時間：2023-08-16 09:19:59
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發表網為您精選了8篇化學氣相沉積的概念，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發您的創作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
關鍵詞：晶體硅薄膜；CulnSe2薄膜；商業化
中圖分類號：TM914.42 文獻標識碼：A 文章編號：1672-8882（2015）05-117-02
近幾年來，光伏市場發展極其迅速，1997年光伏組件的銷售量達122Vw，比上年增加38%。世界主要幾大公司宣稱，近期光伏組件產量將會增加到263.5MW，其中薄膜太陽電池將達到91.5MW，占太陽電池總量的34.7%。快速發展的光伏市場導致許多太陽電池生產廠家力求擴大生產能力，開辟大容量的太陽電池生產線。但目前太陽電池用硅材料大部分來源于半導體硅材料的等外品和單晶硅的頭尾料，不能滿足光伏工業發展的需要。同時硅材料正是構成晶體硅太陽電池組件成本中很難降低的部分，因此為了適應太陽電池高效率、低成本、大規模生產化發展的要求，最有效的辦法是不采用由硅原料、硅錠、硅片到太陽電池的工藝路線，而采用直接由原材料到太陽電他的工藝路線，即發展薄膜太陽電他的技術。
一、晶體硅薄膜太陽電池發展
晶體硅薄膜太陽電池，近年來在國外發展比較迅速。為了使晶體硅薄膜太陽電池達到商業化，努力將實驗室結果推向市場，1988年制造出100cm2的薄膜太陽電池，其轉換效率為8%。18個月后，其效率在同樣面積下達到10.9%，3年半后12kw薄膜太陽電池系統投入市場。1994年底美國加利福尼亞區成功建立了17.1kW硅薄膜太陽電池方陣系統，這個系統電池是利用高溫熱分解噴涂法制備的。在薄膜電池上覆蓋了一層抗反射層，硅薄膜晶粒為毫米級，具有宏觀結構特性，減少了蘭色和遠紅外光的響應。
1997年召開的26屆IEEE PVSC，14屆歐洲PVSEC和世界太陽能大會報道了Uvited Solar Systemn薄膜硅太陽電池，轉換效率為16.6%，日本的Kanebo為9.8%，美國NREL提供的測試結果，USSA的Si/SiGe/SiGe薄膜電池，面積為903cm2，轉換效率為10.2%，功率為9.2W。
我國晶體硅薄膜太陽電他的研究仍處于實驗室階段。1982年長春應用化學研究所韓桂林等人用CVD法，在系統中采用高頻加熱石墨，系統抽真空后通氖氣以驅除殘留氣體，加熱石墨至所需溫度，隨即通入混合氣體，在1100℃-1250℃下，SiCl4被H2還原，硅沉積在襯底上。研究了多晶硅薄膜的生長規律并對膜的基本物理特性進行研究。1998年北京市太陽能研究所趙玉文等報道了以SiH2Cl2為原料氣體，采用快速熱化學氣相沉積（RTCVD）工藝在石英反應器中沉積多晶硅薄膜。氣源為H2和SiH2Cl2的混合物，石英管內配有石墨樣品托架，采用程控光源將石墨樣品托架加熱到1200℃。試驗所用襯底為重摻雜磷非活性單晶硅片或非硅質底材。在1030℃下薄膜生長速率為10nm/s，研究了薄膜生長特性，薄膜的微結構，并研制了多晶硅薄膜電池，電池結構為金屬柵線/p+多晶硅膜/n多晶硅膜/n++C-硅/金屬接觸。采用擴硼形成p+層，結深約為1?m，電池面積為1cm2，AM1.5、100mV/cm2條件下，無減反射涂層，電池轉換效率為4.54%，Jsc=14.3mA/cm2，Voc=0.460V，FF=0.67。
我國晶體硅薄膜太陽電池研究水平與國際水平相差較大，應加速發展。在廉價襯底上形成高質量的多晶硅薄膜，研究襯底與硅膜之間夾層，用以阻擋雜質向硅膜擴散，并研制出具有較高轉換效率的多晶硅薄膜電池，在近期內使其轉換效率能達到10%左右，為工業化生產作準備，以期成本能降低到$1/w左右。
二、國內CulnSe2薄膜太陽電池發展情況
我國的CulnSe2薄膜太陽電池研究始于80年代中期。內蒙古大學、南開大學、云南師范大學、中國科學院長春應用化學研究所等單位先后開展了這項研究。1986年長春應用化學研究所用噴涂法制備了C1S薄膜。薄膜具有黃銅礦結構，并制備了全噴涂C1S/CdS太陽電池，電池具有光伏效應。1990年內蒙古大學采用雙源法，研制了pin CdS/CulnSe2薄膜太陽電池，經天津電源研究所測試，面積為0.9cm×0.9cm，效率為8.5%。南開大學采用蒸發硒化法制作CulnSe/C北薄膜太陽電池，面積為0.1cm2和lcm2的太陽電池，其效率分別達到7.62%和7.28%，5cm×5cm電他的平均效率為6.67%。
我國該技術仍處于實驗室階段，而且處于較低的水平，投入很少，進展緩慢。因此，急需加快研究和開發力度，加大對薄膜太陽電他的投入，盡快向工業化生產過渡，將薄膜太陽電池作為21世紀優先發展的高科技項目。近期內，對CulnSe2薄膜太陽電池的研制，通過控制Se、In、Cu三元素配比和蒸發速率，以獲得重復性好、化學計量比符合要求，具有黃銅礦結構的硒鋼銅薄膜，用化學成膜法制備致密和均勻的CdS薄膜，用濺射法制備ZnO薄膜。期望近期內，光伏轉換效率能達到10%左右，為21世紀大規模發展Cu1nSe2薄膜太陽電池奠定基礎。
三、薄膜光伏的商業化
在過去的幾年，世界光伏市場以每年45%的增幅在快速發展，不斷有新的公司進入市場，基于CIGS和CdTe的薄膜光伏市場化也取得了進展，并在很多領域廣泛應用（包括屋頂計劃和建筑物等）。2006年，整個世界范圍內薄膜光伏的市場份額小于6%，然而在美國薄膜光伏的市場份額高達44%，這主要得益于位于奧爾良的First Solar和密歇根的United Solar，這2個公司在2006年取得長足進展。 中機院-專注于園區規劃、產業研究、產業規劃、城市發展規劃、投融資服務
世界上很多薄膜光伏公司從事a-Si、CIGS和CdTe的商業化發展，美國也有很多致力于此的公司，在CIGS和CdTe研究方面取得的進展和技術進步足以支持其往兆瓦級的生產轉化。在美國有16家公司從事非晶硅和薄硅的商業化進程，很顯然，其中的領跑者為密歇根的Uni-Solar，其在2006年產能為60MW，而2007年的產能達到120MW。美國薄膜光伏的快速發展得益于美國國家再生能源實驗室（NREL）在多結太陽電池技術上的成就；Applied Material則可提供單結非晶硅和納米硅疊層太陽電池“交鑰匙”工程，迄今為止，已在包括中國、印度、德國、西班牙等世界各地裝機超過200MW。目前美國有15家公司采用不同的吸收層沉積技術開展CIGS業務，機會和挑戰在這兒并存；同時有8個公司從事CdTe薄膜光伏的市場化運作。
目前世界上有5個公司致力于CIGS薄膜光伏的商業化生產，主要是德國的Wurth Solar、美國的Global Solar、日本本田、日本昭和殼牌和德國的Sulfurcell，其年產量介于5MW至27MW之間。同時有34家公司正在開發CIGS薄膜太陽電池生產技術，采用了約10種不同的吸收層沉積技術。在生產中，不論吸收層是采用共蒸發法還是兩步法（如濺射后硒化），在所有技術路線中均采用濺射法制備Mo底電極以及濺射或化學氣相沉積法制備ZnO薄膜。
參考文獻：
[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.
