【正文】 1 深 圳 大 學 本 科 畢 業(yè) 論 文（設計） 題目 : 球磨工藝對鎢摻雜磷酸鋰靶材性能的影響 姓名 : 專業(yè) : 材料科學與工程 學院 : 材料學院 學號 : 指導教師 : 職稱 : 教授 2021 年 4 月 22 日 2 目錄 摘要 ............................................................... 4 ............................................................. 4 陶瓷濺射靶材概述 ............................................ 4 磷酸鋰靶材的發(fā)展現狀 ........................................ 4 Li3PO4 的基本性質 ...................................... 4 LiPON 電解質薄膜概述 ................................... 5 磷酸鋰靶材的應用 ....................................... 5 LiPON 薄膜和磷酸鋰靶材存在問題及改性 ........................ 6 ................................................. 7 粉體的特殊性質與制備方法 .................................... 7 球磨的原理 .................................................. 8 造粒 ........................................................ 9 壓制方式 .................................................... 9 靶材燒結技術 ............................................... 10 ........................................................ 11 實驗試劑與儀器 ............................................. 11 實驗流程 ................................................... 12 實驗步驟 ................................................... 12 原材料及配方 .......................................... 12 球磨與混料 ............................................ 13 粉末預燒 .............................................. 13 3 添加成型劑 ............................................ 14 造粒 .................................................. 14 壓制成型 .............................................. 14 脫膠及高溫燒結 ........................................ 14 果表征與分析 .................................................. 16 XRD 物相分析 ................................................ 16 SEM 微觀形貌分析 ........................................... 17 失重率 ..................................................... 18 收縮率 ..................................................... 18 相對密度 ................................................... 19 力學性能測試 ............................................... 20 抗彎強度 .............................................. 20 維氏硬度 .............................................. 21 ............................................................ 22 參考文獻 ...........................................錯誤 !未定義書簽。 致謝 ............................................................... 1 Abstract .......................................................... 26 4 球磨工藝對鎢摻雜磷酸鋰靶材性能的影響 【摘要】 本文采用常壓燒結法制備碳化鎢 摻雜磷酸鋰陶瓷靶材，通過改變碳化鎢磨球與磷酸鋰粉末原料質量比大小，從而研究不同鎢摻雜量對磷酸鋰靶材性能的影響。通過對比其晶體結構、微觀組織形貌、收縮率、相對密度、抗彎強度和維氏硬度等性能的變化，確定鎢摻雜磷酸鋰陶瓷靶材的最佳制備工藝。隨著球料比增大，靶材的相對密度呈先上升后下降的趨勢；通過 XRD物相分析、 EDS能譜分析以及 SEM 顯微形貌觀察，發(fā)現當球料比增加至 4:1 時出現第二相 WO3化合物，導致靶材的性能降低。研究表明， WC 球料比為 2:1的條件下獲得的 W摻雜磷酸鋰陶瓷靶材的綜合性能最佳 ,靶材的相對密度達到 %,抗彎強度達到 ,維氏硬度達 。 【 關鍵字 】 碳化鎢，摻雜， Li3PO4靶材，球料比 靶材是一種具有高附加值的特種電子材料， 是濺射薄膜材料的源極。 