD、中温CVD、低温CVD。有人把常压CVD称为常规CVD,而把低压CVD、等离子体CVD、激光CVD等列为非常规CVD。也有按源物质归类,如金属有机化合物CVD、氯化物CVD、氢化物CVD等。这里按主要特征进行综合分类,可分为等离子体CVD、金属有机化合物CVD、低压CVD、激光(诱导)CVD、热激发CVD等。 1.等离子体CVD 等离子体化学气相沉积( Plasma Chemical Vapor Deposition,PCVD)是将低气压气体放电等离子体应用于化学气相沉积中的一项技术。在常规的化学气相沉积中,促使其化学反应的能量来源是热能,而等离子体化学气相沉积除热能外,还借助外部所加电场的作用引起放电,使原料气体成为等离子体状态,变为化学上非常活泼的激发分子、原子、离子和原子团等,促进化学反应,在基材表面形成薄膜。PCVD由于等离子体参与化学反应,因此基材温度可以降低很多,具有不易损伤基材等特点,并有利于化学反应的进行,使通常难以发生的反应变为可能,从而能开发出各种组成比的新材料。 PCVD装置按频率分为:直流、射频和微波三种,其装置结构简单,主要包括反应器、真空系统、配气系统、电源系统等。 (1)直流等离子体化学气相沉积 图5. 32为直流等离子体化学气相沉积( Derected Corrent Plasma Chemical Vapor Depo-sition,DCPCVD)装置示意图。镀膜室接电源正极,基板接负极,基板负偏压为1―2kV。首先用机械泵将其抽真空至10Pa;通人氢气和氮气,接通电源后产生辉光放电;产生的氢离子和氮离子轰击基板,进行预轰击清洗净化并使基板升温;到达500℃以后,通人TiCl4,气压调至102-103Pa,进行等离子化学气相沉积氮化钛过程。 图5.32直流PCVD装置示意图 1-进气系统;2-工件;3-真空泵;4-电源;5-冷阱;6-机械泵 反应器即镀膜室,一般用不锈钢制作。阴极输电装置与离子镀、磁控溅射等相同,此膜会受到阳极附近的空间电荷所产生酌强磁场的影响,为了避免发生这种情况,必须要有可靠的间隙屏蔽措施。基板一工件可以吊挂,也可以采用托盘结构。配气系统中所通入的TiCI4容器不需要加热,由于容器与负压反应器相通,故TiCI4液体很容易汽化。由于PCVD采用的源物质和产物中多含有还原性很强的卤族元素或其氢化物(HCI等)气体,且沉积气压为102~ 103 Pa,故真空系统只需要选用机械泵即可。由于排放腐蚀性较强的气体,因此在抽气管路上应设置冷阱,使腐蚀气体冷凝,以减少对环境的污染。 直流PCVD的缺点是不能应用于非金属基体或薄膜,因为在阴极上电荷产生积累,并会造成积累放电,破坏正常的反应。 (2)射频等离子体化学气相沉积 以射频辉光放电的方法产生等离子体的化学气相沉积技术,称为射频等离子体化学气相沉积(Radio Freqency Plasma Chemical Vapor Deposition,RFPCVD)。一般射频放电有电感耦合与电容耦合两种,在选用管式反应腔体时,这两种耦合电极均可置于管式反应腔体外。在放电中,电极不会发生腐蚀,也不会有杂质污染,但往往需要调整电极和基片的位置。前者结构简单,造价较低,不宜用于大面积基片的均匀沉积和工业他生产。比较普遍的是在反应室内采用平行圆板形的电容耦合方式,用这种结构的电容耦合射频功率输入, 可获得比较均匀的电场分布。 在平板形的电容耦合系统中,反应室的外壳一般用不锈钢制作,直径也可做得比较大。反应室圆板电极可选用铝合金,其直径比外壳略小。基片台为接地电极,两极间距离较小,仅几厘米,这与输入射频功率大小有关。一般来说,极间距只要大于离子鞘层,即暗区厚度的5倍,能保证充分放电即可。基片台可用红外加热,下电极可旋转,以便于改善膜厚的均匀。底盘上开有进气、抽气、测温等孔道。图5. 33是平板形反应室的截面图。通常采用功率为50 W至几百瓦,频率为450 kHz或13. 56MHz的射频电源。 图5. 33平板形反应室的截面图 1-圆板电极;2-基片台;3-加热器;4-RF输入;5-转轴;6-磁转动装置;7-旋转基座;8-气体入口 目前,射频等离子CVD可用于半导体器件工业化生产中SiN和Si02薄膜的沉积。 (3)微波等离子体化学气相沉积 用微波放电产生等离子体进行化学气相沉积的技术,称为微波等离子体化学气相沉积(Micro - wave Plasma Chemical Vapor Deposi-tion,MWPCVD)。 微波放电具有放电电压范围宽、无放电电极、能量转换率高、可产生高密度的等离子体的优点。在微波等离子体中,不仅含有高密度的电子和离子还含有各种活性基团(活性粒子),可以在工艺上实现气相沉积、聚合和刻蚀等各种功能,是一种先进的现代表面技术。 图5. 34微波等离子体CVD装置示意图 1-发射天线;2-矩形波导;3-_螺钉调配器;4-定向耦合器;5-环形器;6-微波发生器;7-等离子体球;8-衬底;9-样品台;10-模式转换器;11-石英钟罩;12-均流罩 微波等离子体CVD装置一般由微波发生器、波导系统(包括环行器、定向耦合器、调配器等)、发射天线、模式转换器、真空系统与供气系统、电控系统与反应腔体等组成。图5. 34是一台典型的微波等离子体CVD装置示意图。从微波发生器(微波源)产生的2.45 CHz频率的微波能量耦合到发射天线,再经过模式转换器,最后在反应腔体中激发流经反应腔体的低压气体形成均匀的等离子体。微波放电非常稳定,所产生的等离子体不与反应容器壁接触,对制备沉积高质量的薄膜极为有利。然而微波等离子体放电空间受限制,难以实现大面积均匀放电,对沉积大面积的均匀优质薄膜尚存在技术难度。 近年来,在发展大面积的微波等离子体CVD装置上已经取得了较大进展,美国Astex公司已有75 kW级的微波等离子体CVD装置出售,可在4200 mm的衬底上实现均匀的薄膜沉积。 PCVD最早是利用有机硅化合物在半导体基材上沉积Si02,后来在半导体工业上获得了广泛的应用,如沉积Si3 N4 .Si、SiC、磷硅玻璃等。目前,PCVD已不仅用于半导体,还用于金属、陶瓷、玻璃等基材上,作保护膜、强化膜、修饰膜、功能膜。PCVD另两个重要应用是制备聚合物膜以及金刚石、立方氮化硼薄膜等,展现了良好的发展前景。 2.金属有机化合物气相沉积 金属有机化合物化学气相沉积( Metal Organic Compound Chemical Vapor Deposition,MOCVD)是一种利用金属有机化合物热分解反应,进行气相外延生长的方法。把含有外延材料组分的金属有机化合物通过载气输运到反应室,在一定温度下进行外延生长。该方法现在主要用于化学半导体气相生长上,由于其组分及界面控制精度高,广泛应用于Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体超晶格量子阱等低维材料的生长。 金属有机化合物是一类含有碳一金属键的物质,适用于MOCVD法,具有易于合成和提纯,在室温下是液体并有适当的蒸气压,较低的热分解温度,对沉积薄膜沾污小和毒性小等特点。目前常用的金属有机化合物(通常称为MO源)主要是Ⅱ一Ⅵ族的烷基衍生物,如表5.9所示。 表5.9常用的金属有机化合物 在室温下,除( C2H5)2Mg和(CH3) 3lri是固体外,其他均为液体。制备这些MO源有多种方法,并且为了适应新的需求和MOCVD工艺的改进,新的MO源被不断开发出来。 图5.35 Gal-xAIxAsMOCVD装置原理图 MOCVD技术所用的设备包括温度精确控制系统、压力精确控制系统、气体流量精确控制系统、高纯载气处理系统、尾气处理系统等。为了提高异质界面的清晰度,在反应室前通常设有一个高速、无死区的多通道气体转换阀;为了使气体转换顺利进行,一般设有生长气路和辅助气路,两者气体压力要保持相等。图5. 35为Gal-xAIxAsMOCVD装置原理图。 MOCVD生长装置大致分为纵向型生长装置和横向型生长装置,图5.35为纵向型生长装置。沉积源物质大多为三甲基镓、三甲基铝,有时也使用三乙烷基镓( TEG)和三乙烷基铝( TEA)。P型掺杂源使用充入到不锈钢发泡器中的(C:Hs):Zn(二乙烷基锌DEZ)。掺杂源为AsH,气体和H:Se气体,用高纯度氢分别稀释至50-/0一lOo-/o,甚至百万分之几十至百万分之几百,充人到高压器瓶中供使用。在晶体生长时,TMG、TMA和DEZ等通过与净化预处理后的氢气混合而制成饱和蒸气导入反应室内。反应室采用石英制造,内部设置石墨托架(试样加热架)。导入的气体在被石墨架加热至高温的GaAs基片表面上发生热分解反应,沉积成含有P型掺杂的Ga.一。Al;As膜层。因为在气态下发生的反应会阻碍外延生长,所以需要控制气流的流速,以便不在气相状态下发生反应。反应生成的气体从反应室下部排入废气回收装置,以消除废气的危险性和毒性。