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基于脉冲激光沉积富硼B-C薄膜的关键技术研究

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作者章嵩

出版社科学出版社

ISBN9787030553331

出版时间2017-11

装帧平装

开本16开

定价38元

货号25207926

上书时间2024-10-28

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商品描述
前言

 
 
 
 

导语摘要
《基于脉冲激光沉积富硼B-C薄膜的关键技术研究》旨在利用脉冲激光沉积技术，将其分别采用碳化硼陶瓷靶与硼碳拼合靶为靶材。通过对靶材成分、组成形式及沉积温度等工艺参数的调整，得到表面平整、厚度均匀及成分可控的富硼B-C薄膜，建立靶材成分、组成形式和沉积温度等工艺参数与薄膜组成、结构之间的关系，对该系列薄膜的生长机理进行分析研究。

目录
目录
《博士后文库》序言
前言
第1章 导论 1
1.1 激光惯性约束核聚变 2
1.1.1 激光惯性约束核聚变技术 2
1.1.2 激光惯性约束核聚变靶丸材料 4
1.2 B-C系列材料 5
1.2.1 B-C系列材料的晶体结构 5
1.2.2 B-C系列材料的研究现状 8
1.2.3 B-C系列薄膜的研究现状 10
第2章 富珊B-C陶瓷的制备、结构分析与成分控制 13
2.1 引言 13
2.2 实验与测试 14
2.2.1 实验原料 14
2.2.2 实验设计与工艺过程 14
2.2.3 测试方法 15
2.3 B-C系列陶瓷靶材的烧结致密化 16
2.3.1 B-C陶瓷烧结体的致密度分析 16
2.3.2 B-C陶瓷的物相分析 17
2.3.3 B-C陶瓷的显微结构分析 23
2.4 不同配比B-C陶瓷靶材的制备与成分控制 27
2.4.1 不同配比B-C陶瓷的物相结构分析 27
2.4.2 不同原子比B-C陶瓷的显微结构分析 28
2.4.3 B-C陶踵的化学组成分析与成分控制 30
2.4.4 硼、碳原子的化学结构分析 31
第3章 采用B-C陶瓷靶的富硼B-C薄膜脉冲激光沉积 35
3.1 引言 35
3.2 实验与测试 36
3.2.1 实验原料 36
3.2.2 实验设计与工艺过程 36
3.2.3 测试方法 39
3.3 富硼B-C薄膜的脉冲激光沉积工艺研究 41
3.3.1 脉冲激光能量对薄膜沉积质量的影响 4
3.3.2 靶-基距对薄膜沉积质量的影响 46
3.4 B-C薄膜的成分研究 49
3.4.1 B-C薄膜的化学组成分析与成分控制 49
3.4.2 硼、碳原子的化学结构研究 50
第4章 采用B-C拼合靶的富硼B-C薄膜脉冲激光沉积 53
4.1 引言 53
4.2 实验与测试 54
4.2.1 实验原料 54
4.2.2 实验设计与工艺过程 55
4.2.3 测试方法 57
4.3 B-C拼合靶的脉冲激光沉积工艺研究 58
4.3.1 基板温度对薄膜沉积质量的影响 58
4.3.2 靶材自转速度对薄膜沉积质量的影响 64
4.4 B-C薄膜的成分分析与控制 65
4.4.1 B-C薄膜的化学组成分析与成分控制 65
4.4.2 硼、碳原子的化学结构分析 66
4.5 B-C拼合靶的脉冲激光沉积过程分析 68
4.5.1 脉冲激光沉积技术 68
4.5.2 脉冲激光烧蚀靶材过程分析 69
4.5.3 脉冲激光烧蚀产生等离子体的膨胀行为分析 71
4.5.4 等离子体羽辉边界的求解 75
4.5.5 B-C薄膜中原子比的理论计算 77
本书总结 81
参考文献 83

内容摘要
《基于脉冲激光沉积富硼B-C薄膜的关键技术研究》旨在利用脉冲激光沉积技术，将其分别采用碳化硼陶瓷靶与硼碳拼合靶为靶材。通过对靶材成分、组成形式及沉积温度等工艺参数的调整，得到表面平整、厚度均匀及成分可控的富硼B-C薄膜，建立靶材成分、组成形式和沉积温度等工艺参数与薄膜组成、结构之间的关系，对该系列薄膜的生长机理进行分析研究。

