71xj****表面工程技術發(fā)展前沿概述(中)
xj****表面工程技術發(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關鍵。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計預想的一致，從而判斷原始模型的正確性。真空及氣體放電物理和技術的采用，是作好表面工程技術的關鍵。具體說來，引入等離子體物理原理分析和綜合診斷技術(Langmuir探針、飛行質譜、吸收光譜，發(fā)光光譜、四極質譜等)，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合的過程設計。
當前,嚴格控制沉積粒子的粒度范圍,實現精密沉積，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目標。在這種形勢下，王德真等人[2~6]關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，對于微米亞微米塵埃動力學行為的規(guī)律性，對于去除等離子體刻蝕有害刻蝕產物和電弧離子鍍大顆粒技術途徑的探索，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提供了依據。
4 當代科技架構和納米科技
xj****表面工程的上述發(fā)展和變化固然是由相關領域技術需求直接推動，但若從根本上考慮更是與當代科技和經濟的整體發(fā)展形勢密切相關。近年來，當代科技架構發(fā)生了巨大變化，首先，出現了三大前沿領域(信息技術，IT；生物技術，BT；納米科技，NT)，這是其第一層次。下一個層次是高新技術，其中包括航天、航空、新能源、新材料、環(huán)保和物質循環(huán)等領域。第三個層次是傳統科學技術，目前正處于急劇走向現代化的演變之中。
三大前沿是當代科技的戰(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產業(yè)的密集源頭，其中生物產業(yè)和信息產業(yè)已進入高速增長期。三大前沿又是改造傳統產業(yè)的技術支撐，以上三方面在人類社會經濟總增長中所占有的份額，已起到了舉足輕重的作用。三大前沿和當代高科技產業(yè)的一個引人注目特點是，其民用產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濟基礎，形成了與50～60年代******技術鮮明的對比。另一方面，高新技術產業(yè)和傳統產業(yè)的改造提升，為三大前沿及高新技術領域，提供了前所未有的巨大發(fā)展空間。因此，三大前沿領域和高新技術產業(yè)的發(fā)展，將為新經濟造就其物質基礎。
從三大前沿領域的內部關系看，納米科技是信息技術和生命科學的技術支撐。納米科技之所以能夠起到這種重要作用，其根本原因在于，納米科技把物質微結構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果都表明，當物質的特征尺寸進入納米范圍時，一方面，物質的本構特性變成與其特征尺寸相關，稱為本構特性的尺寸效應；另一方面，當特征尺寸等于一定的特征長度時，出現新的物理和化學機制，稱為物理和化學機制的尺寸效應。這兩類現象統稱為納米尺寸效應，它們是當特征尺寸進入納米尺度范圍時，物質顯示其低維性的具體表現。人們通常所說的表面效應、體積效應等，均可納入此兩類型的范圍中。值得注意的是，尺寸效應既有經典效應，也有量子效應，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特征的物質稱為低維組元，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，稱為納米結構。含有原子數較少的粒子，通常稱為團簇。在自然界或某種工藝的產物中，團簇數目按照其所含原子數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構與其所含原子數間的關系，它表明在納米尺度范圍內，團簇具有隨其所含原子數不斷變化，并與塊體大不相同的電子結構。根據團簇電子結構與其特征尺寸(原子數)的關系，可以推斷，在薄膜電子結構與膜厚(或原子數)之間，亦應存在一定的依賴關系，由此可見，低維組元電子結構的尺寸效應，是納米結構本構特性及物理和化學作用尺寸效應的物理基礎。
納米薄膜技術(--維組元的一維復合)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構較有效的途徑。目前，納米薄膜技術已發(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領域服務；為傳統產業(yè)改造服務，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，則系統性納米科技的研究應當是始于60年代末。當時，Esaki和Tsu的半導體超晶格、Koehler的納米多層增強、藤島昭的表面納米結構光催化分解水的原理和實驗研究結果相繼發(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構的研究持續(xù)不斷，直到今天，并逐步建立起納米結構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的其它兩個組成部分：納米制造技術和納米測試技術。整個納米科技是由納米科技基礎、納米應用科技、納米科技在其它科技領域中的應用三大部分構成。由納米科技原理納米制備技術和納米測試技術構成的納米科技基礎，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****表面工程技術的產業(yè)化
目前，已實現產業(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合涂層)耐磨涂層刀具、模具和量具；液晶顯示器用ITO透明導電膜。正在和即將實現高新技術產業(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，并于將來實現產業(yè)化的xj****表面工程技術事例有：低介電常數基片；高熱導率基片；用途更廣的新一代ZnO基透明導電膜；新一代鐵電存儲器；高耐熱高絕緣高導熱封裝薄膜；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、高質量、有效率、低成本刻蝕技術和裝備。