第29卷 第12期
2007年12月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.29 No.12 Dec.2007
非晶硅薄膜PECV D 法制备与光学性质表征
郝江波1,夏冬林1,姜 宏2,赵修建1
(1.武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,武汉430070;2.中国洛阳浮法玻璃集团有限责任公司,洛阳471009)摘 要: 在普通玻璃上采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD )方法制备氢化非晶硅薄膜,研究了在不同温度、压力、功率、H 2/SiH 4气体流量比等条件下氢化非晶硅的沉积速率,折射率、消光系数、吸收系数、光学禁带宽度等光学性质。实验结果表明非晶硅薄膜的折射率随着入射光波长的增加而减小;在500nm 处吸收系数高达8.5×104cm -1,光学禁带宽度在1.60—1.78eV 之间变化。
关键词: 非晶硅薄膜; 折射率; 吸收系数; 光学禁带宽度
中图分类号: O 766; TN 304文献标识码: A 文章编号:167124431(2007)1220055204
R esearch on Preparation and Optical Properties of Amorphous
Silicon Thin Films by PECV D
HA O Jiang 2bo 1,X IA Dong 2li n 1,J IA N G Hong 2,ZHA O Xi u 2jian
1(1.K ey Laboratory of Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education ,Wuhan University of
Technology ,Wuhan 430070,China ;2.China Luoyang Float G lass Group Co
Ltd ,Luoyang 471009,China )
Abstract :
Amorphous hydrogenated silicon was fabricated by plasma enhanced chemical deposition on glass.The thickness ,refractive index and extinctive index were calculated b y optical transmittance and reflection of the film ,which measured b y N K D7000w.The deposition rate of the film was studied at different tem perature ;pressure ,RF power and the ratio of H 2/SiH 4.It indicated that the deposition rate of hydrogenated amorphous silicon increased with the increasing of the tempera 2ture ,RF power ,pressure and the content of SiH 4.The refractive index of hydrogenated amorphous silicon increased with the increasing of the temperature.The refractive index and extinctive index of the film decrease with the increase incident li g ht wavelength.The absorption coefficient and optical bandgap of the film was evaluated.K ey w ords : a 2Si thin film ; refractive index ; absorption coefficient ; optical bandgap
收稿日期:2007209208.
基金项目:武汉市科技攻关(20061002037)和硅酸盐材料工程教育部重点实验室(武汉理工大学)开放基金(SYS JJ2005212).作者简介:郝江波(19812),男,硕士生.E 2mail :hjfb @https://www.doczj.com/doc/7a15338521.html,
氢化非晶硅薄膜具有高的光吸收系数、简单的制备工艺以及易于大面积生产而被广泛应用于制作大面积、高效率的薄膜太阳能电池[1,2];同时等离子化学气相沉积法制备技术具备对衬底温度要求低,易于在玻璃衬底上大面积制备的优点,这些制备优点使其在太阳能屋顶,太阳能玻璃幕墙等光伏与建筑结合方面具备很大的应用潜力。氢化非晶硅太阳能电池制备的核心是本征层材料的控制,它要求本征氢化非晶硅薄膜必须具备沉积速率高、缺陷态密度低、对光吸收高,O 、N 、C 等杂质污染少等特点。实验研究了在4×10-4Pa 真空条件下不同温度、压力、功率、H 2/SiH 4气体流量比等条件对非晶硅薄膜沉积速率的影响,并从辉光放电电子动力学、等离子化学、表面沉积动力学3个方面[325]对非晶硅的生长机理做了相应的讨论,同时对在不同衬底温度条件下制备的非晶硅薄膜的折射率、消光系数、吸收系数、光学禁带宽度等光学性质进行了表征。
1 实 验
采用PECVD 法在普通玻璃衬底上沉积非晶硅薄膜,沉积条件如下:射频电源频率13.56MHz ,本底真空4×10-4Pa ,极板间距2cm ,反应室直径20cm 。反应气体SiH 4/H 2在(1∶1)—(1∶12)之间变化(反应气体纯度均为99.999%);衬底温度为150—400℃;沉积功率为20—100W ;工作气体压强40—200Pa 。
氢化非晶硅材料的透射光谱与反射光谱采用英国Aquila 公司生产的N KD7000w 薄膜分析系统进行测试,薄膜的厚度及光学常数采用其系统分析软件进行理论计算而得。
当入射光波长大于500nm 时,非晶硅属正常色散,因此折射率和消光系数可采用柯西模型拟合[6],得到与测试T 、R 相近的曲线,近似程度用均方差表示。由此得到薄膜的厚度、折射率与消光系数的数值。薄
膜的沉积速率由厚度与沉积时间关系v =d/t 给出。吸收系数由α(hv )=4πk/λ计算而得。其中α(hv )表示吸收系数,它是光子能量hv 的函数,k 表示材料的消光系数。光子能量与入射光波长关系满足hv =
1240/λ。根据近似公式(αhv )1/2=B (hv -Eg opt ),对横纵坐标分别为hv ,(αhv )1/2对应的曲线作切线,与
横坐标相交所得截距大小即为光学禁带宽度Eg opt [7]。
2 结果与讨论
2.1 氢化非晶硅薄膜的沉积速率
PECVD 法沉积氢化非晶硅膜,受到反应室气压、基体温度、射频功率以及H 2/SiH 4稀释比等因素的影响。以下采用单因素法,研究了各因素与沉积速率之间的变化关系,
如图1—图4所示。
从图1可以看出,在反应室气压、基片温度、射频功率不变的情况下,随着H 2/SiH 4稀释比例增加,沉积速率逐渐下降;在H 2/SiH 4为4—6之间,沉积速率下降速率最快,随着稀释比的增加,沉积速率下降趋势逐渐变缓。根据文献报道[8],在稀释比大于1时,随着氢稀释比的增加,反应物在基片的浓度降低,同时H 原子对膜层表面Si —Si 弱键的刻蚀作用增强,在表面形成Si —H 键进一步阻碍了Si —Si 键的形成,导致成膜速率下降。