主编推荐
薄膜材料研究专业科技人员，高等院校材料类及相关专业的本科生、研究生

精彩内容
第1章 导论
　　21世纪人类面临人口增长、能源短缺、水资源缺乏、环境恶化等危机。不久，人类将会感到能源短缺的巨大压力，以石油、煤、天然气为代表的化石能源终将在几百年内枯竭，核裂变能源由于安全性和核废料处理等问题也不尽如人意。人类期待着新的能源，受控热核聚变反应能释放巨大的能量，而且由于这种能源安全、清洁，并以取之不尽、用之不竭的海水作为燃料，因此受控热核聚变能是人类下一代能源的主要希望所在。核裂变反应能是重原子核受到中子的轰击变为轻原子核时所释放的能量；与之相反，核聚变反应能则是轻原子核聚变为重原子核时所释放的能量。
　　核聚变反应中*常用的燃料为氘和氚，氘和氚都带正电荷，互相排斥，因此要把它们聚合起来，需要巨大的能量才能克服它们相互的斥力。在恒星中，此能量是靠恒星自身内部的巨大压力提供的。在一般环境下，则需要把核燃料加热到1亿摄氏度以上的高温，以使氘和氚有足够大的动能，但即使这样也不足以发生核聚变反应，还需要将核燃料约束到足够高的密度，使氘和氚有足够大的概率相撞并发生核聚变反应。
　　1.1 激光惯性约束核聚变
　　1.1.1 激光惯性约束核聚变技术
　　在地球的普遍环境下，主要有两种方法实现受控热核聚变反应：磁约束核聚变(magnetic confinement fusion，MCF)和惯性约束核聚变(inertial confinement fusion，ICF)。磁约束核聚变主要依靠强有力的磁场将低密度、高温度的等离子体约束足够长的时间，以使氘和氚的等离子体达到核聚变反应所需要的条件。目前的磁约束实验装置已经可以分别将较低温度、低密度的等离子体约束到足够长的时间或在短时间内将等离子体加热，但是如何同时做到高温和高密度，仍是一个极大的难题。惯性约束核聚变则是利用高功率激光束均匀辐射氘、氚等热核燃料组成的微型靶丸。在极短的时间里靶丸表面在高功率激光束辐射下发生电离和消融而形成包围靶芯的高温等离子体。等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大的向心聚爆的压力，在这巨大压力的作用下，氘、氚等离子体被压缩到极高的密度与极高的温度，从而引起氘、氚燃料的核聚变反应。
　　惯性约束核聚变堆已成为研究*多、发展*快的聚变装置。它利用多路超高功率激光均匀照射（直接或间接）装有氘氚燃料的靶丸，使靶丸的燃料受到约束并迅速压缩到高密度和热核燃烧所需的高温，引发热核爆炸，从而释放出聚变能。该技术不仅在发电等核能利用领域具有重大的经济和社会效益，而且在核爆模拟、效应实验等军事领域以及高温高压实验、天体星球物理研究、激光原子物理前沿研究等方面都具有重要意义［1］。
　　惯性约束核聚变与磁约束核聚变的不同之处在于：惯性约束核聚变等离子体的密度极高(1026cm-3)，约束时间为纳秒(10-9s)量级；而磁约束核聚变等离子体的密度则低得多，仅为1015cm-3量级，因此，其约束时间必须长达秒的量级，以满足劳森判据(Lawson criterion)的要求［2］。相比之下，惯性约束更有希望实现受控热核反应。随着高功率激光技术的日臻完善，惯性约束核聚变已成为研究*多、发展*快的聚变装置。美国加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔实验室正在建造的世界**的高功率紫外线激光器，美国的国家点火装置(National Ignition Facility Project，NIF计划)于近年内实现惯性约束核聚变点火，NIF结构示意图与工作原理图如图1.1所示。我国激光核聚变装置——“神光III”主机已建成，国家点火装置也已启动。目前中国科学院等离子体物理研究所拥有一个全超导托卡马克装置（即一种磁约束核聚变装置），用于研究等离子体稳态约束实验的可行性，名为先进实验超导托卡马克（experimental advanced superconducting Tokamak，EAST）。除此之外，我国还有一个已建成的聚变装置，名为中国聚变工程实验堆（China fusion engineering test reactor，CFETR），主要用于研究大规模聚变的安全以及稳定的可行性。
　　图1-1 NIF惯性约束核聚变点火装置图
　　1.1.2 激光惯性约束核聚变靶丸材料
　　在激光核聚变研究中，靶丸的设计与制造是极为重要的部分，因为靶丸的结构参数、材料成分及制造精度都直接关系到激光的吸收、激光与靶丸的耦合、聚爆的均匀性与对称性及聚爆效率等。*初，靶丸壁材料经常用金属或合金薄膜，但是由于金属或合金薄膜自身的强度低、内应力大，目前美国国家点火装置的间接驱动靶丸一般为：直径约2mm，球壳厚75～130μm，内充氘和氚固、液、气燃料的靶丸，球壳由多层烧蚀层组成，如图1.2所示。作为ICF靶材，它们仍存在一些不足，而金刚石或类金刚石薄膜以其优异的性能，将*有希望成为制备高增益靶丸的材料［3］，其中，近年来硼碳（B-C）系列薄膜被认为是理想的靶丸材料［4-10］。