關鍵詞:梯度功能材料，復合材料，研究進展
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、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料，特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力，直接體現國家的科學技術水平和經濟實力，也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此，新材料的開發與研究是材料科學發展的先導，是21世紀高科技領域的基石。
近年來，材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因，一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1 FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2， 其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差，傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料，如金屬基陶瓷涂層材料，由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大，很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面，消除物理性能的突變，使熱應力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分類
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2，因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層，既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
2.2 FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3 FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM 研究的不斷深入，人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化，可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM，并可望應用于許多領域。
功 能
應 用 領 域 材 料 組 合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材 陶瓷 金屬
陶瓷 金屬
塑料 金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石 金屬
碳纖維 金屬 塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料 輕元素 高強度材料
耐熱材料 遮避材料
耐熱材料 遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學 磷灰石 氧化鋁
磷灰石 金屬
磷灰石 塑料
異種塑料
硅芯片 塑料
電磁功能
電磁功能 陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板 壓電陶瓷 塑料
壓電陶瓷 塑料
硅 化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬 鐵磁體
金屬 鐵磁體
金屬 陶瓷
金屬 超導陶瓷
塑料 導電性材料
陶瓷 陶瓷
光學功能 防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素 玻璃
能源轉化功能
MHD 發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池 陶瓷 高熔點金屬
金屬 陶瓷
金屬 硅化物
陶瓷 固體電解質
金屬 陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。
4. 1 FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件，然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構，以及制備和評價方法，最后基于上述結構和材料組合選擇，根據假定的組成成份分布函數，計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數，就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布，此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀，熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法，包括有限元方法計算FGM的應力分布，采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合，借助于計算機輔助設計系統，得出最優的設計方案。
4. 2 FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段，實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布，從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高溫合成法(SHS) ;涂層法:如等離子噴涂法，激光熔覆法，電沉積法，氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD) 和化學相沉積(CVD) ;形變與馬氏體相變[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形，然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性，可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高，適用于制造形狀比較簡單的FGM部件，但工藝比較復雜，制備的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點，但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 簡稱SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前蘇聯科學家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃燒反應時，發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應，此后化學反應在自身放熱的支持下，自動持續地蔓延下去， 利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
SHS 法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系，金屬與陶瓷的發熱量差異大，燒結程度不同，較難控制，因而影響材料的致密度，孔隙率較大，機械強度較低。目前利用SHS 法己制備出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝，適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常，將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內，并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上，其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等離子噴涂法(PS)
PS 法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，其溫度高達1 500 K，同時處于高度壓縮狀態，所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流，速度可高達1. 5 km/ s。原料粉末送至等離子射流中，粉末顆粒被加熱熔化，有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應，隨后被霧化成細小的熔滴，噴射在基底上，快速冷卻固結，形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例，調節等離子射流的溫度及流速，即可調整成分與組織，獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成，沉積效率高，無需燒結，不受基體面積大小的限制，比較容易得到大面積的塊材[10]，但梯度涂層與基體間的結合強度不高，并存在涂層組織不均勻，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末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，便會產生用B合金化的A薄涂層，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比，在上述覆層熔覆的同時注入，在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程，就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度，以及熔區的深度來獲得，熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能，但由于激光溫度過高，涂層表面有時會出現裂紋或孔洞，并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化，并噴涂到基底上凝固，因此，建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中，這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固態，混入金屬液滴而被涂覆在基底，形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中，通過連續地改變增強顆粒的饋送速率，熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4 電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理，將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中，通過注入另一相的懸浮液使之混合，并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度，在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃，涂層的主要材料為TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層，以改變固體材料的表面特性，提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能，該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低，精度易控制，生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度，在厚度方向上實現組分的梯度化，適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制備出大厚度的梯度膜，與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD) 和化學氣相沉積(CVD) 兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合，在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度，精確地控制材料的組成、結構和形態，并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化，可得到按設計要求的FGM。另外，該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM，因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質，使其蒸發為氣相，然后沉積于基材上，形成約100μm 厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD 法的特點是沉積溫度低，對基體熱影響小，但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化，馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此，在合適的溫度范圍內，可以通過施加應變(或等價應力) 梯度，在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18 -8 不銹鋼(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍，但能提供一個簡單的方法，可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料，這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4. 3 FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計，為成分設計數據庫提供實驗數據，目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前，對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前，日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5 FGM的研究發展方向
5.1 存在的問題
作為一種新型功能材料，梯度功能材料范圍廣泛，性能特殊，用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決，主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單，還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2 FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3 對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨 時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6 結束語
FGM 的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉，多產業結合，國際化合作的方向發展。
參考文獻
[1] 楊瑞成，丁旭，陳奎等.材料科學與材料世界[M].北京：化學工業出版社，2006.
[2] 李永，宋健，張志民等.梯度功能力學[ M].北京:清華大學出版社.2003.
[3]王豫，姚凱倫.功能梯度材料研究的現狀與將來發展[J].物理，2000，29(4):206-211.
[4] 曾黎明.功能復合材料及其應用[M]. 北京：化學工業出版社，2007.
[5] 高曉霞，姜曉紅，田東艷等。功能梯度材料研究的進展綜述[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，何小鳳，李運剛等. 功能梯度材料的研究現狀[J]. 河北理工學院學報，2007， 29(1):45-50.
[8] 李楊，雷發茂，姚敏，李慶文等.梯度功能材料的研究進展[J]. 菏澤學院學報，2007， 29(5):51-55.
[9] 林峰.梯度功能材料的研究與應用[J].廣東技術師范學院學報，2006，6:1-4.
[10] 龐建超，高福寶，曹曉明.功能梯度材料的發展與制備方法的研究[J]. 金屬制品，2005，31(4):4-9.
[11] 戈曉嵐，趙茂程.工程材料[ M].南京:東南大學出版社，2004.
[12] 唐小真.材料化學導論[M].北京：高等教育出版社，2007.
[13] 李進，田興華.功能梯度材料的研究現狀及應用[J]. 寧夏工程技術，2007， 6(1):80-83.
[14] 戴起勛，趙玉濤.材料科學研究方法[M] .北京：國防工業出版社，2005.
[15] 邵立勤.新材料領域未來發展方向 [J]. 新材料產業， 2004，1:25-30.
[16] 自蔓延高溫合成法.材料工藝及應用etsc.hnu.cn/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm
[17] 遠立賢.金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀.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.
關鍵詞:梯度功能材料,復合材料,研究進展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。
近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
2.2FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。
功能
應用領域材料組合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料輕元素高強度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導陶瓷
塑料導電性材料
陶瓷陶瓷
光學功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素玻璃
能源轉化功能
MHD發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池陶瓷高熔點金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。
4.1FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據假定的組成成份分布函數,計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數,就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統,得出最優的設計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態,所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基
體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末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,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度,以及熔區的深度來獲得,熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態,混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態,并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計,為成分設計數據庫提供實驗數據,目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-
20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6結束語
FGM的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產業結合,國際化合作的方向發展。
參考文獻：
[1]楊瑞成，丁旭，陳奎等.材料科學與材料世界[M].北京：化學工業出版社，2006.
