功能材料概论-纳米材料

纳米材料的主要研究内容

纳米材料以维数分类0维—空间三维尺寸均在纳米尺度（纳米尺度颗粒、原子团簇、纳米尺度孔洞）1维—空间有二维处于纳米尺度（纳米丝、纳米棒、纳米管等）2维—三维空间有一维在纳米尺度（超薄膜、多层膜、超晶格等）

纳米复合材料的构成形式

◆

0-0复合——不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体◆0-3复合——

将纳米粒子分散到常规的三维固体中

◆0-2复合——

将纳米粒子分散到二维的薄膜材料中

纳米材料主要研究内容

原子团簇

纳米颗粒

纳米碳球

纳米碳管

纳米薄膜与纳米涂层

纳米固体材料

纳米复合材料（包括纳米微粒与常规材料的复合）

横向结构尺寸小于100nm的物体；粗糙度小于100nm的表面1.2纳米固体的特殊性质

基本理论

电子能级的不连续性

久保（Kubo）理论日本科学家Kubo提出相邻电子能级间距和金属颗粒直径的关系δ=(1/3)(EF/N)∝V-1

量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。

当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导的凝聚态能时，导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性的显著不同，这时必须考虑量子尺寸效应。

小尺寸效应—当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。

光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；

磁有序态向磁无序态，超导相向正常相的转变；

声子谱发生改变。

表面与界面效应

纳米微粒位于表面的原子占相当大的比例。表面粒子活性高的原因在于它缺少近邻配位的表面原子，极不稳定，很容易与其他原子结合。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。

纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。由于颗粒小，纳米微粒表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及纳米微粒体积远小于大块材料，因此纳米粒子熔化时所增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观量（如微颗粒的磁化强度等）具有隧道效应称为宏观量子隧道效应。AV金属金属绝缘层<10-8m1.3纳米材料的制备技术

气相法制备纳米微粒

气体冷凝法（低压气体中蒸发法）——在低压的氟、氦等情性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒（l-1000nm）或纳米微粒。

蒸发材料通常是放在W、Mo、Ta等载样台上，故在高温熔融后形成合金或蒸发源的蒸发温度高于发热体的软化温度。

常用于Ag、Al、Cu、Au等低熔点金属的蒸发。

电阻加热法特征：规模越大，纳米微粒的粒度越趋于均匀，缺点是W、Mo、Ta等高熔点低蒸汽压的纳米粒子制备困难

高频感应加热

等离子体加热法

机理——等离子体中存在的大量高活性物质微粒与反应微粒迅速交换能量，使原料熔化、蒸发，蒸汽遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成纳米微粒。由于等离子体温度高，几乎可以制取任何金属的微粒。

对于Al、Cu等低熔点金属，由于其传热较快，等离子体喷枪输入的大部分热量被水冷铜坩埚带走，故生成速度较小（数十克/h）。

激光加热法

特点

加热源可以放在系统外，不会受蒸发物质的污染

可熔融和蒸发任何物质

激光照射时物体能否有效地吸收激光是非常重要的问题。一般用Nd(nv)：YAG激光（在Y3Al3O12基材中加入Nd离子）来蒸发金属，用平均功率为200W的脉冲激光在He等惰性气体中进行照射，制备出Fe、Ni、Cr、Ti、Zr、Mo、Ta、W等金属纳米微粒。

爆炸丝法制备纳米粉体

适于工业上连续生产纳米金属、合金和金属氧化物粉体。

工艺参数：惰性气体气压：5×106Pa；15kV高压，金属丝在500-800kA电流下加热。

基本原理：金属丝熔断后在电流中断的瞬间，卡头上的高压在熔断处放电，熔融的金属在发电过程中进一步加热变成蒸汽，在惰性气体碰撞下形成纳米金属或合金粒子沉降在容器底部

化学气相反应法—CVD法

利用挥发性的金属氧化物的蒸汽，通过化学反应生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米微粒。

热管炉加热化学气相反应法工艺过程：

局限性——反应器内温度梯度小，合成的粒子颗粒大，且易团聚和烧结。反应操作参量控制原料处理成核与生长控制冷凝控制

激光诱导化学气相反应法

基本原理——利用激光光子能量加热反应体系，气体分子或原子在瞬间得到加热、活化，迅速完成反应、成核、凝聚、生长等过程，从而得到相应物质的纳米微粒。

技术关键——尽量使入射激光光子频率与反应气体分子的吸收频率一致；选择大功率激光器作为激光热源。

特点——①反应器壁是冷的，无潜在的污染；②原料气体分子直接或间接接收激光光子能量后迅速进行反应；③反应具有选择性；④可精确控制反应条件；⑤有利于生成核粒子快速凝结反应气、保护气激光束反应区反应焰收集室入口冷壁

溅射法

用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气（40～250Pa），由于两极间的辉光放电使Ar离子形成。在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在附着面上沉积下来。

化学蒸发凝聚法

利用高纯惰性气作为载气，携带有机高分子原料，例如六甲基二硅烷，进人钼丝炉，温度为1100—1400℃，气氛的压力保持在100—1000Pa的低气压状态，在此环境下原料热解形成团簇进一步凝聚成纳米级颗粒，最后附着在一个内部充满液氮的转动的衬底上，经刮刀刮下进行纳米粉体收集。

液相法制备纳米微粒

沉淀法

包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶液中原有的阴离子洗去，经热分解即得到所需的氧化物粉料。

喷雾法

喷雾干燥法

——将金属盐水溶液或氢氧化物溶胶送入雾化器，由喷嘴高速喷入干燥室获得了金属盐或氧化物的微粒，收集后再焙烧成所需要成分的超微粒子。

雾化水解法

——将一种盐的超微粒子，由惰性气体载入含有金属醇盐的蒸气室，金属醇盐蒸气附着在超微粒的表面，与水蒸气反应分解后形成氢氧化物微粒，经焙烧后获得氧化物的超细微粒。

溶胶一凝胶法（胶体化学法）

—基本原理：将金属醇盐或无机盐经水解，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、煅烧，最后得到无机材料。

