第一篇：熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

材料加工原理作業(yè)

——熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

摘要：熱等靜壓法作為材料現(xiàn)代成型技術(shù)的一種，是等靜壓技術(shù)一個分支。目前熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、運輸、電工、電子、化工和冶金等行業(yè)，用于生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品和制備新型材料。本文主要介紹了熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展、工作原理及其應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：熱等靜壓，高壓容器，加熱爐，擴(kuò)散連接，粉末冶金

The Development and Applications of Hot Isostatic Pressing Abstract：Hot isostatic pressing method as a kind of modern molding technology, is a branch of isostatic pressing technology.Hot isostatic pressing technique has been widely used both in aviation, aerospace, energy, transportation, electrical, electronics, chemical industry and metallurgy and other industries, and in the production of high quality products and the preparation of new materials.This article mainly introduced the development of hot isostatic pressing technology, working principle and its application range.Keywords：Hot Isostatic Pressing，High Pressure Vessel, Heating Furnace, Diffusion Bonding, Powder Metallurgy

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目錄 引言………………………………………………………………………………1

1.1 國外熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展………………………………………………1

1.2 國內(nèi)熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展………………………………………………1 2 熱等靜壓設(shè)備及工作原理………………………………………………………3

2.1 熱等靜壓設(shè)備特點………………………………………………………3

2.1.1 高壓容器……………………………………………………………3

2.2.2 加熱爐………………………………………………………………3

2.2.3 壓縮機(jī)和真空泵……………………………………………………4

2.2.4 冷卻裝置……………………………………………………………4

2.2.5 計算機(jī)控制系統(tǒng)……………………………………………………4

2.2 熱等靜壓工藝流程………………………………………………………4

2.3 熱等靜壓工作原理………………………………………………………5 3 熱等靜壓技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域…………………………………………………7

3.1 鑄件的致密化處理………………………………………………………7

3.2 熱等靜壓覆層和熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接………………………………7

3.3 熱等靜壓粉末固結(jié)………………………………………………………8

3.3.1 高溫合金粉末固結(jié)…………………………………………………8

3.3.2 硬質(zhì)合金熱等靜壓…………………………………………………8

3.3.3 高速鋼粉末固結(jié)……………………………………………………8

3.3.4 陶瓷材料粉末固結(jié)………………………………………………9

3.3.5 鈦合金粉末固結(jié)…………………………………………………9

3.4 熱等靜壓工藝在新領(lǐng)域的應(yīng)用…………………………………………9 4 結(jié)論………………………………………………………………………………10 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………11 致謝…………………………………………………………………………………12

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——熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 引言

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP)工藝是一種以氮氣、氬氣等惰性氣體為傳壓介質(zhì)，將制品放置到密閉的容器中，在900～2000℃溫度和100～200MPa壓力的共同作用下，向制品施加各向同等的壓力，對制品進(jìn)行壓制燒結(jié)處理的技術(shù)。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。故加工產(chǎn)品的致密度高、均勻性好、性能優(yōu)異。同時該技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點。1.1 國外熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展

HIP技術(shù)研究始于1955年，由美國Battelle究所為研制核反應(yīng)堆材料而開展的[1]。1965年美國Battelle研究所研制的第一臺熱等靜壓機(jī)的問世，標(biāo)志著熱靜壓技術(shù)設(shè)備的誕生[2]。1972年，在美國與瑞典實現(xiàn)了高速工具鋼的大量熱等靜壓。在1970～1980年，美國空軍材料實驗室將HIP工藝擴(kuò)展到了制造鎳基高溫合金與鈦合金粉的預(yù)成形坯和近終形鍛件。在20世紀(jì)70年代，還發(fā)現(xiàn)可用HIP處理鑄件，在鑄件的主要形狀特征不變形的條件下，使復(fù)雜形狀鑄件內(nèi)部的孔隙永久愈合[3]。

目前，先進(jìn)的熱等靜壓機(jī)為預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式結(jié)構(gòu)，高壓容器的端蓋與缸體間的連接為無螺紋連接。因筒體和框架均采用鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞，所獲的負(fù)預(yù)應(yīng)力可通過計算確定，即使裝置處于工作的最大壓力狀態(tài)時，其強(qiáng)大的應(yīng)力也是由預(yù)應(yīng)力纏繞鋼絲所承受，即應(yīng)力被集中消除，承載區(qū)域獨立安全，同時鋼絲纏繞還起到防爆和屏障的作用[4]。因此，這種結(jié)構(gòu)的熱等靜壓設(shè)備在高溫高壓（2000℃和200 MPa）的工作條件下，無需外加任何特殊的防護(hù)裝置，與老式的螺紋連接結(jié)構(gòu)(端蓋與缸體間)的熱等靜壓機(jī)相比，不但設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊，而且有效地保證了生產(chǎn)的安全性。1.2 國內(nèi)熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展

鋼鐵研究總院從1972年開始研究中國第一臺熱等靜壓機(jī)，并于1986年獲勞動部頒發(fā)的熱等靜壓機(jī)設(shè)計資格證書。鋼鐵研究總院生產(chǎn)的熱等靜壓機(jī)已經(jīng)系列化，目前該院可為用戶提供三個系列不同型號（從實驗室用小型熱等靜壓機(jī)到大型生產(chǎn)用熱等靜壓機(jī)）的熱等靜壓機(jī)。1999年6月在北京成功地舉辦了HIP’99

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熱等靜壓技術(shù)國際會議，與會代表來自瑞典、美國、德國、英國、法國、日本、俄羅斯等13個國家[5]。國際同行對鋼鐵研究總院生產(chǎn)的熱等靜壓機(jī)的水平給予高度的評價。

2005年7月，川西機(jī)器公司采用國內(nèi)領(lǐng)先的高溫/高壓快速冷卻、真空與超高壓隔離、超高壓工作缸等13種關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過3年多的刻苦研制和技術(shù)攻關(guān)，成功地交付給貴州航空工業(yè)集團(tuán)貴州安吉精鑄公司1臺國內(nèi)最大的熱等靜壓機(jī)。該熱等靜壓機(jī)的投入使用，填補(bǔ)了國內(nèi)大型熱等靜壓技術(shù)的空白，為航空、航天、核工業(yè)、電子、冶金、船舶等領(lǐng)域的高溫高強(qiáng)合金、功能陶瓷、復(fù)合材料、超硬材料等高新技術(shù)材料制品的研制和生產(chǎn)創(chuàng)造了條件[6]。

2008年7月份，由鋼鐵研究總院制造的亞洲最大的熱等靜壓機(jī)(φ1250×2500 mm，1350℃，150 MPa)已安裝調(diào)試成功，并正式投入運行。目前己使用該設(shè)備生產(chǎn)出合格的高品質(zhì)粉末渦輪盤[7]。該設(shè)備的研制成功，標(biāo)志著鋼鐵研究總院在熱等靜壓設(shè)備的研發(fā)、制造及使用領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平。

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——熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 熱等靜壓設(shè)備及工作原理

2.1 熱等靜壓設(shè)備特點

熱等靜壓設(shè)備由高壓容器、加熱爐、壓縮機(jī)、真空泵、儲氣罐、冷卻系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中高壓容器為整個設(shè)備的關(guān)鍵裝置。熱等靜壓燒結(jié)示意圖如圖2.1所示。

圖2.1 熱等靜壓燒結(jié)示意圖

2.1.1 高壓容器

目前先進(jìn)的熱等靜壓設(shè)備是由無螺紋、底部封閉鋼絲纏繞的預(yù)應(yīng)力筒體和鋼絲纏繞及預(yù)應(yīng)力框架組成。鋼絲是矩形截面、冷軋彈簧鋼帶，筒體經(jīng)鍛造和熱處理，框架由兩個橫架和兩個立柱組成，金屬外殼包裝，施加了預(yù)應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)特點是：

（1）筒體在切線方向均衡壓縮，可防止軸向斷裂；

（2）框架壓縮均衡，可防止切向斷裂；可靠安全，承載區(qū)域獨立；（3）壓力容器各點應(yīng)力能計算精確；應(yīng)力集中被消除；

（4）筒體、框架沒有承受任何拉力負(fù)載；鋼絲纏繞起防爆、屏障作用。2.2.2 加熱爐

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高質(zhì)量加熱爐是先進(jìn)的熱等靜壓設(shè)備不可缺少的關(guān)鍵部件。目前，加熱爐先進(jìn)安裝方式是插入式，有兩個加熱區(qū)，可設(shè)計3擋最高工作溫度1200℃（用于Fe-Cr-Al加熱爐）、1450℃（用于Mo加熱爐），2000℃（用于石墨加熱爐）和不同氣氛的多臺加熱爐，由于是插入式，用戶可根據(jù)燒結(jié)溫度、氣氛要求，方便地更換加熱爐，每種加熱爐可實現(xiàn)快速升溫，快速冷卻，爐內(nèi)溫差小于±15℃[8]。石墨加熱爐是由碳精和石墨混合、纖維補(bǔ)強(qiáng)的混合材料制成，其強(qiáng)度、可靠性、安全性優(yōu)于常規(guī)純石墨，具有高電阻率，極適用于真空和低電壓工作。2.2.3 壓縮機(jī)和真空泵