[2]李永,宋健,張志民等.梯度功能力學[M].北京:清華大學出版社.2003.
[3]王豫,姚凱倫.功能梯度材料研究的現狀與將來發展[J].物理,2000,29(4):206-211.
[4]曾黎明.功能復合材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2007.
[5]高曉霞，姜曉紅，田東艷等。功能梯度材料研究的進展綜述[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,何小鳳,李運剛等.功能梯度材料的研究現狀[J].河北理工學院學報,2007,29(1):45-50.
[8]李楊,雷發茂,姚敏,李慶文等.梯度功能材料的研究進展[J].菏澤學院學報,2007,29(5):51-55.
[9]林峰.梯度功能材料的研究與應用[J].廣東技術師范學院學報,2006,6:1-4.
[10]龐建超,高福寶,曹曉明.功能梯度材料的發展與制備方法的研究[J].金屬制品,2005,31(4):4-9.
[11]戈曉嵐,趙茂程.工程材料[M].南京:東南大學出版社，2004.
[12]唐小真.材料化學導論[M].北京：高等教育出版社,2007.
[13]李進,田興華.功能梯度材料的研究現狀及應用[J].寧夏工程技術,2007,6(1):80-83.
[14]戴起勛,趙玉濤.材料科學研究方法[M].北京：國防工業出版社,2005.
[15]邵立勤.新材料領域未來發展方向[J].新材料產業,2004,1:25-30.
[16]自蔓延高溫合成法.材料工藝及應用/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm
[17]遠立賢.金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀./articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.
[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.
【關鍵詞】表面處理；金屬電鍍
一、表面處理的概念
表面處理是在基體材料表面上人工形成一層與基體的機械、物理和化學性能不同的表層的工藝方法。表面處理的目的是滿足產品的耐蝕性、耐磨性、裝飾或其他特種功能要求。 表面處理一般可包括前處理、電鍍、涂裝、化學氧化、熱噴涂等眾多物理化學方法。
二、涂裝前表面處理
為了把物體表面所附著的各種異物（如油污、銹蝕、灰塵、舊漆 膜等）去除，提供適合于涂裝要求的良好基底，以保證涂膜具有良好的防腐蝕性能、裝飾性能及某些特種功能，在涂裝之前必須對物體表面進行預處理。人們把進行這種處理所做的工作，統稱為涂裝前（表面）處理或（表面）預處理。
基體前處理的目的：一是增加涂層與基體的結合強度既加大附著力，二是增加涂層的功能如防腐蝕、防磨損及等特殊功能。常見的前處理方法主要有以下：
1.手工處理
如刮刀、鋼絲刷或砂輪等。用手工可以除去工件表面的銹跡和氧化皮，但手工處理勞動強度大、生產效率低，質量差，清理不徹底。
2.化學處理
主要是利用酸性或堿性溶液與工件表面的氧化物及油污發生化學反應，使其溶解在酸性或堿性的溶液中，以達到去除工件表面銹跡氧化皮及油污，再利用尼龍制成的毛刷輥或304#不銹鋼絲（耐酸堿溶液制成的鋼絲刷輥）清掃干凈便可達到目的。
3.機械處理
主要包括鋼絲刷輥拋光法、拋丸法和噴丸法。拋光法也就是刷輥在電機的帶動下，刷輥以與軋件運動相反的方向在板帶的上下表面高速旋轉刷去氧化鐵皮。刷掉的氧化鐵皮采用封閉循環冷卻水沖洗系統沖掉。拋丸法清理是利用離心力將彈丸加速，拋射至工件進行除銹清理的方法。
4.等離子處理
等離子表面處理器由等離子發生器，氣體輸送管路及等離子噴頭等部分組成，等離子發生器產生高壓高頻能量在噴嘴鋼管中被激活和被控制的輝光放電中產生低溫等離子體，借助壓縮空氣將等離子噴向工件表面，當等離子體和被處理物體表面相遇時，產生了物體變化和化學反應。表面得到了清潔，去除了碳化氫類污物，如油脂，輔助添加劑等，或產生刻蝕而粗糙，或形成致密的交聯層，或引入含氧極性基團（羥基、羧基），這些基團對各類涂敷材料具有促進其粘合的作用，在粘合和油漆應用時得到了優化。
三、常見的表面處理方法
目前金屬的表面處理方法可以總結為以下的類型：、
1.電化學法
這種方法是利用電極反應，在工件表面形成鍍層。其中主要的方法是：1）電鍍。在電解質溶液中，工件為陰極，在外電流作用下，使其表面形成鍍層的過程，稱為電鍍。鍍層可為金屬、合金、半導體或含各類固體微粒，如鍍銅、鍍鎳等。2）氧化。在電解質溶液中，工件為陽極，在外電流作用下，使其表面形成氧化膜層的過程，稱為陽極氧化，如鋁合金的陽極氧化。鋼鐵的氧化處理可用化學或電化學方法。化學方法是將工件放入氧化溶液中，依靠化學作用在工件表面形成氧化膜，如鋼鐵的發藍處理。
2.化學方法
這種方法是無電流作用，利用化學物質相互作用，在工件表面形成鍍覆層。其中主要的方法是：1）化學轉化膜處理。在電解質溶液中，金屬工件在無外電流作用，由溶液中化學物質與工件相互作用從而在其表面形成鍍層的過程，稱為化學轉化膜處理。如金屬表面的發藍、磷化、鈍化、鉻鹽處理等。2）化學鍍。在電解質溶液中，工件表面經催化處理，無外電流作用，在溶液中由于化學物質的還原作用，將某些物質沉積于工件表面而形成鍍層的過程，稱為化學鍍，如化學鍍鎳、化學鍍銅等。
3.熱加工法
這種方法是在高溫條件下令材料熔融或熱擴散，在工件表面形成涂層。其主要方法是：1）熱浸鍍。金屬工件放入熔融金屬中，令其表面形成涂層的過程，稱為熱浸鍍，如熱鍍鋅、熱鍍鋁等。2）熱噴涂。將熔融金屬霧化，噴涂于工件表面，形成涂層的過程，稱為熱噴涂，如熱噴涂鋅、熱噴涂鋁等。3）熱燙印。將金屬箔加溫、加壓覆蓋于工件表面上，形成涂覆層的過程，稱為熱燙印，如熱燙印鋁箔等。4）化學熱處理。工件與化學物質接觸、加熱，在高溫態下令某種元素進入工件表面的過程，稱為化學熱處理，如滲氮、滲碳等。5）堆焊。以焊接方式，令熔敷金屬堆集于工件表面而形成焊層的過程，稱為堆焊，如堆焊耐磨合金等。
4.真空法