反应室的压力约为IOPa。 与其他方法相比,具有以下特点。 ①单一的生长温度范围是生长的必要条件,反应装置容易设计,较气相外延法简单;生长温度范围较宽,适合于工业化大批量生产。 ②由于原料能以气体成蒸气状态进入反应室,所以容易实现导人气体量的精确控制,并可分别改变原料各组分量值;膜厚和电性质具有较好的再现性,能在较宽范围内实现控制。 ③能在蓝宝石、尖晶石等基片上实现外延生长。 ④只改变原料就能容易地生长出各种成分的化合物晶体。 MOCVD技术存在以下问题:原料的纯度难以满足要求,其稳定性较差,对反应机理还未充分了解,工艺监测方法有待改进和完善,最优化反应室结构设计有待开发。 MOCVD广泛应用于微波和光电子器件、先进的激光器(如双异质结构、量子阱激光器)、双极场效应晶体管、红外线探测器和太阳能电池等。MOCVD在表面技术材料中的应用,主要包括涂层、化合物半导体材料以及细线和图形的描绘。 3.低压化学气相沉积 低压化学气相沉积( Low Pressure Chemical Vapor Depositlon,LPCVD)的压力一般在(1~4) ×104Pa。由于低压下分子平均自由程增加,因而加快了气态分子的输运过程,反物质在工件表面的扩散系数增大,使薄膜均匀性得到改善。对于表面扩散动力学控制的外延生长,可增大外延层的均匀性,这在大面积大规模外延生长中(例如大规模硅器件工艺中的介质膜外延生长)是必要的。但足对于由质量输送控制的外延生长,上述效应并不明显。低压外延生长对设备要求较高,必须有精确的压力控制系统,增加了设备成本。低压外延有时是必须采用的手段,如当化学反应对压力敏感时,常压下不易进行的反应在低压下变得容易进行。 利用这种方法可以沉积多晶硅、氮化硅、SiO2等。 4.激光(诱导)化学气相沉积 激光(诱导)化学气相沉积( Laser Induced Chemical Vapor Deposition,LCVD)是一种在化学气相沉积过程中利用激光束的光子能量激发和促进化学反应的薄膜沉积方法,它的沉积过程是激光光子与反应主体或衬底材料表面分子相互作用的过程。 激光化学气相沉积装置主要由激光器、导光聚焦系统、真空系统、送气系统和沉积反应室等部件组成。其沉积设备结构示意图和导光系统示意图,如图5. 36、5.37所示。激光器一般用C02或准分子激光器,沉积反应室由带水冷的不锈钢制成,内设有温度可控的样品工作台及通人气体和通光的窗口。沉积反应室与真空分子泵相连,能使沉积反应室的真空度低于10-4Pa,气源系统装有Ar、SiH4.N2.02的质量流量计,沉积过程中工作总炉压通过安装在沉积反应室与机械泵之间的阀门调节,通过容量压力表进行测量。 图5. 36激光气相沉积设备结构示意图 1-激光;2-透镜;3-窗口;4-反应气进入管;5-水平工作台;6-试样;7-垂直工作台;8-真空泵;9-测温加热电控;10-复合真空计;11-观察窗;12-真空泵 图5.37导光系统示意图 1-激光;2-光刀马达;3-折光器;4-平面反射镜;5-透镜;6-窗口;7-试样 按激光作用机制分激光热解和激光光解沉积。在激光热解沉积中,激光波长的选择,要求反应物质对激光是透明的,无吸收,要求基体是吸收体。这就可在基体上产生局部加热点,利于该点的沉积,其沉积机制如图5. 38所示。而激光光解沉积,如图5.39所示,要求气相有高的吸收截面,基体对激光束是透明与不透明均可.化学反应是光子激发,不需加热,沉积可在室温下进行。但沉积速度太慢是致命的弱点,大大限制了它的应用。若能开发出高功率的、廉价的准分子激光器,激光光解沉积就可与热CVD、激光热解沉积相竞争。特别在诸多关键的半导体器件加工技术中,降低沉积温度对工艺技术至关重要。 图5.38激光热解机制示意图 图5. 39激光光解机制示意图 和一般的CVD工艺相比,激光CVD工艺更独特,如可局部加热选区沉积,膜层成分灵活,可形成高纯膜、多层膜,也可获得快速非平衡结构的膜层;沉积速率高,而且可低温沉积(基体温度200℃),还可方便地实现表面改性的复合处理。 激光化学气相沉积是迅速发展的先进表面沉积技术,其应用前景广阔。在太阳能电池、超大规模集成电路、特殊功能膜及光学膜、硬膜及超硬膜等方面都有重要的应用。 5.热化学气相沉积 热化学气相沉积(Thermo Chemical Vapor Deposition,TCVD)是利用高温激活化学反应进行气相生长的方法。按其化学反应形式又可分为三类:化学输运法、热分解法、合成反应法。这些反应过程已在前面介绍的CVD原理中列出,其中化学输运法虽然能制备薄膜,但一般用于块状晶体生长;热分解法通常用于沉积薄膜;合成反应法则两种情况都用。 热化学气相沉积应用于半导体和其他材料的镀膜,广泛应用的CVD技术如金属有机化学气相沉积、氢化物化学气相沉积等都属于这个范围。 化学气相沉积主要应用于两大方面:一是沉积涂层;二是制取新材料。 在沉积涂层应用方面,CVD主要用于解决材料表面改性,以达到提高耐磨、抗氧化、抗腐蚀以及特定的电学、光学和摩擦学等特殊性能的要求。在耐磨涂层方面主要用于金属切削刀具,其镀层一般包括难熔硼化物、碳化物、氮化物和氧化物等。镀层的重要性能包括硬度、化学稳定性、耐磨、低的摩擦系数、高的导热性和热稳定性等。近来,陶淹刀具已经变得相当普遍,氮化硅和Si-AI-O-N材料用于陶瓷刀具涂层,如果在刀具上沉积此类涂层,既能提高刀具耐磨损性,也能使刀具的切削性能得到提高。在耐腐蚀和摩擦设备(如喷砂设备的喷嘴、泥浆传输设备、煤的汽化设备和矿井设备等)上,化学气相沉积也越来越受到重视。另外,化学气相沉积还被用在枪管内壁镀耐磨层,在电镀镍枪管的内壁用CVD镀钨后,枪管的耐蚀性能几乎提高10倍。
大气压放电等离子体核心关键技术及应用前景 1、戴 栋:从非线性动力学角度再认识和理解大气压介质阻挡放电 先简单介绍一下我为什么会做这方面的工作。我以前不是研究气体放电的,从研究生学习开始,我一直从事电力电子电路与系统中的非线性现象研究。2009年,我从西安交通大学调动到华南理工大学,碰巧接触到了一些大气压介质阻挡放电中非线性现象的研究工作。上午清华大学的王新新老师也提到了,大连理工大学王德真老师的研究小组最早开始进行了大气压介质阻挡放电中的非线性动力学研究。看了他们的研究工作,再加上自己具有一定的非线性动力学研究基础,因此,我也尝试着继续做一些工作,今天就简单给大家汇报一下我的一些工作进展和想法。 首先给大家介绍一下非线性动力学的基本概念。考虑到在座的大多是等离子体方面的专家,对非线性动力学不太熟悉,因此我就从最简单的离散映射系统开始为大家进行介绍。这个映射系统虽然看起来非常简单,但足以让大家比较好地理解非线性动力学的基本概念。Logistic映射数学表达式是xn+1=rxn(1-xn),它是非线性动力学里非常基础的一个例子。尽管Logistic映射看起来很简单,但它已经是一个动力学系统,即它的状态变量是随时间演化的。对于我们现在讨论的Logistic映射,比如说第n步是xn,那第n+1步是什么呢?很简单,由映射关系就可以得到xn+1。我们来观察它随时间会如何演化,比如说从x0开始,迭代第一步得到x1,再得到x2,一直迭代下去我们最终可以观察到映射的稳态结果,那我们究竟可以观察到什么样的稳态行为呢?这其实就是非线性动力学研究的一个主要内容。我们来看这么一个简单的Logistic映射,图1给出了它的分岔图。显然,映射最终的稳态行为是与映射的参数有关系的,通过图1的分岔图我们就可以观察映射在各个参数下的稳态行为。例如,当r=2.5时,Logistic映射的稳态很简单,就是一个不动点,也称为周期一点。如果:再增加,比如增加到2. 9,这时稳态依然还是个不动点,和r=2.5时的稳态对比,稳态行为并没发生性质的变化。进一步增加到3. 0时,会发现稳态还是个不动点,但这时候与2. 9时有一点变化,这时映射处于一种临界状态,如果参数r再增加一点就无法观察到之前的不动点稳态行为,所以我们认为在r=3.0处Logistic映射发生了分岔现象。进一步增加参数r到3. 1时,就会发现稳态已经不是不动点或周期一,而是周期二了。周期二就是指稳态行为在两个点之间来回的振荡。进一步增加r到3. 45时,映射又进人了周期二的临界状态,当然我们认为这时也发生了分岔现象。进一步增加r我们还可以观察到周期四稳态,即在这四个点之间来回振荡形成一个完整的轨道。刚才我们已经观察到周期一到周期二的倍周期分岔以及周期二到周期四的倍周期分岔,随着r继续增加,我们还可以进一步地观察到倍周期分岔,如周期四到周期八、周期八到周期十六、周期十六到周期三十二等等。显然,随着倍周期分岔的持续发展,映射稳态将呈现越来越大的周期态,这个周期态在极限情况下周期将无穷大,就变为了一个非周期行为,我们称之为混沌态,这就是非线性动力学中典型的倍周期分岔通向混沌的路径。通过这个Logistic映射的例子,我们简单地认识了一下什么是分岔。