xj****表面工程技術(shù)發(fā)展前沿概述(中)
 

3 工藝過程研究及其新進展

    工藝是新材料的技術(shù)關(guān)鍵。在工藝研究中，首要的問題是深入研究其原理，檢驗看其是否與過程設(shè)計預(yù)想的一致，從而判斷原始模型的正確性。真空及氣體放電物理和技術(shù)的采用，是作好表面工程技術(shù)的關(guān)鍵。具體說來，引入等離子體物理原理分析和綜合診斷技術(shù)(Langmuir探針、飛行質(zhì)譜、吸收光譜，發(fā)光光譜、四極質(zhì)譜等)，有利于深化對于鍍膜過程等離子體微觀作用的認識，為工藝過程研究開辟新視野，并進一步發(fā)展成為宏觀與微觀相結(jié)合的過程設(shè)計。

    當(dāng)前,嚴(yán)格控制沉積粒子的粒度范圍,實現(xiàn)精密沉積，達到薄膜理想的高密度和原子量級的表面光潔度，已成為迫在眉睫的技術(shù)目標(biāo)。在這種形勢下，王德真等人[2~6]關(guān)于脈沖等離子體鞘層中歸一化勢場分布的時間演變(圖1)、脈沖等離子體鞘層輪廓的時空演變(圖2)、鞘層中電子和離子密度的空間分布(圖3)、鞘層中俘獲塵埃的密度分布(圖4)等結(jié)果，揭示了等離子體／固體界面處的場分布特征和電磁場參數(shù)，對于微米亞微米塵埃動力學(xué)行為的規(guī)律性，對于去除等離子體刻蝕有害刻蝕產(chǎn)物和電弧離子鍍大顆粒技術(shù)途徑的探索，無疑是有啟發(fā)作用的。林國強等[7]的研究，則揭示了等離子體容抗負載的新特性，為選取合理的電路參數(shù)提供了依據(jù)。

4 當(dāng)代科技架構(gòu)和納米科技

    xj****表面工程的上述發(fā)展和變化固然是由相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)需求直接推動，但若從根本上考慮更是與當(dāng)代科技和經(jīng)濟的整體發(fā)展形勢密切相關(guān)。近年來，當(dāng)代科技架構(gòu)發(fā)生了巨大變化，首先，出現(xiàn)了三大前沿領(lǐng)域(信息技術(shù)，IT；生物技術(shù)，BT；納米科技，NT)，這是其第一層次。下一個層次是高新技術(shù)，其中包括航天、航空、新能源、新材料、環(huán)保和物質(zhì)循環(huán)等領(lǐng)域。第三個層次是傳統(tǒng)科學(xué)技術(shù)，目前正處于急劇走向現(xiàn)代化的演變之中。

    三大前沿是當(dāng)代科技的戰(zhàn)略發(fā)展方向，其突破對于人類社會的發(fā)展具有巨大的推動作用。首先，信息、生物和納米科技已成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的密集源頭，其中生物產(chǎn)業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)已進入高速增長期。三大前沿又是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)支撐，以上三方面在人類社會經(jīng)濟總增長中所占有的份額，已起到了舉足輕重的作用。三大前沿和當(dāng)代高科技產(chǎn)業(yè)的一個引人注目特點是，其民用產(chǎn)品正在占有越來越大的份額，這意味著世界和平具有了越來越強的經(jīng)濟基礎(chǔ)，形成了與50～60年代******技術(shù)鮮明的對比。另一方面，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造提升，為三大前沿及高新技術(shù)領(lǐng)域，提供了前所未有的巨大發(fā)展空間。因此，三大前沿領(lǐng)域和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將為新經(jīng)濟造就其物質(zhì)基礎(chǔ)。

    從三大前沿領(lǐng)域的內(nèi)部關(guān)系看，納米科技是信息技術(shù)和生命科學(xué)的技術(shù)支撐。納米科技之所以能夠起到這種重要作用，其根本原因在于，納米科技把物質(zhì)微結(jié)構(gòu)研究的特征尺度推進到了納米范圍。實驗研究和理論分析結(jié)果都表明，當(dāng)物質(zhì)的特征尺寸進入納米范圍時，一方面，物質(zhì)的本構(gòu)特性變成與其特征尺寸相關(guān)，稱為本構(gòu)特性的尺寸效應(yīng)；另一方面，當(dāng)特征尺寸等于一定的特征長度時，出現(xiàn)新的物理和化學(xué)機制，稱為物理和化學(xué)機制的尺寸效應(yīng)。這兩類現(xiàn)象統(tǒng)稱為納米尺寸效應(yīng)，它們是當(dāng)特征尺寸進入納米尺度范圍時，物質(zhì)顯示其低維性的具體表現(xiàn)。人們通常所說的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)等，均可納入此兩類型的范圍中。值得注意的是，尺寸效應(yīng)既有經(jīng)典效應(yīng)，也有量子效應(yīng)，兩者都起作用，都很重要，對其研究不可偏廢。