這種方法是在高真空狀態下令材料氣化或離子化沉積于工件表面而形成鍍層的過程。其主要方法是：1）物理氣相沉積（PVD）。在真空條件下，將金屬氣化成原子或分子，或者使其離子化成離子，直接沉積到工件表面，形成涂層的過程，稱為物理氣相沉積，其沉積粒子束來源于非化學因素，如蒸發鍍濺射鍍、離子鍍等。2）離子注入。高電壓下將不同離子注入工件表面令其表面改性的過程，稱為離子注入，如注硼等。3）化學氣相沉積（CVD）。低壓（有時也在常壓）下，氣態物質在工件表面因化學反應而生成固態沉積層的過程，稱為化學氣相鍍，如氣相沉積氧化硅、氮化硅等。
5.其它方法
主要是機械的、化學的、電化學的、物理的方法。其中的主要方法是：1）涂裝。閑噴涂或刷涂方法，將涂料（有機或無機）涂覆于工件表面而形成涂層的過程，稱為涂裝，如噴漆、刷漆等。2）沖擊鍍。用機械沖擊作用在工件表面形成涂覆層的過程，稱為沖擊鍍，如沖擊鍍鋅等。3）激光面表處理。用激光對工件表面照射，令其結構改變的過程，稱為激光表面處理，如激光淬火、激光重熔等。4）超硬膜技術。以物理或化學方法在工件表面制備超硬膜的技術，稱為超硬膜技術。如金剛石薄膜，立方氮化硼薄膜等。5）電泳及靜電噴涂。電泳的方法，是工件作為一個電極放入導電的水溶性或水乳化的涂料中，與涂料中另一電極構成解電路。在電場作用下，涂料溶液中已離解成帶電的樹脂離子，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。這些帶電荷的樹脂離子，連同被吸附的顏料粒子一起電泳到工件表面，形成涂層，這一過程稱為電泳。靜電噴涂是在直流高電壓電場作用，霧化的帶負電的油漆粒子定向飛往接正電的工件上，從而獲得漆膜的過程，稱為靜電噴涂。
四、發展前景
目前表面處理一些傳統方法，如堆焊、熱噴涂、電刷渡等工藝往往適應不了現代工業的需求。如一些對溫度特別敏感的金屬零部件，會使零件表面達到很高溫度，造成零件變形或產生裂紋，影響零件的尺寸精度和正常使用，嚴重時還會導致軸斷裂；電刷渡雖無熱影響，但渡層厚度不能太厚，污染嚴重，應用也受到了極大的限制。目前西方國家針對上述方法的弊端研制出高分子復合材料的現場表面處理方法，其中比較成熟的有福世藍技術體系。材料所具有的綜合性能及在任何時間內可機械加工的優越性，不但完全滿足修復后的使用要求及精度，還可以降低設備在運行中承受的沖擊震動，延長使用壽命。因材料是“變量”關系，當外力沖擊材料時，材料會變形吸收外力，并隨著軸承或其它部件的脹縮而脹縮，始終和部件保持緊配合，降低磨損的幾率，針對大型設備的磨損，也可采用“模具”或“配合部件”針對損壞的設備進行現場修復，避免設備的整體拆卸，還可以最大限度地保證部件配合尺寸，滿足設備的生產運行要求，延長設備的使用壽命，確保企業的安全連續生產。在國內表面處理的應用中，高分子復合材料也起到了越來越重要的作用。
參考文獻：
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.
關鍵詞： 光學薄膜技術；教學體系；主動式教學；教學方法
Key words： the optical thin film technology; teaching system; active teaching；teaching methods
0 引言
《光學薄膜技術》這門課程是我院光電類專業必修的一門專業課，但現有的這門課的教學方法并不適用于獨立學院的學生，并且這方面發表的論文也很少。本文對本課程的內容組織方式和傳授方法進行適當的改進[1-2]，以加強知識內容組織的嚴密性和課堂教學講授的生動性，調動學生課堂學習的主動性。其目的就是要用合理的課程體系組織教學內容，以互動式教學方法讓學生主動地參與到課堂教學中來，重視課堂上實際教學效率，最終實現教學質量的提高。
1 課程體系的構建
《光學薄膜技術》課程綜合了物理光學、大學物理以及材料科學基礎等諸多課程[3]。各部分內容之間層層遞進、環環相扣，但是學生在上課時一些相關基礎課大多數同學都未曾學過，這樣許多重要的概念大家都不能很好地理解，致使教學效果大打折扣，也嚴重影響了授課進度。比如，在講授薄膜的物理氣相沉積工藝時，涉及到輝光放電，但是學生并沒有接觸過關于等離子體物理方面內容等等。
因此在教學內容編排上，從光學薄膜設計的基礎出發，到真空科學與技術，然后講述薄膜制備和工藝的基本方法，再介紹幾類典型的薄膜材料，最后講授薄膜的生長機制和表征手段[4]。整個課程的教學目標清晰，構建合理完善的課程體系，科學合理地構建就是要準確地歸納、提煉課程中包含的概念，形成一個完整的課程體系，正確的概念是科學判斷和推理的基礎。
2 主動式教學法
因為并不是每個人都對推理過程緊湊、公式化的表現形式都能敏感，都能接受，那么即使再嚴密的邏輯，再科學的表達，如果僅僅是枯燥呆板地平鋪直敘，那么由于表現形式的面目可憎，也達不到理想的教學效果。運用適當的技術去刺激鼓勵指導學生的思考和自動學習，亦應視學生的學習興趣需要、能力和教材的內容，甚至教學的環境等，決定采用的教學方法。在教學實踐中也總結并提煉了一些認識，并在課堂上已經取得了一些頗有意義的效果簡列如下：
2.1 將抽象的概念具體化 高深的理論之所以難懂，就是因為包含眾多抽象晦澀的概念。人的思維往往對于一些具體的直觀的事物有著良好的親和性，那么為什么不將一些抽象的概念具體化呢？比如定位輝光等離子體[5]，從霓虹燈說明輝光等離子體的具體應用，這樣學生就能夠很好地接受抽象的概念。
2.2 采用多種語言豐富表達形式 思想內容的表達可以采納多種表現形式，利用形體語言往往可以取得意想不到的表現效果，例如形容磁控濺射靶表面電子的跑道式運動方向，可以形容成劉翔跨欄的動作，并用肢體語言表示，學生更容易理解和接受。
2.3 適當吸納前沿科研經驗充實教學內容 多數情況下，學生對課堂講授內容缺乏理解，往往就是因為沒有形成相關概念的正確認識。在每一講中穿插一些研究實踐的體會，學生在張弛有度地學到了學習內容。比如，在講授類金剛石等先進薄膜材料時，學生對類金剛石材料這一范疇的屬性概念非常模糊，對非晶金剛石的概念在行業中也沒有統一的定義。那么就從這一研究領域中最權威最主流最有影響力的刊物、專著， 充分考慮多數專家學者的建議，對非晶金剛石明確界定科學的定義。非晶金剛石是薄膜中四配位雜化含量超過50%的無氫類金剛石碳[6]。上課的時候，可以通過sp2-sp3-H三元相圖明確不同類金剛石范疇的劃分。再比如，在講授等離子增強化學氣相沉積時，學生對等離子輔助沉積能夠降低界面反應溫度的物理過程不能理解。上課的時候，從輝光放電產生等離子體著手，基于等離子的物理特性，解析反應氣氛中的物理過程，通過演繹推理闡明等離子激發能夠降低界面反應溫度的本質[7]。
