CN102383104A - 微球薄膜制备装置与真空蒸发技术制备碳化硼微球薄膜和靶丸的方法 - Google Patents

Abstract

一种磁吸附微球薄膜制备装置，包括电机、系杆、固定盘、磁体和筛网。一种制备微球碳化硼薄膜的方法，使用安装有上述磁吸附微球薄膜制备装置的电子束蒸发设备，步骤为：(1)将碳化硼膜料放到电子束蒸发设备的坩埚中，将铁磁性微球形衬底吸附在筛网之下并与筛网接触，使铁磁性微球形衬底位于坩埚正上方20～30cm处；(2)在真空条件进行镀膜，衬底温度为室温～300℃；(3)筛网的转动频率为0.001～0.01Hz，镀膜时束流值控制在80～100mA，镀膜时间以膜层厚度达到要求为限。一种碳化硼空心靶丸的制备方法，将以铁磁性微球为衬底的微球碳化硼薄膜在常压、900～1000℃退火处理后，在其表面开孔露出铁芯衬底，然后放入稀硫酸水溶液中腐蚀至少24小时。

Description

微球薄膜制备装置与真空蒸发技术制备碳化硼微球薄膜和靶丸的方法

技术领域

本发明属于薄膜制备领域，特别涉及一种适用于电子束蒸发技术的微球薄膜制备装置及采用电子束真空蒸发技术制备微球碳化硼薄膜和靶丸的方法。

背景技术

在惯性约束聚变实验研究中，氘氚燃料需要装进一个空心球容器中，这个容器称为靶丸。聚变原理对靶丸烧蚀层(微球薄膜)提出了很高的要求，如较高的球形度、内外表面光滑、壁厚均匀、靶丸直径在1～2mm等。碳化硼是制备惯性约束聚变高增益燃料靶丸的重要材料之一，由于碳化硼材料硬度大，熔点高，柔韧性差，因此在制备碳化硼靶丸上存在较大的困难。

美国Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)的Alan K.Burnham等人采用磁控溅射法，在直径为0.5mm的空心聚苯乙烯微球上仅镀上了厚度0.15-2.0μm的碳化硼薄膜(见Alan K.Burnham，Craig S.Alford，Daniel M.Makowiecki，et al.Evalutation of B4C as an Ablator Materialfor NIF Capsules.FUSION TECHNOLOGY，31(4)：456-462 JUL 1997)，该壁厚的微球薄膜远未达到靶丸烧蚀层的厚度指标要求。

ZL 200910060287.6公开了一种电子束蒸发技术制备微球碳化硼薄膜的方法与装置，所述装置为三维沉积装置，包括电机、触杆I、触杆II、活塞式压板、套筒、弹簧、支撑板和筛网反弹盘；支撑板的一端与筛网反弹盘连接，套筒固定在支撑板上，弹簧安装在套筒内，活塞式压板与套筒为动配合，活塞式压板的下端面与弹簧上端接触，活塞式压板的上端面与触杆II的一端连接，触杆II的自由端为斜面，触杆I至少为1根，安装在与电机外壳固连的连接件上，触杆I的长度为：在电机带动下转至对应于触杆II的位置时与触杆II接触并触动触杆II运动。因此，在电机的带动下触杆I与触杆II的自由端间隙式接触，从而实现筛网反弹盘的振动，并使放置在筛网反弹盘里的微球形衬底跳动，通过调整电子枪束流、沉积时间、筛网反弹盘振动频率等工艺参数，得到各种不同结构(物相、厚度、粗糙度)的微球碳化硼薄膜。此种方法和装置在微球碳化硼薄膜制备方面虽然是一种创新，并具有有益的技术效果，但在镀膜过程中，由于微球衬底之间会发生碰撞，微球衬底与筛网反弹盘壁间会发生碰撞，因而对膜层表面会造成一定程度的损伤，另一方面，膜料蒸汽流要透过筛网后才能沉积在微球衬底上，筛网的存在阻隔了部分膜料蒸汽流，因而降低了膜料的沉积速率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种磁吸附微球薄膜制备装置及使用该装置通过电子束真空蒸发技术制备微球碳化硼薄膜和靶丸的方法，以提高膜料的沉积速率，获得厚度均匀、表面光滑且无损伤的微球碳化硼薄膜。