    在納米科技中，把具有上述尺寸效應(yīng)特征的物質(zhì)稱為低維組元，納米厚度的薄膜為二維組元，納米纖維為一維組元，納米粒子為零維組元。由低維組元構(gòu)成，并能全部或部分保持有用低維性的穩(wěn)定低維組元集團，稱為納米結(jié)構(gòu)。含有原子數(shù)較少的粒子，通常稱為團簇。在自然界或某種工藝的產(chǎn)物中，團簇數(shù)目按照其所含原子數(shù)的分布稱為團簇的豐度曲線，它實際上反映了該種團簇的化學(xué)穩(wěn)定性。作為豐度曲線的例子，圖5給出了碳團簇的豐度曲線。曲線上的兩個***高的峰分別為C60和C70說明它們***穩(wěn)定。曲線上其它幾個小峰比C60峰和C70峰要低得多，說明它們的穩(wěn)定性，比C60和C70團簇要差得多。圖6給出了銀團簇的電子結(jié)構(gòu)與其所含原子數(shù)間的關(guān)系，它表明在納米尺度范圍內(nèi)，團簇具有隨其所含原子數(shù)不斷變化，并與塊體大不相同的電子結(jié)構(gòu)。根據(jù)團簇電子結(jié)構(gòu)與其特征尺寸(原子數(shù))的關(guān)系，可以推斷，在薄膜電子結(jié)構(gòu)與膜厚(或原子數(shù))之間，亦應(yīng)存在一定的依賴關(guān)系，由此可見，低維組元電子結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)，是納米結(jié)構(gòu)本構(gòu)特性及物理和化學(xué)作用尺寸效應(yīng)的物理基礎(chǔ)。

    納米薄膜技術(shù)(--維組元的一維復(fù)合)的突出特點是其特征尺寸較納米纖維及納米粒子容易控制，因而成為制備納米結(jié)構(gòu)較有效的途徑。目前，納米薄膜技術(shù)已發(fā)展成納米科技重要組成部分，開始為信息、生物、微電子、航天、航空、新能源、新材料等其它前沿及高新技術(shù)領(lǐng)域服務(wù)；為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造服務(wù)，為推進納米科技的發(fā)展作出了巨大貢獻。

    如果不考慮膠體和大氣光散射，則系統(tǒng)性納米科技的研究應(yīng)當(dāng)是始于60年代末。當(dāng)時，Esaki和Tsu的半導(dǎo)體超晶格、Koehler的納米多層增強、藤島昭的表面納米結(jié)構(gòu)光催化分解水的原理和實驗研究結(jié)果相繼發(fā)表。從那時以來，納米薄膜、納米纖維、納米粒子和各種納米結(jié)構(gòu)的研究持續(xù)不斷，直到今天，并逐步建立起納米結(jié)構(gòu)的普遍性原理框架和各種特殊性原理理論，形成了作為納米科技基礎(chǔ)第一部分的納米科技原理。與原理研究平行，還逐步形成了納米科技基礎(chǔ)的其它兩個組成部分：納米制造技術(shù)和納米測試技術(shù)。整個納米科技是由納米科技基礎(chǔ)、納米應(yīng)用科技、納米科技在其它科技領(lǐng)域中的應(yīng)用三大部分構(gòu)成。由納米科技原理納米制備技術(shù)和納米測試技術(shù)構(gòu)成的納米科技基礎(chǔ)，決定了納米科技整體的發(fā)展水平，因而是納米科技的核心部分。

5 xj****表面工程技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化

    目前，已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的xj****表面工程事例有：塑料薄膜或紙張基片上鍍鋁制成的薄膜電容器；新型復(fù)合包裝材料；老式鍍膜幕墻玻璃；有效太陽能薄膜集熱器；TiN系(包括Ti(c，N)、TiC等高硬膜，(Ti，Al)N等抗高溫氧化膜，CrN耐磨耐蝕膜，ZrN高溫高強膜及其多層復(fù)合涂層)耐磨涂層刀具、模具和量具；液晶顯示器用ITO透明導(dǎo)電膜。正在和即將實現(xiàn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的事例有：薄膜型電阻、電容、電感；背投電視光反射膜、過濾膜系列；磁盤、光盤、磁頭的功能膜和防護膜；燃氣輪機葉片MCrAlY系抗熱腐蝕涂層；等離子體顯示器MgO功能涂層；自清潔玻璃；光催化殺菌消毒薄膜；塑料容器高阻隔性薄膜；新式鍍膜幕墻玻璃(吸收紫外，反射紅外，透光)。

    有待進一步研究，并于將來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的xj****表面工程技術(shù)事例有：低介電常數(shù)基片；高熱導(dǎo)率基片；用途更廣的新一代ZnO基透明導(dǎo)電膜；新一代鐵電存儲器；高耐熱高絕緣高導(dǎo)熱封裝薄膜；更高記錄密度的薄膜磁頭，其磁頭起飛高度由25nm進一步降到15nm，需采用新的磁記錄功能膜和磁記錄、耐磨損兩種功能一體化的磁記錄功能膜材料；渦輪軸發(fā)動機壓氣機鈦合金葉輪抗沙塵沖蝕涂層；有效率低成本薄膜太陽能電池；柔性(全薄膜化)顯示器；燃氣輪機葉片熱障涂層；光催化環(huán)境凈化膜；光催化太陽能分解水制氫；高性能、高質(zhì)量、有效率、低成本刻蝕技術(shù)和裝備。