【摘要】：涂層技術應用廣泛,涂覆涂層于工件表面可以有效提高工件性能、延長工件使用壽命、降低工件制備成本;有些器件則直接為涂層的形式,如印刷電路板等。隨著科學技術的發(fā)展,對涂層制備要求越來越高,對涂層制備技術也提出了較高的要求。大氣壓射頻等離子體技術具有裝置結構簡單、環(huán)境友好等優(yōu)點,在涂層制備領域中受到越來越多的關注。大氣壓射頻等離子體存在兩種放電模式:一種是軸向分布靜電場引起的容性耦合放電(E模式);另一種是線圈內部感應產生的環(huán)向分布電場引起的感應耦合模式放電(H模式)。本論文工作中應用E模式放電制備了銅薄膜,應用H模式放電制備了碳化硼涂層,研究了等離子體的產生、E-H模式轉變的動態(tài)過程、等離子體特性參數隨實驗條件的變化及不同實驗條件對所制備涂層特性的影響。主要工作及實驗結果如下:(1)應用高速攝像技術,分析了大氣壓感應耦合等離子體E-H模式轉變過程,以及H模式下環(huán)形放電轉變?yōu)閳F狀放電的動態(tài)過程。結果表明,在氬氣放電中,輸入功率約300-1000 W時,E-H模式轉變過程大約需要0.5-1 ms;環(huán)形H模式放電形成后,放電會從炬內邊緣發(fā)展到炬內中心位置,形成穩(wěn)定的團狀放電狀態(tài)。提高輸入功率、邊氣流速和在氬氣中引入少量氫氣都有助于減少此轉變過程所需要的時間。(2)對一種銅線插入放電管中的射頻E模式等離子體進行診斷,并應用高速相機拍攝了其產生過程。結果表明放電起始于銅絲尖端,經氣流作用發(fā)展為等離子體射流。放電為絲狀放電。在本實驗條件下,電壓有效值在650-850 V之間,純氬氣放電電流有效值在4-6.5A之間,引入氫氣后放電電流有效值降低到2.5-5 A之間。放電電流比電壓的相位超前約90度。在氬氣放電中引入少量氫氣會使等離子體氣體溫度和電子密度上升,但同時降低了放電電流和電子激發(fā)溫度。等離子體氣體溫度約為600-1400 K;電子激發(fā)溫度約為8000-11000 K;電子密度約為3.1×1020-8.2×1020m-3。(3)研究了輸入功率、氣體流速和氫氣濃度對大氣壓射頻E模式放電沉積銅膜過程的影響。結果表明,等離子體氣體溫度和流經銅絲的放電電流是引起銅線燒蝕的主要原因。提高輸入功率,有助于等離子體氣體溫度升高和放電電流增大,促進銅線的燒蝕,從而使銅原子蒸發(fā)量增多,加速了銅膜沉積速率,并使薄膜的粗糙度和沉積顆粒的粒徑增大。提高氣體流量,等離子體氣體溫度下降,導致銅原子的蒸發(fā)量降低,使銅膜沉積速率、顆粒粒徑和表面粗糙度均有所下降。隨氫氣濃度增大,等離子體氣體溫度上升,放電電流下降。當氫氣濃度低于1.6‰時,隨著氫氣濃度增大,銅原子蒸發(fā)量增多,沉積速率和薄膜上的顆粒粒徑增大。當氫氣濃度大于1.6‰時,隨著氫氣濃度增大,銅原子蒸發(fā)量減小,沉積速率下降,薄膜上的顆粒粒徑減小。此外,提高氫氣濃度有助于降低薄膜表面粗糙度。(4)應用感應耦合熱等離子體(H模式放電)在銅基底上制備了純碳化硼涂層和碳化硼/銅梯度涂層。對比原粉和涂層的XRD檢測結果表明,經等離子體噴涂后碳化硼的物相沒有變化。成功制備了碳化硼/銅梯度涂層材料,測試結果表明,較銅基上純碳化硼涂層,梯度涂層與基底的結合力提高顯著。此外,隨著邊氣中引入氫氣濃度的增加,沉積在銅基底上的純碳化硼涂層孔隙率降低,致密度有所提高。應用發(fā)射光譜并結合高速攝像診斷了感應耦合熱等離子體特性參數隨氫氣濃度的變化情況。結果表明,邊氣中引入氫氣后,等離子體在軸向和徑向都有收縮;且隨著氫氣流量的增加,等離子體的體積收縮程度變大。電子激發(fā)溫度與電子密度隨氫氣含量的增加而增大。
【圖文】：