溶胶的制备；

溶胶一疑胶转化；

凝胶干燥。

溶胶—凝胶法的优缺点：

化学均匀性好；

纯度高；

该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分

烘干后容易形成硬团聚现象，凝胶颗粒之间烧结性差，块体材料烧结性不好，干燥时收缩大。

纳米固体（块体、膜）的制备方法

纳米金属与合金材料的制备法

惰性气体蒸发、原位加压制备法——制备纳米金属固体的一般步骤：◆制备纳米颗粒；

◆颗粒收集；◆压制成块体。为了防止氧化，上述步骤一般都是在真空中（＜10-6Pa）进行。1.4纳米微粒表面修饰

表面修饰的目的

改善或改变纳米粒子的分散性

提高微粒表面活性

使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能

改善纳米粒子与其它物质之间的相容性

纳米微粒表面修饰的主要研究内容

研究超微粒子的表面特性，进行有针对性的改性处理

对粒子的表面特性进行综合分析评估

确定表面修饰的类型以及表面处理工艺

纳米微粒表面物理修饰

通过范德华力将异质材料吸附在纳米微粒表面，可防止纳米微粒的团聚

采用表面活性剂修饰纳米粉体表面消除粉末的硬团聚

表面活性剂在水溶液中的两种基本的物理化学作用：①吸附和降低表面张力；②胶团化作用

根据一些无机氧化物或氢氧化物的零电点并控制溶液的PH值，通过表面活性剂吸附获得有机化改性

例：TiO2的零电点PH值相对较低（约5.8），而Al2O3的零电点PH值较高，在钛白浆中加入铝盐或偏铝酸钠，与TiO2表面Al+3能形成难溶性盐的表面活性剂

纳米微粒表面化学修饰

酯化反应法—金属氧化物与醇的反应称为酯化反应。利用酯化反应对纳米微粒表面修饰改性可使原来亲水疏油的表面变成亲油疏水的表面。

偶联剂法—经偶联剂处理后的无机纳米粒子与有机物进行复合时有很好的相容性。有效的偶联剂分子结构应是一端能与无机表面进行化学反应，另一端能与有机物或高聚物起反应或有相容性的双功能基团化合物。

钛酸酯偶联剂：广泛用于Al(OH)3、Mg(OH)2、白碳黑、CaCO3等粉体的表面改性。

铝酸酯偶联剂：多用于处理CaCO3粉体Al2O3等有离子性的粉体。1.5纳米材料的显微分析技术

STM方法（扫描隧道显微技术）

原子力显微技术

俄歇电子能谱

XPS技术（光电子能谱）

X射线分析技术

电子显微分析技术（透射电镜、扫描电镜）

振动光谱技术（红外光谱、拉曼光谱）

激光粒度分析仪（纳米材料的颗粒度分析）

工作原理

STM是利用隧道效应工作的.当金属针尖与被测样品之间的距离小到1nm左右时,就会出现隧道效应,电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流.因此，针尖在被测样品表面做平方扫描时，即使表面只有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流非常显著的变化。恒电流模式：针尖扫描过程中，控制隧道电流保持不变，为维持恒定的隧道电流，针尖作上下运动的轨迹即为样品的表面形貌(图a)。

恒高模式：针尖作恒高的平面扫描,通过测量电流的变化来反映表面原子尺度的起伏(图b).ZxIxba

STM技术

STM图像解释

STM图像并不直接反映表面原子核的位置。

—STM图像反映的是样品表面的局域电子结构和遂穿势垒的空间变化，与表面原子核的位置没有直接的关系，不能将观测到的表面高低起伏简单地归结为原子的排布结构。

针尖电子态的影响—隧道电流由样品电子态和针尖电子态的卷积决定。在针尖电子态参与成像的情况下，金属表面的STM图象常常是颠倒的，即对应于原子的位置显示的是凹陷而不是突起。

STS谱（扫描隧道谱）

—STM能够提供原子级分辨的表面形貌信息，这种信息实际上反映的是一种原子表面的态密度。因为隧道电流反映了样品表面的局域态密度，所以STM可用于测量原子级分辨的谱学性质，称为扫描隧道显微谱。—STS谱测量可以得到关于样品表面或待测物体的化学组成、成键状态、能隙、能带弯曲效应和表面吸附等方面的细节。导带能级位置Ecb=-0.63eV价带能级位置Evb=+1.00eV

禁带宽度

Eg=+1.00-(-0.63)=1.63eVTheSTSspectraofTiNfilm①I–Vcurve;②dI/dVcurve①②

XRD技术测定纳米晶粒大小

—对晶粒度小于100nm的粉体，可用Scherrer公式计算晶粒大小:D=kλ/B1/2cosθD—晶粒大小(沿晶面垂直方向的厚度nm)k—Scherrer常数，一般取0.89λ—X射线的波长(nm)B1/2—衍射峰的半高宽(弧度)

2.1

基本概念及理论

形成超导态的必要条件

—在材料中形成库柏电子对，这些库柏对可以理解为凝聚的超导电子。当库柏对全部拆散成正常电子，则超导态即转变成正常态。库柏对的集合导致了超导电性，此即超导态的物理图象。

库柏电子对：当两电子之间存在的净的吸引作用超过了电子之间的库仑排斥作用而表现为相互吸引时，这两个电子称为库柏电子对。组成库柏电子对的两个电子的总能量低于2EF，将一个库柏对拆散为两个正常电子时，至少需要2△的能量。

2.超导材料

超导电性产生的根源：电子与晶格点阵之间的相互作用。

在量子力学建立以后，人们很快认识到不能将电子看作在电场中运动的粒子，而应把电子看成是在原子实点阵的周期势场中的波。电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而造成局部正离子的相对集中，导致对另外电子的吸引作用，这种作用叫做电子-声子相互作用。

相干长度：当一个电子从金属的正常态移动到超导态区时，用相干长度来描述形成的库柏电子对之间的距离，这个长度可以扩展到10-6m的空间内。如在绝对零度下几种物质的相干长度为（nm）：

Al：1500 Nb：60 Ti：270Nb-Ti：30 Sn：30

超导机理

物质处于超导态与正常态的区别：超导态在费米能级附近有一宽度为△的能量间歇，在此间歇内禁止电子占据。在绝对零度下，处于能歇下边缘以下的各能态全被占据，而能歇上边缘以上的各能态全空着。该状态为超导基态。

当正常金属载流时，将会出现电阻，因为电子会受到散射而改变动量，使这些载流电子沿电场方向的自由加速受到阻碍；而在超导体情况下，组成库柏对的电子虽会受到散射，但在散射过程中，库柏对的总动量维持不变，所以电流没有变化，呈无阻状态。

2△超导态正常态满态空态EF

BCS超导微观理论

BCS超导微观理论的核心1.