主要應用于電子信息產業(yè)、玻璃鍍膜、耐磨材料和高檔裝飾等領域。隨著電子產業(yè)的蓬勃發(fā)展， 對電子元件的電光、電磁、壓電等性能的要求不斷地提高，就需要采用濺射技術以制備出各種優(yōu)異性能的非金屬薄膜。也因此需要多種與各種薄膜材料相適應的的陶瓷濺射靶材 [1]。陶瓷濺射靶材作為產業(yè)的基礎技術，其 市場規(guī)模日益漲大，已得到空前的發(fā)展。 目前，日本和德國是世界從事靶材生產的先進國家， 而且從 世界各國在美國申請的靶材專利數量 來看， 日本在靶材 領域 的研制、開發(fā)與生產方面居世界領先地位 [2]。我國新型薄膜材料的研究也取得 相當大的 進展，已逐漸成為了世界上薄膜靶材的最大需求地區(qū)之一 。 濺射鍍膜作為一種先進的制備薄膜材料制備技術，具有“高速”及“低溫”兩大特點，它了利用離子源產生的離子，在真空中加速聚集成高速離子流，轟擊靶材表面，離子和靶材表面的原子發(fā)生動能交換，使靶材表面的原子離開靶材并沉積在基材表面，形成一定 厚度的均勻的納米 (或微米 )薄膜 [3]。 LiPON 電解質薄膜 及磷酸鋰靶材的發(fā)展現狀 Li3PO4的基本性質 磷酸鋰 (Li3PO4)是一種無色斜方晶體或白色晶體，與橄欖石相似，理論密度為 ，熔點為 837℃ ，溶于氨水和酸溶液，微溶于水，不溶于丙酮。 Li3PO4是一種耐高溫材料， 加熱至赤熱時，不熔融，不造渣，也不分解。 Li3PO4是 目前 生產 彩色熒光粉的理想原料 ，因為其 光照短但光效時間長 ，且 無放射性 、 低成本 ，可以投入大量生產 。在作為微電源方面，磷酸鋰作為靶材制備的 LiPON薄膜是被最廣泛應用的電解質薄膜 [3]；在化工上可做催化劑，用于制備烯丙醇 [4]，此外還用在氣體體敏感器中 [5]、特種激光玻璃 [6]、光盤、陶瓷材料等。此外還可以制備鋰離子二次電池的正極材料磷酸亞鐵鋰 [7]。 5 LiPON 電解質薄膜概 述 全固態(tài)薄膜鋰電池是一種薄膜化的鋰 /鋰離子電池，是利用各種成膜技術在某種襯底 (如單晶硅片 )上依次沉積正極集流體、正極膜、固體電解質膜、負極膜、負極集流體來構成?？梢灾苽涑啥喾N尺寸和形狀，與傳統的鎳電池相比，具 有更高的比能量，更優(yōu)越的充放電循環(huán)性能，自放電速率小，無記憶效應；與液態(tài)電解液鋰離子電池相比，具有很好的安全性，不存在氣脹、電解液分解的問題，工作溫度范圍廣，耐振動、沖擊。 隨著動態(tài)隨機存儲器（ DRAMS）、微傳感器、微電機械系統（ MEMS）、 CMOS 芯片以及植入體內的醫(yī)用系統等微電子器件超微型化的發(fā)展，全固態(tài)薄膜鋰電池憑借著其自身的多個優(yōu)點，近年來在國內外得到廣泛關注，部分國家已實現工業(yè)化生產，無論是在民用還是軍事上都展現出廣闊的應用前景。 Li3+xPO4xNx （（ x=~），后簡稱 LiPON））固態(tài)電解質薄膜是全固態(tài)薄膜鋰電池的一種重要組成部分 ,是當前全固態(tài)薄膜鋰電池研究中應用最為廣泛的電解質薄膜。由于 LiPON 與低電極電位的金屬鋰陽極和高電極電位的過渡金屬氧化物陰極接觸時都非常穩(wěn)定，采用 LiPON 電解質薄膜可以很好地克服鋰枝晶的生長以及鈍化層的不斷增厚和電池循環(huán)壽命低等問題 [8]。 磷酸鋰靶材的應用 Li3PO4 靶材主要作為濺射源極用來制備 LiPON 薄膜。利用 Li3PO4 靶材所制備的 LiPON 電解質薄膜作為金屬鋰電極的表面保護膜層，致密平整、無針孔裂縫等 缺陷的 LiPON 薄膜可以完全隔離正負極材料并與正負極材料具有良好的接觸界面，具有優(yōu)異的薄膜電解質功能。因此，制備出優(yōu)良性能的磷酸鋰靶材，才容易獲得高性能的 LiPON 電解質薄膜。 美國橡樹嶺國家實驗室的 Bates[9]等采用磁控濺射在 N2 氣氛下，反應性濺射 Li3PO4靶材的方法制備出 LiPON 薄膜，鋰磷酸鹽中的橋氧 (O)和非橋氧 (=O)分別被兩配位氮 (=N)和三配位氮取代后，形成的具有交聯微結構的 LiPON，其離子電導率比 Li3PO4 高近兩個數量級， 25℃時離子電導率可達(177。 ) 106S/cm；電化學穩(wěn)定窗口 (與 Li 接觸 )達 以上，這樣寬的電化學窗口十分便于在實際應用過程的快速充放電。 LiPON 電解質在 26～ 140℃范圍內不會發(fā)生相的變化，熱穩(wěn)定性良好；電子電導率不高于 1010S/cm，其薄膜鋰電池在存放了 12 個月之后自放電現象幾乎沒有發(fā)生。這種LiPON 電解質已作為固態(tài)電解質制備了 Li/LiPON/LiCoO2 和 Li/LiPON/V2O5 等全固態(tài)薄膜鋰電池[10]。 Zhao 等 [11]利用脈沖激光濺射 Li3O4靶材的方法制備的 LiPON 薄膜，在室溫時，電導率達到了 106S/cm。劉文元等 [15]利用電子束蒸發(fā)和氮等離子體輔助一起制備出非晶態(tài)結構的 LiPON 電解質，離子導電率可達 107S/cm，電化學穩(wěn)定窗口在高于 。 由于薄膜技術不斷發(fā)展，很多科研人員已經通過不同的制備技術制備出固態(tài)薄膜鋰離子電池[12]。由于 LiPON 具有電化學窗口寬、熱力學穩(wěn)定性好和離子電導率高等優(yōu)點，在全固態(tài)薄膜鋰電池研究領域，已成為的最佳電解質薄膜材料。它的出現推動了全固態(tài)薄膜鋰離子電池的發(fā)展，并且它還是一種被 ITN 公司商業(yè)化使用的薄膜鋰電池電解質。正因如此，科研對制備出高 純度的、性能優(yōu)良的 Li3PO4 靶材提出了新的要求。 6 LiPON 薄膜和磷酸鋰靶材存在問題及改性 關于 LiPON薄膜在不同氣氛中的穩(wěn)定性研究不多 ,與之相關的研究僅有 Brike[10]和 Vereda[13]等分分別研究了 LiPON 薄膜在水溶液中的變化。由于全固態(tài)薄膜電池制備工藝條件和使用條件的限制，LiPON 薄膜與潮濕空氣的接觸有時是難以避免的。因此 ,研究 LiPON 薄膜在空氣中放置后組分的變化以及由于組分的改變而引起的電學和電化學性質的變化，對制備全 固態(tài)薄膜電池以及 LiPON 薄膜在其他方面的應用都具有重要的意義。國外學