图2表明,在H 2/SiH 4稀释比例、射频功率、基片温度不变的情况下,增大反应气压P ,薄膜生长速率增加;反应压力在120—150Pa 之间时,沉积速率增长最快,反应压力大于150Pa 后,沉积速率增加缓慢。在射频功率一定时,极板间的电场强度变化不大,当反应气体压力较小时,反应气体SiH 4分子浓度较低,被电场加速的电子碰撞的几率小,所以产生的等离子体密度较小,因此沉积速率较小[9]。当增加反应气体压力时,沉积速率相应地增加。但是,当系统的压力增加时,同时使电子的平均自由程减小,加速电子的能量相应地减小,反应气体的电离率相应地减小,因此会表现为反应压力大于150Pa 后沉积速率增加的速度降低。
图3是H 2/SiH 4稀释比例、反应室气压、基片温度固定,改变射频功率P 时沉积速率的变化曲线。从图3可以看出,随着射频功率的增加,沉积速率也相应地增加。射频功率在20—40W 时增长趋势最为明显。射频功率的增加使极板之间的电场增强,等离子体内电子密度和激子密度增加,这就使反应速率增加。同时,射频功率增加,会增大对薄膜的刻蚀速率,导致沉积速率降低[9]。当射频功率在20—40W 之间时,等离子体内电子和激子密度增加对沉积速率影响较强,刻蚀作用较弱,因此增长速率较快。当再增大射频功率时,刻蚀作用影响程度加大,沉积速率增长放缓。但整体而言,射频功率增加到100W 时,从图3中可以看出混合气体并没有完全离化,射频功率增加时,沉积速率仍有增加的趋势。
6
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图4是H 2/SiH 4稀释比例、反应室气压、射频功率不变,改变基片温度T s 所得沉积速率变化曲线。图4表明,在H 2稀释条件下,基片温度升高,非晶硅薄膜沉积速率加快。当温度在150—200℃时,生长速率增长最快,200—300℃增速放缓,但当基片温度从300—400℃时生长速率的增速又加大。根据非晶硅薄膜在基片表面的生长模型[10],基团先吸附在基片表面上,部分基团将在表面的扩散并在非晶硅网络结构上找到最佳的位置成键,另外的一部分则解吸附。而扩散系数D s =va 20exp (-E s /k T );v 是基团的振动频率,a 0是跃迁距离,E s 是跃迁激活能。基片温度升高,基团在表面的扩散系数增加,则基团在表面的成键几率增大,生长速率相应地增加
。
2.2 氢化非晶硅薄膜的光学性质
实验测试出在辉光气压为150Pa ,辉光功率为30W ,H 2/SiH 4为240/60(4∶1),衬底温度分别为150℃、200℃、250℃,沉积时间60min 所制备的氢化非晶硅薄膜折射率
、消光系数、吸收系数与入射波长的关系。
由图5(a )、图5(b )、图5(c )3个样品的折射率曲线可以看出,当波长大于500nm 时,同一样品中的折射率随着入射光波长的增加而下降。不同温度条件下,随着温度的升高,相同波长折射率呈下降趋势,即衬底温度越高,氢化非晶硅薄膜越致密,折射率也越大。这和Webman 等[11]关于微空洞理论是一致的。
由图6(a )、图6(b )、图6(c )3个样品的消光系数曲线可以看出,同一样品中消光系数随着入射光波长的增加而急剧下降;
当波长达到700nm 后,曲线趋于平滑。
从图7示出了在不同衬底温度条件下氢化非晶硅薄膜的吸收系数与入射波长的关系。氢化非晶硅薄膜
的吸收系数由公式α(hv )=4πk/λ计算而得。从图7中可以看出,在衬底温度分别为150℃、200℃、250
℃时吸收系数随着入射光波长的增加而减小。在500nm 处,250℃所制备的非晶硅材料吸收系数为8.5×7
5第29卷 第12期 郝江波,等:非晶硅薄膜PECVD 法制备与光学性质表征
104/cm 。图8对横纵坐标分别为hv ,(αhv )1/2对应的曲线作切线并与横坐标相交,所对应的截距分别为
1.78、1.64、1.62,即衬底温度在150℃、200℃、250℃制备的非晶硅薄膜对应光学禁带宽分别为1.78eV 、
1.64eV 、1.62eV 。对比图8中3个不同温度条件下制备的非晶硅薄膜的样品的光学禁带宽度可以看出,沉积温度越高,光学禁带宽度相应减小。
3 结 论
主要对非晶硅薄膜的制备和光学性质进行了研究,得出以下结论:
a.在氢稀释条件下,增加SiH 4/H 2的比值,升高温度,增加成膜压力,提高辉光功率,都会使沉积的速率增加。
b.非晶硅材料折射率随波长的增加而减小,消光系数随波长的增加也呈减小的趋势。
c.所制备的本征非晶硅材料500nm 处吸收系数在4.5×104—8.5×104cm -1。
d.提高衬底温度,非晶硅薄膜材料的光学禁带宽度相应减小。
参考文献
[1] 韩大星,王万录,张 智.非晶硅电致发光机理及用电致发光谱研究太阳能电池本征层中的缺陷态能量分布[J ].物理学
报,1999,48(8):148421490.
[2] 余云鹏,林舜辉,林璇英,等.非晶硅薄膜厚度均匀性对其投射光谱的影响[J ].汕头大学学报,2004,19(1):50254.
[3] Kushner M J.A Model for the Discharge K inetics and Plasma Chemistry during Plasma PECVD of Amorphous Silicon[J ].J
Appl Phys ,1988,63(8):253222551.
[4] 颜一凡.传统PECVD 高品质氢化非晶硅的沉积速率[J ].固体电子学研究与进展,2004,24(3):4022406.
[5] Shin 2inchiro Ishihara.E ffects of Discharge Parameters on Deposition Rate of Hydrogenated Amorphous Silicon for S olar Cells
from Pure SiH 4Plasma[J ].J Appl Phys ,1987,62(2):4852491.
[6] 李国光,杨恒青,黄家明,等.用透射光谱确定非晶硅薄膜的厚度和光学参数[J ].红外研究,1987,6(5):3212328.
[7] 何宇亮,陈光华,张仿清.非晶态半导体物理学[M ].北京:高等教育出版社,1989.
[8] K ampas F J.Reactions of Hydrogen in the Deposition of Hydrogenated Amorphous Silicon by G low Discharge and Reactive
Sputtering[J ].J Appl Phys ,1982,53(9):640826412.
[9] 钱振型.固体电子学中的等离子体技术[M ].北京:电子工业出版社,1987.
[10] Matsuda A.Amorphous Si and Si 2based Alloys from G low 2discharge[J ].Plasma Pure &Appl Chem ,1988,60(5):7332740.
[11] Itzhak Webman ,Joshua Jortner ,Morrel H Cohen.Theory of Optical and Microwave Properties of Microscopically Inhomoge 2
neous Materials[J ].Phys Rev B ,1977,15(12):571225723.
(上接第10页)
参考文献
[1] Y asuyoshi Oda.Preventive Methods for Hydration of Calcia and Dolomite Clinkers[J ].Taikabutsu ,1989,41(12):38248.
[2] 陈树江,程继健,田风仁.铁钛复合添加剂对提高合成镁钙砂抗水化性的研究[J ].华东理工大学学报,2000,26(2):
1652167.
[3] 赵三团,王 威,徐 俊.CaO 耐火材料的抗水化研究进展[J ].耐火材料,2005,39(5):3642367,370.
[4] 于景坤,姜茂发.耐火材料性能测定与评价[M ].北京:冶金工业出版社,2001.
[5] 饶东生.硅酸盐物理化学[M ].北京:冶金工业出版社,1990.
[6] 于景坤.氧化铝微粉对镁钙系耐火材料性能的影响[J ].东北大学学报:自然科学版,2003,24(11):106821070.