熱等靜壓設(shè)備通常采用非注油式電動液壓壓縮機(jī)，省去了壓縮空氣裝置，配置有過壓保護(hù)、防振裝置、自動調(diào)節(jié)部件。真空泵采用旋轉(zhuǎn)葉輪，在產(chǎn)品燒結(jié)中用于真空抽吸，同時抽除容器內(nèi)的氧、潮氣（水分）和其它雜質(zhì)。2.2.4 冷卻裝置

冷卻水通過再生冷卻回路，管道內(nèi)冷卻水與壓力容器外殼進(jìn)行熱交換，采用去離子水和防銹劑，以確保冷卻水的質(zhì)量和保護(hù)冷卻系統(tǒng)。2.2.5 計算機(jī)控制系統(tǒng)

它是由IBM兼容PC、軟盤驅(qū)動、彩色SYGA監(jiān)視器、鍵盤、IBM兼容打印機(jī)輸出、數(shù)據(jù)采集、控制軟件及手動控制支持的臺式部件等組成。在熱等靜壓工藝過程中，可實現(xiàn)溫度、壓力、真空的程序控制，并顯示所有工作狀態(tài)。在程序控制和手動控制之間，可編程控制器提供安全可靠的聯(lián)鎖[9]。2.2 熱等靜壓工藝流程

熱等靜壓工藝有三種，即先升壓后升溫，適用于金屬包套工件的制造；先升溫后升壓，適用于玻璃包套制造符合材料；同時升溫升壓，適用于低壓成型、裝入量大、保溫時間長的工件制造。其工藝流程如圖2.2所示。

圖2.2 熱等靜壓工藝流程圖

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2.3 熱等靜壓工作原理

根據(jù)帕斯卡原理，在一個密封的容器內(nèi)，作用在靜態(tài)液體或氣體的外力所產(chǎn)生的靜壓力，將均勻地在各個方向上傳遞，在其作用的表面積上所受到的壓力與表面積成正比[10]。在高溫高壓作用下，熱等靜壓爐內(nèi)的包套軟化并收縮，擠壓內(nèi)部粉末使其與自己一起運動。高溫高壓同時作用下的粉末的致密化過程與一般無壓燒結(jié)或常溫壓制有很大差異。其致密化過程如圖2.3所示，大致分為以下三個階段：

圖2.3 粉末致密化過程

（1）粒子靠近及重排階段

在加溫加壓開始之前，松散粉末粒子之間存在大量孔隙，同時由于粉末粒子形狀不規(guī)則及表面凹凸不平，他們之間多呈點狀接觸，所以與一個粒子直接接觸的其它粒子數(shù)（粒子配位數(shù)）很少。當(dāng)向粉末施加外力時，在壓應(yīng)力作用下，粉末體可能發(fā)生下列各種情況：隨機(jī)堆疊的粉末將發(fā)生平移或轉(zhuǎn)動而相互靠近；某些粉末被擠進(jìn)臨近空隙之中；一些較大的搭橋孔洞將坍塌等。由于上述變化的結(jié)果，粒子的臨近配位數(shù)明顯增大，從而使粉末體的空隙大大減少，相對密度迅速提高。

（2）塑性變形階段

第一階段的致密化使粉末體的密度已有了很大的提高，粒子之間的接觸面積急劇增大，粒子之間相互抵觸或相互楔住。這是要使粉末體繼續(xù)致密化，可以提高外加壓力以增加粒子接觸面上的壓應(yīng)力，也可升高溫度以降低不利于粉末發(fā)生

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塑性流動的臨界切應(yīng)力。如果同時提高壓力和溫度，對繼續(xù)致密化將更加有效。當(dāng)粉末體承受的壓應(yīng)力超過其屈服切應(yīng)力時，粒子將以滑移方式產(chǎn)生塑性變形。

（3）擴(kuò)散蠕變階段

粉末粒子發(fā)生大量塑性流動后，粉末體的相對密度迅速接近理論密度值。這時，粉末粒子基本上連成一片整體，殘留的氣孔已經(jīng)不再連通，而是彌散分布在粉末基體之中，好像懸浮在固體介質(zhì)中的氣泡。這些氣孔開始是以不規(guī)則的狹長形態(tài)存在，但在表面張力作用下，將球化而成圓形。殘存氣孔在球化過程中其所占體積分?jǐn)?shù)也將不斷減小。粒子間的接觸面積增大到如此程度，使得粉體承受的有效壓應(yīng)力不再超過其臨界切應(yīng)力，這時以大量原子團(tuán)滑移而產(chǎn)生塑性變形的機(jī)制將不再起主要作用，致密化過程主要單個原子或空穴的擴(kuò)散蠕變來完成，因此整個粉末體的致密化過程緩慢下來，最后趨近于以最大終端密度值 值得注意的是上述三個階段并不是截然分開的，在熱等靜壓過程中它們往往同時起作用而進(jìn)粉體的致密化，只是當(dāng)粉末體在不同收縮階段，由不同的致密化過程起主導(dǎo)作用。

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——熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 熱等靜壓技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

熱等靜壓技術(shù)經(jīng)過近60年的發(fā)展已日臻成熟，目前已廣泛用于核材料、航空航天材料、硬質(zhì)合金、高溫合金與陶瓷材料等領(lǐng)域，是研制與處理材料、提高材料性能的一種先進(jìn)生產(chǎn)工藝與手段，己成為當(dāng)今許多高性能材料生產(chǎn)中一項實用技術(shù)，也是新材料開發(fā)不可缺少的一種新技術(shù)。3.1 鑄件的致密化處理

熱等靜壓在鑄件致密化處理方面的應(yīng)用研究開發(fā)較早，是熱等靜壓應(yīng)用較成熟和完善的領(lǐng)域。熱等靜壓法不僅可以使新的鑄件致密化，而且還可以用以修復(fù)正在使用的鑄件，使鑄件在使用中降低的性能得以恢復(fù)。鑄件在指定的溫度和應(yīng)力條件下，具有一定的計算壽命值，使用一段時間后，將不斷產(chǎn)生微觀缺陷，并產(chǎn)生晶間的相對運動，在晶界出現(xiàn)缺陷。這些類似常見縮孔的內(nèi)部缺陷就可采用熱等靜壓法進(jìn)行治愈[11]。用這樣的處理方法，能夠使使用中的發(fā)動機(jī)零件的機(jī)械性能和疲勞性能恢復(fù)到新鑄件的水品。

用熱等降壓處理鑄件的效用和意義可歸納如下：

（1）熱等靜壓處理后，能減少鑄件在X射線檢查和表面投射檢查的報廢率；（2）與未處理的鑄件相比，經(jīng)熱等靜壓處理的鑄件在焊接后產(chǎn)生的裂紋較少，因而減少了補(bǔ)焊的成本；

（3）采用熱等靜壓處理，可提高鑄造參數(shù)范圍和擴(kuò)大新的鑄造合金品種；

（4）改善了疲勞強(qiáng)度和延性的熱等靜壓鑄件可取代價格昂貴的鍛件。3.2 熱等靜壓覆層和熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接

熱等靜壓覆層和熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接是熱等靜壓的另一重要應(yīng)用。熱等靜壓覆層技術(shù)是采用熱等靜壓技術(shù)在一種材料上制備一種具有特殊物理或化學(xué)性能的覆層，以提高其綜合性能的新技術(shù)，熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接是將兩種或兩種以上的不同材料，在高溫高壓作用下進(jìn)行擴(kuò)散連接的一種新技術(shù)，涉及到的材料可以是金屬一金屬、金屬一非金屬、非金屬一非金屬，它是近幾年發(fā)展起來的，特別是在民用方面值得應(yīng)用推廣的一項較好技術(shù)[12]。與一般連接方法相比，熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接具有以下一些優(yōu)點：

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（1）連接材料具有母材特性，在焊點無熔化區(qū)，因而消除了是焊點性能衰減的晶粒長大；

（2）可以連接通常不能連接的異種金屬，在高熱等靜壓壓力下能阻止柯肯達(dá)爾空位的形成；

（3）不受固定模具的限制，能加工和處理任何復(fù)雜形狀的制件；（4）能連接脆性材料或低延性材料而不產(chǎn)生斷裂；（5）溫度限制較小；

（6）能連接復(fù)合材料，并對復(fù)合材料中的纖維破壞很少。3.3 熱等靜壓粉末固結(jié) 3.3.1 高溫合金粉末固結(jié)

高合金化鎳基高溫合金鑄錠偏析嚴(yán)重，熱加工性能差，很難變形，傳統(tǒng)鑄鍛造技術(shù)很難保證大尺寸零件性能的均勻性，采用粉末冶金工藝解決了此類問題。快速凝固預(yù)合金粉末+HIP固結(jié)技術(shù)為高合金化鎳基高溫合金材料的生產(chǎn)開辟了新的方向。粉末冶金高溫合金廣泛應(yīng)用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)和地面燃機(jī)等關(guān)鍵部件。3.3.2 硬質(zhì)合金熱等靜壓

熱等靜壓處理可以有效地消除燒結(jié)硬質(zhì)合金中的內(nèi)部孔隙等缺陷；熱等靜壓處理溫度低于硬質(zhì)合金燒結(jié)溫度可防止碳化物晶粒的粗化；經(jīng)熱等靜壓處理后的大尺寸硬質(zhì)合金制品，其綜合性能獲得大幅度提高，使用壽命和使用可靠性顯著提高。熱等靜壓硬質(zhì)合金與常規(guī)燒結(jié)硬質(zhì)合金相比具有以下優(yōu)點：