超导电性来源于电子间通过声子作媒介所产生的相互吸引作用，当这种作用超过电子间的库仑排斥作用时，电子会形成束缚对（即库柏对），从而导致超导电性的出现。库柏对会导致能隙存在，超导临界场、热力学性质和大多数电磁学性质都是库柏对的结果。2.元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N（EF）有关，和电子-声子相互作用能U有关，可用电阻率来估计。

超导体的临界参数

临界温度TC——材料出现超导特征的温度称为其临界温度TC。

在1986年以前，已知超导材料的最高临界温度只有23.2K，而现在已实现了转变温度

在100K以上的超导体（Y-Ba-Cu-O），从而使超导体可以在液氮温区获得。目前已知金属中铑的TC最低，为0.0002K，Nb3Ge的TC最高，为23.1K。

临界磁场HC—材料处于超导态时，在超导体内部总有磁通密度B=0，该性质称为超导体的完全抗磁性。我们把破坏超导态的最小磁场强度称为临界磁场HC。当外界磁场强度高于HC时，磁力线将穿入超导体，超导态被破坏。 HC=HC0[1-T2/Tc2]（T≤Tc)HC0是0K时的磁场。当T=TC时，HC=0,随着温度的降低，HC渐增，至0K时达到最大值HC0。

临界电流IC——

产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流，称为临界电流。

迈斯纳一奥克森费尔特效应——

超导有两层含义，一个是零电阻，叫超导电性；一个是零磁感，叫完全抗磁性。这种把外加磁场完全排斥在超导体外的特性叫完全抗磁性，称为迈斯纳一奥克森费尔特效应。

液氦超导金属盘磁铁杜瓦瓶细线超导体的Hc(T)--T关系曲线和Jc(T)

第一类超导体—在临界磁场以下显示超导性，超过临界磁场就立即转变为正常态的超导体称为第一类超导体（包括除V、Nb、Ta以外的其它超导元素）。

第二类超导体（仍具有零电阻，但不具有完全抗磁性）—第二类超导体存在下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2，上临界磁场比下临界磁场高一个数量级。在温度低于Tc条件下，外磁场小于Hc时，第二类超导体与第一类超导体相同，处于完全抗磁性状态。当外磁场介于于Hc1和Hc2之间时，第二类超导体处于超导态与正常态的混合状态，磁力线呈斑状进入超导体内部。随着外加磁场的增加，正常导体部分会渐渐扩大，当外加磁场等于Hc2时，超导部分消失，导体转为正常态。第二类超导体包括V、Nb、Ta以及大多数合金和化合物超导体。2.2

微观理论的局限性和超导材料研究的经验规律1.微观理论的局限性

不能预测实际的超导材料的性质，也不能说明由哪些元素和如何配比时才能得到所需临界参量的超导材料。2.超导材料的某些经验规律

一价金属、铁磁质、反铁磁质不是超导体，价电子数Z在2—8的金属才是超导体。超导元素在常温下，导电性比普通金属差。

晶体结构对Tc有一定影响。无论是元素、合金和化合物，不复杂的立方和六方晶系均有利于超导电性；许多结构复杂的化合物的Tc较低。

第二类超导体的Ic与材料的形变度、晶粒大小、析出相的数量、尺寸和分布，以及磁性有密切关系。2.3

高温超导体的晶体结构和高温超导材料1.高温超导体的探索

高温超导体——指转变温度Tc突破BCS低温理论的超导体。

BCS理论认为最高的超导临界温度不会超过30K（主要是金属元素超导体）

1986年米勒和贝德诺茨发现高温超导体——Tc=35K的镧钡铜氧化物（LBCO）1987年美国休斯顿大学的朱经武研究小组及中科院物理所的赵宗贤小组分别独立研制成功Tc=90K的YBCO高温超导体超导发展简史时间/年温度/K35K90K2.新超导体材料公认的四项判据

必须在一个确定的温度实现零电阻转变；

在零电阻转变温度的附近必须观察到完全抗磁性（迈斯纳效应）；

这一现象必须有一定的稳定性和再现性；

这一现象还必须为其它实验室所重复和验证。

3.超导体的钙钛矿型结构——已发现的氧化物超导体镧钡铜（LBCO）和钇钡铜（YBCO），在结晶学上都是一种钙钛矿型结构，也可以说它们都是由钙钛矿型结构演变而来的。因此，可以说钙钛矿结构是解决已发现的超导材料的关键所在。

—钙钛矿型化合物的结构特点

在理想配比的ABO3化学式中，A离子都是离子半径较大的离子，而B离子的半径较小，多半为过渡族金属；

A离子和B离子的价态之和为+6，以保持电中性条件的成立；

在保持阳离子的价态之和为+6的前提下，A离子和B离子各自可取任意的价态；

不管B离子的价态如何变化，B离子与四周的六个氧离子形成的BO6八面体，BO6八面体是钙钛矿型结构的骨架。

钙钛矿型化合物中或多或少存在着氧缺位和A离子的缺位，而B离子是没有缺位的。氧含量的变化导致载流子浓度的变化，从而引起Tc的变化。

—层状钙钛矿型结构

在众多的钙钛矿型结构演变出来的化合物中，“层状钙钛矿型结构”化合物最为令人瞩目。在“层状钙钛矿型结构”中，八面体结构结合成的一层层的结构单元以不同形式排列形成了名目繁多的“层状钙钛矿型结构”化合物。YBCO和LBCO的晶体结构虽不相同，但是它们都属于“层状钙钛矿型结构”。

4.高温超导材料

第一代氧化物超导体（La2-xMxCuO4）通常把M2CuO4型氧化物超导体归为第一代高温超导体家族。在这一家族中主要包括La2-xMxCuO4（M=Ba，Sr，Ca）。米勒和贝德诺茨所发现的高温超导体就是La2-xBaxCuO4化合物。由图可知，在正交对称的La2CuO4结构中，Cu2+离子与六个氧离子形成六配位的铜氧八面体，记为CuO6。所有的CuO6八面体彼此以公共的氧离子连结在一起，形成一个［CuO6］八面体的平面。这一平面被称之为Cu—O平面。

La2-xBaxCuO4晶体结构

La2-xBaxCuO4氧化物简称为214相，214相的晶体结构还伴随着导电性的变化，由绝缘体变为金属性的氧化物。

在低温出现的超导电性随掺杂量的变化而改变，超导转变温度（Tc）先随掺杂量的增加而提高，在x=0.15时Tc达到最大值（约40K）；随后掺杂量继续增加时Tc值反而下降。

YBCO氧化物超导体在所有的氧化物超导体中，YBa2Cu3O7-δ最有应用的前途。它是第一个突破液氮温区的超导体，通常被称为YBCO或123相。YBCO是一种典型的氧缺陷、层状钙钛矿型化合物。它的氧含量随合成或热处理时的条件改变而发生变化；氧含量和分布对超导电性的影响极大。YBa2Cu3O7-δ是由钙钛矿型结构演变出来的一种超结构，δ约为0~0.6。δ＜0~0.6→Tc可达90K；δ=0.2~0.6→Tc=60K；δ=0.6→不再是超导体

