毕业设计论文球磨工艺对钨掺杂磷酸锂靶材性能的影响.doc

深 圳 大 学本 科 毕 业 论 文（设计） 题目: 球磨工艺对钨掺杂磷酸锂靶材性能的影响 姓名: 李智聪 专业: 材料科学与工程 学院: 材料学院 学号: 2011200036 指导教师: 杨海涛 职称: 教授 2015 年 4 月 22 日深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目《球磨工艺对钨掺杂磷酸锂靶材性能的影响》 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果本人完全意识到本声明的法律结果 毕业论文（设计）作者签名： 日期： 2015年 4月 22日目录摘要 51.前言 51.1陶瓷溅射靶材概述 51.2磷酸锂靶材的发展现状 51.2.1 Li3PO4的基本性质 51.2.2 LiPON电解质薄膜概述 61.2.3磷酸锂靶材的应用 61.3 LiPON薄膜和磷酸锂靶材存在问题及改性 72.陶瓷靶材工艺性质 82.1粉体的特殊性质与制备方法 82.2球磨的原理 92.3造粒 102.4压制方式 102.5靶材烧结技术 113.实验部分 123.1实验试剂与仪器 123.2实验流程 133.3实验步骤 133.3.1原材料及配方 133.3.2球磨与混料 143.3.3粉末预烧 143.3.4添加成型剂 153.3.5造粒 153.3.6压制成型 153.3.7脱胶及高温烧结 154.结果表征与分析 174.1 XRD物相分析 174.2 SEM微观形貌分析 184.3失重率 194.4收缩率 204.5相对密度 204.6力学性能测试 214.6.1抗弯强度 214.6.2维氏硬度 225.结论 23参考文献 24致谢 25Abstract 26球磨工艺对钨掺杂磷酸锂靶材性能的影响【摘要】本文采用常压烧结法制备碳化钨掺杂磷酸锂陶瓷靶材，通过改变碳化钨磨球与磷酸锂粉末原料质量比大小，从而研究不同钨掺杂量对磷酸锂靶材性能的影响。

通过对比其晶体结构、微观组织形貌、收缩率、相对密度、抗弯强度和维氏硬度等性能的变化，确定钨掺杂磷酸锂陶瓷靶材的最佳制备工艺随着球料比增大，靶材的相对密度呈先上升后下降的趋势；通过XRD物相分析、EDS能谱分析以及SEM显微形貌观察，发现当球料比增加至4:1时出现第二相WO3化合物，导致靶材的性能降低研究表明，WC球料比为2:1的条件下获得的W掺杂磷酸锂陶瓷靶材的综合性能最佳,靶材的相对密度达到92.24%,抗弯强度达到38.34Mpa,维氏硬度达233.810HV0.3关键字】碳化钨，掺杂，Li3PO4靶材，球料比1.前言1.1陶瓷溅射靶材概述 靶材是一种具有高附加值的特种电子材料，是溅射薄膜材料的源极主要应用于电子信息产业、玻璃镀膜、耐磨材料和高档装饰等领域随着电子产业的蓬勃发展，对电子元件的电光、电磁、压电等性能的要求不断地提高，就需要采用溅射技术以制备出各种优异性能的非金属薄膜也因此需要多种与各种薄膜材料相适应的的陶瓷溅射靶材[【参考文献】[] 吴智华，蒋丹宇，张骋. 陶瓷溅射靶材的发展与应用[J]. 陶瓷科学与艺术,2004,01:43-47.]陶瓷溅射靶材作为产业的基础技术，其市场规模日益涨大，已得到空前的发展。

目前，日本和德国是世界从事靶材生产的先进国家，而且从世界各国在美国申请的靶材专利数量来看，日本在靶材领域的研制、开发与生产方面居世界领先地位[[] 金志浩，高积强，乔冠军.工程陶瓷材料[M].西安: 西安交通大学出版社, 2000:12-13.]我国新型薄膜材料的研究也取得相当大的进展，已逐渐成为了世界上薄膜靶材的最大需求地区之一 溅射镀膜作为一种先进的制备薄膜材料制备技术，具有“高速”及“低温”两大特点，它了利用离子源产生的离子，在真空中加速聚集成高速离子流，轰击靶材表面，离子和靶材表面的原子发生动能交换，使靶材表面的原子离开靶材并沉积在基材表面，形成一定厚度的均匀的纳米(或微米)薄膜[[] 刘文元等.含氮磷酸锂薄膜在空气中的稳定性(M).物理化学学报,2006, 22(11):1413-1418.]1.2 LiPON电解质薄膜及磷酸锂靶材的发展现状1.2.1 Li3PO4的基本性质 磷酸锂(Li3PO4)是一种无色斜方晶体或白色晶体，与橄榄石相似，理论密度为2.439g/cm3，熔点为837℃，溶于氨水和酸溶液，微溶于水，不溶于丙酮Li3PO4是一种耐高温材料，加热至赤热时，不熔融，不造渣，也不分解。