（1）參與空隙幾乎完全消除，密度可有原來的99.8%理論密度提高到99.999%理論密度。

（2）制造大型或高徑比大的制品時，廢品率低，表面缺陷大幅降低，拋光后可得到光潔度極高的表面。

（3）由于制品中的孔隙體積明顯減小，消除了斷裂源，使制品的性能和壽命大幅度提高。3.3.3 高速鋼粉末固結(jié)

高速鋼是一種化學(xué)成分復(fù)雜的高合金鋼。在采用傳統(tǒng)的熔鑄-鍛造法生產(chǎn)高速鋼時，由于鑄錠尺寸大，冷卻緩慢、不可避免的產(chǎn)生碳化物偏析。這種偏析組

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織不僅給鍛、軋等熱加工造成困難，損害了產(chǎn)品的各種性能，而且限制了合金含量的進(jìn)一步增加，阻礙了高速鋼的發(fā)展。

熱等靜壓技術(shù)的問世，使許多高合金高速鋼可以采取粉末冶金工藝來制造，從而克服了熔鑄鋼中碳化物偏析這類缺陷，把粉末冶金技術(shù)成功引入了致密剛才和合金鋼的生產(chǎn)領(lǐng)域。3.3.4 陶瓷材料粉末固結(jié)

在金屬陶瓷的制備中，通常有固態(tài)法和液態(tài)法兩大類型制備工藝，熱等靜壓工藝的應(yīng)用不但可以用來實現(xiàn)在固態(tài)法中成型與燒結(jié)一起進(jìn)行，而且還可以對液態(tài)法制備的金屬陶瓷進(jìn)行熱處理，提高制品的性能。采用熱等靜壓工藝制備金屬陶瓷具有如下優(yōu)點：

（1）大大降低了燒結(jié)金屬陶瓷的溫度，細(xì)化晶粒；（2）提高制品的致密度，改善金屬陶瓷的各種性能；

（3）可直接制備形狀復(fù)雜和大尺寸的工程部件，減少甚至避免昂貴的機(jī)械加工；

（4）降低冷卻時的殘余應(yīng)力，減少反應(yīng)層的成型，控制界面反應(yīng)。3.3.5 鈦合金粉末固結(jié)

鈦合金因具有高強(qiáng)度、高韌性、抗氧化及耐腐蝕的特性，廣泛由于航天、航空、航海和化工等領(lǐng)域。然而，鈦制品的昂貴價格，限制了它的應(yīng)用。鈦制品成本高的主要原因是傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜，二次加工的材料損失大。通常，鈦的熔煉和加工工藝包括：海綿鈦壓成電極；兩次真空電弧爐熔煉；精密鑄造或鍛、軋加工以及機(jī)加工等[13]。粉末鈦合金被認(rèn)為是進(jìn)一步提高鈦合金性能和降低其價格的出路。用熱等靜壓工藝生產(chǎn)粉末鈦合金，不僅簡化了熔煉工藝和切削工序，而且因細(xì)粉末晶粒有利于合金組織均勻化，從而使制品性能獲得改善。3.4 熱等靜壓工藝在新領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）在多孔材料方面的應(yīng)用：由于采用氮氣作為介質(zhì)，在高溫下生成氮化物，使得HIP對多孔材料也產(chǎn)生作用；

（2）HIP技術(shù)與滲氮等表面處理相結(jié)合，擴(kuò)大HIP功能；

（3）懸浮熔煉工藝制備高純材料可采用HIP技術(shù)。因為高壓氣體密度增加，可使熔煉物懸浮起來，實現(xiàn)無坩堝熔煉，從而極大地提高熔煉純度。

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（4）食品工業(yè)采用HIP技術(shù)：向食品施加高壓可使食品在營養(yǎng)不被破壞且保持原色原味的情況下，達(dá)到殺菌消毒的目的，為食品加工提供了一條新的途徑。結(jié)論

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，熱等靜壓技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中已經(jīng)占據(jù)了越來越大的比重。而且人們越來越多地采用熱等靜壓技術(shù)進(jìn)行新材料的制備，如金屬基陶瓷、碳/碳復(fù)合材料、硬質(zhì)合金、鎢鉬制品、稀有難熔金屬等產(chǎn)品等。熱等靜壓技術(shù)也越來越多地滲透到更多的技術(shù)領(lǐng)域，并憑借其特有優(yōu)勢，將會在新材料、新能源的發(fā)展空間中發(fā)揮更為廣闊的作用。

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參 考 文 獻(xiàn)

[1] 諶啟明，櫥靖，單先裕等．熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].稀有金屬及硬質(zhì)合金，2003，31(2)：33～38．

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材料加工原理作業(yè)

——熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

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材料加工原理作業(yè)

——熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

致

謝

感謝張老師的激情授課！張老師淵博的知識以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度讓我受益匪淺。通過張老師深入淺出的講解，使我在短時間內(nèi)對材料各種加工方法及原理有了初步認(rèn)識，為以后的深入學(xué)習(xí)及實驗打下良好基礎(chǔ)。在此，向張老師致以最誠摯的謝意！

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第二篇：等靜壓技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀范文

等靜壓技術(shù)及其應(yīng)用和發(fā)展

材料加工 0904240759 王鵬洲

Abstrat:In this paper, the principle and basic characteristics of isoprocessing technology was introduced generally,the characteristics ,aplications and development of HIP,CIP and WIP were described concisely according to the classification of isoprocessing technology.摘 要: 本文在概述等靜壓技術(shù)原理及其基本特點后，簡要的按照分類介紹了分別介紹了熱等靜壓技術(shù)與冷等靜壓技術(shù)以及溫等靜壓的特點和應(yīng)用領(lǐng)域以及發(fā)展概況。

關(guān)鍵詞: 等靜壓技術(shù) 冷等靜壓技術(shù) 熱等靜壓 溫等靜壓 應(yīng)用 1.概述

等靜壓技術(shù)是一種利用密閉高壓容器內(nèi)制品在各向均等的超高壓壓力狀態(tài)下成型的技術(shù)，該技術(shù)首創(chuàng)于20世紀(jì)30年代[1]，初期主要應(yīng)用于粉末冶金的粉體成型；近20年來，等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于陶瓷 鑄造、原子能、工具制造、塑料、超高壓食品滅菌和石墨、陶瓷、永磁體、高壓電磁瓷瓶、生物藥物制備、食品保鮮、高性能材料、軍工等領(lǐng)域[2]。1.1等靜壓技術(shù)的基本原理

等靜壓工作原理為帕斯卡定律：在密閉容器內(nèi)的介質(zhì)（液體或氣體）壓強(qiáng)，可以向各個方向均等地傳遞。根據(jù)靜壓力基本方程(Q= Q+ Qgh), 盛放在密閉容器內(nèi)的液體, 其外加壓強(qiáng)Q0 發(fā)生變化時, 只要液體仍保持其原來的靜止?fàn)顟B(tài)不變, 液體中任一點的壓強(qiáng)均將發(fā)生同樣大小的變化[3]。這就是說, 在密閉容器內(nèi), 施加于靜止液體上的壓強(qiáng)將以等值同時傳到各點。等靜壓成型技術(shù)是將待壓試樣粉體置于高壓容器中, 利用液體介質(zhì)不可壓縮的性質(zhì)和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行均勻加壓, 當(dāng)液體介質(zhì)通過壓力泵注入壓力容器時, 根據(jù)流體力學(xué)原理, 其壓強(qiáng)大小不變且均勻地傳遞到各個方向。此時高壓容器中的粉體在各個方向上受到的壓力是均勻的和大小一致的。通過上述方法使瘠性粉料成型為致密坯體的方法稱做等靜壓法。1.2 等靜壓技術(shù)的特點

與等靜壓成型方法原理近似的是軸向壓制成型。軸向壓制成型為單向或雙向壓力壓制, 粉料與模具的摩擦力較大, 壓力沿壓制方向會產(chǎn)生壓力損失, 使坯體各部分的密度不均勻。而等靜壓成型時液體介質(zhì)傳遞的壓力在各個方向上是相等的。彈性模具在受到液體介質(zhì)壓力時產(chǎn)生的變形傳遞到模具中的粉料, 粉料與模具壁的摩擦力小, 坯體受力均勻, 密度分布均一, 產(chǎn)品性能有很大提高[4]。1.3 等靜壓技術(shù)成型工藝

無論熱等靜壓、冷等靜壓抑或是溫等靜壓成型技術(shù)，其基本原理一致；故此其一般工藝也相同；一般的等靜壓成型工藝如下：

(1)粉體預(yù)處理, 對瘠性粉料, 等靜壓成型工藝也需要對粉體進(jìn)行預(yù)處理, 通過造粒工藝提高粉體的流動性, 加入粘結(jié)劑和潤滑劑減少粉體內(nèi)摩擦力, 提高粘結(jié)強(qiáng)度, 使之適應(yīng)成型工藝需要。

(2)成型工藝, 包括裝料、加壓、保壓、卸壓等過程。裝料應(yīng)盡量使粉料在模具中裝填均勻, 避免存在空隙;加壓時應(yīng)求平穩(wěn), 加壓速度適當(dāng);針對不同的粉體和坯體形狀, 選擇合適的加壓壓力和保壓時間;同時選擇合適的卸壓速度。(3)成型模具, 等靜壓對成型模具有特殊的要求, 包括有足夠的彈性和保形能力;有較高的抗張、抗裂強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度;有較好的耐腐蝕性能, 不與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng);脫模性能好;價格低廉, 使用壽命長。一般濕式等靜壓多使用橡膠類模具, 干式等靜壓模具多使用聚氨酯、聚氯乙烯等材料[2]。