多层的氧化物超导体※一层[Cu—O]平面的氧化物超导体的Tc不超过40K※

含有二层[Cu—O]平面的氧化物超导体的Tc略为80-90K※

已发现三层[Cu—O]平面的氧化物超导体的Tc超过了100K，如Bi2Sr2Ca2Cu3O10和Tl2Ba2Ca2Cu3O10的Tc分别为105K和125K5.高温超导体结构共性

它们都具有层状钙钛矿型结构，因此保持了层状钙钛矿型结构的基本特点、成相规律和物理性质。

Cu—O层平面是高温超导体中的导电平面。在高温超导体中只有[CuO6]八面体、[CuO5]金字塔和[CuO4]平面四边形组成的平面才是导电平面。其他类型的平面层只能起载流子库和绝缘层的作用。沿Cu—O平面内，导电率极高且具有金属性——即电导随温度下降而变小；而垂直于Cu—O平面的方向，导电率要低得多。整个晶体就好像若干二维的导电平面迭合在一起。这种二维特性不仅表现在电导方面，也在其他物理性质方面有所体现。故可认为高温超导体具有二维的性质。

氧的含量和分布对高温超导体的晶体结构和物理性质有极其重要的影响。

1.块状超导样品的制造方法—制造块状超导样品的方法是基于固态反应的原理。将混合均匀的原料在低于熔点的温度下进行烧结。不同组份的原材料的颗粒相互接触处发生一定的化学反应，并放出一定的化学反应热使得化学反应得以不断地维持下去，最后整个样品变成功所希望得到化合物。

2.5高温超导体的制造方法2.高温超导薄膜及其制造3．复合超导材料复合超导体一般由几个部分组成：

超导材料

良导体（Cu、Ag、Au、Al等）

填充料（In、Pb等）

绝缘层（有机绝缘材料、Al2O3、SiO2等）

高强度材料包层（不锈钢等）

屏蔽层（铁磁材料）

3.功能薄膜材料3.1

概述

薄膜技术是上世纪70年代开始迅速发展起来的一门科学，其研究涉及表面科学、材料科学、应用物理、微电子学、电子技术、真空技术等多个领域。

表面科学研究的范围通常是材料表面几个到几十个原子层，薄膜物理研究的范围通常是几十埃到几十个μm。

定义——通常认为lum以下厚度的膜为薄膜，以上者为厚膜。3.2

薄膜材料的制备方法

物理方法

—真空蒸发—磁控溅射—离子束溅射

化学方法

—化学气相沉积（CVD）—溶胶凝胶（Sol-Gel）法直流磁控溅射（单靶反应溅射）；多靶反应共溅射射频磁控溅射（单靶反应溅射）；多靶反应共溅射金属有机物化学气相沉积（MOCVD）热解化学气相沉积（热解CVD）等离子体增强化学气相沉积（PECVD）激光诱导化学气相沉积（LCVD）微波等离子体化学气相沉积（MWCVD）

物理气相沉积方法1.气相沉积的基本过程

气相物质的产生:一般用蒸发蒸镀和溅射镀膜的方法来实现。

气相物质的输运:要求在真空中进行

气相物质的沉积:是一个凝聚过程。根据不同条件，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。——蒸镀和溅射是物理气相沉积的两类基本制膜技术。以此为基础，又生出反应镀和离子镀。

真空蒸发制膜—在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法称为蒸发制膜，简称蒸镀。

激光加热蒸发

激光蒸发源是将激光束作为热源来加热膜料，通过聚焦可使激光束功率达到106W／m2以上，它以无接触加热方式使膜料迅速气化，然后淀积在基片上形成薄膜。

主要优点：能实现化合物的蒸发沉积，蒸发任何高熔点材料。

蒸镀用途

蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能薄膜，例如用作电极的导电膜、光学镜头用的增透膜等。蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速度快的优势。

射频溅射

—利用高频电磁辐射来维持低气压（2.5×10-2

Pa）的辉光放电，使正离子和电子交替轰击靶子。高频溅射可以沉积任何固体材料的薄膜，所得膜层致密、纯度高、与基片附着牢固，并具有较大的溅射速率。

溅射沉积

磁控溅射

磁控溅射的镀膜速率与二级溅射相比提高了一个数量级，具有高速、低温、低损伤等优点。

磁控溅射靶大致可分为柱状靶和平面靶两大类。柱状靶结构简单，但其形状限制了它的用途。在工业生产中多用的是矩形平面靶，靶材的利用率不高（一般低于40%）是磁控溅射的主要缺点。——磁控溅射工作特点

磁控溅射的电场和磁场相互垂直，可以将电子的运动路程限制在靶面附近，显著地延长了电子的运动路程，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离率，使磁控溅射速率数量级提高。

化学气相沉积

采用含有组成薄膜成分的化合物作为中间生成物（这种化合物的蒸气压比该物质单独存在时的蒸气要压高得多），把这种化合物的气体送入适当温度的反应室内，让它在基底表面热分解或者还原，或与其他气体、固体发生反应，结果在基底表面上生长薄膜，这就是化学气相沉积法。由于化学气相沉积中化学反应的不同，这种方法又可以分为：热分解法、还原法、歧化反应法、化学转移反应法等等。

3.3几种常用的功能薄膜及其用途

导电薄膜

低熔点单元素导电薄膜

复合导电薄膜

多晶硅薄膜

高熔点金属薄膜

金属硅化物导电薄膜

透明导电薄膜

低熔点单元素导电薄膜——在金属薄膜中，主要有Au，Ag和Al薄膜，其中，对Al薄膜的研究和应用较多。通常采用真空蒸发制作铝膜，所用原材料纯度为99．99％以上，真空度高于5×10-3

Pa，在集成电路工艺中主要采用溅射技术制备膜。

复合导电薄膜—金基复合导电薄：先淀积一层底金属层，然后再淀积金，形成金基复合导电薄膜。在制备这种薄膜时，必须采用两个或三个蒸发源顺序蒸发或采用多金属靶的顺序溅射方法，才能获得所需性能。铬一金薄膜和镍铬.金薄膜是目前用得最多的复合导电薄膜。主要用作电阻的端头电极、互连线、微带线、单层薄膜电感器、薄膜电容器上电极和焊区等。