[7] K ingery.Introduction to Ceramic[M ].New Y ork :Wiley ,1975.8
5 武 汉 理 工 大 学 学 报 2007年12月
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 ZnO 薄膜的主要性质 于激子带边发射,绿光发射则与ZnO 表层中以O 空位为主的深能级有关。ZnO 在可见光波段的吸收和发射光谱可参见文献。 电学性质未掺杂ZnO 薄膜室温载流子浓度主要取决于充当浅施主的间隙Zn 原子浓度。ZnO 薄膜的p 型掺杂是个备受关注的课题。Y.R.Ryu 等人用PLD 法 在GaAs 衬底上掺杂As 制得p-ZnO,受主浓度为1017~1021cm-3,紧束缚带边发射峰分别在3.32 eV 和3.36 eV[17]。M. Joseph 等人在400℃下用PLD 法进行Ga、N 共掺杂实现p 型转变,以ZnO(ω(Ga2O3)=5%)为靶材,N2O 为N 源, 进行电子回旋共振活化,p-ZnO 室温电阻率为0.5 Ω-cm,受主浓度为4 乘以1019 cm-3。T.Aoki 用准分子激光掺杂技术获得p-ZnO。 ZnO 薄膜的电学特性与制备方法及后续工艺条件有直接的依赖关系。电子束 蒸发制备的Al 掺杂ZnO 薄膜的电子浓度在1019~1021cm-3,室温电阻率为10-4 Ω-cm。溅射法制备AZO 薄膜的电学特性与溅射功率有很大关系。溅射 功率越大,薄膜的质量越好,这主要是因为溅射功率的提高有助于薄膜缺陷的减少, 增大晶粒尺寸,晶界的散射作用减轻,增大了载流子的平均自由程,从而使迁移率增大,薄膜的薄层电阻降低。反应溅射过程中,氧分压太低,薄膜的缺陷密度较高;氧 分压太高,薄膜的电阻率上升很快,通常在1~2mPa 比较合适。同样掺杂情况 下,ZnO 的施主浓度和受主浓度低于GaN,并且ZnO 的杂质、点缺陷以及位错的 浓度也低于GaN。ZnO 主要有导带底以下30meV、60meV 和340meV 三个施主能级。间隙Zn 原子是主要的浅施主,Vo 是深能级施主。总之,在点缺陷和位错浓 度低的情况下,ZnO 薄膜有较好的电学性质。
第一章：薄膜种类及特性 一、PP（聚丙烯薄膜） 1、BOPP（双向拉伸聚丙烯薄膜） 特性如下： 1)BOPP薄膜无色、无嗅、无味、无毒、卫生性能好、密度在0.92g/cm2 。 2)BOPP薄膜刚性好，具有强韧性、透明度和光泽性。 3)BOPP薄膜拉伸强度高、抗冲击强度好、但抗撕裂强度低。因此，两端不能留任 何切口，否则在印刷复合时容易撕裂。 4)BOPP薄膜表面能低，涂胶或者印刷前需要进行电晕处理，有很好的印刷适应性， 但有一定期限，过期后表面能也不好。 5)BOPP薄膜耐热性高，使用温度可达120℃，是通用塑料中最耐温的。 6)BOPP薄膜化学稳定性好，除强酸对它有腐蚀作用外，不溶于其他溶剂。 7)BOPP薄膜阻水性极佳，是阻水防潮最佳材料之一，吸水率<0.01%，但阻氧率极 差。 8)BOPP薄膜也有不足，如积累静电，没有热封性等。在高速运转的的生产线上需 安装静电去除器。 2、消光BOPP 消光BOPP的表层设计为消光（粗化）层，是外观的质感试于纸张。消光BOPP 与BOPP薄膜相比有以下特点： 1)消光层有遮光作用，表面光泽度也就大大的减少。 2)必要时消光层可有热封性。 3)消光层滑爽性好，因表面粗化具有防粘性，膜卷不易粘结。 4)消光层的拉伸强度比通用的薄膜低。 二、CPP薄膜 CPP薄膜即流延聚丙烯薄膜，是一种无拉伸、非定向聚丙烯薄膜。按原料分为均聚CPP和共聚CPP，按作用分为通用CPP，镀铝(VMCPP），蒸煮CPP(RCPP)等。特性如下： 1)CPP薄膜透明度高、平整度高，但耐油性不是很好。
2)CPP薄膜耐温性好，但易变形，可具有热封性，不易反粘。 3)CPP薄膜手感好、遮光、具有一定挺刮度，不失柔韧性，热封性好。 4)CPP薄膜防湿防潮、阻氧性都很好。 5)CPP薄膜无毒、无味、无嗅、卫生性能好，密度在0.92g/cm2。 三、BOPET薄膜 双向拉伸聚酯薄膜（BOPET,简称聚酯）是PET树脂在模挤后再双向拉伸缩制得。特性如下： 1)突出的强韧性，抗拉强度非常高，拉伸强度时NY的3倍，抗冲击强度时BOPP 薄膜的3--5倍，有极好的耐磨性，耐折叠型，耐针孔性，抗撕裂性好，刚性好，挺性好，延展性好，印刷时易操作。 2)BOPET薄膜还具有良好的耐热性，耐煮性，耐低温冷冻，适用温度范围宽，尅在 -70℃～150℃之间长期使用。机械性能在低温和高温依然保持，适合大多数产品包装。 3)优良的阻氧阻水性能，不像NY受影响大，但是也不及聚乙烯和聚丙烯。透气系数 极小，对空气和气味的阻隔性极高，也是保香材料之一。 4)良好的耐油性和耐化学性，耐大多数溶剂，耐稀酸。 5)无色、无味、无嗅、卫生性能好 6)光学性好、透明度高、光泽性高、装饰性好 7)带静电高、印刷时需除静电 四、PE（聚乙烯薄膜） LDPE薄膜一般为LDPE吹塑膜，其基本特性： 1)LDPE薄膜密度较低，一般为0.915--0.925g/cm3，可浮于水上。 2)LDPE薄膜透明性好，有一定光泽。 3)LDPE薄膜机械强度较低，良好的柔软性延伸率高，表面硬度低。 4)LDPE薄膜耐低温，催化温度为70℃，低温有良好的冲击性。 5)LDPE薄膜吸水率低，防水防潮好，但透气性大，保香性差。 6)LDPE薄膜化学性良好，耐各种浓度的盐酸，50%以下的硫酸，40%以下的硝酸。 耐碱性好，60℃以下耐一般有机溶剂。
第一部分软包装材料之---塑料薄膜基本知识 一、软包装之薄膜的定义 在国家包装通用术语（GB4122—83）中，软包装的定义为：软包装是指在充填或取出内装物后，容器形状可发生变化的包装。用纸、铝箔、纤维、塑料薄膜以及它们的复合物所制成的各种袋、盒、套、包封等均为软包装。 一般将厚度在0.25mm以下的片状塑料称为薄膜。塑料薄膜透明、柔韧，具有良好的耐水性、防潮性和阻气性、机械强度较好，化学性质稳定，耐油脂，易于印刷精美图文，可以热封制袋。它能满足各种物品的包装要求，是用于包装易存、易放的方便食品，生活用品，超级市场的小包装商品的理想材料。以塑料薄膜为主的软包装印刷在包装印刷中占有重要地位。据统计，从1980年以来，世界上一些先进国家的塑料包装占整个包装印刷的32.5%～44%。 一般来说，因为单一薄膜材料对内装物的保护性不够理想，所以多采用将两种以上的薄膜复合为一层的复合薄膜，以满足食品保鲜、无菌包装技术的要求。复合薄膜的外层材料多选用不易划伤、磨毛，光学性能优良，印刷性能良好的材科，如：纸、玻璃纸、拉伸聚丙烯、聚酯等；中间层是阻隔性聚合物，如：铝箔、蒸镀铝、聚俯二氮乙烯电里层材料多选用无毒、无味的聚乙烯等热塑性树脂。 二、塑料阻透性技术介绍 1、塑料的阻透性？ 塑料制品（容器、薄膜）对小分子气体、液体、水蒸汽及气味的屏蔽能力。 2、透过系数？ 塑料阻透能力大小的指标。 定义： 一定厚度（1mm）的塑料制品，在一定的压力（1Mpa），一定的温度（23度），一定的湿度（65%）下，单位时间（1day=24小时），单位面积（1m2），通过小分子物质（O2、CO2、H2O）的体积或重量。表示为（cm3）、（g） 对于气体： 单位为cm3，mm/m2，d，mpa； 对于液体： 单位为 g，mm/m2，d，mpa； 3、常用中高阻透性塑料的透过系数