分岔其实从定义上来说很简单,它就是指当系统参数改变时,动力学系统定性行为发生变化的一种现象。分岔描述的是系统随参数变化的动态现象,不同类型的分岔其细节也不一样,我们可以进一步地定义不同的分岔现象,因为时间原因这里就不给大家详细展开了。 那混沌又是什么呢?混沌就是动力学系统在某些参数下产生的一种现象,以Logistic映射为例,当r>3.57时会发生混沌行为。那混沌行为有什么特点呢?简单来说,在混沌状态下你会发现映射随时间演化的结果并不呈现某种周期性,同时还会发现映射演化的结果对初值极其敏感。也就是说从不同的初值x0出发,演化很长时间后,例如100万步后,会观察到它们的演化结果是完全不一样的,这就叫作对初值的敏感性。另外要说明的是,Logistic映射很简单,是一个确定性的动力系统,但是它产生的混沌行为是非周期的,就像随机结果一样。这就很奇怪了,因为一个不包含随机因素的确定性动力系统,当它处于混沌状态时它看起来就像是 一个随机系统产生的结果,这也是混沌的一个重要特征。关于混沌严格的定义目前仍然还有一定的争议,但我们通常说一个系统是混沌的,如果这个系统具有以下三个性质:初值敏感性;拓扑上的混合特征;周期轨道是稠密的。 刚才讲的Logistic映射是一个离散动力系统,下面给出一个连续动力系统的例子,该系统非常有名,叫作洛伦兹系统,是1969年洛伦兹在研究气象模型时提出的: 洛伦兹系统其实就是一个简单的三维自治ODE方程组,洛伦兹发现在某些参数下该系统会出现混沌行为。图2给出了洛伦兹系统具有双涡卷特征的混沌吸引子相图,注意其轨道是永不重复的。 我们这里研究的大气压介质阻挡放电和刚才讲的非线性动力学到底有什么关系呢?图3是华南理工大学的放电实验原理图。从电路的角度来看,这个实验系统有一个交流电源,这个电源连接到放电室中,放电室里有电极和阻挡介质,在实验中我们可以直接测量电源电压和放电电流。 下面给出一组实验研究的结果,在实验中气隙宽度保持在2. 08mm,阻挡介质用的是石英玻璃,其相对介电常数为3. 6,电源电压频率保持在26. 6kHZ不变,只通过调节电源的幅值来观察放电现象。我们首先观察到当电源电压峰一峰值Vpp=1755V时,可以得到周期一的放电电流波形(周期一是指放电电流周期与外施电源电压的周期完全一样)。观察得到的电源电压图形,是可以比较明显地看出放电电流为周期一的。此外,我们还可以看看由实验数据得到的电源电压一放电电流相图,可以发现,实验数据是包含很多干扰和误差的,因此在相图中周期一轨道并不是非常完美的重合,但大致来看还是可以认为是周期一的。如果要再细致地确认轨道的周期性,我们可以进一步来观察放电电流的频谱。对放电电流进行快速傅立叶变换(FFT)后得到的放电电流频谱。观察0 —25次谐波的频谱放大图,可以看出在基波的整数倍处有明显的频率分量,25一50次谐波的频谱放大图中也有同样的情形。所以,从频谱的角度来说我们可以认为此时的放电电流波形是周期一的。 如果把电源电压的气P值再增加一些到1800 V,我们会观察到周期二的放电。从电源电压和放电电流波形图,大致可以看出一些周期二的模式。从相图中可以看出区别于周期一放电时的一个环,这时相图里表现为两个环,当然在电流脉冲这里相图的重复性依然不是太好,那我们就来看看放电电流的频谱。从0一25次谐波的频谱放大图中,可以发现,不仅在整数次谐波处有频率分量,在整数次谐波之间也存在着频率分量,在25一50次谐波的频谱放大图中,也存在着同样的情形。所以,通过频谱图可以明显看出放电电流的基波频率其实是电源电压频率的一半,即放电电流的周期是电源电压周期的两倍。 我们进一步增加Vpp值到1830V,从电源电压和放电电流波形图看,大致可以认为是周期四的模式。在相图中只能观察到两个环,无法由此判断放电电流的周期四特征。在0—25次谐波的频谱放大图中可以发现,不仅在整数次谐波处有频率分量,在整数次谐波之间也存在着频率分量,再仔细观察可以发现在一些1/4基波的整数倍处也存在着频率分量。在25—50次谐波的频谱放大图中,已经可以明显观察到存在1/4基波整数倍的频率分量。因此,我们认为放电电流的基波频率是电源电压频率的1/4,即放电电流的周期是电源电压周期的四倍。 进一步增加Vpp值到1847 V,我们可以观察到混沌态放电。在电源电压和放电电流波形图中已无法明显看出放电电流的周期性。对比之前周期放电时的相图,这时相图中的轨道看起来很稠密。在0— 25次谐波的频谱放大图中还可以看出主要是在谐波处有频率分量,但是在25—50次谐波频谱放大图中,我们可以明显地发现并不只在谐波处存在频率分量,这时的频谱图具有连续频谱分布的特征。所以,我们认为此时放电处于混沌态。在以上的实验结果中,我们观察到了周期一、周期二、周期四以及混沌态放电,所以,我们认为这就是非线性动力学中典型的倍周期分岔通向混沌的路径。它的动力学机理到底是怎么回事呢?我们可以用这个公式来分析气隙电压,即Vg=Vin? + Vab,这里Vg是气隙电压,Vin是外施电源电压,Vab是阻挡介质上累积电荷产生的等效电压。显然,气隙电压Vg由Vin和Vab两部分共同叠加作用。对周期一放电的数值进行仿真,根据之前的公式可知,气隙电压减去外施电压即为阻挡介质上累积电荷产生的等效电压Vab。在Vab> 0部分,根据外施电压方向的不同,Vab分别可以起到抑制放电和助推放电的作用。同样的,在Vab< 0部分,Vab也分别可以起到抑制放电和助推放电的作用。 我们再来看一下在一个周期内Vab的变化过程。在一个周期内Vab的分布分为两部分,即大于零和小于零两部分,这两个部分的转换是由放电导致的介质板上的电荷反向引起的。刚才已经指出,无论是Vab>0还是甄Vab<0部分,又可以进一步划分为抑制放电和助推放电两个区间,它们的转换是通过外施电压换向实现的。因此,再重新看一下整个周期可以发现一个周期内其实有四个区域,在这个四个区域里阻挡介质或助推放电或抑制放电,它们由放电或外施电压换向产生切换或转换。 介质板对放电的作用,不仅有助推有利于放电的作用,还有抑制放电的作用,这两种作用是交替进行的,它们最终实现了一个精妙的平衡。刚才给出的是最基本最简单的周期一放电下的例子,在一定条件下如果刚才所述的那种平衡状态不能保持稳定,那么就可能进人其他的平衡状态并表现为其他的放电形态,例如周期二放电甚至混沌态放电。 总结一下,我认为大气压介质阻挡放电是一个多物理场藕合的动力学时空系统,在一定的条件下自然会呈现相应的非线性动力学行为。那研究其非线性动力学机理有什么用呢?我是这么想的:首先,通过非线性动力学可以从宏观层面上解释一些放电现象,比如说之前提到的分岔、混沌、斑图、不对称放电、多脉冲放电等等;其次,如果能彻底搞清楚放电的动力学机理,那就有可能去尝试采取某种措施对放电现象进行调控。这是我目前所能想到的一些可能的应用。 [返回] 2、卢新培:大气压非平衡等离子体射流的研究 我今天主要讲我们实验室做的等离子体射流的一些装置,也讲一点等离子体子弹的行为,主要是动态过程。主要包括三个部分,我们实验室的惰性气体射流、空气射流,最后讲讲等离子体子弹的射流。 我们实验室的惰性气体射流,跟国外比较明显的区别是,高压电极是用电极介质管包的,有的人问我不用包是不是也可以产生,是的,但我们为什么用这个包起来?因为我们实验室主要做生物医学应用研究,如果不用介质管包,人的手太靠近电极可能就被电了。我们的这个,手碰到很久才会感觉到有一点温,但是没有任何电的感觉,我们做了牙医设备,国外有一些人总说做了一些生物方面的设备,没多久就返修,我们这个已经用了几年根本没有任何问题,安全性没问题。在我们测之前,大家总觉得射流携带的电流应该很小,在大气中应该是微亚量级,结果我们测出是几百毫安,这之后多篇文章也是用与我们同样的方法进行测量,有的用交流的,一般就是几十毫安或者几毫安,脉冲的上百毫安,射流虽然喷在空气中,电流还是很大的,当然还是脉冲的过程。我们实验室做了几个不同的射流装置,叫它射流因为它都是产生在周围空气中,是单电极的,主要是牙医的应用,可能需要增量,做高速摄影照片也是比较均匀的,为了考虑到更加均匀做了一个等离子刷,手可以一直接触。不锈钢针通过电阻连到脉冲电源上,针上是高电压的(6一7kv),但是人手可以碰,我们为什么做这个针?因为做实验根管治疗,大概深1一2cm,直径1mm左右,如果用等离子体的喷嘴,想把活性粒子推进去是很难的,因为这是一个密封的通道,国外做的杀菌效果都不理想,因为通道太深。所以为了对根管进行治疗,必须把等离子体产生在里面,要产生在里面,里面要有高压,但牙齿的导电性是非常好的,所以我们不能让这东西伤害牙齿,而我们做的这个虽然有高压,但手是可以抓的,也可以放到人的口腔里。等离子体产生在牙齿中,你手抓哪哪就会变亮,整个口腔都是非常亮的,这就是射流跟人体接触的一个例子。 针上的电压有6000 V,真正的放电电流大概是10 mA。