2.4 實踐教學 實驗室鍍膜過程錄像的內容，使學生進一步了解薄膜鍍制的過程。在薄膜設計中，增加薄膜設計軟件的教學，使學生熟悉計算機完成膜系設計的過程。
2.5 課后練習 課后布置適當數量的作業，定期批改。最終使學生了解薄膜科學和技術科研具體過程，培養獨立思維能力。
2.6 課堂演講 針對重點、難點內容組織課堂討論，擬定若干薄膜技術研究和應用中具體問題，由同學自主選擇，讓學生查閱相關文獻，獨立解決問題，課堂宣讀。充分發揮學生的主觀能動性。
3 結論
《光學薄膜技術》的教學實踐中利用科學合理地組織教學內容，積極的調動學生參與課堂教學的主動性，探索了更適合獨立學院光電類專業學生教學方法，促進教學質量的提高。
參考文獻
[1]唐晉發等．現代光學薄膜技術[M]．浙江：浙江大學出版社，2006．
[2]盧進軍，劉衛國.光學薄膜技術[M]．西安：西北工業大學出版社，2005．
[3]洪冬梅等．中紅外激光薄膜的研究與特性分析[J]．光學儀器印刷世界，2008，30（5）：80-82．
[4]Spfer G．Flexible Display[J]，DisplaySearch， an NPD Group Company，2006，359．
[5]付秀梅．紅外增透與保護技術的研究[J]．激光與紅外，2006，36（12）：63-64．
1.1真空磁控濺射鍍鋁技術及方法
Al膜的制備方法依據成膜原理有3種：
（1）化學氣相沉積法是某一固體表面發生氣態物質化學反應而生成固態沉積物過程的方法；
（2）溶膠凝膠法是化合物或氧化物的固化，是金屬有機或無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠和熱處理生成的方法；
（3）物理氣相沉積法是基體表面沉積膜通過蒸發和濺射等使涂層材料氣化的成膜方法。鍍膜方法不同鍍鋁的效果也不同，每種方法本身又有若干種方法。磁控濺射沉積技術是低溫高速的濺射方法，相對于蒸發法其優點是構成物體的個體物質容易掌控，且鍍膜涂層細膩均勻，與基材體結合力強，適合材料表面薄膜生產。磁控濺射法有微波-ECR等離子體增強磁控濺射、交流反應磁控濺射、射頻磁控濺射、直流反應磁控濺射和脈沖磁控濺射等，這都是由磁控濺射采用不同的離子源決定的。這里采用物理氣相沉積法中的磁控濺射沉積方法，磁控濺射沉積技術通常使用的靶材為純鋁，濺射時鋁靶被Ar離子轟擊，這是由于通過電離Ar氣并引入正交電磁場的結果，濺射出Al離子沉積到基體材料表面制備出高阻隔納米Al膜新材料。實驗觀察，沉積物在基材表面運動成核或成膜只有保持較高的能量才能實現，因此，濺射是最終將基材表面原子激發出來的復雜過程，是在離子與基材表面原子碰撞過程中發生能量與動量轉移的結果。
1.2鍍鋁瓦楞紙板制備各項必備條件
鍍鋁瓦楞紙板制備前實驗要先選擇其面紙材料，對鍍鋁瓦楞紙板技術要求和制備后的防護層進行處理。
1）紙基的選擇。運用直流磁控濺射工藝制備紙基鍍Al膜，進而制備鍍鋁瓦楞紙板，因此在選擇鍍鋁膜的基材時，要綜合各種因素，選擇的基材要充分滿足鍍Al膜的質量要求。目前，較為廣泛地將PET，PA，PP等塑料基材用作磁控濺射制備Al膜，實驗采用的基材為紙基鍍鋁膜。直流磁控濺射是“低溫”濺射相對二次濺射的方法，由于紙基材料的表面吸附能力弱且粗糙度高，與塑料薄膜基材比較Al膜沉積相對困難，本實驗選擇高強度特種紙，因高強度特種紙與Al具有較好的親和力。為制備滿足使用需要的各種規格的鍍鋁瓦楞紙板，對高強度特種紙紙基材料進行選擇時，相對穩定的物理特性參數是各種紙基材料研究的重點，同時還要考慮提高紙基材料肌理感和質感的視覺效果。依據試驗測試高強度特種紙紙基材料的物理性能，這里選擇各種高強度特種紙作為紙基材料，其質量為120g～250g不等，選用純木漿作為原材料，其表面紋理和圖案不同，紙面纖維均勻、伸縮小、強度高、物理性能良好。
2）鍍鋁瓦楞紙板結構及材料技術要求。瓦楞紙板的結構是由面紙、里紙、芯紙和加工成波形的瓦楞紙通過黏合而成的。瓦楞紙板根據瓦楞波紋的形狀、紙板的層數和瓦楞種類的不同大致分為3類[4]。由于構成瓦楞紙板的瓦楞波形分為U形、V形及UV形，楞型有A，B，C，E及其復合楞，其中復合楞AB，BC，BBC兼備了各單楞的優點。為了提高瓦楞紙板的強度，選擇UV形多層復合楞瓦楞紙板為主要材料，使鍍鋁瓦楞紙板家具符合家具的類型、大小及主體框架結構等實用特性。同時，對瓦楞紙原紙的物理性能，如破裂強度、基重、環壓強度、抗張強度、撕裂強度、防水性能等都有一定的要求。瓦楞紙板材料符合規定要求是鋁紙復合的關鍵，也是能否取得鍍鋁瓦楞紙板家具新材料的關鍵所在。鍍Al膜表面進行SiOx防護層處理。制備鍍鋁瓦楞紙板采取直接鍍鋁方法，其高阻隔性納米鋁薄膜新型材料是利用真空磁控濺射鍍鋁技術所獲得的。必須提高鋁膜表面的耐磨性、阻燃性和可擦洗性等，改變Al膜本身耐磨性較低的狀況，從而改善瓦楞紙板的性能，因此這里采用和Al膜相同的工藝方法，對瓦楞紙板Al膜面紙進行Si靶二次磁控濺射。將SiOx沉積在Al膜表面并進行保護層處理，鍍SiOx提高瓦楞紙板Al膜的物理性質和Al膜面紙質量，同時使其仍然保留銀灰色Al膜色彩。實驗采用射頻磁控濺射將SiOx沉積在Al膜表面，以提高Al膜的耐磨擦性，從而獲得高質量的鍍鋁瓦楞紙板材料。
2鍍鋁瓦楞紙板家具的商業化應用
2.1鍍鋁瓦楞紙板家具特點
鍍鋁瓦楞紙板家具以其鮮明的特點受到人們的喜愛。首先，鍍鋁瓦楞紙板所用原料和輔助材料都是無毒、無氣味的，有效避免了如人造板家具中甲醛等有毒氣體的揮發。鍍鋁瓦楞紙板家具其原材料有極少的鋁材料，容易處理，瓦楞紙板可降解和循環利用。其次，鍍鋁瓦楞紙板材料表面韌性好、耐折。和木質家具比起來，優越的阻隔性使其表面無龜裂現象。第三，鍍鋁瓦楞紙板具有防止家具氧化及防水、防潮等特點，鍍鋁防止其受潮和吸水，有效地改善了鍍鋁瓦楞紙板材料的物理性能，比涂飾保護漆的普通紙板家具表面具有更好的防潮耐水性。第四，鍍鋁瓦楞紙板材料的金屬光澤及肌理效果本身就具有裝飾性，鍍鋁時可根據不同家具的需要，將其表面加工成各種式樣圖案，或各具特色的鏤花使家具更加宜人。
2.2鍍鋁瓦楞紙板在概念家具設計中的應用