透明导电薄膜

——透明导电薄膜是一类既具有高的导电性，在可见光范围又有很高的透光性，并在红外光范围有很高的反射性的薄膜。它大体可分为金属膜、氧化物薄膜和非氧化物单相或多层膜三大类。在金属膜中有Au，Ag，Cu，Pd（钯），Pt（铂），Al，Cr，Rh（铑）等膜；在氧化物膜中，有In2O3，SnO2，ZnO，CdO等膜；在非氧化物膜中，有Cu2S，ZnS，CdS，LaB6，TiN，TiC，ZrB2等膜。透明导电薄膜由于具有透明性质，因而在电子、电气及光学等领域都有广泛的应用。在玻璃衬底上制备透明导电薄膜时，由于需要采用高温处理过程，考虑到透明性、导电性及力学性能等因素，大多采用金属氧化物。

氮化钛薄膜

作为硬质涂层和仿金装饰薄膜，TiN和TiC

是目前被研究和应用比较多的一种．在高速用刀具表面沉积TiN或TiC保护层，可以显著地提高刀具的使用寿命和生产效率。

金刚石的优异特性

※力学性能——硬度达70-100GPa，熔点接近4000℃，抗拉强度约3GPa。

※电学性能——金刚石具有宽的带隙（5.5eV），高的击穿电压（106-107V.cm），比Si和GaAs高2个量级。※热学性能——金刚石具有最高的热导率，热膨胀系数为10-3/℃，由于其电阻高，可作为集成电路基片和绝缘层以及固体激光器的导热绝缘层。※光学性能——从紫外（0.22μm）到远红外（毫米波段）金刚石都具有高的透过率，是大功率红外激光器和探测器的理想窗口材料。※其它性能——金刚石具有极好的化学稳定性，能耐各种温度下的非氧化性酸。金刚石的成分是碳，无毒，对含有大量碳的人体不起排异反应。加上它的惰性，又与血液和其它流体不起反应。

金刚石薄膜

制备金刚石薄膜的基本要求

——使甲烷等含碳氢材料在H2中分解沉积到一定温度（900℃）的基底上，可以制备出金刚石薄膜。——低压制备金刚石薄膜的基本思想：以石墨态为稳态，金刚石在非稳态的区域进行。基于石墨相和金刚石相的化学位十分接近，两相都能生成。为促进金刚石相的生长和抑制石墨相的生长，最有效的手段就是用原子态氢除去石墨。

沉积金刚石薄膜的衬底——强碳化物形成元素：Ti、Zr、Hf（铪）、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Si。其中Si、W、Mo与金刚石的粘结性好，不易剥落，其它衬底的粘结性比较差，这是因为衬底和金刚石的线膨胀系数差异比较大的原因。

类金刚石薄膜（Diamond-likeCarbonFilms）

—含有金刚石结构（sp3键）的非晶碳膜，有许多与金刚石膜相似的性能（其力学、电学、热学、光学等性能约逊于金刚石膜），可在较低的温度下沉积，比金刚石薄膜容易制备（衬底温度小于300℃），可在各种衬底上沉积（如用磁控溅射法溅射石墨靶材）。—工金刚石薄膜的主要缺陷：晶粒较大，呈拄状生长，表面粗糙，高硬度表面给后续抛光处理带来很大困难。

纳米金刚石薄膜—结构表征：①非纳米金刚石含量<5%；②晶粒尺寸在3-15nm为低晶粒度，17-75nm为中晶粒度，75-375nm为高晶粒度；③薄膜至少为3-30μm（1.5KN压力下不崩裂）；④纳米金刚石晶相应是无序的。

光学功能薄膜

概述

光信息存贮——利用激光的单色性和相关性，将要存贮的信息，通过调制激光聚焦到记录介质上发生物理或化学的变化的过程（写入信息）。

读出信息——用低功率密度的激光扫描信息轨道，其反射光通过光电探测器检测、调制以取出所要的信息。

只读存储光盘材料

只读存储光盘材料的记录介质是光刻胶。记录时将音频视频调制的激光聚焦在涂有光刻胶的衬底上，经过曝光显影，使曝光部分脱落，因而制成具有凹凸信息结构的正像主盘；然后利用喷镀或电镀技术，在主盘上生成一层金属负像副盘，它与主盘脱离后即可作为原模，用来复制只读光盘。

光盘的衬盘材料——通常用聚甲基乙烯酸甲酯（简称PMMA），或聚碳酸酯（简称PC）。

预格式化衬盘的制作：光盘→正像主盘→镀层→负像主盘→PP复制→预格式化衬盘

光盘结构

①

基底上沉积高反射铝膜(提高记录介质的消反作用)；②其上沉积一层透明的SiO2层（阻止记录层的热量向向反射层扩散）③

最后沉积TeO1.1

膜(TeO1.1层在强激光束作用下烧蚀成信息坑，记录信息)

SiO2层的膜厚条件——满足nλ／4时（n为SiO2的折射率，λ是激光在真空中的波长）,可使在SiO2—Al界面反射后透出的光线与在Te—SiO2界面反射透出的光线相干抵消。

纳米氧化钛光催化材料

TiO2光催化原理—

纳米半导体材料在光的照射下，通过把光能转化为化学能，促进化合物的合成或使化合物（有机物、无机物）降解的过程称为光催化。

电子：O2+e-→·OHH2O+·O2-→·OOH+OH-2

·OOH→

O2+H2O2H

2O2+·O2-→·OH+OH-

空穴：TiO2+hν→TiO2+h++e-

H2O+h+→·OH+H+OH-

+h+→·OH·OH—羟基自由基；·O2-

—超氧离子自由基

TiO2的晶体结构

金红石（高温相）、板钛矿（低温相）—稍有畸变内的八面体结构

锐钛矿（低温相）—四面体结构特点—金红石的原子排列非常致密，相对密度和折射率较大，具有很高的分散光线的本领和强的遮盖力和着色力。—板钛矿是一种亚稳相，极少被应用。—锐钛矿结构不如金红石稳定，具有良好的光催化活性，颗粒尺寸在纳米级时透明

纳米TiO2薄膜

纳米氧化钛粉体的缺点—细微颗粒在水溶液中易于凝聚，不易沉降，催化剂活性成分损失大，不利于再生和再利用。

纳米TiO2薄膜特点—可以固定催化剂，保持催化剂活性，，同时具有超亲水性（阳光中的紫外线足以维持氧化钛薄膜表面的超亲水性，使污物不易在表面附着）。

纳米TiO2薄膜的制备方法及催化效果液相沉积法液相沉积法制备的TiO2薄膜降解亚甲基蓝溶液的速率曲线62.01.81.61.41.21.024810反应时间/h浓度/mg.L薄膜面积4m2薄膜面积6m2无光催化剂0以氟钛酸铵和硼酸为前驱体并配成不同浓度的反应溶液，然后将基片置于其中沉积50h