第25卷第5期硅 酸 盐 学 报V ol.25,N o.5 1997年10月JO U RN A L O F T HE CHIN ESE CERA M IC SO CIET Y O ct ober,1997 层状氮化硅陶瓷的性能与结构 郭 海 黄 勇 李建保 (清华大学材料科学与工程系) 摘 要 从结构设计的角度出发研究了层状复合Si3N4陶瓷材料。利用轧膜工艺使层内的晶粒、晶须产生定向增韧,通过调整外部层状复合结构得到材料的两级增韧效果,并实验制备了高韧性层状复合Si3N4基陶瓷材料。主层内加入一定量的SiC晶须,层状氮化硅陶瓷的断裂韧性可达到20.11M Pa?m1/2。 关键词 氮化硅,层状复合,晶须,定向 1 前 言 制备高韧性的陶瓷材料,克服陶瓷灾难性的破坏,常用增韧方法的增韧效果非常有限。为了提高增韧效果,降低增韧成本,新的增韧方法的探索是十分必要的。 近年来,国内外学者从生物界得到了启示。贝壳具有的层状结构可以产生较大的韧性这一特点给了我们一些启发,除了从组分设计上选择不同的材料体系以外,更重要的一点就是可以从材料的宏观结构角度来设计新型材料。目前国内外已有人从结构设计的角度出发,开始了层状复合陶瓷材料的探索性研究[1,2]。对于层状复合陶瓷材料来讲,如果把每层看成块体材料的结构单元,则关键的技术问题在于:(1)材料各结构单元的强度、韧性优化;(2)界面结合层的选择及与结构单元的匹配。层状结构单元基本上都是高强硬质的陶瓷材料如氮化硅、氧化铝等,通常是通过流延、干压等工艺方法制备的陶瓷薄片[3,4]。而界面结合层的选择则种类繁多,如石墨、延性金属等,它们对陶瓷薄片起到一定的分隔作用[5]。但总的来说,目前的研究结果并不令人满意,尚未达到单纯块体材料的性能水平。 针对层状复合陶瓷材料的两个关键问题,可以分别进行研究。首先是改善材料结构单元的性能,由于层状复合材料具有明显的各向异性,因此可以设计结构单元具有同样的各向异性性能,如引入可能导致各向性能差异的晶须、纤维、晶种等,并使之按指定方向分布,就有可能在特定方向上得到较高的性能[6],对晶须定向陶瓷材料的各方向的性能差异的研究证实了这一假设。其次是结构单元之间界面的选择,对层状复合陶瓷材料,界面的选择要同时考虑界面的高温性能、与陶瓷薄片的结合性能以及热匹配等多种因素,对不同的基片进行综合考虑,选择合适的界面组分及所占的比例。 1996年7月15日收到。 通讯联系人:郭 海,清华大学材料科学与工程系,北京 100084。 532
光学薄膜应用及实例 光学薄膜是利用薄膜对光的作用而工作的一种功能薄膜，光学薄膜在改变光强方面可以实现分光透射、分光反射、分光吸收以及光的减反、增反、分束、高通、低通、窄带滤波等功能。光学薄膜的种类有很多，这些薄膜赋予光学元件各种使用性能，在实现光学仪器的功能和影响光学仪器的质量方面起着重要的或者决定性的作用。 传统的光学薄膜是现代光学仪器和各种光学器件的重要组 成部分，通过在各种光学材料的表面镀制一层或多层薄膜，利用光的干涉效应来改变透射光或反射光的光强、偏振状态和相位变化。薄膜可以被镀制在光学玻璃、塑料、光纤、晶体等各种材料表面上。它的厚度可从几个nm 到几十、上百个μm。光学薄膜可以得到很好的牢固性、光学稳定性，成本又比较低，几乎不增加材料的体积和重量，因此是改变系统光学参数的首选方法，甚至可以说没有光学薄膜就没有现代的光学仪器和各种光学器件。在两百多年的发展过程中，光学薄膜形成了一套完整的光学理论—薄膜光学。光学薄膜已广泛应用于各种光学器件(如激光谐振腔、干涉滤波片、光学镜头等)，不仅如此它在光电领域中的重要作用亦逐渐为人们所认识。光学薄膜是TFT-LCD面板制造的关键材料，它们为液晶显示提供一个均匀，明亮且饱满的面光源系统。（光
行天下配图） 减反射膜 假定光线垂直入射在表面上，这时表面的反射光强度与入射光的强度比值(反射率)只决定于相邻介质的折射率的比值： 折射率为1.52 的冕牌玻璃每个表面的反射约为4.2%左右．折射率较高的火石玻璃则表面反射更为显著。这种表面反射造成了两个严重的后果：光能量损失使象的亮度降低；表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也到达象平面使象的衬度降低图象质量，特别是电视、电影摄影镜头等复杂系统都包含了很多个与空气相邻的表面，如不镀上增透膜其性能就会大大降低。应用于可见光谱区的光学仪器非常多，就其产量来说占据了减反射膜的绝大部分，几乎在所有的光学器件上都要进行减反处理。 单层减反膜是应用非常广泛的薄膜，也是最简单的膜系。考虑垂直入射的情况，即i = 0，并令 这时基片表面反射率完全被消除。在入射介质为空气的情况下，n0 =1，则在可见光区使用得最普遍的是折射率为1.52 左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率为1.23，但是至今能利用的薄膜的最低折射率是1.38( 氯化镁)。这虽然不很理想但也得到了相当的改进。当ns=1.52，nf=1.38，n0=1.0 时，由式(3)可得最低反射率为1.3%，即镀单层氟化镁后中心波 长的反射率从4.2%降至l.3%左右，整个可见光区平均反射
纳米材料的光学特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 1 纳米材料的分类和结构 根据不同的结构，纳米材料可分为四类，即：纳米结构晶体或三维纳米结构；二维纳米结构或纤维状纳米结构；一维纳米结构或层状纳米结构和零维原子簇或簇组装。纳米材料的分类如图表1所示。纳米材料包括晶体、赝晶体、无定性金属、陶瓷和化合物。 2 纳米材料的光学性质 纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别，突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面，界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。
纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上，如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收，纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象，非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。 半导体硅是一种间接带隙半导体材料，在通常情况下，发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时，其能带结构发生了变化，带边向高能态迁移，观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时，发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时，即可产生很强的可见光发射，并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同，这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段，综观研究情况，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则，量子限域效应，缺陷能级和杂质能级等方面。 纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。 纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前，主要采用Z-扫找（Z-SCAN）和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。