不同學者對概念家具設計有不同的解釋，但常見的觀點是強調新的設計理念和新材料的使用，主張在設計家具時注重生產的可行性并采用先進技術，產品使用安全，造型美觀，經濟合理。現代家具設計中的概念家具的魅力就在于，設計師根據當時特定的物質技術條件與時尚審美的需求，對某種家具提出概念或設想，并轉化為實際產品投入市場，這不僅推動了新技術、新材料與新工藝的進步，還縮短了家具更新周期。狹義的概念家具設計是對新的家具設計潮流，即對現代主義家具設計的研究，其設計是個性化的，新思維和新風格集中運用，設計產品從結構、材料、功能、裝飾、技術等對藝術拓展和產品開發有重要作用，體現后現代主義設計流派新的設計風格。廣義的概念家具設計是以探求個性化開發和新風格組合，以及新的理念為目的，其創新性和探索性為以后的家具設計提供有益參考。概念家具設計是創新的材料設計、別致的造型設計、時尚的理念設計和多功能互動性設計等，因此涉及到設計外延的不斷擴大，設計內涵的不斷延伸，設計的立體表達中交叉融合了社會學、歷史學、經濟學、工程學、工藝學和美學等學科。無論是概念家具還是實用家具，均可使用鍍鋁瓦楞紙板進行設計與開發，生產的家具產品首先要具有良好的使用性，然后是時尚、耐用等其他需要。由于鍍鋁瓦楞紙板的材料特性，其家具開發可廣泛應用于易更換、價格低、重量輕、便于回收的中小型輕便家具，如鐘表、燈飾、凳子及小型書架等，適合用于時尚新穎的家居家具，如餐桌、茶幾、電視柜、椅子等，也可用于較厚重的現代家具，如櫥柜、書柜、立柜大型板式家具及輕巧綠色能夠重復利用的辦公家具，如文件柜、辦公桌椅、書立、檔案盒等，還可用于承重性較強、結構簡單的大型家具，如展示柜、工作臺，大型運動場館使用的媒體桌和服務臺等，以及探索開發美觀、實用、環保性強的兒童家具、休閑家具等，或者用于承載較大質量的家具支撐底座，模塊或零部件等，還可根據不同群體和對象研制其他家具產品，滿足不同的消費需要。
2.3鍍鋁瓦楞紙板概念家具設計
根據家具設計意圖，對所獲得的鍍鋁瓦楞紙板材料進行分切和加工，可將其制備成各種中小型輕便鍍鋁瓦楞紙板家具產品。折疊結構形式、層疊結構形式、插接結構形式和組合結構形式及其工藝方法是鍍鋁瓦楞紙板概念家具設計的常用形式[13-15]。同時使用不同的鍍鋁瓦楞紙板制作家具時，應根據家具特性確定其成形工藝，構思結構和進行不同的造型設計。鍍鋁瓦楞紙板是由多層紙板復合而成的，如使用三層板制作家具，家具設計及加工工藝可根據特定需要，對鍍鋁瓦楞紙板進行模切標準壓痕后通過折疊來實現，如鍍鋁瓦楞紙板插接結的構凳子和桌子見圖1-2，采取折疊結構形式，將鍍鋁瓦楞紙板面材模切成按照設計意圖事先設定好的造型，通過折疊構成立體形態家具。
3鍍鋁瓦楞紙板概念家具拓展設計
3.1概念家具拓展設計創意思路
隨著科技的發展，創新材料和設計已成為各國研發的主題，設計師力圖采用不同類型的材料進行創新設計，富有想象力的設計構思會形成具有生命力的家具。按此思路使用鍍鋁瓦楞紙板作為新型材料，采用模塊化家具組合的設計方法，應用于鍍鋁瓦楞紙板概念家具設計。組合家具是由標準零部件或若干個標準化模塊組合而成的，家具的整體功能可劃分為若干個子功能，整體功能通過不同的模塊或零部件組合來實現，現代家具特別是板式家具的模塊化結構，拆裝靈活，用途多樣，容易組合。模塊化組合家具可通過靈活切換模塊轉換功能，產生各種不同的使用方法或衍生新型家具來滿足需求差異，其制作過程應注意標準化、組合化、通用性等特征。組合模塊家具的種類眾多，如桌凳、茶幾、床等，家具的形態變得更加豐富多樣，功能性也得到更大程度的拓展。
3.2鍍鋁瓦楞紙板與其他材料的組合設計
鍍鋁瓦楞紙板制作的標準模塊，根據使用需要，配合其他材料，如設計鍍鋁瓦楞紙板模塊組合餐桌，這種設計充分發揮兩種不同材料的優勢互補作用，餐桌上部分桌面使用玻璃材料，餐桌下部分底座采用鍍鋁瓦楞紙板模塊。玻璃面材具有堅硬、光滑、耐磨、耐燙、容易清洗的特點，鍍鋁瓦楞紙板塑造成各種所需形狀模塊的底座，具有較強的支撐作用。另外可根據設計餐桌面板大小自行決定底座標準模塊配置的多少。餐桌面板材質、形狀和規格可依據消費者需要，利用造型要素交合法提取造型要素，靈活派生多種設計方案。家具模塊化設計的實踐方法，可開發研制新功能模塊與部分通用模塊形成新家具，可用通用模塊和接口結構組合成新家具，可通過部分通用模塊改型形成新家具，可以以通用為主與部分專用模塊構成新家具，還可采用如木材、塑料、金屬、玻璃等不同質地的材料進行模塊組合成形。
3.3模塊化的應用組合
模塊化是設計模塊作為標準化、通用化的零部件靈活組成多種新家具的設計方法。以鍍鋁瓦楞紙板制作的標準模塊，還可按對家具不同使用價值的需求，來制作不同種類和規格的鍍鋁瓦楞紙板的標準化模塊，并配合其他材料設計制作中小型家具。根據設計意圖，結合鍍鋁瓦楞紙板制作的標準模塊，可選用層疊結構形式的鍍鋁瓦楞板模塊，組合形成茶幾、長條桌等家具。利用鍍鋁瓦楞紙板制作的標準模塊為主要造型材料，結合多種其他材料，創造性地設計多種變化造型。選用鍍鋁瓦楞紙板和其他材料共同構成概念家具時，可充分利用兩種材料各自的優勢特點進行設計，推進鍍鋁瓦楞紙板新材料的應用。可將其應用于制備各種中小型輕便紙板家具產品中。
4結語
本文介紹了濺射鍍膜的基本原理和特點。根據現有設備，摸索出多種鍍膜的工藝參數，重點介紹了濺射鍍膜技術的實際應用。
2濺射設備
2.1濺射基本原理
鍍膜工藝在各行各業中已得到廣泛應用，在電鍍行業中有人稱為“干鍍”。在電子、光學領域人們常叫薄膜沉積技術或真空鍍膜技術。
真空鍍膜技術按其成膜的基本原理可以分為下列幾類：物理氣相沉積、化學氣相沉積和等離子體刻蝕等。其中物理氣相沉積包括熱蒸發、濺射、離子鍍和離子束。
濺射只是入射離子和靶材表面原子進行能量交換，使靶材原子獲得足夠能量脫離母材，并按相應的濺射方向飛躍出來。它與氣蝕概念無關。濺射的材料適應性廣：高熔點、介質、化合物、陶瓷和合金等材料均可作為靶材。濺射粒子的初始動能較大（1?10電子伏特），蒸發僅有0.1電子伏特，離化率高。也就是說：用荷能離子轟擊靶材，而使其表面原子從靶材逸出的過程。荷能離子--氬離子是由輝光放電形成的等離子體提供的。
濺射可分為二級、三極、四極和磁控。磁控濺射又分為直流源和交流源。
2.2磁控濺射技術