2.等靜壓技術(shù)的分類及其應(yīng)用

等靜壓技術(shù)按成型和固結(jié)時的溫度高低，分為冷等靜壓、溫等靜壓、熱等靜壓三種不同類型。2.1 熱等靜壓技術(shù)(HIP)

美國Battelle實驗室于1955年開發(fā)的熱等靜壓技術(shù)[5], 首先用于原子能反應(yīng)過程中燃料元素的擴(kuò)散粘結(jié), 基于此應(yīng)用, 故當(dāng)時被叫作/ 氣壓粘結(jié)。隨著熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展, 其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展。

熱等靜壓技術(shù)一般采用氣體做壓力介質(zhì)，是一種在高溫和高壓同時作用下，使物料經(jīng)受等靜壓的工藝技術(shù)，它不僅用于粉末體的固結(jié)和傳統(tǒng)粉末冶金工藝成型與燒結(jié)兩步作業(yè)一并完成．而且還用于工件的擴(kuò)散粘結(jié)，鑄件缺陷的消除，復(fù)雜形狀零件的制作等。在熱等靜壓中，一般采用氬、氨等惰性氣體作壓力傳遞介質(zhì)，包套材料通常用金屬或玻璃。工作溫度一般為1000~2200℃，工作壓力常為100~200MPa。熱等靜壓成型在高溫高壓的共同作用下，被加工件各向均勻受壓，故加工產(chǎn)品致密度高，均勻型好；同時該技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、工序少、能耗低、材料耗損少的特點。

熱等靜壓法(H IP)是一種以氮、氬氣等惰性氣體為傳壓介質(zhì),通常在900～2000 ℃溫度和100～200MPa壓力共同作用下,對制品進(jìn)行壓制燒結(jié)處理的技術(shù)。熱等靜壓設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)見圖1,它由鋼絲纏繞工作缸,組合式纏繞機(jī)架,上下端蓋,隔熱裝置,加熱元件,測溫?zé)犭娕?加壓管道和壓力(加熱)室等構(gòu)成。美國NASA 的Lewis Research Center[6],采用HIP 燒結(jié)工藝,在1900 ℃獲得了密度大于98 %、室溫抗彎強(qiáng)度高達(dá)600MPa 左右的細(xì)晶粒SiC 陶瓷。佘繼紅等[7] 采用HIP 燒結(jié)特種陶瓷,并用3 % Al2O3 作為添加劑,在1850 ℃和200MPa 條件下燒結(jié)1h 就可獲得密度高達(dá)97.3 %、抗彎強(qiáng)度為582MPa 的SiC陶瓷。

圖1 熱等靜壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[8] 熱等靜壓技術(shù)如今經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展完善，國外已經(jīng)采用熱等靜壓技術(shù)制取了核燃料棒、粉末冶金高溫合金渦輪盤、鎢噴嘴、陶瓷及金屬基復(fù)合材料等；如今，其在制取金屬陶瓷、硬質(zhì)合金、難熔金屬制品及其化合物、粉末冶金制品、金屬基復(fù)合材料、功能梯度材料等方面都有廣泛的應(yīng)用。2.2 冷等靜壓技術(shù)(CIP)

冷等靜壓技術(shù)，是在常溫下，通常用橡膠或塑料作包套模具材料，以液體為壓力介質(zhì)，主要用于粉體材料成型，為進(jìn)一步燒結(jié)，煅造或熱等靜壓工序提供坯體。一般使用壓力為100~ 630MPa。冷等靜壓技術(shù)廣泛用來制做尺寸大, 形狀復(fù) 雜, 性能要求嚴(yán)格的硬質(zhì)合金軋輥, 人造金剛石用頂錘, 硬質(zhì)合金刀具等。還廣泛用來成型高徑比大的各類粉末材料, 如鎢、高速鋼、鈹、鋁等棒狀、管狀不同尺寸形狀的坯件, 從而保證了這些材料的性能, 發(fā)揮了粉末冶金與冷等靜壓技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)越性。

冷等靜壓法又分為有濕袋法和干袋法兩種．濕式(濕袋法)等靜壓: 將坯料(或提前預(yù)壓處理)包封在彈性的塑料或橡膠模具內(nèi), 密封后放入高壓缸內(nèi), 通過液體傳遞使坯體受壓成型。這種方法可改變塑性包套的形狀和尺寸, 制品靈活性很大, 適用于小規(guī)模生產(chǎn)。但每次都要進(jìn)行手工裝袋、卸袋操作, 生產(chǎn)效率不高。此方法主要用于大型、異形件的生產(chǎn)。干式(干袋法)等靜壓: 將彈性模具半固定, 不浸泡在液體介質(zhì)中, 而是通過上下活塞密封。壓力泵將液體介質(zhì)注入到高壓缸和加壓橡皮之間, 通過液體和加壓橡皮將壓力傳遞使坯體受壓成型。這種方法可連續(xù)操作, 即把模具上蓋打開, 裝料, 然后蓋好上蓋加壓成型, 出料時, 把上蓋打開, 通過底部的頂棒把壓坯從上邊頂出去。操作周期短, 適用于成批生產(chǎn)；目前, 日用瓷盤、碟類產(chǎn)品以及中等規(guī)格氧化鋁研磨球等制品即采用此方法, 進(jìn)行連續(xù)的工業(yè)化生產(chǎn)。干袋法操作周期短，適用于成批生產(chǎn)．但產(chǎn)品規(guī)格受限制．因為加壓塑性模不能經(jīng)常更換。

冷等靜壓技術(shù)在難熔合金的粉末冶金中有重用作用；李洪峰等[9]不同壓力下冷等靜壓成型、常壓燒結(jié),制備出了ZrO2 陶瓷材料；成朝會 [10] 等人用高純鉬粉與TiH2 粉、ZrH2 粉及石墨粉按比例均勻混合后經(jīng)冷等靜壓成形,然后在保護(hù)氣氛下高溫?zé)Y(jié),得到TZM合金屬；張菊平[11]等人通過冷等靜壓、中頻燒結(jié)制備了稀土摻雜鉬合金。冷等靜壓技術(shù)廣泛用來制做尺寸大, 形狀復(fù)雜, 性能要求嚴(yán)格的硬質(zhì)合金軋輥, 人造金剛石用頂錘, 硬質(zhì)合金刀具等。還廣泛用來成型高徑比大的各類粉末材料, 如鎢、高速鋼、鈹、鋁等棒狀、管狀不同尺寸形狀的坯件, 從而保證了這些材料的性能, 發(fā)揮了粉末冶金與冷等靜壓技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)越性[ 12]。

冷等靜壓在制造大尺寸石墨棒、碳電阻元件、石墨坩堝、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的電刷、石墨發(fā)熱元件、核反應(yīng)堆用石墨管以及火箭噴咀等大尺寸、異形件的石墨制品生產(chǎn)中以及食品加工行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。2.3 溫等靜壓技術(shù)(WIP)

溫等靜壓技術(shù)，壓制溫度一般在80～120℃以下．也有在250~450℃以下，使用特殊的液體或氣體傳遞壓力，使用壓力為300MPa左右。主要用于粉體物料在室溫條件下不能成型的石墨、聚酰胺 橡膠材料等。以使能在升高的溫度下獲得堅實的坯體。等靜壓技術(shù)的發(fā)展

等靜壓成型技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展, 實際上依賴于等靜壓設(shè)備的研發(fā)與制造技術(shù)水平的發(fā)展。隨著科技發(fā)展，等靜壓設(shè)備發(fā)展迅速。目前, 許多國家都有定點生產(chǎn)系列化等靜壓機(jī)的廠家, 亦可根據(jù)用戶要求來設(shè)計制造特殊型式的等靜壓機(jī)。如瑞典ASEA公司是生產(chǎn)冷、熱等靜壓機(jī)的主要廠家。該公司冷等靜壓機(jī)缸體內(nèi)徑最大已達(dá)3m, 高9m, 采用了預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的高壓缸體和框架結(jié)構(gòu), 設(shè)備自動化不斷提高。我國的冷等靜壓技術(shù)裝備在最近幾十年來也有了較大的發(fā)展, CIP設(shè)備的規(guī)格、性能都有了很大的提高。四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司生產(chǎn)LDJ冷等靜壓機(jī)系列, 該系列壓機(jī)的機(jī)架和工作缸均采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu), 這種結(jié)構(gòu)形式具有疲勞強(qiáng)度高、受力合理、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的特點。壓機(jī)設(shè)有手動、自動卸壓閥, 爆破閥, 工作安全可靠。

隨著科技的進(jìn)步與大型裝備制造業(yè)的發(fā)展,熱等靜壓技術(shù)裝備向著大型化高溫、高壓方向發(fā)展。2009年底鮑迪克(Bodycote)公司在瑞典Surahammer的工廠將擁有世界最大的熱等靜壓系統(tǒng), 鮑迪克公司訂購的這套熱等靜壓系統(tǒng)是由美國阿維爾(Avure)科技有限公司制造的。這套熱等靜壓系統(tǒng)的工作區(qū)面積為1.8m ×3.3m, 最高工作溫度為攝氏1150℃ , 最高工作壓力為1040巴(bar)。這套熱等靜壓系統(tǒng)將被用于生產(chǎn)粉末冶金不銹鋼, 設(shè)計年生產(chǎn)能力為10000噸。目前, 我國在H IP設(shè)備領(lǐng)域比較有代表性的是中國鋼研科技集團(tuán)公司, 在1977年研發(fā)出國內(nèi)第一臺熱等靜壓機(jī), 進(jìn)過30 多年的努力, 已經(jīng)研發(fā)出國內(nèi)最高溫度、最高壓力、最大爐膛尺寸的一系列H IP設(shè)備, 并已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品。結(jié)語