光学薄膜的研究进展和应用 【摘要】本文介绍了光学薄膜的工作原理，并对光学薄膜的传统光学领域的应用做了简要的概述。又简要说明现代光学薄膜典型应用，对光学薄膜的制备加以介绍，最后介绍了光学薄膜的发展前景。 【关键词】光学薄膜；薄膜应用；薄膜制造； 1.光学薄膜原理简述 所谓光学薄膜是指其厚度能够光的波长相比拟，其次要能对透过其上的光产生作用。具体在于其上下表面对光的反射与透射的作用。光学薄膜的定义是：涉及光在传播路径过程中，附著在光学器件表面的厚度薄而均匀的介质膜层，通过分层介质膜层时的反射、透（折）射和偏振等特性，以达到我们想要的在某一或是多个波段范围内的光的全部透过或光的全部反射或是光的偏振分离等各特殊 形态的光。 光学薄膜的特点是：表面光滑，膜层之间的界面呈几何分割；膜层的折射率在界面上可以发生跃变，但在膜层内是连续的；可以是透明介质，也可以是吸收介质；可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。实际应用的薄膜要比理想薄膜复杂得多。这是因为：制备时，薄膜的光学性质和物理性质偏离大块材料，其表面和界面是粗糙的，从而导致光束的漫散射；膜层之间的相互渗透形成扩散界面；由于膜层的生长、结构、应力等原因，形成了薄膜的各向异性；膜层具有复杂的时间效应。不同物质对光有不同的反射、吸收、透射性能，光学薄膜就是利用材料对光的这种性能，并根据实际需要制造的。 2.光学薄膜的传统应用 光学薄膜按应用分为反射膜、增透膜、滤光膜、光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜。减反射膜，是应用最广泛的光学薄膜，它可以减少光学表面的反射率而提高其透射率。对于单一波长，理论上的反射率可以降到零，透射率为100%；对于可见光谱段，反射率可以降低到0.5%，甚至更低，以保证一个由多个镜片组成的复杂系统有足够的透射率和极低的杂散光。现代光学装置没有一个是不经过减反射处理的。由于其具有极低的反射率和鲜艳的表面颜色，现代人们日常生活中的眼镜普遍都镀有减反射膜。 高反射膜，能将绝大多数入射光能量反射回去。当选用介质膜堆时，由于薄膜的损耗极低，随着膜层数的不断增加，其反射率可以不断地增加（趋近于100%）。这种高反射膜在激光器的制造和激光应用中都是必不可少的。 能量分光膜，可将入射光能量的一部分透射，另一部分反射分成两束光，最
氮化硅材料的性能、合成方法及进展 摘要：氮化硅作为一种新型无机材料，以其有良好的润滑性，耐磨性，抗氧化等特性受到广泛的关注和深入的研究。以下对氮化硅的材料的性能、合成方法、意义和进展作简单介绍。 关键词：无机材料；氮化硅；合成方法；性能；进展 1前言 由于科学技术的不断发展需要，科学家们一直在不停顿地寻找适用于苛刻条件下使用的理想的新材料。在层出不穷的大量新材料队伍中，氮化硅陶瓷可算是脱颖而出，十分引人注目，日益受到世界各国科学家们的重视。 2氮化硅的材料的性能\合成方法、意义和进展 2.1氮化硅的性能和应用 氮化硅（Si3N4）是氮和硅的化合物。在自然界里，氮、硅都是极其普通的元素。氮是生命的基础，硅是无机世界的主角，这两种元素在我们生活的世界上无所不在，然而，至今人们还未发现自然界里存在这两种元素的化合物。 氮化硅是在人工条件下合成的化合物。虽早在140多年前就直接合成了氮化硅，但当时仅仅作为一种稳定的“难熔”的氮化物留在人们的记忆中。二次大战后，科技的迅速发展，迫切需要耐高温、高硬度、高强度、抗腐蚀的材料。经过长期的努力，直至1955年氮化硅才被重视，七十年代中期才真正制得了高质量、低成本，有广泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。开发过程为何如此艰难，这是因为氮化硅粉体和氮化硅陶瓷制品之间的性能和功能相差甚远，没有一个严格而精细的对氮化硅粉体再加工过程，是得不到具有优异性能的氮化硅陶瓷制品的。没有氮化硅陶瓷就没有氮化硅如今的重要地位。 2.1.1优异的性能 氮化硅陶瓷的优异的性能对于现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值。比较突出的性能有： (1)机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性，耐磨。室温抗弯强度可以高达980MPa以上，能与合金钢相比，而且强度可以一直维持到1200℃不下降。 (2)热稳定性好，热膨胀系数小，有良好的导热性能，所以抗热震性很好，从室温到1000℃的热冲击不会开裂。 (3)化学性能稳定，几乎可耐一切无机酸（HF除外）和浓度在30％以下烧碱（NaOH）溶液的腐蚀，也能耐很多有机物质的侵蚀，对多种有色金属熔融体（特别是铝液）不润湿，能经受强烈的放射辐照。 (4)密度低，比重小，仅是钢的2/5，电绝缘性好。
光学薄膜技术及其应用 张三1409074201 摘要：介绍了传统光学薄膜的原理，根据薄膜干涉的基本原理及其特点，介绍了光学薄膜的性能、制备技术，研究了光学薄膜在的应用和今后的发展趋势。 关键词：光学薄膜、薄膜干涉、应用、薄膜制备 引言： 光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。 光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。 本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。 正文： 1.光学薄膜的原理 光学薄膜的直接理论基础是薄膜光学, 它是建立在光的干涉效应基础上的、论述光在分层介质中传播行为。一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。该理论可以比较准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚的薄膜中的传播行为,由此设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。 2.光学薄膜的性质及功能 光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。