濺射技術經歷了一個漫長的發展過程，才達到了實用化程度。1970年后，才出現磁控濺射裝置，約1975年時有了商品。它使薄膜工藝發生了深刻變化，不但滿足薄膜工藝越來越復雜的要求，而且促成了新的薄膜工藝。我國1980年前后發展了磁控濺射技術，現已廣泛使用。
磁控濺射被稱為一種高速低溫的濺射技術，它本質上是磁控模式進行的二極濺射，它的發展是從強化放電理論出發的，事實上它既收到了提高濺射速率的效果，又達到了降低基片溫升的目的。
磁控濺射裝置是在直流二極濺射靶的內側加上固定的磁場，該磁場用恒磁體來實現。靶的背面有冷卻水套，靶的正面有屏蔽罩。
當靶上加上一個電壓時，電場E和磁場B相互垂直，此時電子的運動是以速度為Vt，旋轉半徑為Rg的螺旋運動，在空間的三維軌道為螺旋距變化的斜螺旋線。
平面磁控靶的電場和磁場相互正交排列，產生了強的聚焦力，作用在快速電子上，而產生的二次電子在封閉的軌道上作無窮無盡的擺線運動。“跑道”式的電子漂移或是跨躍跑道的電子振蕩都在陰極暗區外側產生了豐富的電離，等離子體的磁聚焦由于靜電聚焦作用得到了進一步增強。在陰極暗區邊緣產生了電離密集區。由于磁體成環狀腐蝕區，正離子很容易受到陰極壓降的作用而垂直入射轟擊在靶面上。
磁場的磁力線形成弧形的閉合磁路，起作用的僅有平行于靶面與電場E相垂直的Bx分量，由于各處Bx分量大小不等，使得“跑道”形狀腐蝕區中間的等離子體強度最大，從而離子流轟擊靶材粒子逸出最多，結果環狀中間腐蝕最深，邊緣最淺。所以經長期濺射的平面靶材出現一個環狀溝糟。
2.3濺射鍍膜的特點
(1)對濺射靶的面積以及形狀無限制，而且可以在大面積工件上獲得分布均勻的薄膜。
(2)濺射速率由濺射產額和靶的轟擊電流密度決定，通過控制工作電流即可控制濺射速率，從而方便地控制鍍膜厚度。
(3)靶的使用壽命長，濺射鍍膜設備適合長時間運行和自動化。因此，制造的膜層性能穩定、重復性好。
(4)由于靶是固體蒸發源，所以工件和靶的相對位置可以自由選擇，方便在不同工件上鍍膜。
(5)所采用的氣體多為氬氣、氮氣等，安全可靠無危險。
(6)可采用合金靶、復合靶和鑲嵌靶來制取滿足成分要求的合金膜。
(7)高熔點物質、介質和絕緣物質也容易成膜。
(8)濺射膜附著力良好。
以上特點，為濺射鍍膜廣泛使用提供了充分條件。
3濺射鍍膜工藝
設備是JCK-500型磁控濺射臺，靶為BF-250型平面矩形靶，磁體采用鍶鐵氧體（恒磁體），距靶面5毫米，磁場強度B大于400高斯。
為了濺射各種用途的“膜”，分別應用了Ta、Au、Ni、Ti、Cu、Ag、Al金屬作為靶材，由于該設備有四個靶，可裝四種不同材料的靶，因此可以在抽好真空時，一次完成四種金屬的濺射，這方便了各類復合膜的制作。由于有兩個氣體入口，若通入反應氣體可以制備各種化合物膜，例如鈦在氬、氮氣混合氣氛中制備出TiN膜；鋅在氬、氧混合氣氛中制備出ZnO膜；鋁在氬氧氣氛中制備出A1203膜等等。
常用濺射條件：
At氣量：0.01?0.001托
電壓：400?900伏特
電流：2?10安培
由于靶材不同，厚度不同，所以在靶上施加電壓時會呈現出不同的電壓電流曲線，就JCK一500型濺射臺的最佳濺射條件：電壓500?600伏特，電流4?6安培，Ar氣量（5-2)X0.01托，在工作中電壓應保持在500伏特以上，根據不同材料可以適當改變Ar氣量或電流大小.這樣濺射出的膜質優良，性能最佳。
由于設備工件架可以按一定速度轉動。保證了膜層的均勻性，長度方向20cm內，厚度差小于5%。
表1是對幾種靶材實驗時的工藝參數。
4濺射膜的作用
41制作微波集成電路
在微波集成電路中，導電材料主要作為傳輸線，互連線，電阻電容的電極，電感線圈等，在選材時需要考慮高頻特征、沉積工藝、附著強度、可焊性等問題。目前國內普遍使用鉻金或鎳鉻金制作微帶線，方法大多數采用真空蒸發獲得，但它與磁控濺射相比有許多缺點：生產數量不大、穩定性較差、可焊性差、附著力差。
為了克服上述蒸發工藝的一些缺點，可采用濺射的方法制作導電膜，經反復試驗可以選用Ti_Cu-Ni-Au或Ta-Cu-Ni-Au及Cr-Cu-Ni-Au等復合膜代替傳統的蒸發膜，并具有下述優點：
(1)可以在同一次真空中完成膜的制作，不需
要電鍍；
(2)由于Ni層的引入，大大提高了焊接性能，Ni的隔熱作用防止了Cu、Au相互擴張。電路表面，如金層被“吃掉”時，Ni同樣具有優良的焊接性能；(3)節約黃金，生產批量大，縮短了工時，使成本降低；(4)濺射膜比蒸發膜的附著力高。
4.2電阻、電容的制作
電阻、電容可以用濺射Ta的方法制作，做成微小型片電阻、電容，也稱無引線倒裝阻容元件或芯片阻容元件。如果需要也可與“MLC”做在同一基片上。電阻值在幾歐姆到幾兆歐范圍內，電容值一般在幾十微微法到幾百微微法內。
適當控制、改變工藝條件就能做出性能特別優異的電阻、電容，它適用于薄膜電路，厚薄膜混合電路，精密電阻網絡，如轉換器及溫度補償網絡，各類精密衰減器件中。
4.3其他方面的應用
濺射膜除用于電子電路外，還有許多用途，如光學、裝璜等方面。
(1)特種燈的聚光罩，用濺射鋁膜的方法可得到極高的反光指數，有很強的聚光作用，這樣的照明裝置可以照射幾十米外的距離。現已廣泛用于邊防前線.公安部門，還可用于文化藝術方面的舞場、舞廳、舞臺演出作布景用，從1985年起，每年生產若干萬件，生產量逐年增加，需求量越來越大。
(2)濺射鈦、如在氬、氮混合氣氛中進行，就能制備出TiN膜，能使模具、刀具的壽命提高5-10倍。表帶表殼仿金色。玩具、日用品、陶瓷等都可以做成金色、古銅色、銀色等等。
(3)各種用途的塑料制品，如需金屬化都可以用濺射的方法獲得。
塑料膜、紙張的金屬化可制成鋁箔、銀箔、錫箔，用于包裝與裝璜。
塑料膜作掩膜濺射導電金屬，可用于“電子薄膜式觸摸按鍵開關”。如BSM系列電腦皮帶秤面板上的功能操作鍵就是用這種方法。它省去了所有立體的開關、按鍵，在其它許多電子設備上也適用。
5彩電色度延遲線的光學玻璃、PZT壓電陶瓷的金屬化最初試驗時采用蒸發鉻金，常有脫落現象，特別是焊接問題不能過關，成為關鍵問題。經試驗，用復合膜可以滿足使用要求。由于使用賤金屬，大大降低了成本，便于民用產品的開發，現有設備對40X12(mm)的換能片一次可濺射240片，可作延遲線器件8000件，對于40X20(mm)的光學玻璃一次可濺射120片，可作器件4000件，現能大批量投入生產。
6各類傳感器的應用
雷達伺服傳動系統的碼盤，數控自動化機床采用的光電傳感器，用濺射方法很容易得到品質優良的器件。