溶胶凝胶法镀膜1次镀膜3次镀膜7次镀膜5次降解率%604812162424810反应时间/h200TiO2薄膜降解亚甲基橙溶液的曲线

化学气相沉积法反应时间/min020406080020406080100120苯溶液的浓度/(mg/L)362℃325℃306℃287℃紫外光照射下，苯随时间变化的光催化降解—用异丙醇钛在低压化学气相沉积装置进行反应，温度在267-362℃范围。

磁控溅射法制备TiO2

薄膜

溶胶凝胶法制备TiO2

的特点—溶胶凝胶法制备的TiO2

薄膜具有良好的光催化活性，目前大多数商业用具有光催化性质的氧化钛薄膜皆是用此法制备。—缺乏机械耐久力；大面积制膜难以保证薄膜厚度的均一性；制膜工艺需要500-600℃的热分解有机物的过程。

磁控溅射法制备TiO2

的特点—工艺易于控制，生产重复性好，适合用于大面积制膜，便于连续生产。—光催化活性不如溶胶凝胶法制膜。

磁控溅射—溶胶凝胶法制备纳米TiO2

薄膜的光催化性质10008006004002000246810反应时间/h乙醇浓度/(mg/L)室温磁控溅射制备Ts=140℃磁控溅射制备溶胶凝胶法制备Ts=220℃磁控溅射制备

影响因素及提高TiO2光催化性能的途径

晶相组成—单一晶相而言，锐钛矿相的TiO2光催化性优于金红石相的TiO2，但最新研究表明，混晶的TiO2具有最佳的光催化活性（如锐钛矿相/金红石相为1:3的TiO2粉体）。

TiO2薄膜的晶粒尺寸—纳米尺度的TiO2薄膜具有高的光催化活性，且当其半导体颗粒尺寸在10nm左右时，出现量子尺寸效应，光催化活性大大提高。

TiO2薄膜的厚度—对晶态TiO2薄膜,存在对应最佳光催化活性的薄膜厚度阈值，该值为150-200nm。可以认为此值为下限，上限需通过实验确定（并非越厚越好）。—对非晶态TiO2薄膜,其厚度阈值与晶态的变化趋势完全不同。如TiO2-W薄膜,其降解对亚甲基蓝的厚度阈值位141nm，超过此值，降解率不再提高，在阈值以下，降解率与厚度成正比。

TiO2薄膜的掺杂（离子修饰）—有效的金属离子掺杂应满足2个条件

(1)掺杂物能同时捕获电子和空穴，使其能局部分离；

(2)被捕获的电子和空穴能被释放并迁移到反应界面。—

Fe3+等具有完全充满或半充满电子构型的过渡金属离子，会使捕获的电子容易释放出来，从而提高TiO2的光电子产率；其他电子构型的过渡金属离子，如Co2+、Cr3+的掺杂，会使电子被深度捕获，而降低TiO2的光催化活性。另外象Zn2+、Ca3+、Cr4+

、Sb4+、Ta5+等具有闭壳层电子构型的金属离子的掺杂影响则很小。—高价离子（W6+）的掺杂壳使费米能级表面势垒变高，光生电子空穴在强电场下得到有效的分离从而增强了光降解效果；而低价离子（Ca2+）的作用则相反。—与Ti4+离子半径（74.5pm）相近的离子较易取代晶格位置上的Ti4+或进入晶格间隙（如Fe3+

、Co2+

、Ni2+

、Cr2+

），而Zn2+等具有较大离子半径，难以进入TiO2的晶格，在较低掺杂浓度下，表面可能会析出ZO团簇。—在TiO2中掺Ag金属粒子，可使光吸收向长波方向偏移；若同时再掺入Re（铼），则可大大提高（·OH）的产率。

TiO2薄膜的掺杂（离子修饰）—将TiO2与其他不同能级的氧化物半导体如SnO2和SiO2复合可以提高TiO2的光催化活性。试验表明；SiO2、ZrO2与TiO2复合能够提高光催化性能，而WO3对光催化性能没有明显的影响。—研究表明，只有通过掺杂引入新的杂质能级才有可能实现可见光催化。这一掺杂必须满足以下条件：①掺杂必须在TiO2中的带隙范围内产生新的能级；②掺杂后的导带底必须和TiO2的导带底基本相当或是略高于H2/H2O的氧化还原电势；③在带隙中的能级必须与有效的TiO2价带相交迭，以便将光生载流子在其复合之前传输到催化剂的表面发生反应。 要满足上述条件，非金属掺杂优于金属掺杂；而且N的替换掺杂可以产生有效满足上述要求的杂质能级。试验制备的TiO2-xNx复合薄膜已证明具有可见光催化活性。

TiO2薄膜的复合

TiO2薄膜的吸光度、吸收带波长与能带的关系350.0500.0600.00.30.10.2700.0400.00.40.50.6123吸光度波长—在紫外-可见吸收光谱中，采用切线外推法与长波方向的交点，可以确定吸收曲线吸收带边界的起始点，此值对应材料的吸收边。—根据公式λg=1240/Eg可近似算出其禁带宽度绝热材料LecturedByHuangJia-mu1.传热学基础1.1传热的基本方式

传热是指热量从高温区向低温区的自发流动，是一种由于温差而引起的能量转移现象。

导热——导热是依靠物体内分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动，在宏观上物体各部分无相对位移的热传递现象。Q—热流量，W；△t—传热时间，s；T—温度，℃；S—传热面积，m2；x—传热距离，m导热系数λ（W/m·k）—单位导热面积、单位温度梯在单位时间内的传热量，对于内部无热源的均相材料，导热系数是不依赖与温度的。λ↑≡导热能力强；λ↓≡绝热性能好

对流—对流是依靠流体分子的随机运动和流体整体的宏观运动，将热量从一处传递到另一处的现象。对流换热

—导热和对流同时存在的过程：q=αw·△T，q是热流密度（单位面积上的热流量），αw是对流换热系数，数值上等于1m2壁表面上，流体与壁表面的温差为1℃的热流量，单位为W（m2·k）。αw↑≡对流换热越强。

热辐射——

依靠物体表面对外发射电磁波而传递热量的现象。对于绝大多数绝热材料可视为灰体，其辐射换热量：Q=S·εσbT4，S是换热表面积（m2），ε是实际材料的黑度，σb是黑体辐射常数（5.67×10-8W/m2·k4