依靠反射功能, 它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位；依靠减反射功能，它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致, 完美地实现现代光学仪器和光学系统的设计功能；依靠它的光谱调控功能, 实现光学系统中的色度变换, 获得五彩缤纷的颜色世界。 不仅如此, 光学薄膜又是光学系统中的偏振调控、相位调控以及光电、光热和光声等功能调控元件, 光学薄膜的这些功能, 在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用, 促进了相关技术和学科的发展。 3.传统光学薄膜和新型光学薄膜 3.1传统光学薄膜 传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。光波是一种电磁波，根据其波长的不同可分成红外线、可见光和紫外线等，当光波投射到物体上时，有一部分在它表面上被反射，其余部分经折射进入到该物体中，其中有一部分被吸收变为热能，剩的部分透射。不同的物质对光有不同的反射、吸收、透射性能，光学薄膜就是利用材料对光的这种性能，并根据实际需要制造的。 传统光学薄膜就是利用材料的这种特性，对光线产生特异性行为。传统光学薄膜有反射膜、增透膜、滤光膜、纳米光学薄膜、偏振膜、分光膜、和位相膜等。 3.2新型光学薄膜 现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展，光学薄膜不仅用于纯光学器件，在光电器件、光通信器件上也得到广泛的应用。近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高，从而发展了一系列新型光学薄膜及其制备技术，并为解决光学薄膜产业化面临的问题提供了全面的解决方案，包括高强度激光器、金刚石及类金刚石膜、软Ｘ射线多层膜、太阳能选择性吸收膜和光通信用光学膜等。
纤维材料的热学、光学、电学性质 1 热学性质 2 光学性质 3电学性质 内容提要：常用热学指标；纤维的热力学性质、热定形及抗热破坏性质（耐热性、热稳定性、燃烧性、熔孔性、热收缩等）；纤维的色泽、双折射、耐光性、紫外荧光；纤维的电阻、静电。 重点难点：保暖性，热力学三态与热定形，热破坏温度，燃烧性；双折射、耐光性；电阻、静电序位及测试。难点在纤维这些性质的综合表现。 解决方法：理清概念的层次关系，结合实际产品的分析，建立概念体系和思维方法。 第一节热学性质 一、热学指标 （一）比热C 质量为一克的纺织材料，温度变化1℃所吸收或放出的热量。单位：焦尔/克·度。 纤维的比热值是随环境条件的变化而变化的，不是一个定值。同时，又是纤维材料、空气、水分的混合体的综合值。 比热值的大小，反映了材料释放、贮存热量的能力。或者温度的缓冲能力。 （二）导热系数λ 材料在一定的温度梯度场条件下，热能通过物质本身扩散的速度。单位：焦/米·度·时， 纤维本身的导热系数由于纤维结构的原因也呈现各向异性。 对于纤维集合体，也是纤维、空气、水分三者的综合值。导热系数与集合体的体积重量的关系呈对号规律（画图说明） （三）绝热率T 它反映的是材料的隔热能力——保暖性，此值越大，说明该材料越保暖。 二、热力学性质 热力学性质也叫热机械性质，是指在温度的变化过程中，纺织材料的机械性质亦随之变化的特性。用不同的温度点来表征力学特性。 绝大多数纤维材料的内部结构呈两相结构，即有结晶区与非结晶区，而这两个区域对热的反映是不一样的，对结晶区来说在热的作用过程中，它的热力学状态有两个：一个是在热的作用下，结晶体解体形成熔融态，要么结晶不被破坏的呈结晶态。对无定形区来讲，热力学状态大致有三个：玻动态、高弹态和粘流态，这些状态可用以下的热力学指标来表征和区分。 （一）熔点Tm 熔点是纤维的重要热性质之一，也是一个结构参数。我们知道低分子结晶体的熔化是一个相的转变过程，由结晶态（晶相）变成熔融态（液相），而且相的转变在很窄的温度范围内进行，所以叫熔点。对纤维材料，结晶是由高聚物形成的，它的熔化过程有一个较宽的温度区间——熔程，由于该熔程比较宽，通常把
氮化硅陶瓷讲解
氮化硅陶瓷及其制备成型工艺 氮化硅（Si 3N4）是氮和硅的化合物。在自然界里，氮、硅都是极其普通的元素。氮是生命的基础，硅是无机世界的主角，这两种元素在我们生活的世界上无所不在，然而，至今人们还未发现自然界里存在这两种元素的化合物。 氮化硅是在人工条件下合成的化合物。虽早在140多年前就直接合成了氮化硅，但当时仅仅作为一种稳定的“难熔”的氮化物留在人们的记忆中。二次大战后，科技的迅速发展，迫切需要耐高温、高硬度、高强度、抗腐蚀的材料。经过长期的努力，直至1955年氮化硅才被重视，七十年代中期才真正制得了高质量、低成本，有广泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。开发过程为何如此艰难，这是因为氮化硅粉体和氮化硅陶瓷制品之间的性能和功能相差甚远，没有一个严格而精细的对氮化硅粉体再加工过程，是得不到具有优异性能的氮化硅陶瓷制品的。没有氮化硅陶瓷就没有氮化硅如今的重要地位。 Si3N4是以共价键为主的化合物，键强大，键的方向性强，结构中缺陷的形成和迁移需要的能量大，即缺陷扩散系数低（缺点），难以烧结，其中共价键Si-N 成分为70 %，离子键为30 %，同时由于Si3N4本身结构不够致密，从而为提高性能需要添加少量氧化物烧结助剂，通过液相烧结使其致密化。 Si3N4含有两种晶型，一种为α-Si3N4，针状结晶体，呈白色或灰白色，另一种为β-Si3N4，颜色较深，呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。两者均为六方晶系，都是以[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络。 在高温状态下，β相在热力学上更稳定，因此α相会发生相变，转为β相。从而高α相含量Si3N4粉烧结时可得到细晶、长柱状β-Si3N4晶粒，提高材料的断裂韧性。但陶瓷烧结时必须控制颗粒的异常生长，使得气孔、裂纹、位错缺陷出现，成为材料的断裂源。 在工业性能上，Si3N4陶瓷材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能稳定，能经受强烈的辐射照射等等。 晶体的常见参数如下图所示：