本发明所述微球碳化硼薄膜是在铁磁性微球衬底上沉积的碳化硼薄膜，微球衬底的球径根据靶丸需要确定，但一般在1mm～2mm。

本发明所述磁吸附微球薄膜制备装置，包括电机、系杆、固定盘、磁体和筛网，所述系杆至少为三根，各系杆的一端与电机的转动部件连接且沿电机转动部件的圆周等间隔分布，各系杆的另一端与筛网连接，磁体为多个，相隔一定间距安装在固定盘的下端面上，安装有磁体的固定盘位于电机、筛网和系杆围成的空间内，其下端面朝向筛网，当安装有磁体的固定盘通过杆件固定在电子束蒸发设备的真空室内时，其下端面与筛网之间的间距h₁控制在：0＜h₁≤3mm。

为了更好地实现发明目的，本发明还采取了以下技术措施：

1、在固定盘上设置和安装磁体时，相邻磁体之间的间距以各磁体产生的磁场不会改变其它磁体吸附的铁磁性微球衬底的位置为准。固定盘上所安装磁体的数量根据固定盘的面积和上述磁体之间间距的要求确定。

2、为了使筛网在转动过程中能产生振动，系杆选用弹性杆，优选直径1mm～3mm的钢丝作为系杆。

3、固定盘由在室温～300℃温度区间不变形的非铁磁性材料(例如桐木、耐高温特种工程塑料聚酰亚胺、聚四氟乙烯等)制作。

4、筛网网丝由在室温～300℃温度区间不变形的材料(例如不锈钢、磷铜、黄铜等)制作，其网孔的孔径小于铁磁性微球衬底的球径。

本发明所述磁吸附微球薄膜制备装置的工作原理：通过固定盘下端面安装的磁体将铁磁性微球形衬底吸附在筛网之下并与筛网接触(一个磁体吸附一个铁磁性微球形衬底)，当电机带动筛网转动时，所述微球形衬底在筛网所施加的摩擦力与筛网振动的共同作用下随机滚动，在滚动状态下进行镀膜。

本发明所述电子束蒸发技术制备微球碳化硼薄膜的方法，使用安装有上述磁吸附微球薄膜制备装置的电子束蒸发设备，包括以下步骤：

(1)将碳化硼膜料放到电子束蒸发设备的坩埚中，将清洗、干燥后的铁磁性微球形衬底吸附在微球薄膜制备装置的筛网之下并与筛网接触，使铁磁性微球形衬底位于坩埚正上方20cm～30cm处；

(2)在真空条件进行镀膜，镀膜真空度不低于3.0×10^-3Pa；衬底温度为室温～300℃；

(3)调节电子束使其聚焦到碳化硼膜料上的束斑最小(由操作者观察束斑大小即可确定)，调节所述磁吸附微球薄膜制备装置，使筛网的转动频率为0.001Hz～0.01Hz，镀膜时束流值控制在80mA～100mA，镀膜时间以膜层厚度达到要求的尺寸为限。

本发明所述碳化硼空心靶丸的制备方法，是将以铁磁性微球为衬底的微球碳化硼薄膜在常压、900℃～1000℃退火处理后，在其表面开孔露出铁芯衬底，然后放入稀硫酸水溶液中，在常压、室温腐蚀至少24小时形成碳化硼空心靶丸，继后将所形成碳化硼空心靶丸进行清洗，清洗次数以去除残留的硫酸为限。

本发明所述碳化硼空心靶丸的制备方法，稀硫酸水溶液的浓度优选2mol/L～3mol/L。碳化硼空心靶丸的清洗用去离子水或/和乙醇，若用去离子水和乙醇，则先用去离子水清洗，再用乙醇清洗。

本发明具有以下有益效果：

1、使用本发明所述磁吸附微球薄膜制备装置，采用本发明所述电子束真空蒸发技术制备微球碳化硼薄膜的方法，不仅可在铁磁性微球衬底上沉积厚度均匀、表面光滑且无损伤的微球碳化硼薄膜，而且可提高膜料的沉积速率，缩短形成膜的时间(见实施例5和对比例)。

