纳米陶瓷薄膜材料及应用

（1.江苏技术师范学院机械工程学院，江苏常州213000；2.南京工业大学化工学院，江苏南京210000）

摘 要概述了纳米陶瓷薄膜的特性。阐述了纳米陶瓷薄膜的沉积方法，针对不同的制备方法分析了其优缺点。介绍了不同种类的纳米陶瓷薄膜，认为纳米薄膜材料在工程领域具有广阔的应用前景。

关键词纳米陶瓷薄膜；纳米薄膜沉积；前景应用

中图分类号TB文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)092-0198-01

纳米陶瓷材料不仅比普通工程陶瓷材料具有更高的硬度，而且拥有其不具备的韧性，克服了陶瓷材料脆性大的缺点。拥有良好塑性的纳米陶瓷材料可以进行挤压和扎制。由于对纳米陶瓷材料寄以厚望，十多年来，全世界范围内的陶瓷研究者们在纳米陶瓷的制造工艺技术上投入了大量的精力，虽然在技术上取得了巨大的研究成果，但是要大量生产纳米陶瓷材料 ，在目前的工艺方法上是非常困难的。

1陶瓷纳米薄膜沉积与应用

1.1陶瓷纳米薄膜

薄膜材料是材料在三维空间中厚度尺寸远小于长度和宽度尺寸的材料。一般认为厚度在1μm以下的薄膜。薄膜材料可以无支撑机体自由存在，也可以附着在基体表面，一般称为涂层。

陶瓷纳米薄膜定义为：由粒子尺寸在1nm~100nm范围之内的陶瓷纳米颗粒作为基本单元组成的陶瓷薄膜。其厚度非常接近电子自由程和德拜长度。纳米陶瓷薄膜作为纳米晶体颗粒的聚集体，其主要特性由所含的纳米晶体颗粒决定，所以纳米晶体单元的特殊性质，如纳米颗粒的尺寸效应和量子尺寸效应也会在纳米陶瓷薄膜中有所体现。其特殊性质

如下：

1）存在和薄膜涂层基体之间的界面效应，如：热膨胀系数匹配与否，粘接性能，晶体组织取向关系，晶格常数匹配等。

2）大量存在于薄膜中的缺陷与晶界，高晶界/晶粒体积比。

3）薄膜厚度方向的特异性，即纳米陶瓷薄膜结构和性质的各向异性特性。

1.2纳米薄膜的沉积

制备陶瓷纳米薄膜的方法主要分为两大方面：物理法和化学法。前者包括：蒸发-凝结，溅射等；后者包括化学气相沉积和化学溶液法。而在实际制备过程中，由于陶瓷材料所具有的耐火性等特殊特性，物理法和化学法会交互使用。

1.2.1物理气相沉积

1）溅射法。溅射法利用由辉光放电产生的粒子轰击靶材，使原子从靶材材料表面射出，从而沉积到基片或者工作层表面而形成涂层。等离子溅射是一种离子辅助沉积方法，包括射频溅射和直流溅射，分别在产生溅射气体的电场两极直流或射频电压。在直流溅射法中，需在导电靶上施加负电压。由于存在溅射原子过量的散射，需要使用较低的溅射气压，而这会减少溅射原子的离子化程度。因此，为了增加等离子体密度并同时保证低气压，需要在靶材附近添加一个磁场，即所谓的磁控溅射，从而得到高密度的等离子体，并限制二次电子使其不致轰击到涂层表面造成过热现象。在射频溅射过程中，电子和溅射离子迁移速度的不同会在靶材表面造成负电压。射频溅射应用广泛，可以用在绝缘材料和半导体的涂层；也可以单独利用溅射离子源溅射到中性靶材原子，沉积到工件表面，该方法可以更好的控制涂层成分。

涂层成分一般和靶材成分相近；采用活性工作气体可以制备出不同于靶材成分的陶瓷涂层。溅射原子或者分子的动能约为1eV~10eV,离子含量小于10%。

2）蒸发-凝结沉积。这种制备方法通过加热蒸发沉积材料，然后降低温度在沉积基体表面凝结形成陶瓷纳米薄膜。加热的方式包括：电阻加热，激光加热和电子束加热。激光和电子束加热由于能量集中，容易使陶瓷材料形成气体分子或分子团。在沉积过程中，气压控制蒸发速率。因为材料的蒸汽压PV受温度控制：

PV=kexp（-ΔHV/RT）

ΔHV为挥发潜热；T为温度。

沉积室内气压越低，所需蒸发温度就越低。加热金属材料，然后在氧化性或N2/NH3等气体中通过反应沉积制备陶瓷纳米薄膜是个比较好的方法。因为金属材料的蒸汽压远高于陶瓷材料。挥发出的分子团运动到沉积表面后，将会成核和生长形成薄膜。一般而言，可持续沉积需要在压力为13.3Pa下进行。采用电子束或者激光加热还可避免沉积材料和加热设备的基础，从而避免杂质引入涂层中。

1.2.2化学气相沉积（CVD）

CVD是由反应气体在加热过的工件表面上或附近通过化学方法沉积薄膜和涂层的一种方法。这种方式能获得高纯度的材料。经过改进的新型CVD还能在较低温度下制备在分子原子纳米层次上的具有独特结构的单层，多层，复合涂层以及纳米结构和功能梯度的涂层材料。与物理气相沉积方法相比较，CVD能在情况复杂的工件表面沉积涂层，加工纳米装置，C-C复合材料和陶瓷复合材料等，而且设备相对来说比较简单，易于大规模生产。

1.3纳米薄膜材料的应用

陶瓷纳米薄膜种类繁多，有：纳米陶瓷超硬薄膜，超导薄膜，稀土氧化物巨磁阻薄膜，介电薄膜等。由于制备技术等问题，陶瓷纳米薄膜还有着很大的局限性，但是随着科技的发展技术的革新，已经有一部分纳米薄膜率先得到了大规模的应用。比如：纳米金刚石薄膜。由于其微观结构，力学及电学性质的特殊性，纳米金刚石薄膜可运用于：摩擦材料，电子发射冷阴极管，表面声波器件，微电子力学系统以及保形涂

层等。

2结束语

纳米陶瓷研究还处于初始研究阶段，在工业上还未得到广泛的应用，但由于它具有许多传统晶体和非晶体材料所没有的特性，展现出广阔的市场前景。纳米陶瓷的超塑性和韧性的提高已经成为推动纳米材料研究的原动力之一。纳米陶瓷的超塑性在电子，磁性，光学以及生物陶瓷方面有潜在的应用在工程材料中，利用陶瓷的超塑性变形的特性，使陶瓷如金属一样，可以锻压，挤压，拉伸，弯曲等，可直接制成精密尺寸的陶瓷零件，以及超塑性链接。纳米陶瓷可能具有的低温超塑性，延展性和极高的断裂韧性，将使其成为兼具陶瓷和金属材料的优良特性，在航空航天、电子、机械等众多领域具有无限广阔的应用前景。

参考文献

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