光学薄膜的应用与实例 【摘要】光学薄膜是利用薄膜对光的作用而工作的一种功能薄膜，光学薄膜在改变光强方面可以实现分光透射、分光反射、分光吸收以及光的减反、增反、分束、高通、低通、窄带滤波等功能。光学薄膜的种类有很多，这些薄膜赋予光学元件各种使用性能，在实现光学仪器的功能和影响光学仪器的质量方面起着重要的或者决定性的作用。 【关键词】光学薄膜；应用 传统的光学薄膜是现代光学仪器和各种光学器件的重要组成部分，通过在各种光学材料的表面镀制一层或多层薄膜，利用光的干涉效应来改变透射光或反射光的光强、偏振状态和相位变化[1]。薄膜可以被镀制在光学玻璃、塑料、光纤、晶体等各种材料表面上。它的厚度可从几个nm到几十、上百个μm。光学薄膜可以得到很好的牢固性、光学稳定性，成本又比较低，几乎不增加材料的体积和重量，因此是改变系统光学参数的首选方法，甚至可以说没有光学薄膜就没有现代的光学仪器和各种光学器件。在两百多年的发展过程中，光学薄膜形成了一套完整的光学理论—薄膜光学。光学薄膜已广泛应用于各种光学器件（如激光谐振腔、干涉滤波片、光学镜头等），不仅如此它在光电领域中的重要作用亦逐渐为人们所认识。 1. 减反射膜 假定光线垂直入射在表面上，这时表面的反射光强度与入射光的强度比值（反射率）只决定于相邻介质的折射率的比值[1]： （1-1） 折射率为1.52的冕牌玻璃每个表面的反射约为4.2%左右.折射率较高的火石玻璃则表面反射更为显著。这种表面反射造成了两个严重的后果：光能量损失使象的亮度降低；表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也到达象平面使象的衬度降低图象质量，特别是电视、电影摄影镜头等复杂系统都包含了很多个与空气相邻的表面，如不镀上增透膜其性能就会大大降低。 应用于可见光谱区的光学仪器非常多，就其产量来说占据了减反射膜的绝大部分，几乎在所有的光学器件上都要进行减反处理。 单层减反膜是应用非常广泛的薄膜，也是最简单的膜系。考虑垂直入射的情况，即，并令 （1-2） 则（若则不计半波损失），即相位差是180°。
纺织物理第五章纤维的光学性质
第五章纤维的光学性质 纤维的光学性质是指纤维对光的吸收、反射、折射和透射的性质，以及光在纤维中的传递性质。纤维在光照下会呈色发光，纤维对不同振动方向的光会产生不同的折射效果，纤维受光以后会老化降解，这些都是纤维的光学性质。 纤维的光学性质直接取决于纤维的结构，纤维的分子结构能很好地将光线的光电场能转化成纤维分子或电子云的振动能，将使纤维的耐光老化性提高。纤维聚集态结构的不同将引起纤维反光、折光性质的变化，尤其是取向的分子排列将使纤维的光学各向异性特征明显，应该说纤维的光学各向异性是纤维结构的各向异性的最明显的表征，也是用的最多最为方便的传统测量方法。 本章将重点介绍纤维的折射特征、双折射性质与测量、纤维的光老化及发光现象，以及纤维的红外光谱及性质。通常光学性质的讨论范围为紫外光（２００～４００nm）、可见光（４００～７００nm）和红外光（０．７～２０um）。光的波长不同，能量不同。可见光的波长不同其颜色不同，结果见表５－１。
表5—1 各种颜色的波长及波长范围 颜色标准 波长波长范围 红700 620~7 80 橙610 595~6 20 黄580 575~5 95 绿510 480~5 75 蓝470 450~4 80 紫420 380~4 50 第一节纤维的反射与折射的性质 一、光与纤维 当光线照射在纤维上，在纤维与空气或与其他介质的界面处将发生反射与折射现象。
该界面在纤维体内存在时，情况也一样。其光路与纤维的相互关系如图５－１所示。 （5.1） 为光线在空气中或真空中的传播速式中，v 1 度；v 为光线在纤维中的传播速度。 2 二、纤维的折射率 纤维是一个轴对称的各向异性体，其折射率在上是不同的。折射率大小的矢量在纤维中是一个空间椭球分布，如图５－２所示。可以看出，沿纤维轴向（Z轴）的折射率较大，为椭球的长度。在纤维经向平面中的折射率为中心对称、值相等且较少。 图5—2 纤维的折射率分布 设：纤维中的直角坐标系的z轴为纤维轴方 向，则 n、y n、z n分别表示纤维中沿x、y、z轴的 x
氮化硅性能原理 （1）、作为人工合成材料之一的氮化硅陶瓷材料，具有高比强、高比模、耐高温、抗氧化和耐磨损以及抗热震等优良的综合性能，广泛应用于机械、化工、海洋工程、航空航天等重要领域。对多晶材料而言，晶界状态是决定其电性能、热性能和力学等性能的一个极其重要的因素。对于氮化硅陶瓷来说，晶界强度是决定其能否作为高温工程材料应用的关键（2）、由于氮化硅分子的si—N键中共价键成分为70％，离子键成分为30％t引，因而是高共价性化合物，而且氮原子和硅原子的自扩散系数很小，致密化所必需的体积扩散及晶界扩散速度、烧结驱动力很小，只有当烧结温度接近氮化硅分散温度(大于1850℃)时，原子迁移才有足够的速度。这决定了纯氮化硅不能靠常规固相烧结达到致密化，所以除用硅粉直接氮化的反应烧结外，其它方法都需采用烧结助剂，利用液相烧结原理进行致密化烧结（3）、因此，研究烧结助剂对氮化硅陶瓷致密化烧结的影响显得尤为重要。氮化硅陶瓷作为新型的结构材料，受到越来越广泛的重视。 氮化硅工程陶瓷-家电领域 一、材料特性 抗弯强度kg/cm2 1700－2000 1600－1900 2100－2700 2200－2880 抗压kg/cm2 6500－9500 6000－8700 11000－14000 11000－15000 硬度HRA 78－82 76－80 83－85 85－87 热膨胀系数 （1/℃） （20～800℃） 2.3－2.9 x 10-6 2.3－2.9 x 10-6 2.3－2.9 x 10-6 2.3－2.9 x 10-6 摩擦系数 0.1 0.1 0.1 0.1 抗金属熔体浸蚀铝、锌、锡、铅等 适用范围： 适用于机械、化学与耐火材料、军事工业。 已适用情况： 可作为机械密封用的密封件、耐腐蚀泵体、熔融铝液中的热电偶保护管，适用效果良好。 二、企业接产条件 所有的原材料和设备全部国产化，生产线、建筑面积、劳动定员、水、电等随生产规模而定。 三、经济效益分析 该产品是一种新型的高温结构陶瓷材料，特别是注浆成型工艺的关键技术，填补了国内空白，另外，该材料为陶瓷发动机的首选材料，具有一定的社会效益。 前言
摘要氮化硅瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构瓷，它具有强度高、抗 热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被广泛应用于各行各业。本文介绍了氮化硅瓷的基本性质，综述了氮化硅瓷的制备工艺和国外现代制造业中的应用，并展望了氮化硅瓷的发展前景。
Abtract：Silicon nitride ceramic is a broad development prospects of high temperature, high strength structural ceramics, it has high strength, thermal shock stability, high temperature fatigue toughness, high bending strength, wear resistance, oxidation resistance, corrosion resistance and good performance of high performance, has been widely used in all walks of life. This paper introduces the basic properties of silicon nitride ceramics, reviews the fabricating technique of silicon nitride ceramics at home and abroad and modern manufacturing industry in the application, and looks forward to the development prospect of silicon nitride ceramics.
