第二章膜材料与膜制备

高分子膜材料及其制备一、高分子膜材料的种类：1.聚合物膜：聚合物膜是指以聚合物为基础的薄膜材料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚氟乙烯（PTFE）等。

2.复合膜：复合膜是指由两种或多种材料通过复合工艺制备而成的薄膜材料，如聚乙烯醇（PVA）/聚乙烯（PE）复合膜、聚六氟乙烯（PVDF）/介孔石墨烯复合膜等。

3.功能膜：功能膜是指在高分子膜材料中添加特殊功能性材料，赋予其特殊的性能，如阻隔性膜、导电膜、光学膜等。

二、高分子膜材料的制备方法：1.拉伸法：将高分子材料加热至熔融状态后快速拉伸，形成薄膜状。

2.压制法：将高分子材料加热至熔融状态后压制，形成薄膜状。

3.溶液法：将高分子材料加入溶剂中，形成均匀的溶液后通过蒸发或者凝胶法制备薄膜。

4.浇铸法：在高分子材料融熔状态下，将其注入模具中，通过冷却固化成薄膜状。

5.混摩法：将高分子材料与其他相容的材料进行混摩，再经过热压或拉伸等工艺制备薄膜。

三、高分子膜材料的应用：1.包装领域：高分子膜材料具有良好的柔韧性和阻隔性能，被广泛应用于食品包装、医药包装等领域。

2.过滤领域：高分子膜材料具有良好的过滤性能，可用于水处理、液态分离等领域。

3.分离领域：高分子膜材料具有良好的选择性和分离性能，可用于气体分离、膜生物反应器等领域。

4.传感器领域：高分子膜材料具有灵敏度高、响应速度快等优点，可用于压力传感器、湿度传感器等领域。

5.电子器件领域：高分子膜材料具有柔性、可塑性等特点，可用于柔性显示器、柔性电池等领域。

总之，高分子膜材料由于其特殊的性能和制备方法，已经在各个领域得到广泛应用，并且随着科技不断发展，高分子膜材料将会在更多领域展现出巨大的潜力。

《薄膜科学与技术》教学大纲一、课程简介课程名称：薄膜科学与技术 Science and Technology of Thin Films课程类型：专业课（选修）学时：48学分：3开课学期：7开课对象：材料物理专业先修课程：固体物理导论；材料分析测试技术参考教材：1．郑伟涛《薄膜材料与薄膜技术》化学工业出版社2．田民波《薄膜技术与薄膜材料》清华大学出版社3．杨邦朝《薄膜物理与技术》电子科技大学出版社4．唐伟忠《薄膜材料制备原理，技术及应用》冶金工业出版社二、课程性质、目的与任务《薄膜科学与技术》是“材料物理”专业本科生拓展知识面的选修课程，它也适合材料类其它专业学生选修。

学生在已具备一定的固体物理导论、材料分析测试技术等知识的基础上，通过本课程了解薄膜的基本概念、特殊性和重要性；掌握薄膜材料的制备方法、形成过程、表征方法、性质及应用。

薄膜是材料的一种特殊形态。

薄膜科学是现代材料科学中极其重要和发展最为迅速的一个分支，已成为微电子学、光电子学、磁电子学等新兴交义学科的材料基础，成为了构筑高新技术产业的基本要素。

通过对薄膜科学与技术课程的学习，并通过相关资料查询、阅读、专题报告及综合分析与讨论，逐渐使学生掌握薄膜基本概念、特殊性、制备方法、生长理论和研究方法，为今后从事薄膜材料及相关材料领域的研究和工作打下良好的基础。