2、本发明所述方法制备的碳化硼靶丸，不仅具有较高的球形度，而且内外表面光滑、壁厚均匀。

3、本发明所述磁吸附微球薄膜制备装置，结构简单，易于加工制作，成本低廉，不仅可用于碳化硼薄膜的沉积，还可用于其它种类薄膜在铁磁性微球衬底上的沉积，为电子束蒸发技术制备微球薄膜提供了一种新型的装置。

附图说明

图1是本发明所述磁吸附微球薄膜制备装置的一种结构示意图，图中，1-电机，2-系杆、3-固定盘、4-磁体、5-筛网、6-铁磁性微球衬底。

图2是磁体在固定盘上的一种分布与安装示意图，图中，3-固定盘、4-磁体。

图3是本发明所述磁吸附微球薄膜制备装置在真空镀膜设备中的安装示意图，图中，1-电机，2-系杆、3-固定盘、5-筛网、6-铁磁性微球衬底、7-真空室、8-蒸发源。

图4是实施例2所制备的碳化硼微球薄膜放大80倍的扫描电镜照片(SEM)，图中，照片A的滚动速率2.55mm/s，照片B的滚动速率1.77mm/s，照片C的滚动速率0.24mm/s。

图5是实施例2所制备的碳化硼微球薄膜放大4000倍的扫描电镜照片(SEM)，图中，照片A的滚动速率2.55mm/s，照片B的滚动速率1.77mm/s，照片C的滚动速率0.24mm/s。

图6是实施例3所制备的碳化硼靶丸的SEM照片，图中，照片a、b、c、d所示靶丸的退火温度分别为850℃、900℃、950℃、1000℃。

图7是实施例4所制备的碳化硼靶丸的SEM照片，图中，照片a、b、c所示靶丸分别用浓度为2.63mol/L、2.30mol/L、2.04mol/L的稀硫酸水溶液腐蚀而成。

图8是使用本发明所述磁吸附微球薄膜制备装置、采用发明所述方法、以直径为1mm的铁磁性微球为衬底所制备的碳化硼微球薄膜的X光照片，碳化硼膜层的厚度为11μm，沉积时间为41.5h，沉积速率为0.265μm/h(实施例5)。

图9是使用ZL200910060287.6所述三维沉积装置和方法、以直径为1mm的玻璃微球为衬底所制备的碳化硼微球薄膜的X光照片，碳化硼膜层的厚度为10μm，沉积时间为100h，沉积速率为0.1μm/h(对比例)。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明所述磁吸附微球薄膜制备装置与真空蒸发技术制备碳化硼微球薄膜和靶丸的方法作进一步说明。

实施例1

本实施例中，磁吸附微球薄膜制备装置的结构如图1所示，包括电机1，系杆2、固定盘3、磁体4和筛网5。电机1选用型号为80YYJP25-3的电机，系杆2为三根，用直径为1mm的钢丝制作，固定盘3为桐木或聚四氟乙烯制作的圆形板，磁体4为钐钴磁体，规格为2.10×4.10×7.20mm³，相邻磁体之间的间距L≥20mm，磁体4安装在固定盘3上且等间距分布，如图2所示，筛网为300目不锈钢筛网。各构件的组装方式及在真空镀膜设备中的安装位置如图3所示：各系杆的一端与电机1的转动部件连接且沿电机转动部件的圆周等间隔分布，各系杆的另一端与筛网5连接，安装有磁体的固定盘位于电机1、筛网5和系杆2围成的空间内，其下端面朝向筛网，当安装有磁体的固定盘通过杆件固定在电子束蒸发设备的真空室内时，其下端面与筛网5之间的间距h₁控制在：0＜h1≤3mm。