当手碰到针时,针上因为没有压降了就是没有射流了,手离开后射流又产生了,所以这种针放在牙齿里是没有任何安全问题的。 下面讲一下空气等离子体射流,我们做了三个装置,价格分别是2万美元,三四千美元,三四百美元。最贵的脉冲直流放电加了电容电子,电压总共才1万伏,所以间距只有几毫米,远了就放不了电了,这是电流电压的特性,脉冲电压就是针上的电压,大概1. 5kV,放电电流其实很大,第一个是1. 5A,后面就小一些,0. 5A}放电都是稳定的,不是随机的。1. 5A对人没事。做出这个之后,我们就想看用直流电源可不可以,大家知道用直流电源加上电阻放电,几十年前这就有人做了,但是当间隙距离段或者电压稍微高一点,总会从辉光放电变成流注,你如果用这个做等离子体医学应用是没法用的,一个是气温高,一个是电,我们这里做的就是让它不会转换成流注,怎么放都不会转换成流注放电,都是辉光放电。虽然是直流,放电也还是脉冲的,这是我们这套装置放电的一个特性,因为我们要保持气体温度,直流是非常难的,所以放电还是脉冲的,电流也还是几十毫安,当然脉冲的频率变了,大概是几十千赫兹。手放近一点就放电,手碰到针,因为没有压降就不放电,离开又继续放电。这个装置可以说是真正的第一个用电子驱动的等离子体射流装置。和前面那个有点类似,电压是直流的,但是放电电流是脉冲的,但是它的脉冲宽度要宽一些,100ns左右。 下面讲一点动态过程,大家都认为它是电驱动的,所以有惰性气体射流,我们做了一点实验,如果电压低一点,实验装置一模一样,在完全相同的条件下拍三幅,发现有的时候它也有随机性,这就跟流注有点像了,重复性也是在一定条件下重复的,电压低了就失去了重复性。大家认为这是由于空气中的氮气扩散引起的,我们做了一个很简单的实验,射流里面加一点氮,变成实心的。这里为什么能引起大家的兴趣?很重要的一个原因就是子弹往前推后面有一个黑通道,这个黑通道电导率到底怎么样?事实上它虽然是黑的,但电导率是非常高的,因为它的电子密度是非常高的,它为什么不发光?因为电场不够,我们看到的光是从氮来的,而氮的激发态寿命很短,不被激发,它就发不了光,所以电场低,电子温度就非常低,就没有光,有的模型认为这个黑通道电导率非常高,有的认为非常低,但是都没有定论,计算表明这个通道的电导率其实是很高的。我们发现所有的动态过程都是关于惰性气体的,但是不是所有都射流?因为有一些空气的射流、氮气的射流不也是电驱动吗?我们为了看看是不是一样的,做了很简单的一个氮气射流装置,产生的射流最多接近2cm,电流脉宽几十纳秒。我们发现一个很有趣的现象,对所有的射流,不仅仅是这个,我们试了好多,只要接地,不管是不是直接接地,你还没有碰到它就拐弯了,就不往前推进了。但这个射流,根本就不会构成影响,我们甚至把它放前面,它还绕着跑,说明它的电测性跟惰性气体是完全不一样的。为了看它的区别,我们就看看它的速度是否一样,它的速度只有几百米每秒,而前面的都是几十甚至上百千米每秒,我们算了一下它的气体的速度,跟这个是非常接近的。后面我们继续用空气做了,也测了空气的速度,速度一模一样。 [返回] 3、周前红:高功率微波大气击穿的理论研究 首先简单介绍一下研究背景,我们组是研究高功率微波的,现在国内高功率微波峰值功率已经达到吉瓦量级,达到这个量级之后就会出现很多问题,比如说高功率微波在传输中会发生大气尾蚀、微波从微波源器件发射出来的时候也会发生击穿,这些都不利于高功率微波的产生和传输,但是微波击穿形成等离子体也为高功率微波的应用提供了一些应用前景,比如说有的学者就提出可以使用高功率微波产生人造电离层,用人造电离层产生人造臭氧层。上午很多老师介绍了等离子体流动控制、等离子体助燃,微波产生等离子体也可以用于流动控制和助燃。微波大气等离子体属于低温弱电离等离子体,主要是通过电子碰撞电离,早期做的比较简单,20世纪40年代就开始做一些击穿阑值测量,很多等离子体研究都是这样,基本上把等离子体发光作为一个判据。由于微波源功率的提高可以研究更大压强范围、更大频率范围的微波放电,近期很多研究组开始研究超音速和跨音速的微波放电,使用快速照相可以得到等离子体区域的一些精细结构。莫斯科无线电研究所进行了这方面的研究,他们的研究背景主要是助燃和流动控制或减阻,比较了超音速的放电和在静止大气中的微波放电,他们还做了微波等离子体箍缩,说可以使用微波等离子体箍缩产生中子,但他们装置刚做实验就因为经费问题拆掉了,所以具体详细的实验他们没有。俄罗斯学者提出了人造电离层和臭氧层,由于在大气中的实验很难做,他们在实验室内使用两束微波相交,然后看形成等离子体的区域形状。 在2008—2009年,MIT(麻省理工学院)用快速照相测到了等离子体区域向微波源方向移动的速度[实验的气压是710torr(1torr=133.322Pa),微波频率是110GHz],发现在电场和波矢所在的平面等离子体呈丝状,在磁场和波矢所在的平面是一系列的点状结构,整个等离子体区域都是向微波源方向移动。MIT另外一个小组研究了更大压强范围和功率范围内的微波等离子体区域形状,他们得出的结论是这样的:高气压下是丝状,中等气压下是片状或者说鱼骨形的结构,低气压是连续等离子体区域,他们也发现不同气压条件下等离子体区域都是向微波源方向移动的。我们对MIT的实验结果进行了模拟。我们使用的理论模型比较简单,就是描述电磁波的Maxwell方程组和描述等离子体的电子运动方程,电子运动方程稍微变形一下就会变成一个电流密度的控制方程,还有电子数密度方程,参数都是实验上的一些拟合公式,电离频率表示电子的增长,它对场强有一个5.33次方的依赖关系,因为粘附造成的电子损失,氧气有电负性。对控制方程进行离散,由于电磁波与等离子体的时空尺度差别很大,我们在模拟中对它们使用了不同的时空步长。二维模拟中我们使用的计算区域是,波矢沿着z方向传播,如果是一维的在)方向平移对称就行了。 首先看一维的结果,初始电子数密度给的是半径为50μm的高斯分布。为了和实验比,我们取的微波频率也是110GHz。在t=6ns时,由于等离子体密度还比较小,所以它对电磁波基本上没有吸收和反射,所以在整个计算区域,微波振幅是不变的;随着等离子体密度的增长,在t=15ns时,等离子体密度已经增长到1015cm-3,这时等离子体对微波有吸收,也会反射,反射的结果就在等离子体上游形成一个驻波结构,驻波的第一个场强最大值距离等离子体是1/4波长,当种子电子扩散到强场区的时候就会有一个新的等离子体丝出现,新的等离子体丝出现之后也会对微波形成反射,如此反复就会有等离子体丝在上游不断出现。二维的结果和一维基本上是一样的,等离子体反射微波形成的强场区形成一个弧形区域,等离子体丝不仅向微波源方向移动,还会向两边扩散。 下面看一下压强对等离子体区域形状的影响。760torr时我们前面已经介绍过了,当压强降低的时候,刚开始时可以看到一些丝状结构,随着时间的推移它会过渡一个连续区,在200 torr的时候基本上看不到一个丝状的,出现的都是连续区域。这主要是因为等离子体的产生有两种作用,一个是电离,另一个是扩散。电离作用会导致在强场区形成高密度等离子体,而扩散作用会抹平这种密度差异,所以在高气压下,扩散系数比较小,会形成丝状等离子体区;低气压扩散比较大,所以会形成一个连续的等离子体区。我们的模拟结果和实验基本上是一致的,当压强降低到400torr时,磁场和波矢所在面是一个片状结构,到200torr时它是一个连续的等离子体区域。 下面看电场和波矢所在面的结果,在400torr和200torr的时候,它会出现一个比较漂亮的鱼骨形,等离子体对电磁波的反射不仅在它的上游会形成一个驻波结构,在等离子体两侧也会出现两个强场区,当种子电子扩散到两个强场区时,就会在这两边形成新的等离子体区域,新的等离子体区域也会向微波源方向移动,最终也会成为一个鱼骨形,我们模拟的等离子体区域形状和实验定性上符合得很好。 从前面可以看出,在垂直于电场方向和平行于电场方向等离子体的运动是不一样的。当等离子体密度达到一定程度的时候,由于和电磁波相互作用,在等离子体沿着电场方向的两端形成强场区,在强场区的作用下,等离子体就会被拉长,拉长之后两端的场就会进一步加强,这样就不断地拉长,直到它上游出现一个新的等离子体丝。新的等离子丝重复这个过程,如此反复,它会有一个等离子体丝向微波源方向移动。 下面看一下相交微波束大气击穿的模拟结果,我们首先算了同频率微波相交的情况,此时相干叠加之后,由于干涉作用,会形成电场强度强弱分布。我们首先模拟一下种子电子在弱场区的情况。因为在大气中种子电子是偶然出现的,有可能出现弱场区,如果出现在弱场区,它需要扩散,扩散到强场区之后电子碰撞分子发生雪崩电离,形成的等离子体沿着强场区做趋源运动,运动方向沿着)=:的这条线。形成的等离子体的区域是一个等离子体丝带,当然如果把气压降低,会发现丝带就会过渡为一个等离子体带。