），T是绝对温度（K）。

绝热工程对大气环境的辐射换热，在不考虑角度系数的情况下，是用辐射换热系数αε来表征的，αε↑≡辐射换热越强。1.2热膨胀系数—

材料的热膨胀系数是材料的主要热物理性能之一，其与材料的工艺过程并不密切，在通常状况下可将其视为一个常数。影响材料热膨胀的因素

化学组成

结晶态或无定型态

材料中相的情况

各向异性晶粒的取向

残余应力

裂纹的形成

点缺陷的形成

表面化学状况

下列因素不会对材料的热膨胀产生明显的影响

密度；晶粒尺寸；气泡；晶粒的非化学计量比；杂质（1%以下）；位错和晶界；表面形貌

热膨胀系数的热力学定义：

线热膨胀系数定义为：

V—体积；P—压力；T—温度；L—长度

对于各向同性的材料：α=3β晶体体积的变化通常用各方向的线膨胀系数之和表示：

β

=

α1+α2+α31.3绝热原理—绝热是指最大限度地阻抗热流的传递≡要求有λmin、αw

min和αε

min

影响材料导热系数的因素1.材料的组成与结构对λ的影响λ有机高分子＜λ无机材料；λ非金属＜λ金属；λ气态＜λ液态＜λ固体

2.表观密度对λ的影响

在低温状态下，孔隙或空隙的中的气体可看作是无对流的静止空气，这时孔隙率↑≡表观密度↓≡λ

↓

对于多孔绝热材料，有(λ+αw

+αε)

min≡最佳密度≡最佳绝热性能3.孔隙大小与特性对λ的影响

在表观密度相同的情况下，孔隙尺寸↓≡λ↓孔隙体积大到一定程度后，由于空气对流的出现，λ↑孔隙互相连通≡λ↑；孔隙彼此封闭≡λ↓

4.湿度对λ的影响

λ水＞λ静止空气→湿度↑≡λ↑

5.

热流方向对λ的影响

对于各向异性的材料，不同方向上的导热系数各不相同，有时差异很大。

6.

温度对λ的影响——由于辐射热的影响，多孔材料的导热系数一般随温度的升高而增大。1.4提高材料绝热性能的途径1.使用表观密度较低的材料，尽量使其表观密度符合绝热最佳密度。2.使用有机高分子材料或无定型的无机材料。3.在表观密度一定的情况下，使材料内部空隙数量尽可能多，体积尽可能小，且互不连通。4.当利用空气夹层隔热时，应使夹层尽量小，以防止对流的出现。如采用蜂窝结构比大平壁中空结构的导热系数小；夹层内填充微孔材料，由于减少辐射换热，其导热系数又比蜂窝结构小。5.当使用遮热板绝热时，可选择反射率高，发射率低的材料。6.采用真空化处理或充填导热系数小于空气的气体2.绝热材料分类2.1绝热材料的成分类型大类类亚类举例无机绝热材料金属黑色金属不锈钢板有色金属铝箔、铜箔非金属天然矿物浮石、火山渣、硅藻土、石棉、海泡石加工矿物膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、陶粒与陶砂、泡沫石棉、泡沫石膏、泡沫粘土、泡沫菱苦土、炭化石灰合成材料微孔硅酸钙、微孔铝酸钙、微孔碳酸镁、泡沫玻璃、加气混凝土、泡沫水泥、岩棉、玻璃棉、硅酸铝棉、泡沫水玻璃、中空玻璃工业废渣膨胀矿渣、炉渣、粉煤灰、废砖瓦绝热材料的成分类型—续有机绝热材料动植物软木、纸屑、木屑、刨花、麦糠、稻壳、玉米芯、芦苇、蔓草、棉花、羊毛矿物泡沫沥青合成高分子泡沫聚苯乙烯、泡沫聚氨酯、泡沫尿醛树脂、泡沫酚醛树脂、泡沫橡胶、钙塑绝热板复合绝热材料金属与无机非金属复合镀膜玻璃金属与有机材料复合铝塑反射板、铝箔夹心隔热膜有机与无机非金属复合吸热涂层玻璃板绝热材料的结构类型大类类举例纤维状天然的石棉与石棉制品、动物纤维、植物纤维人造的岩棉与岩棉制品、矿棉及其制品、玻璃棉及其制品、硅酸铝棉及其制品、化学纤维与纤维植物散粒状天然的浮石、火山渣、硅藻土、矿渣、植物碎屑人造的膨胀珍珠岩及其制品、膨胀蛭石及其制品、、陶粒与陶粒制品、空心氧化铝球及其制品微孔状天然的硅藻土、沸石岩泉华、软木人造的加气混凝土、泡沫水泥、泡沫石膏、泡沫粘土、泡沫菱苦土、泡沫水玻璃、泡沫玻璃、泡沫塑料、微孔硅酸钙、微孔磷酸钙微孔碳酸钙层状天然的木板人造的塑料板、吸热玻璃板、铝膜、镀膜玻璃、中空玻璃蜂窝夹心板空腹门窗绝热材料的工艺类型大类类举例加工型破碎型风选石棉、浮石、炉渣、木渣等烧胀型膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、陶粒与陶砂等烧结型粉煤灰陶粒、烧结氧化铝空心球砖烧失型硅藻土砖、泡沫粘土砖胶结型水泥、石膏、水玻璃、沥青等胶结的各种膨胀珍珠岩和膨胀蛭石制品分散型泡沫石棉合成型熔制型岩棉、矿棉、玻璃棉、硅酸铝棉、熔制型泡沫玻璃等烧结型烧结型微孔玻璃胶凝型泡沫水泥、泡沫石膏、泡沫菱苦土、泡沫水玻璃、微孔铝酸钙、微孔硅酸钙、加气混凝土等交联型各种泡沫塑料复合型混合型硅酸盐保温涂料、石棉硅钙板、炭化石灰板复层型蜂窝夹心板、铝箔夹心板拼装型中空玻璃3.散粒状绝热材料——散粒状绝热材料主要利用颗粒内部的孔隙与颗粒之间的空隙阻止热流的传递。3.1膨胀珍珠岩及其绝热制品

物理性能——白色，微孔结构，散粒状构造；微孔尺寸:1-10μm级；颗粒尺寸:0.15-2.5mm；常温导热系数:0.042-0.076W/(mK);安全使用温度：