三、教学基本要求1. 了解和掌握薄膜的定义、分类、特殊性和重要性。

2. 掌握与薄膜制备和研究相关的真空基础知识。

3. 掌握薄膜材料的制备方法及原理。

4. 掌握薄膜的成核和生长理论；5. 掌握薄膜的厚度、结构、成份、原子化学键合、应力、附着力的表征分析方法。

6. 了解薄膜材料的性质及应用。

本课程介绍薄膜的基础知识和研究进展。

重点要求掌握薄膜材料的制备方法及表征技术。

课程较全面地介绍了薄膜材料的各种制备方法、生长过程和表征方法，具有较好的广度和深度。

使学生基本具备相关资料综合分析和整理能力。

第二章 薄膜制备的化学方法薄膜制备的化学方法需要一定的化学反应，这种化学反应可以由热效应引起或者由离子的电致分离引起。

在化学气相沉积和热生长过程中，化学反应是靠热效应来实现，而在电镀和阳极氧化沉积过程中则是靠离子的电致分离实现的。

与物理气相沉积相比，尽管化学方法中的沉积过程较为复杂，也较为困难，但是薄膜沉积所使用的设备一般比较简单，价格也较为便宜。

第一节 热氧化生长在充气条件下，大量的氧化物、氮化物和碳化物薄膜可以通过加热基片的方式获得。

如：室温下Al 基片上形成氧化铝膜。

图2-1 氧化铝薄膜热生长热生长制备薄膜虽然不是一种常见技术，但是热生长在金属、半导体氧化物的研究比较广泛，特别是在电子器件的氧化物层的钝化作用。

1-热电偶 2-窄玻璃管 3-加热线圈 4-玻璃管 5-样品 6-出气口 8-进气口图2-2 在空气和超热水蒸气下，薄Bi 膜氧化实验装置AirAlAl 2O 3第二节化学气相沉积一、一般化学气相沉积反应化学气相沉积过程主要有三个过程：在主气流区域，反应物从反应器入口到分解区域的质量输运；气相反应产生新的反应物（前驱体）和副产物；初始反应的反应物和生成物输运到衬底表面，这些组分在衬底表面的吸附；衬底表面的异相催化反应，形成薄膜；表面反应产生的挥发性副产物的脱附；副产物通过对流或扩散离开反应区域直至被排出。

图2-3 CVD技术沉积薄膜中的气体输运和反应过程在薄膜沉积过程中可控制的变量有气体流量、气体组分、沉积温度、气压、真空几何构型。

图2-4CVD技术沉积薄膜中的可控变量分类：CVD技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反应器壁的温度和沉积反应的激活方式进行分类。

（1）按沉积温度：高温CVD>500℃ 广泛用来沉积Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体低温CVD<500℃主要用于基片或衬底不宜在高温下进行沉积的某些场合，如沉积平面硅和MOS 集成电路的钝化膜。

（2）按反应器内的压力 常压CVD(NPCVD)~1atm; 低压CVD(LPCVD)10~100PaLPCVD 具有沉积薄膜均匀性好，台阶覆盖及一致性较好、针孔较小、膜结构完整性优良、反应气体利用率高等优点，不仅用于制备硅外延层，还广泛用于制备各种无定形钝化膜如SiO 2和Si 3N 4以及多晶硅薄膜。

第一章绪论1.1膜科学与技术的发展和现状1.1.1引言膜广泛存在于自然界中。

在生物体内,膜是恒久的、一切生命活动的基础。

在生活和生产实践中,人们也早己不自觉地接触和应用了膜过程,我国汉代的《淮南子》已有制豆腐的记叙,这可以说是人类利用天然物制得食用“人工薄膜”的最早记载。

但是,人类对膜的真正认识和研究却较晚,1784年法国学者阿贝.诺伦特(AbbeNollet)发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胧内,首次发现并证实了膜的渗透现象:近200年后,杜布福特(Duburnfaut)1963年制成了第一个膜渗析器,从此开创了膜分离技术的新纪元。

1997年世界分离膜制品市场超过40亿美元,其中美国约为11亿美元,欧9.7亿美元,日本超过10亿美元。

表1.1是世界各地区膜市场的构成情况:表1-1膜类型美国欧洲日本微滤 34% 31.8% 32%超滤 17% 9.8% 5.7%透析 17% 40.6% 39.6%反渗透 16.3% 7.3% 6.6%其他 15.7% 10.5% 16.1%由表1-1中可以看出,微滤、超滤、反渗透及透析膜仍居膜市场的主要地位, 但近年来纳滤、气体分离及渗透汽化等种类的膜的应用也在不断扩展。

膜分离技术除了目前已普遍应用于化工、电子、纺织、轻工、冶金、石油食品、医药等领域外,还将在节能技术、环保技术、清洁生产等领域发挥重要作用。

我国水资源十分紧张,水污染严重,随着对环境要求的不断提高,膜分离技术在工业废水处理方面将具有重大意义。

1.1.2膜的定义和分类目前,膜还没有一个精确、完整的定义。

一种最通用的“膜”的广义定义“两相之间的一个不连续区间,具有选择透过性”以,。

由于膜的种类和功能繁多,分类方法有多种:按形态膜可分为气相态、液相态、固相态或它们的组合:按膜内结构膜可分为均质或非均质膜、对称或非对称膜:按电性可以分为中性膜或荷电性膜。