图1给了几个典型时刻的等离子体密度分布和场强的分布,在20ns的时候,由于靠近等离子体区域最强的场是沿着)=:这条线的,当等离子体丝带长度增加到一定程度的时候,在其左上和右下区域,相当于把两个微波场隔开,这两个区域相当于只有一个单微波的作用,在两边有新的等离子体丝带。如果初始电子出现在强场区,电子碰撞分子就会雪崩电离,形成等离子体。等离子体区域也是沿着J=:这条线做趋源运动。下面简单比较了同频和非同频微波相交的大气击穿,同频相当于相干叠加,非同频相当于非相干叠加,模拟时间都是80ns,初始的种子电子数都一样,可以发现在相干的情况下,即使把种子电子源放到场强最小的地方,产生等离子体的区域也大于非相干的情况,而且产生的最大电子数也是大于非相干的情况。总结主要有三点,一个是区域随压强的变化,还有等离子体做趋源运动,还有相干比非相干的等离子体区域比较大。[返回] 4、施芸城:千赫兹、兆赫兹大气压辉光放电及其应用 在这里主要聊一聊有关千赫兹和RF下大气压辉光放电及其一些应用。这些内容大部分是以石建军教授为主的我们团队的一些工作。关于DBD,前面讲过它有很多好处但也有一些问题,比如说它的不均匀性等。我们的想法是把射频或高频引人到大气压放电下,使它产生通常意义下的辉光放电。 如果一个几十赫兹的信号或者电压加在两个极板上就会产生丝状放电,升高电压,丝状放电有可能就会增多。介质阻挡层限制了放电电流的增加。上极板附近会有一个发光区,下极板也会有。在半个周期内放电在一个极板附近。每半个周期内放电时的强度有所不同,一个极板附近稍微弱一点。这是因为上下两个电极不是电对称的。 气流从一侧进人系统,出口附近加一个电极。在其正前方是另外一个电极,这个电极可近可远,该电极是接地的,因为做实验的时候外面总是要有接地的。由此我们就能看到一个JET。它的整个放电过程实际是在整个周期电压上升的某个区域才能产生的。看到的现象跟同行前面说的相似,看上去像是一束等离子体,用ICCD拍出来以后是像“子弹”样的东西。整个“子弹”区域的光强分布有一些特点,如强度分布会出现两个峰,“子弹”以超音速运动等。一个JET只能处理很小的一点,如果把多个JET做成一个阵列,能形成一个大面积的处理。JET的直径2. S mm,所产生作用的区域大概23 mm,所以一个JET出来的等离子体强度所产生的影响范围是非常大的。如果要扩大它的作用范围,由7个JET构成直径大概8mm的结构,作用范围可以扩大到35 mm,还可以做更大阵列。 上面描述的是正弦激励的方式,下面我们看一下脉冲激励的方式。这里脉冲电压不是很高,大概就是1kV。对于在电极间不加介质的情况和DBD的情况,同样加这样一个脉冲,这两种放电的特征有一点不一样。不加介质阻挡的时候在电压下降沿有一个大的电流峰,我认为真正的放电(或说电离)在电压上升时已经开始。有介质阻挡的时候,在电压上升到一定的程度后,当电压变化率产生变化时会产生形成较大的放电电流。然后在电压后沿下降的时候又产生一次放电,当然这两处放电的机理应该是不同的。一种粗浅的理解是这样的,第一次放电是通常意义上的,放电以后气体中产生的电离正负电荷,在电压变化变化时,会使它们的漂移云辉光很强。由于电压不变,放电产生的正负电荷在这个稳定的电场作用下向两边集聚,电极间电场减弱。到了电压下降沿的时候,外加电压去掉了,在两极附近积累的电荷由于自身建立的电场作用而产生放电,即空间电荷产生的内建电场激发放电。内建电场与外加电场方向相反,所以形成反向电流。 大家都知道,任何放电,等离子体中离子的运动和电子运动的速度是不一样的,在小于离子振荡的时空变化范围内,一定会形成空间电荷。我们把一个连续的正弦高频放电变成脉冲的,在脉冲的情况下整个放电过程中就不会像正弦的情况下产生丝状放电。在脉冲的上升和下降过程中,会产生电荷的重新分布,由于脉冲非常短,丝状放电的建立就很难。 下面介绍射频放电,我们企图将把介质板去掉,在射频放电下获得均匀放电。大家知道在射频放电中有 α模式和γ模式,α模式下所放电形成的特点,稳定而充满空间,γ模式之下两个极板之间放电形成的特点,局部收缩而不稳定。在某个频率下放电的电流达到一定程度,就进人为α模式,如果再增加它的电流就进人γ模式。α模式当然比γ模式的放电区域分布范围更加广,能够分布到整个电极,也就是我们通常所说的均匀性会好一点。所以要控制这两个之间的放电状况变化,就是控制这里的电流。控制这电流可以是一个稳流源,或外加的可控电压,就能在一定的频率下把整个放电控制在α模式上。在APGD和DBD情况下,它们的α模式相似,电压或电流增加到一定程度,α模式和γ模式之间会转化。如果在一定射频下放电时间的足够长,维持在α模式当然是非常好的一件事情,但是它所注人的能量也非常高,在处理材料的时候等离子体放电注人的能量与所需要的能量相比就会很大,这就会造成电极非常热,甚至把被处理材料烧坏,所以,我们试图在射频上面加上一点脉冲控制,使得它产生有效的作用以后停止放电。因为一旦停止放电,实际上里面活性的粒子还会存在,只要有相应的处理效果以后,没必要一直持续的放电,所以在连续放电的射频电压上加了一个脉冲。 如果两个脉冲间隔比较近,那么跟连续就没什么差异,因为脉冲撤销以后,即射频消失以后,电极间还存在的空间电荷,也就是有电子和离子分离存在,这些电子在第二脉冲上来后就会参与放电,这时与连续放电差异性就不大了。如果脉冲间隔范围足够宽,这就成为两个不同的放电,两个放电之间是不相关的。如图1( I)是脉冲之间间隔非常小的时候,称为连续模式;下面的Ⅲ是脉冲之间间隔非常大的时候,称为分离模式,我们可以看到整个放电的峰值电流要小不少。在它们之间,(II)称为传输模式,在两个脉冲之间,电子没有完全消亡的情况下放电电流与占空比的关系。共有上述三个过程,可见脉冲的间隔长短对放电的影响不是由占空比决定,主要是考虑电极之间间距和里面所参与的空间电荷分布变化。 然后我们把脉冲宽度进一步缩短,整个占空比的宽度大概到6%的情况下,脉宽被调至非常短,增加到8%以后,放电的均匀性稍微差一点。因为在上下两个极之间存在“鞘”的增加,实际上就是那个地方有过多的空间电荷的分布存在,所以说它的均匀性就差一点。加了一定脉冲调制以后,在不同的电流和电压情况下放电模式发生变化。在一定的电流和电压下,均匀放电的模式会转变掉了。低的占空比会有更宽的a模式运行范围。所以说通过控制一定的电流和一定的电压就能保持a模式放电的状态。 用长50cm、间距5cm的电极板做了一个射频的放电模式。我们用上面介绍的JET做了灭菌实验,细菌的存活数量得到了有效的下降。在这里主要看一下对化纤的处理效果,图2的左图是没有处理过的,中图是200 W处理的,右图是800 W处理的。这两个之间有什么区别呢?中图显示纤维表面有沟槽出来,这任何化纤在等离子体处理情况下刻蚀的一个特征,在低真空情况下的射频放电都会有沟槽刻蚀出来。但是在大气压辉光放电的情况下,表面有许多圆形体产生。我认为不单纯有刻蚀,而且有表面熔融的状态出来。所以说,在大气压射频放电对表面的作用是相当强的。虽然每个脉冲时间比较短,但是它的作用非常强。
女儿刚考上大学,家里每个月给她寄1200,一个月后,父亲给女 女儿刚考上大学,家里每个月给她寄1200,一个月后,父亲给女儿的支付宝打钱,先打电话过去问:“1200元够不够?”女儿回答:“够了。”父亲放心了,嘱咐说:“想买什么就买什么,别亏了自己。”女儿听了,半天不作声。父亲觉得奇怪,就问:“怎么了?”女儿犹豫了一下,说:“爸爸,我不知道应该说或是不说。”父亲:“有什么事情快说,爸爸帮你分析,提建议。”女儿说:“朋友和我一样,每月家里面也是给1200元,但是她的生活质量比我高。她每天都有零食吃,每周去一次麦当劳,有时候还能去必胜客。”父亲一算,这样的话,1200元根本都不够花。“她是不是去打工了?你不要去耽误学习。”父亲急忙说。“没有,她没有去打工,是在谈恋爱。有一次她约会回来对我说,其实她不喜欢那个男生,只是喜欢他替她买单而已,我们班上也有几个女生是一样的。她们还嘲笑我,说我傻,可惜了这张脸,如果她们有像我这样漂亮能吸引男生的脸,根本不用向家里要钱,她们会找到愿为她们付费的长期饭票……”父亲愕然。放下电话,一分钟都没耽误,给女儿支付宝打了1500元钱。又回在微信上给女写着:亲爱的女儿,从这个月起,我每月给你1500元的生活费。多出来的300元,你可以买零食,去麦当劳,必胜客……记住,任何时候,都要用自己的钱买单,这才是有质量的生活。还有,如果你喜欢某个男生,开始谈恋爱,请一定要告诉我。我会每月再给你增加200元,作为恋爱经费。请你一定要记住,每次约会,不要忘了带上你的钱包,拿人家的手短,吃人家的嘴短。爸爸也是男人,我最理解男人,男人会最爱独立,自爱,有尊严的的女人。女儿感动了,想不到爸爸竟能道出如此人生哲理。爸爸顿了顿说道:是我的吧友教会了我太多太多!女儿顺势问道:爸爸在哪个贴吧进修?爸爸脸上露出了幸福的笑容,说道:是南康吧,里面都是真男人!