當(dāng)前我國社會發(fā)展, 科技進(jìn)步已進(jìn)入穩(wěn)定增長的軌道, 新材料、新工藝、新裝備的研發(fā)也步入發(fā)展的快車道, 對于等靜壓技術(shù)而言, 由于其先進(jìn)的技術(shù)特點, 壓制成型制品的優(yōu)異性能, 更是一直以來國內(nèi)外研發(fā)的熱點, 無論是冷等靜壓(CIP), 還是熱等靜壓(H IP)抑或溫等靜壓（WIP）技術(shù)與裝備均是如此。同樣, 等靜壓設(shè)備與技術(shù)的發(fā)展, 也促進(jìn)了等靜壓技術(shù)在各行業(yè)、各領(lǐng)域中新的應(yīng)用, 結(jié)合各個領(lǐng)域產(chǎn)品特點與要求, 等靜壓技術(shù)將會充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢, 產(chǎn)生更廣泛的影響。

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第三篇：無線光通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

無線光通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

一、無線光通信技術(shù)發(fā)展歷史

光在空氣中直接傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q之為無線光通信。也就是利用激光束作為信道在空間（近地或外太空）中直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息雙向傳送的一種技術(shù)。又稱為“自由空間光通信”（Freespace opticalunicanon）或虛擬光纖（VirtualFiler）。無線光通信的出現(xiàn)比無線電通信要早得多。在兩千七百年前的周幽王時代，就有了利用烽火臺通信的方法。這是人類最早利用無線光通信的典型方式。后來，雖然人類社會的文明程度和科學(xué)技術(shù)得到了很大的提高，但是簡單的利用光傳遞信息的方式仍然在廣泛使用，例如紅黃綠交通信號燈、旗語等。不論是烽火臺，還是交通紅綠燈、旗語，它們都是利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收。這些都是非常原始的無線光通信方式。其后許多年，無線光通信幾乎沒有什么太大的發(fā)展。

盡管如此，人們?nèi)匀粵]有對無線光通信失去興致。以發(fā)明電話而著名的貝爾，在1876年發(fā)明了電話之后，就想到利用光來通電話。1880年，他利用太陽光作光源，大氣為傳輸媒質(zhì)，用硒晶體作為光接收器件，成功地進(jìn)行了光電話的實驗，通話距離最遠(yuǎn)達(dá)到了213m。1881年，貝爾宣讀了一篇題為《關(guān)于利用光線進(jìn)行聲音的產(chǎn)生與復(fù)制》的論文，報導(dǎo)了他的光電話裝置。在貝爾本人看來：在他的所有發(fā)明中，光電話是最偉大的發(fā)明。這被認(rèn)為是近代無線光通信的開始。1930年至1932年間，日本在東京的日本電報公司與每日新聞社之問實現(xiàn)了3 6kn，的無線光通信，但在大霧大雨天氣里效果很差。第二次世界大戰(zhàn)期間，無線光電話發(fā)展成為紅外線電話，因為紅外線肉眼看不見，更有利于信息保密。

利用光在大氣中傳送信息方便簡單，所以人們開始研究的光通信都是這種方式。但是光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、陰天、下霧等情況，信號傳輸受到很大阻礙。此外，太陽光、燈光等普通的可見光源，都不適合作為通信的光源，因為從通信技術(shù)上看，這些光都是帶有“噪聲”的光。也就是說，這些光的頻率不穩(wěn)定、不單一，光的性質(zhì)也很復(fù)雜。因此，要用光來通信，必須找到高強(qiáng)度的、可靠的光源。在此后的幾十年中，由于這項關(guān)鍵技術(shù)沒有得到解決，無線光通信就一直裹足不前。也正因此，貝爾的光話始終沒有走上實用化的階段。

1960年7月8日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了紅寶石激光器，從此人們便可獲得性質(zhì)與電磁波相似而頻率穩(wěn)定的光源。激光器的發(fā)明對無線光通信的研究工作產(chǎn)生了重大的影響。研究現(xiàn)代化無線光通信的時代也從此開始。20世紀(jì)60年代后，隨著人們對通信的要求變得越來越強(qiáng)烈，無線光通信獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。許多實驗室用氫-氖氣體激光器做了傳送電視信號和20路電話的實驗。也有的公司制成了語言信道試驗性通信系統(tǒng)，最大傳輸距離為600米。到70年代初無線激光通信己進(jìn)入應(yīng)用發(fā)展階段。然而1970年半導(dǎo)體激光器和低損耗光纖這兩項關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，使光纖通信開始從理想變成可能，這立即引起了各國電信科技人員的重視，他們競相進(jìn)行研究和實驗。1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥市投入商用，速率為45Mb/s。這也同時標(biāo)志著無線光通信的研發(fā)開始轉(zhuǎn)向外太空光通信，近地的無線光通信工作幾乎停滯。20世紀(jì)90年代后期，隨著全光接入網(wǎng)的發(fā)展，對固定無線應(yīng)用的關(guān)注和對高速率的要求，無線光通信技術(shù)因其具有獨到的優(yōu)勢，在固定無線寬帶接人技術(shù)中，能為寬帶接人的快速部署提供一種靈活的解決方案，又得到了極大的關(guān)注。其應(yīng)用范圍己從軍用和航天逐漸邁人民用領(lǐng)域，技術(shù)也在得以逐步完善。

二、基本工作原理

1880年，貝爾的光電話用弧光燈或者太陽光作為光源，光束通過透鏡聚焦在話筒的震動片上。當(dāng)人對著話筒講話時，震動片隨著話音震動而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息調(diào)制在光波上。在接收端，裝有一個拋物面接收鏡，它把經(jīng)過大氣傳送過來的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流。電流送到聽筒，就可以聽到從發(fā)送端送過來的聲音了。這是無線光通信的基本工作原理?，F(xiàn)代無線光通信設(shè)備的每一端分別包括專用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、激光收發(fā)器、線路接口、電源、機(jī)械支架等部分組成。一些廠商的設(shè)備還包括伺服機(jī)構(gòu)、監(jiān)控裝置、微波備份及遠(yuǎn)程管理軟件等部分。

激光收發(fā)器的光源主要采用LD和LED，其中的LD多采用鋁砷化鉀二極管、DFB，接收器主要采用PIN或APD。

三、技術(shù)優(yōu)勢與劣勢

1、技術(shù)優(yōu)勢 相對于常用的數(shù)字微波、銅纜數(shù)字用戶線、光纖等其他幾種接入方式，無線光通信主要優(yōu)勢有：①良好的安全保密性，由于激光的高指向性使它的發(fā)射光束極窄，方向性很好。通常激光光束的發(fā)散角都在毫弧度，甚至微弧度數(shù)量級，因此具有數(shù)據(jù)傳遞極高的保密性。②無微波頻段的許可證，因為無線光通信的工作頻段在350THz，設(shè)備間無射頻信號干擾前無需申請頻率使用許可證。③運營成本相對低廉，由于無須進(jìn)行昂貴的管道工程鋪設(shè)和維護(hù)，使得其造價約為光纖通信工程的五分之一。④架設(shè)迅速無線光通信架設(shè)、組網(wǎng)速度快，只須在通信節(jié)點上進(jìn)行設(shè)備安裝，工程建設(shè)以小時或天為計量單位，尤其適合作為光纖通信的應(yīng)急故障后備及臨時構(gòu)造大容量的通信鏈路。重新撤換部署也很方便。⑤透明的傳輸協(xié)議對于任何傳輸協(xié)議均可容易的迭加，電路和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都可透明傳輸。⑥設(shè)備尺寸小，由于光波的波長短，在同樣功能情況下，光收發(fā)天線的尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小許多，同時功耗小，體積小，重最輕。⑦信息容量大，光波作為信息載體可輕易傳輸高達(dá)10Gb/s的數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)商用無線激光設(shè)備，最高速率已達(dá)2 5Gb/s。實驗室里最高傳輸速率已達(dá)160Gb/s。

2、技術(shù)劣勢

當(dāng)然，無線光通信也有其固有的劣勢：①天氣影響通信質(zhì)量天氣因素尤其是大霧、沙塵暴等所引起的光的色散、漫反射將極大影響光通信的質(zhì)量。②通信距離受限目前用于近地的民用無線光通信的設(shè)備所能達(dá)到的距離受人眼安全的發(fā)射功率、成本、數(shù)據(jù)速率、天氣條件等的限制，一般為100m-5kmm，延長傳輸距離也可以通過建立中繼站的方法。③只能在視距范圍內(nèi)建立通信鏈路兩個通信節(jié)點之間視距范圍內(nèi)必須無遮擋。對于中間存在障礙物而不可直視的兩點之間的傳輸，可以通過建立一個中繼站實現(xiàn)連接。④安裝點的震動影響樓頂搖晃、振動可能會影響兩個節(jié)點之間的激光對準(zhǔn)，使通信質(zhì)量下降甚至?xí)簳r中斷。⑤意外因素可能使通信鏈路中斷如飛鳥等障礙物經(jīng)過鏈路空問，通信可能會瞬間中斷。