-200～1000℃。

基本绝热原理——珍珠岩属于玻璃质材料，在其软化温度范围内，表现出很高的粘滞性，既能发生显著的变形而不破裂，又可阻止气体外逸。此时其内的化学结合水发生蒸发，在珍珠岩流体中产生大量的气泡，粘滞的组织有软化体，随气泡的不断生成与长大，发生显著的体积膨胀。在气孔长大到一定程度但尚未合并之时迅速冷却，气泡将保留于膨胀的珍珠岩颗粒内部，形成微孔构造。3.1.1生产工艺

原材料及技术要求——珍珠岩是酸性含水火山玻璃质岩石的总称，主要包括珍珠岩、黑耀岩、松脂岩三种岩石，由火山喷发急速冷却而成。——珍珠岩的化学成分范围料粒制备水分调整烧胀制品加工冷却筛分化学成分质量百分比化学成分质量百分比SiO268.0~75.0MgO0.4~1.0TiO20.1~0.1CaO1.0~2.0Al2O39.0~14.0Na2O2.5~5.0Fe2O30.9~4.0K2O1.5~4.5FeO0.5~0.7P2O50.01~0.04MnO0.03~0.05H2O3.0~6.0

珍珠岩的质量等级在工业上除要求SiO2应占70%左右，H2O占4%~4%，Fe2O3+FeO＜2.0%外，主要通过其物理性质—膨胀倍数划分质量等级。等级堆积密度（kg/m3）K0(倍)Ks(倍)Fe2O3+FeO用途Ⅰ≤80≥3.5≥15＜1.0生产优质膨胀珍珠岩Ⅱ≤150≥2.5≥8＜2.0轻骨料Ⅲ≤250≥2.0≥3泡沫玻璃实验室简易焙烧膨胀倍数K0与工业焙烧膨胀倍数Ks对比

生产工艺技术参数

颗粒粒度—根据产品设计粒度与试验膨胀倍数，倒推换算获得，一般以0.15~0.8mm为宜。

预热—主要目的是排除矿砂中的裂隙水，并将结合水的含量控制在2%~4%范围内。采用回转式烘干机进行预热的控制参数为：预热温度：400~800℃，预热时间：6~8min。

焙烧—主要目的是在珍珠岩砂的软化温度范围内，使玻璃体内的结合水迅速汽化，生产体积膨胀，然后再迅速冷却，形成非晶质微孔结构。一般来讲，珍珠岩的最佳膨胀温度为850~1050℃，但为了在获得玻璃体以前保持必要的水分，须使得预热砂的加热速度尽量地快，焙烧窑的实际最高焙烧温度一般采用1250~1350℃。燃料空气燃料空气去空气分选和成品库利用滚筒干燥机和回转窑生产膨胀珍珠岩工艺流程

膨胀珍珠岩的技术要求技术指标单位产品分类ⅠⅡⅢ堆积密度Kg/m3＜8080~150150~200粒度质量%粒径大于2.5mm:≤5%粒径小于0.15mm:≤8%粒径小于0.15mm：

≤8%粒径小于0.15mm：

≤8%导热系数W/（m.K）＜0.0520.052~0.0640.064~0.076含水率质量%＜2＜2＜23.1.2膨胀珍珠岩制品

膨胀珍珠岩制品的生产工艺后处理配料搅拌压制成型成品固化处理

水泥膨胀珍珠岩制品典型配方胶结剂品种强度≥32.5MPa体积配合比胶结剂/膨胀珍珠岩水灰比压缩比松散体积/制品体积硅酸盐

水泥1:10~1:142.11.6~1.8低钙铝酸盐水泥1:3~1:100.7~1.71.5~1.8高铝水泥1:8~1:101.71.6~2.0

典型膨胀珍珠岩制品工艺—水泥基：配合料经干拌后加水搅拌成颜色均匀一致，无结团的半干料，经压机压制成型后，保湿养护6~10天以上（或85~90℃蒸气养护6~12h），自然干燥即得产品。—石膏基：无须保湿养护，采用半干法成型直接干燥而成。可在建筑工地随做随用，但耐水性不良，主要用于室内。—水玻璃基：水玻璃:膨胀珍珠岩:赤泥（质量比）=43.6:54.6:1.8，成型压力0.4~0.5MPa，成型后的坯体在50~110℃的条件下烘干，然后送入550~650℃的窑炉进行焙烧。—磷酸盐基：以膨胀珍珠岩作骨料，以铝酸铝和少量的硫酸铝、纸浆废液作胶结剂，经配料、搅拌、成型、焙烧制成。制品湿物料质量比：膨胀珍珠岩45.5；磷酸铝溶液34.1；硫酸铝溶液11.3；纸浆废液9.1膨胀珍珠岩制品胶结剂类型表观密度kg/m3σ压MPa导热系数W/m.K使用温度℃特点水泥250~4000.3~0.50.058~0.087耐酸性较弱水玻璃200~3000.5~1.20.048~0.074≤650耐酸性强，耐水性弱磷酸盐200~2500.5~1.00.038~0.045≤1000耐热性强乳化沥青300~3500.3~0.50.07~0.09≤90吸水率低，耐水性强硅酸盐300~4500.3~0.50.07~0.12≤400绝热性能相对较差碳酸盐200~3500.3~0.80.065~0.15≤650典型膨胀珍珠岩制品的物理力学性能

膨胀珍珠岩制品的憎水处理

——对散粒状的膨胀珍珠岩进行憎水处理：①从焙烧窑吹出时直接喷洒憎水剂；②制品生产前将膨胀珍珠岩粒浸入憎水剂溶液中使之润湿。这种方法工艺简单，但憎水剂用量较多。

——直接将憎水剂掺入拌合水中，这种方法憎水效果欠佳。

——将已经成型的制品浸入憎水剂溶液中浸泡几分钟然后重新烘干，这种方法憎水剂消耗最少，但两次干燥，生产周期长。

憎水处理方法——采用甲基硅醇钠或可溶性硅油溶液作憎水剂，浓度在1%左右，憎水处理后，膨胀珍珠岩制品的吸水率可减少33%~44%，吸湿性可降低50%~60%。——憎水剂也可采用硬脂酸及硬脂酸盐、石蜡乳液、沥青乳液或其它建筑防水涂料。——膨胀珍珠岩的造壳：拌制混合料时，用碱水、水玻璃、硼砂、硼酸等进行预湿，将在珍珠岩颗粒表面形成一个低熔点区（一般在800℃以下）。制品烘干后在800~900℃的窑炉内进行焙烧时，该层将发生熔融，冷却后即在珍珠岩颗粒表面形成一层致密坚硬的外壳，使制品的吸水性和吸湿性都大大减弱，导热系数降低，制品强度提高。3.1.3产品性能及其影响因素

膨胀性能及其影响因素

矿石中的含水量—珍珠岩中的水有两种