另外難度比較大的，采用半導體集成工藝制成的包括變換器、敏感元件、放大電路、調整及補償電路在內的混合式集成傳感器，用于壓力，流量、液體、加速度、聲音和溫度等多種測量，由于集成化帶來小化，這在醫用傳感器上是特別重要的，例如ZnO薄膜是一種很重要的壓電材料。此外.在光電材料和敏感材料領域也占有重要地位，用反應派射出的ZnO膜是做氣敏元件的好材料，它可以測量酒精濃度、一氧化碳濃度等等。
總之，濺射膜幾乎可以取代傳統的蒸發膜，而且正廣泛深入應用到各科技領域和民用產品中去。
7結語
我國70年展起來的微波集成電路或稱薄膜電路，早已進入成熟應用階段。在微波儀表、通訊、雷達、導航、遙控、衛星等設備上大量采用。同時又從軍用向民用方向發展.取得了許多有價值的經濟成果柙技術成果.這是眾所周知的。現仍在繼續穩步深入發展：比如薄膜多層電路、單片微波集成電路的研制：由于厚膜電路工藝簡單、材料低廉、成本低,所以取代了部分薄膜電路，但隨著使用頻率提高，特別是毫米波、亞毫米波、厚膜電路是無法勝任的，因而薄膜電路是不可缺少的重要技術。繼續突破新的技術問題才是至關重要的。
當然在薄膜電路的深入發展中，濺射工藝將會起著特殊重要的作用。
關鍵詞：薄膜太陽能電池；發展狀況；特征；種類
中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007—9599 （2012） 14—0000—02
一、太陽能電池概述
伴隨著經濟社會的不斷快速發展，經濟增長對于環境污染的問題也變得越來越嚴重，因此基于可持續發展理念來進行工業生產、服務提供等成為當今世界經濟發展的主旋律，而這也使得經濟環保技術與工業生產相結合的理念深入人心。另一方面，在資源有限的情況下，如何有效利用現有資源，并不斷開發出對新資源的運用也是擺在可持續發展理念上的重要考慮對象。基本看來，目前人們普遍認為對于太陽能的有效運用是解決能源危機、環境問題的最有效的途徑。太陽能資源不僅具有清潔型能源的特征，而且其存在的長期性也能夠解決人們對于能源的需求問題，太陽能電池是對于太陽能運用的最有效工具之一。太陽能電池已經經歷了多個階段的發展，其基本原理在于對半導體二極管的運用，將太陽所輻射過來的光波經由光伏作用轉變為電能，為人們所用。半導體二極管能夠在太陽光照射到其表面時，將太陽光加以吸收，并轉化為光子能量，將自身所帶的電子激發到導電帶部分，最終形成具有正的電極的空穴，從而演進為光生載流子。在形成光生載流子之后，其能夠在二級管內發生分離，而電子也相應的發生位置變化，最終帶來空穴發生變化，產生具有負極的電極。正負極電荷的不斷聚集，就演變為光伏效應，產生電壓。因此，太陽能用的半導體二極管秩序在已經形成的兩極進行線路連接，就可以將形成的電能導出。盡管太陽能的發展種類很多，但卻普遍存在光電轉化效率不高的狀況，而這在軍事領域、航天領域發展當中難以起到自身應有的作用，而提升光電轉化率也成為太陽能研究的焦點所在。光電轉化效率的研究多聚焦于太陽能材質的改革、對于元器件進行創新等方面，以增加太陽能電池對于陽光的吸收力度，減少陽光在太陽能電池中的傳播距離等，最終提升光轉電效率。當然，關于太陽能電池的研究十分廣泛，而薄膜太陽能電池也逐步發展成為當今太陽能電池研究的最重要區域。
二、薄膜太陽能電池的發展及特性
（一）薄膜太陽能電池的發展
薄膜太陽能電池，顧名思義，其是在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可產生光電效應的薄膜，厚度僅需數μm，因此在同一受光面積之下比硅晶圓太陽能電池大幅減少硅原料的用量。薄膜太陽能電池并非是新概念的產品，實際上人造衛星就早已經普遍採用砷化鎵（GaAs）所制造的高轉換效率薄膜太陽能電池板（以單晶硅作為基板，轉換效能在30%以上）。不過，一方面因為制造成本相當高昂，另一方面除了太空等特殊領域之外，應用市場并不多，因此直到近幾年因為太陽能發電市場快速興起后，發現硅晶圓太陽電池在材料成本上的局限性，才再度引起為產業研發的關注，目標則是發展出材料成本低廉，又有利于大量生產的薄膜型太陽能電池。自2006下半年以來，因全球太陽能市場需求成長，造成硅原料供應不足、硅晶太陽能電池及模組生產成本水漲船高。而薄膜太陽能電池因具有輕薄、低成本、可撓曲、多種外觀設計等優點，成為繼硅晶太陽能電池之后，被認為是當前最具發展潛力的太陽能技術。
（二）薄膜太陽能電池發電原理
薄膜太陽能電池，是以pn半導體接面作為光吸收及能量轉換的主體結構。在基板上分別涂上二種具不同導電性質的p型半導體及n型半導體，當太陽光照射在pn接面，部份電子因而擁有足夠的能量，離開原子而變成自由電子，失去電子的原子因而產生空穴。透過p型半導體及n型半導體分別吸引空穴與電子，把正電和負電分開，在pn接面兩端因而產生電位差。在導電層接上電路，使電子得以通過，并與在 pn 接面另一端的空穴再次結合，電路中便產生電流，再經由導線傳輸至負極。從光產生電的過程當中可知，薄膜太陽能電池的能量轉換效率，與材料的能隙大小、光吸收系數及載子傳輸特性相關，因此廠商就提升轉換效率的研發方向出發，往往也從材料選用、鍍膜方面著手。
（三）薄膜太陽能電池發展的特征
首先是較高的生產成本。除了轉換效率造成薄膜太陽能電池無法普及外，昂貴的建廠成本，往往也是令廠商卻步的原因。以建一座30MW的太陽電池工廠為例，硅晶太陽電池的投資成本約4000～6000萬人民幣，而薄膜太陽能電池則為其成本的5～10倍不等，價格差別如此之大，在沒有雄厚資金注入的情況下，特別是在目前全球經濟不景氣的環境下，廠商更難獲取充裕的資金，因此無法建立相應的廠房設備。
其次是原料供應充足。在鍍膜部分，非晶硅太陽能電池所需的硅鍍膜亦只需1～2μm，厚度僅為硅晶圓的1/100，當硅料短缺時，可節省較多的材料費。而CIGS所需的硒、銦及CdTe的碲雖為稀有金屬，但因全球對此類原料的需求量仍低，故不存在缺料問題。
最后是與載體做造型整合。由于薄膜電池非使用結晶硅做基板，因此不會受到晶圓尺寸大小限制，故容易進行大面積及客制化生產。加上有些基板具有輕薄、可透光且可撓的特色，因而增加薄膜太陽能電池造型設計的彈性空間及應用范圍，例如，可結合商業設施、大樓及住宅，融入遮陽板、玻璃帷幕及屋頂等進行相關設計。
三、薄膜太陽能電池種類