總之，由于無線光通信設(shè)備固有的特點，在眾多接入方式中具有比較明顯的優(yōu)勢。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

與傳統(tǒng)的租用線路比較，無線光通信綜合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點，根據(jù)其最大優(yōu)勢（寬帶寬）與最大劣勢（短距離），定位在城域接入網(wǎng)、交換機(jī)和移動基站等設(shè)備的連接、閉路監(jiān)視系統(tǒng)、廣播電視信號的單、雙工的傳輸中使用。可以很靈活的接人數(shù)據(jù)、話音、視頻業(yè)務(wù)。其益處在于長期費用的節(jié)約和對數(shù)據(jù)吞吐能力的增長。目前的主要應(yīng)用場合包括：①對于特殊要求的線路進(jìn)行冗余備份以及應(yīng)急時鏈路和意外恢復(fù)：在突發(fā)的自然或人為意外災(zāi)害中，原有通信線路被破壞，難以立即恢復(fù)時，或者在一些特殊地方發(fā)生突發(fā)事件，需要應(yīng)急通信，采用無線光通信進(jìn)行快速的部署。②提供室內(nèi)外、臨近局域網(wǎng)之間的互連互通：當(dāng)分布在兩座樓宇之間的辦公室需要建立一條企業(yè)內(nèi)部通信鏈路，受價格、帶寬、線路資源等因素和其他通信方式不能較好地解決時，采用無線光通信就可快速解決。③解決綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)（FSN）接入的“最后一公里”：對智能小區(qū)的寬帶接入，大企業(yè)Intmnet的互連，校園網(wǎng)的互連，大客戶的寬帶接入等提供一種快速靈活的方案，可提供2Mb／s～2.5Gb／s的帶寬。④在不具備接入條件或帶寬不足時提供高效的接入方案：在通信鏈路跨越高速公路、鐵路、河流、峽谷、海灣或擁擠的城區(qū)時，由于地理條件的限制無法敷設(shè)光纖線路時，采用無線光通信可以有效解決。⑤用于移動通信蜂窩網(wǎng)基站與交換中心的互聯(lián)。⑥用于一些大型集會如運動會、展覽會、慶祝會等需要快速建立一些臨時鏈路用于現(xiàn)場通信的場合。

五、結(jié)束語

無線光通信填補(bǔ)了受頻率資源許可、價格、帶寬等限制的無線通信方式與受地形、建網(wǎng)時間等特殊限制的光纖通信方式之間的空白。在一些情況下可以解決其他方式無法解決的問題?？梢造`活、快速地以較小的投資建立寬帶通信鏈路。因此，在調(diào)查和了解使用過程中的不同條件和要求如傳輸?shù)木嚯x、速率、誤碼率、可通率以及當(dāng)?shù)氐镍B群和氣象條件如降雨、雪、霧、沙塵的天數(shù)及程度等情況下，可以充分考慮利用無線光通信的方式組阿，迅速建立一個有效覆蓋且能夠為用戶提供端到端的綜合接入服務(wù)能力的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)。

第四篇：淺析脈沖電子圍欄技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

淺析脈沖電子圍欄技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

前言》

脈沖電子圍欄作為最主流應(yīng)用的一種實現(xiàn)公共安全的新型高科技智能周界報警產(chǎn)品，它與傳統(tǒng)的紅外、微波、靜電感應(yīng)等周界安防系統(tǒng)相比，具有誤報率低、不受地形和環(huán)境限制、安全性高等顯著優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于世博會、奧運會、變電站、工廠、小區(qū)、學(xué)校、別墅、倉庫、機(jī)場、軍事基地、看守所、監(jiān)獄等各個行業(yè)。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與信息化建設(shè)的深入，市場對周界安防要求不斷提高，尤其對解決安防行業(yè)核心系統(tǒng)存在的技術(shù)漏洞需求最為明顯。市場需求催生了創(chuàng)新的周界安防產(chǎn)品，第五代脈沖電子圍欄產(chǎn)品—“T6/T8系列觸網(wǎng)防旁路脈沖電子圍欄主機(jī)”應(yīng)運而生。T6/T8系列電子圍欄主機(jī)采用Smart DEC智能算法（全稱“防等電位破解技術(shù)”），新增單線觸網(wǎng)報警、防旁路報警功能，終結(jié)了電子圍欄行業(yè)長期存在的兩大技術(shù)漏洞，且能通過識別前端觸網(wǎng)信號，極大的降低誤報率。從用戶的角度考慮，第五代脈沖電子圍欄主機(jī)最大程度上改善了用戶體驗，電子圍欄技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)入了下一個里程碑時代。

脈沖電子圍欄的前世今身》

電子圍欄發(fā)展可追溯到上世紀(jì)二三十年代，從最原始的牧場電子圍欄到第五代智能觸網(wǎng)防旁路型脈沖電子圍欄的演化，這無疑是電子圍欄近100年來無數(shù)次技術(shù)革新的成果。第一階段：牧場電子圍欄

電子圍欄最早起源于英國英格蘭的流動牧場，牧人為了放牧的需要，拉一根導(dǎo)線，通上直流電，就形成簡單的電子圍欄，使牲畜在一定范圍內(nèi)活動。戰(zhàn)后在歐洲，牧業(yè)在農(nóng)業(yè)中的比重是很高的，大量的牧業(yè)市場需求促進(jìn)了“電子圍欄”的開發(fā)和推廣。牛羊等遇到“電子圍欄”的電擊阻擋而退回，很好地起到“牧羊人”的作用，同時也防止圈外的大型動物或猛獸跑進(jìn)來，對當(dāng)時的牧業(yè)發(fā)展起到了較大的促進(jìn)，在一些畜牧業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家仍然在發(fā)揮著較大的作用，姑且算是第一代電子圍欄產(chǎn)品的雛形。第二階段：報警電子圍欄

隨著整個“電子圍欄”行業(yè)的發(fā)展和深入，產(chǎn)品附件和種類越來越多，90年代中后期具有阻擋和報警功能的智能型周界安防報警系統(tǒng)，開始專業(yè)用于社會公共安全領(lǐng)域，它具有斷路、短路、失電報警功能同時又秉承了電子圍欄的安全阻擋功能。該產(chǎn)品充分考慮了人的主動性和智慧性，能準(zhǔn)確判斷出無意觸摸、蓄意破壞、非法闖入等各種情況，是現(xiàn)周界安防項目的比較好的選擇。第三階段：智能電子圍欄

隨著人們對產(chǎn)品性能和功能的要求越來越高，產(chǎn)品需要更加人性化，具有更多功能的產(chǎn)品開始出現(xiàn)。第二代產(chǎn)品輸出脈沖電壓恒定，當(dāng)周界的長短出現(xiàn)變化時，前端的電壓會隨著周界的長度出現(xiàn)過高或過低的現(xiàn)象;同時當(dāng)產(chǎn)品安裝在圍墻較低的別墅或小區(qū)時，白天會出現(xiàn)誤擊到小孩或附近工作人員的現(xiàn)象。基于以上問題，第三代可調(diào)節(jié)輸出電壓和可設(shè)定高壓模式、安全模式切換功能的產(chǎn)品入市，如G3/T5系列脈沖電子圍欄主機(jī)，它具有斷路、短路、失電報警功能同時又秉承了電子圍欄的安全阻擋功能，充分考慮了人的主動性和智慧性，能準(zhǔn)確判斷出無意觸摸、蓄意破壞、非法闖入等各種情況。同時，這一階段的產(chǎn)品還有的具有遙控操作、遠(yuǎn)距離操作等功能，為產(chǎn)品大規(guī)模地應(yīng)用于別墅、小區(qū)提供了更好的產(chǎn)品。第四階段：網(wǎng)絡(luò)電子圍欄

隨著安防行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的逐步深入，絕大部分周界報警系統(tǒng)仍停留在前端報警和單一設(shè)備的控制管理之上，存在無法進(jìn)行聯(lián)動的缺陷，致使安防系統(tǒng)處于“分散管理”的狀態(tài)。由此網(wǎng)絡(luò)電子圍欄應(yīng)運而生，以G5S/G5P系列脈沖電子圍欄主機(jī)為例，其主要節(jié)點設(shè)備全網(wǎng)絡(luò)電子圍欄主機(jī)、智能控制終端和管理軟件都可直接接入以太網(wǎng)，用戶通過網(wǎng)絡(luò)即可監(jiān)管電子圍欄，實現(xiàn)信息實時傳遞、數(shù)據(jù)交互和遠(yuǎn)程監(jiān)管的功能需求。第四代產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化與集成化程度達(dá)到了空前成熟水平，且具有方案靈活、施工簡便、成本節(jié)省、傳輸穩(wěn)定的特點。

三年磨一劍的技術(shù)突破》

智能感知磁場平衡波，彌補(bǔ)技術(shù)漏洞

脈沖電子圍欄是通過主機(jī)的發(fā)射端口向前端圍欄上的合金線發(fā)射脈沖電，由接收端接收脈沖電信號，使電子圍欄系統(tǒng)形成一個完整的回路。一旦有人為入侵，造成相鄰兩根合金線的短路或者有人故意破壞剪斷前端圍欄合金線（開路），脈沖電子圍欄主機(jī)會及時發(fā)出警報并通過通信線路傳送至控制中心。