粒子具有較大的能量撞擊到基體表面。感應耦合熱等離子體的體積較大，顆粒與逡逑等離子體接觸充分，對原料顆粒的加熱性好，且等離子體不與電極接觸，放電純逡逑凈，有利于制備純度要求較高的涂層。圖１．１展示了（ａ）直流電弧等離子體炬逡逑和（ｂ）感應耦合熱等離子體炬的噴涂過程示意圖Ｗ。應用直流等離子體炬噴涂逡逑時，被噴涂的粉通過送粉氣沿與等離子體軸向垂直的方向送入到等離子體中；送逡逑粉位置可以在噴嘴口內或噴嘴口外，但在噴嘴口內時，要在陽極弧根的下游位置；逡逑外部送粉時，送粉口在直流炬噴口下端。外部送粉方式比內部送粉更常用。當顆逡逑粒被噴射入等離子體中時，顆粒會被加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并在等離子體氣逡逑流下加速撞擊到基底上形成扁平狀貼片，很多顆粒誰積后便形成了涂層。應用電逡逑弧噴涂時，應注意調整送粉口口徑和氣流速度等參數，以使大部分顆粒能噴射入逡逑等離子體中，獲得好的顆粒群加熱和加速效果。逡逑Ｐｌａｓｍａ邋ｇａｓ邋Ｃａｔｈｏｄｅ邐Ｐｏｗｄｅｒｓ邋ｃａｒｒｉｅｒ逡逑Ｊ邋｜邐９ａｓ邋Ｃｅｎｔｒａｌ邋ｇａｓ逡逑ｒ邐Ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｗａｔｅｒ邋ｏｕｔ邋ｉ邋．邋Ｓｈｅａｔｈ邋ｇａｓ逡逑

圖１．２大氣壓介質阻擋放電結構示意圖，（ａ）側面送氣，（ｂ）中心送氣。逡逑大氣壓冷等離子體化學沉積法制備薄膜常用的放電類型為介質阻擋放電。介逡逑質阻擋放電裝置的結構有多種，常用的結構和送氣方式的示意圖如圖１．２邋（ａ）和逡逑（ｂ）所示。如圖所示放電裝置的上下電極板之間的間距一般為１－５邋ｍｍ，氣體流逡逑動一般為層流狀態(tài)，氣體流速一般在１－９邋ｍ／ｓ之間。所用的放電氣體一般為氦氣、逡逑氬氣、氮氣等。氦氣的擊穿電勢比較低（大氣壓下約４邋ｋＶ／ｃｍ）且容易獲得彌散逡逑均勻的等離子體，但氦氣的價格比較昂貴。氬氣的價格相對便宜，但不易獲得彌逡逑散的等離子體。氮氣與氦氣和氬氣相比不容易維持穩(wěn)定放電，但在特定的薄膜制逡逑備中需要用到Ｎ原子參與化學反應［１８］。用于沉積薄膜的基體放置于下電極板，逡逑可以是導電材料也可以是非導電材料；導電材料可接地也可不接地。值得一提的逡逑是，，基底的放置會對等離子體的放電形態(tài)等造成影響，從而影響薄膜的制備［１８］。逡逑放電管內插有金屬線材并由射頻電源驅動的等離子體射流是一種常見的大逡逑４逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O53

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 廖梓s

本文編號：2669370