下述各实施例所用的电子束蒸发设备(C6型电子束镀膜机)的真空室中均安装有本实施例所述的磁吸附微球薄膜制备装置。

实施例2

铁磁性微球衬底在不同滚动速率下(即不同位置处)沉积碳化硼薄膜。

(1)微球衬底及膜料的准备

所用的铁磁性微球衬底由浙江上虞源源钢球有限公司提供，直径为1mm，铁磁性微球型号为440C，微球等级为16。

所用碳化硼膜料呈颗粒状(颗粒大小3mm左右)，纯度为99.5％，由江西海特新材料有限公司提供。

(2)镀膜

将碳化硼膜料放到电子束蒸发设备的坩埚中，将清洗、干燥后的球径为1mm的铁磁性微球衬底6吸附在磁吸附微球薄膜制备装置的筛网5之下并与筛网接触，使铁磁性微球衬底位于坩埚正上方20cm处；关好真空室，抽真空至3×10^-3Pa，按照顺序打开电控柜上的电源开关、灯丝开关，调节灯丝电流在0.3A，预热10分钟；开偏转、聚焦开关，选择高压为6kV，调节束流为5mA，调节偏转X轴、Y轴，使聚焦在碳化硼膜料上的束斑最小，加大束流、控制束流值在100mA；铁磁性微球衬底6的温度控制在200℃，控制电机1的转速，使筛网5以0.0017Hz的频率转动，距筛网中心不同距离的铁磁性微球衬底6将以不同的速率滚动；沉积49h后，关闭挡板及电控柜的各个开关，真空室温度降至室温后，取出沉积有碳化硼薄膜的微球薄膜样品。

在上述工艺条件，处于筛网不同位置处的微球具有不同的滚动速率，因此可获得沉积时间相同、滚动速率不同的样品。在所获样品中，选取三个样品A、B、C，它们的滚动速率分别为：A、2.55mm/s，B、1.77mm/s，C、0.24mm/s。做扫描电镜(SEM)测试，放大倍数为80的照片见图4，放大倍数为4000的照片见图5。从图4可以看出，随着滚动速率的降低，碳化硼膜逐渐光滑。从图5可以看出，滚动速率较慢时，所得膜层微观表面更为平整。

实施例3

(1)微球衬底及膜料的准备

所用的铁磁性微球衬底和碳化硼膜料与实施例2相同。

(2)镀膜

将碳化硼膜料放到电子束蒸发设备的坩埚中，将清洗、干燥后的球径为1mm的铁磁性微球衬底6吸附在磁吸附微球薄膜制备装置的筛网5之下并与筛网接触，使铁磁性微球衬底位于坩埚正上方30cm处；关好真空室，抽真空至3×10^-3Pa，按照顺序打开电控柜上的电源开关、灯丝开关，调节灯丝电流在0.3A，预热10分钟；开偏转、聚焦开关，选择高压为6kV，调节束流为5mA，调节偏转X轴、Y轴，使聚焦在碳化硼膜料上的束斑最小，加大束流、控制束流值在80mA；铁磁性微球衬底6的温度控制在室温(约30℃)，控制电机1的转速，使筛网5以0.005Hz的频率转动；沉积64h后，关闭挡板及电控柜的各个开关，真空室温度降至室温后，取出沉积有碳化硼薄膜的微球薄膜样品。

(3)碳化硼空心靶丸的制备

将步骤(2)中制备好的微球薄膜样品分为四组，各组分别在850℃、900℃、950℃、1000℃退火保温1h后随炉冷却至室温，然后在退火处理后的各组微球薄膜样品表面开孔，露出铁芯衬底，并放入浓度2.30mol/L的稀硫酸水溶液中，在常压、室温下腐蚀24h，腐蚀时间届满后，先用去离子水清洗三次，再用乙醇清洗一次，所获得的碳化硼空心靶丸见图6，图6中，照片a、b、c、d所示靶丸的退火温度分别为850℃、900℃、950℃、1000℃。从图6可以看出850℃退火的靶丸不能自持，900℃与大于900℃退火的靶丸可以自持，且随着温度的升高，靶丸球形度变差，表面越粗糙。