在脈沖電子圍欄行業(yè)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，卻有著兩個致命的技術(shù)弊端困擾著行業(yè)從業(yè)人員多年：單線觸網(wǎng)不報警和旁路跨接不報警，為用戶帶來了極大的安全隱患。目前市面上的脈沖電子圍欄產(chǎn)品單線觸網(wǎng)雖然可以對入侵者產(chǎn)生電擊，在電阻很小的時候有些產(chǎn)品也會產(chǎn)生報警，但當(dāng)電阻很大的時候就不會報警。這也就是說，當(dāng)入侵者穿著球鞋或帶著塑膠手套以單線觸網(wǎng)方式攀爬圍欄，則市面上的電子圍欄將不會產(chǎn)生報警，而入侵者所穿戴的絕緣材質(zhì)物品也可阻擋其遭受前段圍欄的電擊，使其順利翻越圍墻，存在嚴(yán)重的防范漏洞。

旁路跨接不報警是現(xiàn)有電子圍欄的另一技術(shù)弊端。旁路跨接分為單線旁路跨接（圖1）和回路旁路跨接（圖2），當(dāng)入侵者用短路線分別連接電子圍欄前端每根金屬線的兩端（單線旁路跨接），或用兩

（四）條短路線在圍欄網(wǎng)絡(luò)接線跨接處分別連接相間隔的金屬線（回路旁路跨接）后，電子圍欄前端產(chǎn)生失效區(qū)，而當(dāng)失效區(qū)金屬線被剪斷時，主機(jī)不報警，入侵者就可以趁這個“漏洞”翻越圍欄，造成財產(chǎn)損失。

圖1

圖2 為了彌補(bǔ)電子圍欄的缺陷及增加客戶的安全保障，上海廣拓耗時3年成功研發(fā)出全新的T6/T8系列觸網(wǎng)防旁路型脈沖電子圍欄，采用Smart DEC智能算法（全稱“防等電位破解技術(shù)”），能通過識別前端觸網(wǎng)情況，實現(xiàn)單線觸網(wǎng)報警、防旁路報警、短路報警和斷路報警這四類報警方式，從真正意義上解決了長久存在的技術(shù)漏洞，提升電子圍欄的安全性。全析計算識別入侵信號，最大降低誤報

電子圍欄主機(jī)原則上是不允許有漏報，如何在沒有漏報的基礎(chǔ)上減少誤報是目前各電子圍欄技術(shù)急需解決的問題?，F(xiàn)如今，減少誤報普遍著力于對硬件的改進(jìn)上，即傳感器與前端關(guān)鍵元器件的提升。傳感器負(fù)責(zé)對收集信號進(jìn)行分析，傳感器分析的程度越準(zhǔn)確，就越能將各種誤報的信號排除在外。從總的趨勢來看，脈沖電子圍欄正不斷向數(shù)字化技術(shù)邁進(jìn)，并成為一種主流趨勢。與以往幾代脈沖電子圍欄在硬件上的更迭相比，現(xiàn)在數(shù)字化的技術(shù)越來越偏重于軟件，即把一些產(chǎn)生誤報、漏報的可能情況，比如小動物、風(fēng)、雨、雪等干擾信號進(jìn)行軟件建模，通過軟件算法識別出各種誤報信號，這樣就可以減少誤報情況發(fā)生的機(jī)率。在這個方面，T6/T8系列脈沖電子圍欄主機(jī)采用Smart DEC智能算法，通過感知電子圍欄金屬線上的磁場變化，并經(jīng)由一系列精密運算，從而精準(zhǔn)判斷出前端圍欄的觸網(wǎng)情況，全面革新了電子圍欄的報警技術(shù)。當(dāng)前端圍欄被碰觸，搭載于主機(jī)內(nèi)的Smart DEC智能算法能夠通過計算圍欄金屬線上電磁場的變化量辨別出是人體還是小動物的觸碰，并針對人為入侵行為向控制中心發(fā)出報警信號，極大減少電子圍欄產(chǎn)品的誤報率。同時，當(dāng)入侵者使用短路方式對前端圍欄進(jìn)行接駁，圍欄金屬線上的電磁場平衡將被遭到破壞，Smart DEC智能算法通過對電磁場平衡波動的監(jiān)測準(zhǔn)確探知入侵者的旁路跨接行為（包含單線旁路跨接和回路旁路跨接），并即刻將報警信息發(fā)送控制中心，為安保人員進(jìn)行處警提供絕佳的時間優(yōu)勢。

行業(yè)發(fā)展趨勢》

網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化應(yīng)用引發(fā)的市場大變革

基于物聯(lián)網(wǎng)的滲入，未來周界安防的發(fā)展趨勢，必然是以用戶為核心而設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化等特征的綜合信息操作系統(tǒng)。作為安防系統(tǒng)的第一道屏障，電子圍欄需要一個數(shù)據(jù)化的系統(tǒng)操作從而更有效的來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。業(yè)內(nèi)專家普遍認(rèn)為，T6/T8系列觸網(wǎng)防旁路型脈沖電子圍欄主機(jī)采用獨創(chuàng)的Smart DEC技術(shù)，智能識別入侵者觸碰電子圍欄前端的多種報警類型，其技術(shù)設(shè)計理念在周界的前端入侵探測領(lǐng)域具有顯著創(chuàng)新性和先進(jìn)性。

然而，電子圍欄主機(jī)入侵探測傳感模式與觸發(fā)判斷的技術(shù)革新仍不能完全滿足日益增長的用戶需求，周界安防解決方案更需要擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成平臺，這使得電子圍欄主機(jī)在設(shè)計上考慮多種通信方式。以T6/T8系列主機(jī)為例，產(chǎn)品內(nèi)置以太網(wǎng)，RS485豐富接口，最大程度提高了產(chǎn)品通訊連接能力和穩(wěn)定性，適應(yīng)用戶與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語音對講系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)有效集成需求。便捷的通過智能鍵盤或控制軟件調(diào)控用戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)，如遠(yuǎn)程防區(qū)布撤防、模式切換、輸出電壓調(diào)整、靈敏度調(diào)節(jié)、報警響應(yīng)時間調(diào)節(jié)等功能，順利實現(xiàn)跨地區(qū)遠(yuǎn)程移動的安全警戒和管理。

當(dāng)有人非法翻越圍墻或破壞圍欄時，脈沖電子圍欄具有阻擋作用，聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)彈出報警點視頻畫面，進(jìn)行視頻復(fù)核。通過智能控制終端配套的移動云警APP管理前端電子圍欄防區(qū)信息一目了然，推送機(jī)制保障報警信息即時送達(dá)，報警信息列表輕松查看報警詳情，隨時隨地處理警情。

最后，電子圍欄系統(tǒng)采用的全網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，和MK智能控制終端、SMC3000管理平臺組成三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只需簡單的將網(wǎng)線插入主機(jī)和光纖收發(fā)器，施工費用至少減少30%，降低了工程施工的復(fù)雜程度及成本。以上正是脈沖電子圍欄網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化所帶來的技術(shù)革新，這種變革真正意義上區(qū)別了國內(nèi)各廠商在產(chǎn)品技術(shù)和設(shè)計理念上的差異。產(chǎn)品技術(shù)上的差異可以在較短時間內(nèi)得以趕超，而設(shè)計理念的差異往往源自于廠商本身自帶的基因，并非簡單就能彌補(bǔ)及突破。在全球安防市場風(fēng)云驟變的時代，更驗證了電子圍欄領(lǐng)先廠商創(chuàng)新、匠心的戰(zhàn)略實施為用戶創(chuàng)造安防的全新價值。

第五篇：CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢及應(yīng)用

CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢及應(yīng)用

CMP-化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)它利用了磨損中的“軟磨硬”原理，即用較軟的材料來進(jìn)行拋光以實現(xiàn)高質(zhì)量的表面拋光。在一定壓力及拋光漿料存在下，被拋光工件相對于拋光墊作相對運動，借助于納米粒子的研磨作用與氧化劑的腐蝕作用之間的有機(jī)結(jié)合，在被研磨的工件表面形成光潔表面151.CMP技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是在集成電路(IC)和超大規(guī)模集成電路中(ULSI)對基體材料硅晶片的拋光。而國際上普遍認(rèn)為，器件特征尺寸在0.35 5m以下時，必須進(jìn)行全局平面化以保證光刻影像傳遞的精確度和分辨率，而CMP是目前幾乎唯一的可以提供全局平面化的技術(shù)。其中化學(xué)機(jī)械拋光漿料是關(guān)鍵因素之一。拋光磨料的種類、物理化學(xué)性質(zhì)、粒徑大小、顆粒分散度及穩(wěn)定性等均與拋光效果緊密相關(guān)。此外，拋光墊的屬性(如材料、平整度等)也極大地影響了化學(xué)機(jī)械拋光的效果.隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，2003年，全球CMP拋光漿料市場已發(fā)展至4.06億美元.但國際上CMP拋光漿料的制備基本屬于商業(yè)機(jī)密，不對外公布。1化學(xué)機(jī)械拋光作用機(jī)制

CMP作用機(jī)理目前還沒有完整的從微觀角度的理淪解釋。但從宏觀上來說，可以解釋如下:將旋轉(zhuǎn)的被拋光晶片壓在與其同方向旋轉(zhuǎn)的彈性拋光墊上，而拋光漿料在晶片與領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