　　图1.2 惯性约束核聚变用靶丸
　　ICF靶丸采用此类薄膜时，有以下优势：①它对250～300eV光子的透过率很低，并且相应的Z值小，从而能有效吸收能量，产生高烧蚀率，起到提高烧蚀面稳定性的作用；②相对于其他靶丸壁材料，在同一固定靶丸半径的情况下，此类薄膜的能量总效率高，在给定烧蚀层质量的条件下，它的壳层更薄，能吸收更多的驱动能量，另外其硬度也高，能承受充氘、氚燃料产生的高压；③此类薄膜对紫外至远红外波段的光具有很高的透过率，因此作为ICF靶材料时，就可以采用光学技术对靶丸内的氘、氚气体冻结层进行解冻；④此类薄膜具有很高的热导率，这能降低对低温冷冻靶系统的要求［3］。
　　但是，Jackson等［11-12］及Winter［13］发现，聚变中使用的B-C薄膜（材料中硼、碳原子比为4）中的碳原子在热核反应时会影响高温等离子体的流动，从而使热核反应效率降低；而薄膜中的硼元素有助于降低其他元素对热核反应所产生的负面影响。Kodama等［14-15］也证实了上述观点，并且认为靶丸壁材料中的碳元素会与燃料中的氚作用使燃料中毒。另外，Kodama等的研究结果还表明，碳元素的存在会对靶丸壁材料吸收快中子与大动能粒子（如氘、氚、氦粒子）的效率起负面作用。
　　虽然B-C薄膜较其他材料而言，具有烧蚀率高、热导率高及硬度高等有利于提高热核反应效率的优点，但B-C薄膜中过多的碳原子又会影响等离子体的流动，使燃料中毒并且降低对反应粒子的吸收率。因此，理想的高增益靶丸壁材料应为富硼的B-C薄膜。
　　1.2 B-C系列材料
　　B-C系列材料是一种重要的工程材料，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼(CBN)，为25～45GPa［16-17］。高温下，其恒定的高温硬度(>30GPa)要远优于金刚石和立方氮化碳。同时，B-C系列材料具有硬度高、模量高、耐磨性好、密度小(2.52g/cm3)、抗氧化性、耐酸碱性强及中子吸收性能良好等特点，现已被国内外广泛用于工程陶瓷材料、轻质装甲材料、核工业防辐射材料［18-19］、防弹材料、耐磨和自润滑材料、特耐酸碱侵蚀材料、切割研磨工具及原子反应堆控制和屏蔽材料等［20-22］。同时，作为耐高温材料，B-C材料是一种在高温环境下用于核反应堆的理想等离子体材料［23］。B-C材料在中子的检测方面也有了越来越多的应用［24］。近几年，碳化硼优异的性能使之成为超硬材料与核工业材料中的重要成员。商业上，常用碳粉和硼酸在1750℃高温下的电弧炉中发生反应生成B-C材料。
　　1.2.1 B-C系列材料的晶体结构
　　目前，对B-C材料二元相图的研究很多，但仍有许多细节尚不清楚。迄今为止，共发现了16种硼碳化合物，即B16C、B12C3、B12C13、B17C3、B6C、B7C、B8C、B13C2、B13C、B12C、B2C2、B3C、BC2、B11C4、B96C12、B45C2［20，25-26］。Ruh指出B-C相图中包括富碳的BC2和富硼的B12C及具有较宽溶解度的B13C2和B12C3两相区［27］；Elliott［28-29］认为，B-C相区应存在于从室温一直到熔点(2450℃)的区间，硼的溶解度为8%。Thevenot［30］研究了整个相区，给出了比较直观的B-C相图(图1.3)，相图证实B-C二元体系存在均相区，碳原子分数为8.8%~20.0%，相应的分子式为B10.5C~B4C。
　　图1.3 B-C相图
　　注：L表示液相；ss表示固溶体
　　B-C材料的晶体为菱面体结构，晶体属于D53dR-3m空间点阵，晶格常数为。其菱面体结构可描述为一立方原胞点阵在空间对角线方向上延伸，在每一角上形成相当规则的二十面体(icosahedra)。平行于空间的体对角线，就变成六方晶系中的c轴，由3个c轴原子与相邻的二十面体互相连接组成线性链。因此，单位晶胞包含12个二十面体位置，3个线性链上的位置。如果B原子被认为全部位于二十面体，C原子看成处于线性链上，那么B12C3的化学式即B4C。
　　对于B-C材料的晶体结构，13.3%的碳含量（原子分数）在均相区中对晶体结构有重要影响［28］。13.3%的碳含量把均相区分成了两部分：碳含量20%～13.3%和13.3%～8.3%，从而可得出如下结论［31-34］：
　　（1）当碳含量达到20%时，主要由C—B—C链和所连接的—B11C二十面体组成。
　　（2）当碳含量逐步降低时，C—B—B链会取代C—B—C链，直到C—B—C链

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