实施例4

(1)微球衬底及膜料的准备

所用的铁磁性微球衬底和碳化硼膜料与实施例2相同。

(2)镀膜

将碳化硼膜料放到电子束蒸发设备的坩埚中，将清洗、干燥后的球径为1mm的铁磁性微球衬底6吸附在磁吸附微球薄膜制备装置的筛网5之下并与筛网接触，使铁磁性微球衬底位于坩埚正上方30cm处；关好真空室，抽真空至3×10^-3Pa，按照顺序打开电控柜上的电源开关、灯丝开关，调节灯丝电流在0.3A，预热10分钟；开偏转、聚焦开关，选择高压为6kV，调节束流为5mA，调节偏转X轴、Y轴，使聚焦在碳化硼膜料上的束斑最小，加大束流、控制束流值在80mA；铁磁性微球衬底6的温度控制在室温(约30℃)，控制电机1的转速，使筛网5以0.005Hz的频率转动；沉积64h后，关闭挡板及电控柜的各个开关，真空室温度降至室温后，取出沉积有碳化硼薄膜的微球薄膜样品。

(3)碳化硼空心靶丸的制备

将步骤(2)中制备好的微球薄膜样品在900℃退火保温1h后随炉冷却至室温，然后将退火处理后的微球薄膜样品分为三组，在各组微球薄膜样品表面开孔，露出铁芯衬底，并将各组微球薄膜样品分别放入浓度为2.63mol/L、2.30mol/L、2.04mol/L的稀硫酸水溶液中，在常压、室温下腐蚀24h，腐蚀时间届满后，先用去离子水清洗三次，再用乙醇清洗一次，所获得的碳化硼空心靶丸见图7，图7中，照片a、b、c所示靶丸所用稀硫酸水溶液的浓度分别为2.63mol/L、2.30mol/L、2.04mol/L。

实施例5

(1)微球衬底及膜料的准备

所用的铁磁性微球衬底和碳化硼膜料与实施例2相同。

(2)镀膜

将碳化硼膜料放到电子束蒸发设备的坩埚中，将清洗、干燥后的球径为1mm的铁磁性微球衬底6吸附在磁吸附微球薄膜制备装置的筛网5之下并与筛网接触，使铁磁性微球衬底位于坩埚正上方25cm处；关好真空室，抽真空至3×10^-3Pa，按照顺序打开电控柜上的电源开关、灯丝开关，调节灯丝电流在0.3A，预热10分钟；开偏转、聚焦开关，选择高压为6kV，调节束流为5mA，调节偏转X轴、Y轴，使聚焦在碳化硼膜料上的束斑最小，加大束流、控制束流值在100mA；铁磁性微球衬底6的温度控制在100℃，控制电机1的转速，使筛网5以0.01Hz的频率转动，距筛网中心不同距离的铁磁性微球衬底6将以不同的速率滚动；沉积41.5h后，关闭挡板及电控柜的各个开关，真空室温度降至室温后，取出沉积有碳化硼薄膜的微球薄膜样品，其X光照片见图8，从图8可以看出，所得到的碳化硼微球薄膜样品的膜厚为11μm，经计算，沉积速率为0.265μm/h。

对比例

使用ZL200910060287.6所述三维沉积装置和方法制备碳化硼微球薄膜。

(1)膜料的制备

原料是纯度为99.9％的硼粉和纯度为99.99％的碳粉，碳粉与硼粉的摩尔比为1∶4；将碳粉和硼粉球磨1小时，混合均匀，然后在真空烧结炉中烧结，真空度0.01Pa，以30℃/分钟的升温速率从室温升温到1900℃，保温时间为1小时，保温后以20℃/分钟的降温速率降到室温，得到碳化硼粉料。将碳化硼粉料压结成圆片(圆片直径20mm，厚度40mm)，再将所述圆片于200MPa等静压(5分钟)致密化后在真空烧结炉中烧结，真空度为0.1Pa，以20℃/分钟的升温速率从室温升温到1600℃，保温时间为0.5小时，保温后以20℃/分钟的降温速率降到室温，得到密度为2.4g/cm³的块状碳化硼膜料。