cvd金刚石涂层刀具在3D玻璃、陶瓷及高端材料应用领域大放光彩 随着3D玻璃市场全面爆发,石墨材料在3D玻璃热弯模具应用上的优良性能已经得到了业界的一致认可,而由于石墨材料的高磨蚀性、强韧性,石墨模具的加工环境要求非常严格,为保证石墨模具拥有良好的精度,光洁度,稳定性,除了需要在安静,机身本身吸尘能力外,石墨加工刀具也成为加工环节的重中之重,选用适合于高速加工的刀具,需要从提高耐用度、可靠性和安全性的角度,对刀具基体与涂层材料和刀具与工件材料匹配进行综合考虑。   经过对各种刀具材料不断实验和验证,CVD金刚石涂层刀具的使用寿命是硬质合金的8~lO倍,CVD金刚石涂层刀具的允许切削速度比硬质合金刀具高2~3倍,切削刃锋利且一致性好,摩擦因数低,可在高转速和低进给下实现薄壁石墨模具的高速高精密加工,同时CVD金刚石涂层刀具的使用寿命在众多刀具材料中受到各石墨加工厂商的青睐!   化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)金刚石涂层具有接近天然金刚石的高硬度、高导热系数、低摩擦和低膨胀系数等诸多优异的性能,在加工石墨等脆性材料以及碳纤维复合材料时,已经成为切削刀具的首选表面涂层,在提高刀具寿命和加工质量方面,表现出卓越的性能。   按晶粒尺寸大小,CVD金刚石涂层可分为微米金刚石涂层和纳米金刚石涂层。微米金刚石涂层的晶粒尺寸通常在500 nm到几微米之间,由柱状生长的金刚石晶粒竞争性生长形成,具有硬度高、表面耐磨性好等优异特性,可以显著降低刀具磨损速率,提高刀具寿命。然而,微米金刚石涂层的表面较为粗糙(Ra值通常为几百纳米),涂层韧性及抗裂纹扩展能力较差,表面裂纹容易沿晶界区域扩展引起涂层脱落,使得刀具表面在没有达到磨钝标准之前,涂层已经脱落。纳米金刚石涂层是由呈团簇状分布的纳米级金刚石晶粒构成,晶粒尺寸通常在100 nm以下,表面光滑性好(Ra值小于100纳米),在切削过程中可显著降低摩擦,从而降低切削力和切削热,提高刀具寿命。纳米金刚石涂层具有良好的抗裂纹扩展能力,然而,与微米金刚石相比,它与基体结合强度相对较低,加工过程中容易出现涂层脱落等非正常失效。   金刚石涂层刀具选择应用的主要依据是工件材料的属性及加工质量要求。对于EDM石墨模具加工来说,铣削加工过程的实质类似于“磨削”过程,此时需要刀具表面的“微刃口”数量多而且耐磨,应选择晶粒较大的微米金刚石涂层。 对于应用于陶瓷加工的模具来说,要求表面光洁度高,应在精加工阶段选用纳米金刚石涂层。在铝合金的加工中,“粘刀”现象的严重性高于刀具磨损,此时对刀具耐磨性的要求相对较低,应选择摩擦系数低的纳米金刚石涂层。对于碳纤维复合材料,由于纤维材料本身具有强烈的磨蚀性能,既要求刀具具有很好的耐磨性能,又要降低加工过程的切削力和切削热,应采用微/纳米复合金刚石涂层。最后,特别说明一下,金刚石涂层厚度的选择问题,并不是“越厚越好”,耐磨性能的提高,金刚石涂层的品质作用要大于厚度的作用
等离子体技术在环境污染物处理上的应用 (一)等离子体技术处理**的特点 利用大功率等离子体处理危险有害的废弃物和一般的焚烧方式大不一样,等离子体火炬的中心温度可高达摄氏2~3万度,火炬边缘温度也可达到3千度左右。当高温高压的等离子体去冲击被处理的对象时,被处理物的分子、原子将会重新组合而生成新的物质,从而使有害物质变为无害物质,甚至能变为可再利用的资源。因此等离子体**处理是一个废料分解和再重组过程,它可将有毒有害的有机、无机**转成有价值的产品。等离子体高温分解特性是:第一,温度越高产生的分子的分子量越小;且C/H比越高,炭沉积为烟灰;第二,高温分解的许多产物的化学反应随温度降低而降低。炭,氢,氯在300○C左右容易形成致癌物质:二氧(杂)芑,呋喃等,由于等离子体在处理**时温度高,不易形成致癌物质,所以可以达到“零排放”。 等离子体分解有机**可得到氢气及一氧化碳,并可通过一个附属设备提取。它们可以用作化学原料去生产其它产品,如聚合物或其他化学产品。氢气是十分有价值的商业气体,可应用在多种制造日用品的工艺中,例如:氨及塑料、药物、维生素、食油等。它亦可为燃料电池提供能量。燃料电池被广泛认为是未来解决污染问题的洁净能源。从无机**中得到的可再用的产品包括可用于冶金工业的合成金属,可用于建筑及研磨材料的玻璃状的硅石。 几乎所有废料均可被等离子体处理并转换成有用的产品。等离子体火炬处理**有如下特点: a. 可以处理有毒、有害危险及非危险**,包括有机的、无机的、气体、液体及固体。 b. 能够完全地、安全地将有毒废料转化成无毒且有使用价值的产品。 c. 符合最严格的排放标准,减容率高。 许多有毒有害的物质是不能焚烧的,例如PCBs、农药、杀虫剂等等,而使用等离子系统则可以安全地处理并且可以随时起动和停机,而等离子设备的减容量非常高,其它处理设备做不到的。正因为如此,用电量方面较多,这是造成运行成本较高的主要原因,因焚烧炉的减容量最大90%,以处理量1000吨/日为例,每天要有100吨的含有重金属的底灰须填埋或再经等离子系统处理(日本就专为焚烧炉的底灰处理购置了等离子系统)。 存在的问题: 由于设备的特殊性,其制造成本较高,用电运营成本高。但如在大规模运营中可以收回氢气,这是当今和今后最需要的清洁能源,而且价值很高。下面三式是等离子体处理**时的主要反应式。 2C+O2=2CO+58.86kcal/mol C+H2O=CO+H2-28.36kcal/mol CO+H2O=CO2+H2+10.41kcal/mol
高密度等离子体源研制成功并顺利通过验收 近日,由等离子体所研制中心承担的高密度等离子体源装置顺利通过专家组的验收。   所党委书记张晓东在验收会上感谢研制中心高密度等离子源装置参建人员的辛勤工作,希望研制中心凭借该装置研制的成功经验以及以往在直线等离子研制领域积累的技术力量,实现直线等离子体源技术领域新的突破。该项装置的成功研制和通过验收标志着研制中心在中型及小型等离子体装置研制领域又前进了一大步。   据悉,高密度等离子体源是目前国内最大的直线等离子体装置,其真空室直径500mm,长度6米,并且由于其直线装置的独特结构,后期可以根据物理实验的需求在此基础上延长。在研制过程中,中心克服了多磁场不易耦合的问题,与等离子体所十二室参建人员一起找到了磁场共振位置。其放电等离子体密度在真空室中心磁镜最弱处,等离子体密度可达1016m-3_1017m-3,并且磁场位形可根据实验需要进行调整,实现4:1的磁镜比,单次实验可稳定连续工作10小时以上。   为了便于未来物理实验的需求,研制中心在设计时采取了模块化拆装的方式,避免了每一次试验的破坏性拆装。同时,在充分考虑后续实验需求的基础上,特别为装置预留了匹配13.56MHz的射频加热位置。   高密度等离子体源是一台可以产生和维持一直线段稳态等离子体的装置,包含有真空系统、磁约束系统、等离子体源、真空系统、等离子体诊断系统、电源和其他辅助系统组成,可以通过探针、样品台等可研究等离子体与材料相互作用的基础问题,如材料的物理溅射和化学刻蚀、材料中氢和氦滞留/起泡问题、等离子体破裂对材料的影响模拟等,也可以通过窗口输入微波,进行等离子体与波相互作用的研究。     高密度等离子体源     高密度等离子体源顺利通过验收
德国的Wendelstein 7-X融合装置生产并维持了首个氢等离子体 德国的Wendelstein 7-X-世界上最大的Stellarator型核聚变装置产生并维持了氢等离子体的首次闪蒸 Wendelstein 7-X(W7X)核聚变装置产生并维持其氢等离子体的首次闪光。用2兆瓦的微波脉冲加热将少量氢气转化为极热(8000万摄氏度)的低密度氢气等离子体。 [图片来自国家地理频道] 德国马克斯·普朗克研究所的科学家已将革命性的Wendelstein 7-X恒星仪(世界上最大的同类核聚变仪)发射到8000万摄氏度的温度,并成功产生并维持了氢等离子体的首次闪蒸。 Wendelstein 7-X的运行于2015年12月10日开始,已经产生了300余次稀有气体氦气的排放。这些氦气放电的主要目的是清洁等离子体容器壁,这反过来将帮助等离子体达到高达600万度的温度。在此期间,还对等离子体加热和数据记录进行了测试,并使用复杂的仪器(例如X射线光谱仪,干涉仪,激光散射和视频诊断仪)来运行用于研究等离子体的测量设备。完成此操作后,他们的氦等离子体试运行获得了成功。这是Wendelstein 7-X首次被证明可产生并维持等离子气体。 “这一切都为下一步做好了准备,” Wendelstein 7-X项目负责人Thomas Klinger教授在新闻稿中说。 “我们正在将氦等离子体变成氢等离子体,这是我们研究的适当对象。” 实际上,产生氢等离子体比产生和维持氦等离子体要困难得多。因此,即使今天的实验产生并维持了氢等离子体,即使持续了很短的时间(以毫秒为单位),我们也离实现核聚变的洁净无穷无尽的能量又迈进了一步。 嗯,德国总理安格拉·默克尔(Angela Merkel)开启了第一个氢等离子体,她本人也获得了物理学博士学位,这标志着这种Wendelstein 7-X核聚变设备开始科学运行。 