图1-1是一种按膜的来源、形态和结构分类的示意图:图1-1根据物态,膜可分为固膜、液膜与气膜三大类,目前大规模工业应用的多为固态膜,液膜己有中试规模的工业应用(主要用于废水处理),气膜尚处于实验研究中。

《膜科学与技术》思考题《膜科学与技术》思考题第⼀章导论1．什么是膜分离过程，⽤图加以解释。

答：膜分离过程以选择透过性膜（固体、液体、⽓体）为分离介质，当膜两侧存在某种推动⼒时，原料侧的组分选则性地透过膜以达到分离和提纯的⽬的。

2．膜分离过程的特点是什么？与传统分离过程相⽐最明显的优势在哪⾥？答：1. 是⼀个⾼效的分离过程。

分离系数⾼达80。

2. 能耗低。

被分离物质不发⽣相变化，分离过程通常在常温下进⾏。

3. 设备简单，占地⾯积⼩，操作⼗分便捷，可靠度⾼。

4 放⼤效应⼩。

设备的规模和处理能⼒可在很⼤程度上变化，⽽效率、设备的单价和运⾏费⽤变化不⼤。

3．膜分离技术主要的分离过程有哪些？这些过程所分离的对象是属于哪种状态的物质？答：反渗透Reverse Osmosis (RO) : 分离离⼦例如：海⽔脱盐、纯⽔制备超滤Ultra filtration (UF) ：分离分⼦例如：果汁的澄清、含油废⽔处理微滤Micro filtration (MF) ：分离粒⼦例如：城市污⽔处理⽓体分离Gas Permeation (GP) ：分离⽓体分⼦例如：富集氧⽓、氢⽓回收4．画出膜组件的⽰意图，标出各物流名称。

5．膜组件有哪⼏种形式？中空纤维膜组件(Hollow Fiber Module螺旋卷式膜组件(Spiral Wound Module)管式膜组件(Tubular Module平板式膜组件(Plate and Frame Module)⽑细管式膜组件(Capillary Module)6．60年代，Souriajan –Lone 研制的是什么膜？60年代,Lobe 和Souriajan 共同研制了具有⾼脱盐率和⾼透⽔量的⾮对称醋酸纤维素(CA)膜,使反渗透过程由实验室转向⼯业应⽤.与此同时,这种⽤相转化技术制备的具有超薄分离⽪层膜的新⼯艺引起了学术和⼯业界的⼴泛重视,在它的推动下,随后迅速掀起了⼀个研究各种分离膜和发展各种膜过程的⾼潮.7．R O、UF、GS分别代表哪些膜过程？RO—表⽰反渗透过程UF—表⽰超滤GS—表⽰⽓体分离过程第⼆章膜材料和膜的制备1．选择膜材料要考虑哪些⽅⾯的因素？答：具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、耐微⽣物性、耐氧化性。

课程设计实验课程名称电子功能材料制备技术实验项目名称薄膜材料及薄膜技术专业班级学生姓名学号指导教师薄膜材料及薄膜技术薄膜技术发展至今已有200年的历史。

在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。

经过一代代探索者的艰辛研究，时至今日大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位，各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。

其中包括纳米薄膜、量子线、量子点等低维材料，高K值和低K值介质薄膜材料，大规模集成电路用Cu布线材料，巨磁电阻、厐磁电阻等磁致电阻薄膜材料，大禁带宽度的“硬电子学”半导体薄膜材料，发蓝光的光电半导体材料，高透明性低电阻率的透明导电材料，以金刚石薄膜为代表的各类超硬薄膜材料等。

这些新型薄膜材料的出现，为探索材料在纳米尺度内的新现象、新规律，开发材料的新特性、新功能，提高超大规模集成电路的集成度，提高信息存储记录密度，扩大半导体材料的应用范围，提高电子元器件的可靠性，提高材料的耐磨抗蚀性等，提供了物质基础。

以至于将薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要发展方向之一。

一、薄膜材料的发展在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。

自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。

生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。

生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。

细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。

膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。

细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。

细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。

二、薄膜材料的分类目前，对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方面发展，其基础研究也在向分子层次、原子层次、纳米尺度、介观结构等方向深入，新型薄膜材料的应用范围正在不断扩大。