Li3PO4是目前生产彩色荧光粉的理想原料，因为其光照短但光效时间长，且无放射性、低成本，可以投入大量生产在作为微电源方面，磷酸锂作为靶材制备的LiPON薄膜是被最广泛应用的电解质薄膜[3]；在化工上可做催化剂，用于制备烯丙醇[[] 马卫华，韩巧凤，陆路德，等. 酸锂催化剂上环氯丙烷异构化制烯丙醇的研究[J].工业催化. 2005, 13(4):40-43.]，此外还用在气体敏感器中[[] 赵海山.探测空气中甲烷的小型气体敏感器[J].红外与激光工程.1999, 28(2):33-36.]、特种激光玻璃[[] 张龙，黄国松，胡和方.用于微片激光器的Nd3+掺杂四磷酸盐玻璃光谱研究[J].无机材料学报.2001, 16(6):1062-1065.]、光盘、陶瓷材料等此外还可以制备锂离子二次电池的正极材料磷酸亚铁锂[[] Franger S, Cras F Le, Bourbon C. LiFePO4 synthesis routes for enhanced electrochemical performance [J].Electrochemical and solid-state letters,2002, 5(10):A231-A233.]。

1.2.2 LiPON电解质薄膜概述 全固态薄膜锂电池是一种薄膜化的锂/锂离子电池，是利用各种成膜技术在某种衬底(如单晶硅片)上依次沉积正极集流体、正极膜、固体电解质膜、负极膜、负极集流体来构成可以制备成多种尺寸和形状，与传统的镍电池相比，具有更高的比能量，更优越的充放电循环性能，自放电速率小，无记忆效应；与液态电解液锂离子电池相比，具有很好的安全性，不存在气胀、电解液分解的问题，工作温度范围广，耐振动、冲击 随着动态随机存储器（DRAMS）、微传感器、微电机械系统（MEMS）、CMOS芯片以及植入体内的医用系统等微电子器件超微型化的发展，全固态薄膜锂电池凭借着其自身的多个优点，近年来在国内外得到广泛关注，部分国家已实现工业化生产，无论是在民用还是军事上都展现出广阔的应用前景 Li3+xPO4-xNx （（x=0.1~0.6），后简称LiPON））固态电解质薄膜是全固态薄膜锂电池的一种重要组成部分,是当前全固态薄膜锂电池研究中应用最为广泛的电解质薄膜由于LiPON与低电极电位的金属锂阳极和高电极电位的过渡金属氧化物阴极接触时都非常稳定，采用LiPON电解质薄膜可以很好地克服锂枝晶的生长以及钝化层的不断增厚和电池循环寿命低等问题[[] 许晓雄，邱志军，官亦标，等. 全固态锂电池技术的研究现状与展望[J].储能科学与技术，2013, 2(4), 331-332.]。

1.2.3磷酸锂靶材的应用 Li3PO4靶材主要作为溅射源极用来制备LiPON薄膜利用Li3PO4靶材所制备的LiPON电解质薄膜作为金属锂电极的表面保护膜层，致密平整、无针孔裂缝等缺陷的LiPON薄膜可以完全隔离正负极材料并与正负极材料具有良好的接触界面，具有优异的薄膜电解质功能因此，制备出优良性能的磷酸锂靶材，才容易获得高性能的LiPON电解质薄膜 美国橡树岭国家实验室的Bates[[] Bates J B, Dudney N J, Gruzalski G R, et al. Thin-film rechargeable lithium batteries[J]. Journal of Power Sources, 1995, 54(1): 58-62.]等采用磁控溅射在N2气氛下，反应性溅射Li3PO4靶材的方法制备出LiPON薄膜，锂磷酸盐中的桥氧(-O-)和非桥氧(=O)分别被两配位氮(=N-)和三配位氮取代后，形成的具有交联微结构的LiPON，其离子电导率比Li3PO4高近两个数量级，25℃时离子电导率可达2.3(±0.7)×10-6S/cm；电化学稳定窗口(与Li接触)达5.5V以上，这样宽的电化学窗口十分便于在实际应用过程的快速充放电。

LiPON电解质在-26～140℃范围内不会发生相的变化，热稳定性良好；电子电导率不高于10-10S/cm，其薄膜锂电池在存放了12个月之后自放电现象几乎没有发生这种LiPON电解质已作为固态电解质制备了Li/LiPON/LiCoO2和Li/LiPON/V2O5等全固态薄膜锂电池[[10]Wang B, Bates J B, Hart F X, et al. Characterization of thin-film rechargeable lithium batteries with lithium cobalt oxide cathodes [J]. Journal of the Electrochemical Society. 1996, 143(10): 3203-3205.]Zhao等[[] Zhao S L, Fu Z W, Qin Q Z.A solid-state electrolyte lithium phosphorus oxynitride film prepared by pulsed laser deposition [J].Thin Solid Films, 2002, 1:108-113.]利用脉冲激光溅射Li3O4靶材的方法制备的LiPON薄膜，在室温时，电导率达到了1.6×10-6S/cm。

刘文元等[15]利用电子束蒸发和氮等离子体辅助一起制备出非晶态结构的LiPON电解质，离子导电率可达6.0×10-7S/cm，电化学稳定窗口在高于5.0V 由于薄膜技术不断发展，很多科研人员已经通过不同的制备技术制备出固态薄膜锂离子电池[[] Kuwata N, Kawamura J, Toribami K. et al. Thin-film lithium-ion battery with amorphous solid electrolyte fabricated by pulsed laser dep。