2兆瓦的微波加热脉冲将少量氢气转化为8000万摄氏度的低密度氢气等离子体。 当然,要启动聚变过程,需要这么高的温度,否则,氢原子将不会被能量激发,也不会形成任何等离子体云。 电子也与氢原子核分离。 Wendelstein 7-X的超导磁笼使带电粒子悬浮而不与等离子室壁接触,因为为了确保等离子持续存在,带电粒子不得与反应器的冷壁接触。因此,一旦反应器达到其所需的温度(在这种情况下为8000万摄氏度),则称为量子隧穿的量子力学现象便开始发挥作用。就是说,氢粒子穿过屏障,开始碰撞和融合,从而释放能量并形成更重的元素。 “该设备的第一个氢等离子体具有8000万度的温度,使用寿命为四分之一秒,完全达到了我们的期望,”汉斯·斯蒂芬·博世(Hans-Stephan Bosch)博士说,他的部门负责Wendelstein 7- X。 研究人员将在3月中旬之前进行氢等离子体的实验。然后将打开等离子容器,以安装碳砖来保护容器壁,并使用“分流器”消除反应堆容器内的杂质。此外,他们正在计划连续扩展,直到大约四年后,他们希望能够以20兆瓦的全功率产生持续30分钟的放电。 “这些设施将使我们能够获得更高的加热功率,更高的温度以及更长的放电时间,持续时间长达10秒钟,” Thomas Klinger解释说。 Wendelstein 7-X是世界上最大的恒星型融合设备,实际上并未设计为产生任何可用的能量。该聚变反应堆的目的是简单地重建为我们的太阳提供动力的过程。此外,研究人员希望首次将等离子体限制的质量与托卡马克的质量等同。
微波真空干燥介绍 微波真空干燥不同于传统干燥方式,其热传导方向与水分扩散方向相同。与传统干燥方式相比,具有干燥速率大、节能、生产效率高、干燥均匀、清洁生产、易实现自动化控制和提高产品质量等优点,因而在干燥的各个领域越来越受到重视。早在上世纪60年代国外就对微波干燥技术的应用和理论进行了大量研究,在近几十年又得到了进一步的发展。   微波干燥设备的核心是微波发生器,目前微波干燥的频率主要为2450兆赫,多用于化工、食品、农副产品、木材类、建材类、纸品等行业的干燥,也可用于食品、农副产品等的**。   在传统的干燥工艺中,为提高干燥速度,需升高外部温度,加大温差梯度,然而随之容易产生物料外焦内生的现象。但采用微波加热时,不论物料形状如何,热量都能均匀渗透,并可产生膨化效果,利于粉碎。   在微波作用下,物料的干燥速率趋于一致,加热均匀。并且,微波干燥技术不影响**燥物料的色、香、味及组织结构,有效成分也不易被分解、破坏。有关研究机构正在着手采用微波干燥替代传统的烘房干燥,以解决采用传统干燥方法干燥川中药材时易产生干燥不均匀等问题。   微波设备配套设施少、占地少、操作方便、可连续作业,便于自动化生产和企业管理(可通过PLC编程控制、温度可调)。   微波真空干燥工艺的能源利用率较高,这是因为微波的热量直接产生于湿物料内部,热损失少,热效率高无环境和噪音污染,可大大改善工作环境。
磁控管波导概述 磁控管波导概述   通常,磁控管波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导,前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内,又称封闭波导;后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围,又称开波导。   介质波导采用固体介质杆而不是空心管。光导纤维是在光频率工作下的介质波导。微带、共面波导、带状线或同轴电缆等传输线也可以认为是波导。   当无线电波频率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时,同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。波导管的优点是导体损耗和介质损耗小;功率容量大;没有辐射损耗;结构简单,易于制造。波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解,与普通传输线不同,波导管里不能传输 TEM模,电磁波在传播中存在严重的色散现象,色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在 。其传播模式为表面波。在毫米波与亚毫米波波段,因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。这时使用表面波波导,除具有良好传输性外,主要优点是结构简单,制作容易,可具有集成电路需要的平面结构。表面波波导的主要形式有:介质线、介质镜像线、H-波导和镜像凹波导。   磁控管波导中的电磁波可以想象为沿Z字形路径在波导中行进,在波导的壁之间来回反射。对于矩形波导的特殊情况,可以立足于这种观点的**分析。在介质波导中的传播也可以同样的方式看待,波被电介质表面的全内反射限制在电介质的内部。一些结构,如无辐射介质波导和高保线,使用金属壁和电介质表面来限制波。
微波等离子体化学气相沉积金刚石膜装置的研究进展 在所有的物质中, 金刚石具有最高的硬度, 在室温下具有最高的热导率、极低的热膨胀系数、高的化学惰性、大的禁带宽度、最高的声传播速率, 以及从远红外光区到深紫外光区的高透射性等十分优异的力学、热学、化学、电学、声学和光学性能, 使得其在科学研究和工业上具有极广阔的应用前景。然而天然金刚石数量稀少, 人们难以大规模地使用金刚石, 所以早在20 世纪50 年代, 人们便开始了低温低压条件下合成金刚石薄膜的探索; 到80 年代中期, 随着制备技术的不断改进, 金刚石薄膜在成膜面积、生长速率及薄膜质量等方面都取得了突破性进展, 从而提供了工业应用的可能性。于是, 人造金刚石在世界范围内兴起, 美、日、俄等发达国家纷纷投入巨大资金从事这一领域的研究和开发, 而金刚石薄膜的制备技术特别是合成装置及工艺则成了各国竞争的关键。 2 微波等离子体化学气相沉积装置研制历史及现状 自从Matsumto[1]等于1982 年发明了化学气相沉积即CVD 法制备金刚石薄膜后, 到目前已经开发出很多种CVD 法制备金刚石薄膜的装置及工艺, 其中主要有: 热丝法( HFCVD) [1]、微波法( MPCVD) [2]、氧气- 乙炔燃烧火焰法( Oxy- acetylene Combustion Flame) [3]和直流等离子体火炬法( DC Plasma- jet CVD) [4]。微波法避免了热丝法中因热金属丝蒸发而对金刚石薄膜的污染[5], 并且可以在沉积腔中产生既大面积而又稳定的等离子体球, 有利于大面积、均匀地沉积金刚石膜, 这又是火焰法难以达到的[6]。与直流等离子体火炬法相比, 微波功率调节连续平缓, 使得沉积温度可连续稳定变化, 克服了直流电弧法中因电弧的点火及熄灭而对衬底和金刚石膜的巨大热冲击所造成的金刚石膜很容易从基片上脱落的缺点[7]。因此微波法在所有金刚石薄膜制备法中具有十分突出的优越性, 微波等离子体化学气相沉积被认为是高速率、高质量、大面积沉积金刚石膜的首选方法。 MPCVD 沉积装置到目前为止有以下几种形式: 按微波与等离子体的耦合方式分: 表面波耦合式, 直接耦合式, 天线耦合式和线形同轴耦合式; 按沉积装置真空室的形式分: 石英钟罩式, 石英管式和不锈钢谐振腔式; 按使用的微波频率分有2.45 GHz 和915 MHz。 2.1 表面波耦合石英管式MPCVD 装置( 图1[2]) 表面波激发等离子体的基本原理: 微波经过环行器 和波导管, 在波导短路活塞的调节下通过耦合孔进入真 空室, 当微波功率足够大时, 该处的局部场强很强, 在较 低气压下就可首先击穿气体放电, 并在下端短路活塞调 节下形成高密度的等离子体。整个装置由微波发生器、波 导管、真空反应室和真空系统组成, 微波发生器产生频率 为2.45 GHz 的微波, 经过匹配器和波导管, 进人石英管, 在真空室内激励等离子体。与其他等离子体相比, 表面波 等离子体不仅具有低压、高密度的特点, 同时离子源结构 简单, 不需要外部磁场, 操作方便, 并且可以在很宽的微波频率范围内放电, 其频率范围可以从几兆赫兹到十几吉赫兹[8]。 因此, 表面波等离子体具有更加广泛的应用前景。但是目前国内MWPCVD 制备金刚石膜的表面波耦合石英管式MPCVD 装置, 存在着微波运行功率和沉积面积受限制、器壁材料对薄膜有污染等缺点[9], 并且当微波功率加大时, 石英管会受热软化, 因此该类反应器的微波功率受到限制, 一般低于800 W。 2.2 直接耦合石英管式MPCVD 装置( 美国Califonia 大学, 图2[10]) 此装置的基本工作原理: 微波经过波导管、磁控管和环行器, 在阻抗螺钉和波导管中的短路活塞共同调节下进入石英管真空室, 当微波功率增大到一定时击穿气体放电并形成等离子体球。该装置的特点是将石英管真空室直接插入到波导管内, 微波在阻抗调配器和短路活塞的调节下直接耦合激励产生等离子体。