第一部分软包装材料之-－－塑料薄膜基本知识 一、软包装之薄膜的定义 在国家包装通用术语（GB412２—83)中，软包装的定义为:软包装是指在充填或取出内装物后，容器形状可发生变化的包装。用纸、铝箔、纤维、塑料薄膜以及它们的复合物所制成的各种袋、盒、套、包封等均为软包装。 一般将厚度在０.25mm以下的片状塑料称为薄膜。塑料薄膜透明、柔韧,具有良好的耐水性、防潮性和阻气性、机械强度较好，化学性质稳定，耐油脂,易于印刷精美图文,可以热封制袋。它能满足各种物品的包装要求,是用于包装易存、易放的方便食品，生活用品，超级市场的小包装商品的理想材料。以塑料薄膜为主的软包装印刷在包装印刷中占有重要地位。据统计,从1980年以来,世界上一些先进国家的塑料包装占整个包装印刷的３２.5%~44%。?一般来说,因为单一薄膜材料对内装物的保护性不够理想，所以多采用将两种以上的薄膜复合为一层的复合薄膜,以满足食品保鲜、无菌包装技术的要求。复合薄膜的外层材料多选用不易划伤、磨毛,光学性能优良,印刷性能良好的材科,如：纸、玻璃纸、拉伸聚丙烯、聚酯等；中间层是阻隔性聚合物，如:铝箔、蒸镀铝、聚俯二氮乙烯电里层材料多选用无毒、无味的聚乙烯等热塑性树脂。 二、塑料阻透性技术介绍 1、塑料的阻透性? 塑料制品（容器、薄膜）对小分子气体、液体、水蒸汽及气味的屏蔽能力。 2、透过系数？ 塑料阻透能力大小的指标。 定义： 一定厚度（１mm)的塑料制品，在一定的压力（1Mpa），一定的温度（23度)，一定的湿度（6５%）下,单位时间（1day＝２４小时)，单位面积(1m2)，通过小分子物质（Ｏ2、CO2、Ｈ2O)的体积或重量。表示为（ｃｍ３)、(g) 对于气体： 单位为cm３,mm/ｍ2,d，mｐa； 对于液体: 单位为ｇ，ｍm/ｍ2,d，mpa; 3、常用中高阻透性塑料的透过系数
氮化硅 氮化硅，分子式为Si3N4,是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损；除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应(反应方程式：Si3N4+4HF+9H2O=====3H2SiO3(沉淀)+4NH4F），抗腐蚀能力强，高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1 000 ℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。我国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机。 【氮化硅的应用】 氮化硅用做高级耐火材料，如与sic结合作SI3N4-SIC耐火材料用于高炉炉身等部位； 如与BN结合作SI3N4-BN材料，用于水平连铸分离环。SI3N4-BN系水平连铸分离环是一种细结构陶瓷材料，结构均匀，具有高的机械强度。耐热冲击性好，又不会被钢液湿润，符合连珠的工艺要求。见下表 性能AL2O 3 ZrO 2 熔融石英 （SiO2） ZrO2 -MO金 属陶瓷 反应结合 Si3N4 热压 Si3N4 热压 BN 反应结合 SiN4-BN 抗热震性差差好好中好好好 抗热应力差差好好中好好好 尺寸加工精度与易 加工性能 差差好差好差好好 耐磨性好好中好好好好好 耐侵蚀性好好差好好好好 相对分子质量140.28。灰色、白色或灰白色。六方晶系。晶体呈六面体。密度3.44。 硬度9~9.5，努氏硬度约为2200，显微硬度为32630MPa。熔点1900℃（加压下）。通常在常压下1900℃分解。比热容为0.71J/(g·K)。生成热为-751.57kJ/mol。热导率为 16.7W/(m·K)。线膨胀系数为2.75×10-6/℃(20~1000℃)。不溶于水。溶于氢氟酸。在空 气中开始氧化的温度1300~1400℃。比体积电阻，20℃时为1.4×105 ·m,500℃时为4×108 ·m。弹性模量为28420~46060MPa。耐压强度为490MPa（反应烧结的）。1285摄式度时与二氮化二钙反应生成二氮硅化钙，600度时使过渡金属还原，放出氮氧化物。 抗弯强度为147MPa。可由硅粉在氮气中加热或卤化硅与氨反应而制得。可用作高温陶瓷原料。 氮化硅陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性
氮化硅结构与性能的相关性 随着工业与科技的发展，对优良的工艺性能材料有着越来越高的要求。Si3N4是一种新型的高温结构陶瓷材料，具有优良的化学性能，兼有抗热震性好，高温蠕变小，对多种有色金属融体不润湿，硬度高，具有自润滑性，已广泛应用到切削刀具、冶金、航空、化工等行业之中。 Si3N4是以共价键为主的化合物，键强大，键的方向性强，结构中缺陷的形成和迁移需要的能量大，即缺陷扩散系数低（缺点），难以烧结，其中共价键Si-N成分为70 %，离子键为30 %，同时由于Si3N4本身结构不够致密，从而为提高性能需要添加少量氧化物烧结助剂，通过液相烧结使其致密化。 Si3N4含有两种晶型，一种为α-Si3N4，针状结晶体，呈白色或灰白色，另一种为β-Si3N4，颜色较深，呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。两者均为六方晶系，都是以[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络。 在高温状态下，β相在热力学上更稳定，因此α相会发生相变，转为β相。从而高α相含量Si3N4粉烧结时可得到细晶、长柱状β-Si3N4晶粒，提高材料的断裂韧性。但陶瓷烧结时必须控制颗粒的异常生长，使得气孔、裂纹、位错缺陷出现，成为材料的断裂源。 在工业性能上，Si3N4陶瓷材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能稳定，能经受强烈
的辐射照射等等。 晶体的常见参数如下图所示： Si3N4分子中Si原子和周围4个N 原子以共价键结合，形成[Si-N4]四面体结构单元，所有四面体共享顶角构成三维空间网，形成Si3N4，有两种相结构，α相和β相如下图所示： α相结构
氮化硅陶瓷及其制备成型工艺 氮化硅（Si3N4）是氮和硅的化合物。在自然界里，氮、硅都是极其普通的元素。氮是生命的基础，硅是无机世界的主角，这两种元素在我们生活的世界上无所不在，然而，至今人们还未发现自然界里存在这两种元素的化合物。 氮化硅是在人工条件下合成的化合物。虽早在140多年前就直接合成了氮化硅，但当时仅仅作为一种稳定的“难熔”的氮化物留在人们的记忆中。二次大战后，科技的迅速发展，迫切需要耐高温、高硬度、高强度、抗腐蚀的材料。经过长期的努力，直至1955年氮化硅才被重视，七十年代中期才真正制得了高质量、低成本，有广泛重要用途的氮化硅陶瓷制品。开发过程为何如此艰难，这是因为氮化硅粉体和氮化硅陶瓷制品之间的性能和功能相差甚远，没有一个严格而精细的对氮化硅粉体再加工过程，是得不到具有优异性能的氮化硅陶瓷制品的。没有氮化硅陶瓷就没有氮化硅如今的重要地位。 Si3N4是以共价键为主的化合物，键强大，键的方向性强，结构中缺陷的形成和迁移需要的能量大，即缺陷扩散系数低（缺点），难以烧结，其中共价键Si-N成分为70 %，离子键为30 %，同时由于Si3N4本身结构不够致密，从而为提高性能需要添加少量氧化物烧结助剂，通过液相烧结使其致密化。 Si3N4含有两种晶型，一种为α-Si3N4，针状结晶体，呈白色或灰白色，另一种为β-Si3N4，颜色较深，呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。两者均为六方晶系，都是以[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络。 在高温状态下，β相在热力学上更稳定，因此α相会发生相变，转为β相。从而高α相含量Si3N4粉烧结时可得到细晶、长柱状β-Si3N4晶粒，提高材料的断裂韧性。但陶瓷烧结时必须控制颗粒的异常生长，使得气孔、裂纹、位错缺陷出现，成为材料的断裂源。 在工业性能上，Si3N4陶瓷材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能稳定，能经受强烈的辐射照射等等。 晶体的常见参数如下图所示：