(2)镀膜

将步骤(1)制备的碳化硼膜料放到电子束蒸发设备的坩埚中，将清洗、干燥后的球径为1mm的微球形玻璃衬底放到三维沉积装置的筛网反弹盘里，使微球形衬底位于坩埚正上方25cm处；关好钟罩，抽真空至1×10^-2Pa，打开烘烤开关，对真空室烘烤10分钟，微球形玻璃衬底温度控制在室温(约30℃)，继续抽真空，当真空度达到5×10^-3Pa时，按照顺序打开电控柜上的电源开关、灯丝开关，调节灯丝电流在0.5A，预热10分钟；开偏转、聚焦开关，选择高压为6kV，调节束流为5mA，调节偏转X轴、Y轴，使聚焦在碳化硼膜料上的束斑最小，加大束流、控制束流值在100mA，使筛网反弹盘以0.25Hz的频率振动，沉积时间为100h；关闭挡板及电控柜的各个开关，取出沉积有碳化硼薄膜的微球薄膜样品，其X光照片见图9，从图9可以看出，所得到的碳化硼微球薄膜样品的膜厚为10μm，经计算，沉积速率为0.1μm/h。

从实施例5和对比例可以看出，本发明所述磁吸附微球薄膜制备装置和方法相对于ZL200910060287.6所述三维沉积装置和方法，沉积速率明显提高。

Claims (10)

1.一种磁吸附微球薄膜制备装置，包括电机(1)，其特征在于还包括系杆(2)、固定盘(3)、磁体(4)和筛网(5)，所述系杆(2)至少为三根，各系杆的一端与电机(1)的转动部件连接且沿电机转动部件的圆周等间隔分布，各系杆的另一端与筛网(5)连接，磁体(4)为多个，相隔一定间距安装在固定盘(3)的下端面上，安装有磁体的固定盘位于电机(1)、筛网(5)和系杆(2)围成的空间内，其下端面朝向筛网，当安装有磁体的固定盘通过杆件固定在电子束蒸发设备的真空室内时，其下端面与筛网(5)之间的间距h₁控制在：0＜h₁≤3mm。

2.根据权利要求1所述磁吸附微球薄膜制备装置，其特征在于相邻磁体之间的间距以各磁体产生的磁场不会改变其它磁体吸附的铁磁性微球衬底(6)的位置为准。

3.根据权利要求1或2所述磁吸附微球薄膜制备装置，其特征在于系杆(2)为弹性杆。

4.根据权利要求3所述适用于电子束蒸发技术的微球薄膜制备装置，其特征在于所述弹性杆为直径1mm～3mm的钢丝。

5.根据权利要求1或2所述磁吸附微球薄膜制备装置，其特征在于固定盘(3)由在室温～300℃温度区间不变形的非铁磁性材料制作。

6.根据权利要求1或2所述磁吸附微球薄膜制备装置，其特征在于筛网(5)由在室温～300℃温度区间不变形的材料制作，其网孔的孔径小于铁磁性微球衬底(6)的球径。

7.一种电子束蒸发技术制备微球碳化硼薄膜的方法，其特征在于使用安装有权利要求1至6中任一权利要求所述磁吸附微球薄膜制备装置的电子束蒸发设备，步骤如下：

1)将碳化硼膜料放到电子束蒸发设备的坩埚中，将清洗、干燥后的铁磁性微球形衬底吸附在磁吸附微球薄膜制备装置的筛网之下并与筛网接触，使铁磁性微球衬底位于坩埚正上方20cm～30cm处；

2)在真空条件进行镀膜，镀膜真空度不低于3.0×10^-3Pa；衬底温度为室温～300℃；

3)调节电子束使其聚焦到碳化硼膜料上的束斑最小，调节所述磁吸附微球薄膜制备装置，使筛网的转动频率为0.001Hz～0.01Hz，镀膜时束流值控制在80mA～100mA，镀膜时间以膜层厚度达到要求的尺寸为限。

8.一种碳化硼空心靶丸的制备方法，其特征在于将权利要求7所制备的以铁磁性微球为衬底的微球碳化硼薄膜在常压、900℃～1000℃退火处理后，在其表面开孔露出铁芯衬底，然后放入稀硫酸水溶液中，在常压、室温腐蚀至少24小时，即形成碳化硼空心靶丸，继后将所形成碳化硼空心靶丸进行清洗，清洗次数以去除残留的硫酸为限。

9.根据权利要求8所述碳化硼空心靶丸的制备方法，其特征在于稀硫酸水溶液的浓度为2mol/L～3mol/L。

10.根据权利要求8或9所述碳化硼空心靶丸的制备方法，其特征在于碳化硼空心靶丸的清洗用去离子水或/和乙醇。

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