微波发生器产生频率为2.45 GHz, 但其输出可调功率范围为0~800 W, 有效最大功率仅为400~500 W。 2.3 直接耦合不锈钢圆筒腔式MPCVD 装置( 澳大利亚Sydner 大学, 图3 [11]) 此装置的特点: 其真空室采用带有石英微波窗的金属圆筒腔体, 微波透过石英窗口进入密封的不锈钢圆筒内, 在波导管末端的短路活塞调节下直接耦合激发产生等离子体。这种装置的优点为真空沉积反应室由金属制成, 可以采取用水冷却的办法来降低沉积反应室的温度, 从而可加大微波输入功率, 提高沉积速率。但该装置与直接耦合石英管式一样在形成等离子体的调节上具有一定难度, 沉积面积受限制, 所能沉积金刚石膜直径最大不超过!50 mm, 并且膜的纯净度不是很高。 2.4 天线耦合石英钟罩式MPCVD 装置( 图4) 我国已于1993 年成功研制出天线耦合石英 钟罩式800 W的MPCVD 装置, 见文献[12]。石英钟罩式MPCVD 装置原理及特点: 与石英管式同的是石英钟罩式MPCVD 装置存在模式转换( 如图4 所示) 。该装置的工作原理是微波产生频率为2.45 GHz 的微波, 沿矩形波导以TE10 模式传播, 经过环行器、三螺钉调配器和发射天线等的共同作用, 微波传播模式转换为沿圆形波导传播的TM01 模式, 最后在谐振腔( 石英钟罩)内激励其中的气体形成均匀等离子体球。沉积腔体直径达到!120 mm, 等离子体球的直径取决于沉积腔体中的气体压力和微波功率。 沉积温度以微波自加热方式来达到。此装置由于存在模式转换而能够在石英真空腔体中激励出等离子体球。石英钟罩距离等离子体球较远, 因此不易产生器壁污染, 同时薄膜的沉积面积也得到扩大。这样对于面积较大、纯净度要求高的金刚石薄膜的沉积极为有利。随着真空腔体尺寸的扩大, 改善了石英管式沉积装置中微波功率和沉积气压等参数的限制, 从而拓展了金刚石薄膜沉积规律的研究范围。 2.5 天线耦合不锈钢谐振腔式MPCVD 装置( 图5[13]) 我国又于1997 年研制出了5.0 kW 的天线耦合不锈钢谐振腔式MPCVD 装置[9]。该装置包括2.45 GHz、5.0 kW的磁控管微波源、环形器与水负载、定向耦合器与微波功率计、三螺钉阻抗调配器、天线耦合式微波模式转换器、内径为!143 mm 的带有石英微波窗和观察窗的水冷却不锈钢反应室以及4 路质量流量控制器、机械真空泵、红外测温仪、热偶真空计和U 形水银压力计等。其中微波模式转换器可把矩形波导的TE10 模式转换为圆波导的TM01 模式, TM01 模式激发低压含碳气体( 133~9 310 Pa, H2 中混入0.1%~5.0%的CH4) 形成等离子体。由于TM01 驻波模式的电场等势面分布为不接触谐振腔壁的同心椭球, 故TM01 模式能激发不接触腔壁的椭球状等离子体, 避免了接触污染, 从而可制备出高质量的金刚石薄膜。 本实验室通过对此装置的进一步改进, 已经实现了10 kW的微波功率输出, 并在微波有效输出功率为6.0 kW时能够长时间稳定运行, 沉积膜的速率达到3 μm/h 左右, 详情见文献[14]。 2.6 线形同轴耦合式微波等离子体CVD 装置( 图6[15~17]) 此装置是由德国斯图加特大学于20 世纪90 年代发明的, 由于这种装置产生的微波等离子体是沿轴向呈线形扩展分布的, 所以被称之为线形同轴耦合式微波等离子体CVD 装置。此装置由微波发生器、微波传输与模式转换器、真空室、真空泵、气体输入控制系统、水冷系统以及微波等离子体激励装置等几个主要部分组成。2 只功率为800 W的磁控管产生频率为2.45 GHz 的微波, 经过波导和模式转换器, 微波耦合进入充有特定成分气体的真空室, 产生的等离子体与作为微波发射天线的铜导体棒两者一起构成同轴波导, 它不仅构成了微波负载, 同时也起着传输微波能量的作用。 该装置克服了石英管式、石英钟罩式和不锈钢谐振腔式MPCVD 装置中等离子体易受金属基片干扰的缺点, 且其产生的等离子体在轴线方向上分布较为均匀, 稳定可靠, 可控性好, 适合于用来对金属样品进行CVD 涂层处理。 3 一种大功率大面积生长CVD 金刚石膜装置的构想前面所介绍的在2.45 GHz 频率下工作的天线耦合不锈钢谐振腔式MPCVD 装置( 目前国内最好的) , 能够耦合进的微波功率水平已经接近于极限值[18]。笔者基于CVD 金刚石膜装置的发展现状, 构想设计了一种新型高效的大功率大面积 CVD沉积金刚石膜装置———多模盖式谐振腔型等离子体 CVD 装置( 见图 7) , 对此种装置的可行性做初步理论分析如下。 该谐振腔微波的耦合原理和工作特点为: 微波经基模波导传输, 通过一个TEM结构( 模式转换器) 耦合到真空沉积室的底部, TEM传输部分与样品台相连接。微波电磁场由中心进入并沿径向向外发射。介质石英窗口放在接近于样品台外边处, 此处场强相对较弱以防止等离子体击穿。同时窗也起着真空密封作用, 防止在TEM区产生等离子体。上面设计一个上下可以调节的倒置基片台, 通过它的调节可以使得等离子体球被“压扁”成一个碟形状, 以增大了沉积膜的面积。模式转换天线中通入循环冷却水来降低基片台的温度; 装置的外盖的材料采用双层不锈钢, 可通循环冷却水, 这样就大大地降低了整个装置的温度, 从而在增大微波输入功率时可将金刚石膜沉积的温度控制在600~1 100 ℃[19], 保证金刚石膜的质量。 此结构设计可以使得等离子体的压力和功率稳定性比前面讨论的单模谐振腔要强得多。此外, 窗口的放置方式避免了直接面对等离子体, 从而减少了等离子体化学反应中产生的副产物的涂覆, 大大避免了换窗的麻烦, 降低了生产成本。当微波频率选用2.45 GHz 时, 微波输入功率可达10 kW, 所形成的等离子体比单模 大得多, 可以沉积出直径为!125 mm 的金刚石膜, 当微波频率选用915 MHz, 这时微波输入功率能够达到 30~100 kW, 相应沉积出的金刚石膜面积可达!200~400 mm, 大大提高了沉积膜的面积, 达到国外先进水平。 4 结论与展望目前已经发展了多种用于制备CVD 金刚石膜的装置和技术, 每套装置根据其应用方向不同而各有优缺点。金刚石膜的市场化和技术发展中要进一步解决的关键问题是:( 1) 降低沉积温度;( 2) 提高金刚石膜的质量;( 3) 提高沉积速率;( 4) 大面积均匀沉积;( 5) 降低生长成本。降低沉积温度和提高金刚石膜的质量是一对矛盾, 在多种制备技术中, MPCVD 是一种获得大尺寸、高质量金刚石膜最为有效的办法。 笔者构想的多模盖式谐振腔型等离子体CVD 装置, 理论上可以实现大功率大面积沉积高质量的CVD金刚石膜, 下一步就是要计算出其谐振腔的尺寸并模拟和调试出等离子体球。
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电磁波—吸波材料 吸波材料是一种以吸收电磁波为主,反射、散射和透射都很小的高科技功能性复合材料,其原理主要是在高分子介质中添加电磁损耗性物质,当电磁波进入吸波材料内部时,推动组成材料分子内的离子、电子运动或电子能级间跃迁,產生电导损耗、高频介质损耗和磁滞损耗等,使电磁能转变成热能而发散到空间消失掉,从而產生吸收作用。不发生反射而造成二次污染,主要特点:厚度薄、柔性好、强度高、吸收率大、抗老化(载体为硅橡胶材料)、稳定性(-50----180℃)、低频特性(10MHZ----10GHz),对镜面波和表面波都具有良好的吸收特性。广泛适用于电磁兼容、电子仪器设备、高频设备、屏蔽箱、射频屏蔽箱、屏蔽机柜、测试治具、微波暗室中,在工业微波能设备内部吸收屏蔽以防止微波泄漏、通讯导航系统等高频电子电气设备的抗干扰防辐射等领域。 吸波材料设计原理 采用纳米材料、平面六角铁氧体、非晶磁性纤维、颗粒膜等高性能吸收剂作为吸收介质;利用新型吸收原理—电磁共振及涡流损耗,制备的吸波材料厚度薄、重量轻、吸收频带宽、吸收率高;根据MAXWELL方程,采用遗传算法(GA),实现电磁波吸收材料仿真(CAD),最大发挥吸收介质特性,并缩短材料的研制周期,可满足用户特种需求。 吸波材料应用领域 抑制电磁波干扰,改善天线方向图,提高雷达测向测距准确性;防止微波器件及设备的电磁干扰、电磁波辐射及波形整形;微波暗室、电磁兼容室、吸收负载、衰减器、雷达波RCS减缩等。 吸波材料主要技术指标 工作频率:30MHz~40GHz(分频段)吸收率:5~30dB(分频段) 利用高导磁高损失之金属,在超微分子结晶为多种软磁性合金,叠以层层带状薄膜,宽频段高效能吸收由电子元件,模组,表面电流所产生之微波杂讯,为各项电子设备提供绝佳的EMC解决方案.此种软磁性薄带吸收片能够做到超薄型主要应用领域:手机、电子仪器设备、高频设备、微波有源器件、屏蔽箱、雷达及微波通信系统的杂波抑制、抗电磁干扰等技术领域,根据不同的应用频段,可调整功能材料的浓厚和配方,制成不同厚度及功效的电磁波吸收胶片
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