底板之間連續(xù)流動。上下盤高速反向運轉(zhuǎn)，被拋光晶片表面的反應(yīng)產(chǎn)物被不斷地剝離，新拋光漿料補(bǔ)充進(jìn)來，反應(yīng)產(chǎn)物隨拋光漿料帶走。新裸露的品片平面又發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物再被剝離下來而循環(huán)往復(fù)，在襯底、磨粒和化學(xué)反應(yīng)劑的聯(lián)合作用下，形成超精表面，要獲得品質(zhì)好的拋光片，必須使拋光過程中的化學(xué)腐蝕作用與機(jī)械磨削作用達(dá)到一種平衡。如果化學(xué)腐蝕作用大于機(jī)械拋光作用，則會在拋光片表面產(chǎn)生腐蝕坑、桔皮狀波紋;反之，機(jī)械拋光作用大于化學(xué)腐蝕作用則表面產(chǎn)生高損傷層.為了進(jìn)一步了解CMP作用的本質(zhì)，近年來國內(nèi)外有很多關(guān)于CMP作用微觀機(jī)理的研究.清華人學(xué)王亮亮、路新春的研究表明:CMP中主要是低頻、大波長的表面起伏被逐漸消除，而小尺度上的粗糙度并未得到顯著改善;當(dāng)顆粒直徑在10^-25 nm的范圍時，粒徑和粗糙度不存在單調(diào)的增減關(guān)系;桔皮的產(chǎn)生主要是拋光漿料中堿濃度過高所致。而北京交通大學(xué)張朝輝等根據(jù)Lei提出的CMP作用中納米流體薄膜理論，提出化學(xué)機(jī)械拋光過程中，受載的粗糙峰和被拋光的品片表面之間存在一納米量級的薄流體膜，形成了納米級薄膜流動系統(tǒng)，指出對納米級流動規(guī)律進(jìn)行研究將有助r-了解化學(xué)機(jī)械拋光的作用機(jī)理，其中，在極薄的膜厚情況下的溫度場分析是一項迫切任務(wù)。同時，陳楊的研究也表明了相似的觀點:材料的去除首先源于化學(xué)腐蝕作用。一方面，在拋光領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

過程中晶片表面局部接觸點產(chǎn)生高溫高壓，從而導(dǎo)致一系列復(fù)雜的摩擦化學(xué)反應(yīng);在拋光漿料中的堿性組分和納米磨料顆粒作用下，硅片表面形成腐蝕軟質(zhì)層，從而有效地減弱磨料對硅片基體的刻劃作用，提高拋光效率和拋光表面質(zhì)量。另一方面，根據(jù)Preston公式: N RR=QWNV(其中，NRR為材料去除率;QW為被拋光材料的密度;N為拋光有效磨料數(shù);V為單個磨料所去除材料的體積，包括被去除的硅叢體的體積V,和軟質(zhì)層的體積V2)，軟質(zhì)層的形成導(dǎo)致v增大(即化學(xué)腐蝕作用可促進(jìn)機(jī)械磨削作用)，V1減小，從而有利于減小切削深度、增強(qiáng)塑性磨削和提高拋光表面質(zhì)量。因此，在拋光漿料質(zhì)量濃度相同的條件下，采用納米磨料拋光不僅有利于減小切削深度、提高拋光表面質(zhì)量，同時由于有效磨料數(shù)N的急劇增大，還有利于提高拋光效率。應(yīng)該指出的是，軟質(zhì)層的厚度同拋光條件有關(guān)，就納米級磨料而言，相應(yīng)的軟質(zhì)層的厚度一般處于幾納米至十幾納米之間:而由于CMP是機(jī)械去除和化學(xué)去除相互作用的過程，因此難以通過靜態(tài)化學(xué)腐蝕測最軟質(zhì)層的硬度。忽略拋光墊和其它一些因素的影響，拋光漿料的流動特性對CMP的行為有很大的影響。一般拋光漿料磨粒為圓形的納米級粒子，利用微極性流體可以模擬粒子的微旋運動對拋光性能的影響。張朝輝研究的模擬結(jié)果表明微極性將增加承載能力，從而有利于提高拋光速率。這一特性在低節(jié)距或低轉(zhuǎn)速下更為顯著，體現(xiàn)出尺寸依賴性。

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2化學(xué)機(jī)械拋光漿料

拋光漿料的成分主要由三部分組成:腐蝕介質(zhì)、成膜劑和助劑、納米磨料粒子。拋光漿料要滿足拋光速率快、拋光均一性好及拋后易清洗等要求.磨料粒子的硬度也不宜太高，以保證對膜層表面的機(jī)械損害比較輕。

按pH值分類，拋光漿料主要分為兩類:酸性拋光漿料和堿性拋光漿料。一般酸性拋光漿料都包含氧化劑、助氧化劑、抗蝕劑(又叫成膜劑)、均蝕劑、pH調(diào)制劑和磨料。氧化劑起在被拋光物件表面發(fā)生氧化腐蝕作用，然后通過機(jī)械作用去除表面凸起部分，使物件表面平整:另外，氧化劑還能氧化基體表面形成一層氧化膜從而提高選擇性。助氧化劑起到提高氧化速率的作用。均蝕劑可使腐蝕均勻，從而使表面光滑細(xì)膩;抗蝕劑的作用是在被拋光物件表面與被腐蝕基體形成一層聯(lián)結(jié)膜，從而阻止腐蝕的進(jìn)行以提高選擇性。而堿性拋光漿料中一般包含絡(luò)合劑、氧化劑、分散劑、pH調(diào)制劑和磨料。因為堿性拋光漿料僅在強(qiáng)堿中才有很寬的腐蝕領(lǐng)域，而且磨料易造成劃傷，所以應(yīng)用遠(yuǎn)不如酸性拋光漿料廣泛。對于不同的腐蝕基體要選擇不同的絡(luò)合劑:分散劑一般為大分子量非離子有機(jī)分散劑，其作用是保證漿料中的磨料不發(fā)生絮凝和沉降現(xiàn)象，并使磨料的勤度保持盡可能低，具有良好的流動性。下面主要介紹目前使用最為廣泛的幾種拋光漿料。

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2.1 CeO2拋光漿料

稀土氧化物CeO2具有很好的拋光性能，其特點是拋光速率高，對材料的去除率高，被拋光表面粗糙度和表面微觀波紋度較小，顆粒硬度低，對被拋光表面損傷較弱;其缺點是勃度大，易劃傷且高低選擇性不好，沉淀在介質(zhì)膜_L吸附嚴(yán)重，為后續(xù)清洗帶來困難.CeO2拋光漿料廣泛應(yīng)用于玻璃精密拋光、超大規(guī)模集成電路Sio2介質(zhì)層拋光和單晶硅片拋光等，而現(xiàn)在國內(nèi)外有很多研究也致力于CeO2拋光漿料對半導(dǎo)體襯底材料(如GaAs晶片)的拋光。

首先納米CeO2粒子通過化學(xué)吸附與拋光表面上的Sio2之間形成Ce-O-Si鍵，CeO2粒子將表面部分Sio2撕裂下來，進(jìn)入溶液中;經(jīng)過擴(kuò)散，Sio2粒子又從CeO2粒子的表面脫落。Ce-O-Si鍵的形成與S-O-Si鍵的斷裂影響著拋光速率.化學(xué)吸附作用和機(jī)械撕裂作用同時影響著Si-O-Si鍵的斷裂。CeO2拋光漿料區(qū)別于傳統(tǒng)拋光活性強(qiáng)的拋光漿料都是強(qiáng)酸，它在堿性拋光環(huán)境下是兩性的，能同時吸附陽離子和陰離子，故有更好的拋光性能。鄉(xiāng)屯度、硬度、粒度、粒度分布、懸浮性、表面電性、表面活性和密度等都是影響其拋光性能的主要因素.粒度大的適合高速拋光，粒度小的適用于低速拋光圈.具有高拋光性能的納米CeO2目前的合成方法主要有:液相反應(yīng)法、固相反應(yīng)法、機(jī)械化學(xué)法。液相反應(yīng)法包括:溶領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

膠一凝膠法、液相沉淀法、電化學(xué)法、水熱法、微乳液法、噴霧熱分解法等。張鵬珍等采用溶膠一凝膠法制備了平均晶粒度在13.3 nm且粒度分布均勻的納米CeO2粉體，經(jīng)此CeO2拋光漿料拋光后的玻璃幕片表面粗糙度(Ra)可降到0.6nm左右，顯示了良好的拋光性能。Ming等(2a)也采用此法在常壓下制備納米CeO2,原料為硝酸飾錢、尿素和去離子水，通過加熱得到的CeO2粒徑為8 nm，具有立方體結(jié)構(gòu)。電化學(xué)法制得的CeO2優(yōu)點是粒子粒度很小，分散性也較好，工藝也相對簡單，但是產(chǎn)率較低。水熱法的優(yōu)點是不需要進(jìn)行高溫灼燒處理，避免了硬團(tuán)聚。Verdon等在耐熔的合金容器中，于1.5 MPa和500%條件下進(jìn)行水熱合成制得的納米CeO2晶型較好。BondioliF等利用固相反應(yīng)在得到的CeO2產(chǎn)物尺寸為10-20 nm，且具有較好的尺寸分布.有研究表明，用機(jī)械化學(xué)法也能制成粒度在10-20nm的納米CeO2.Rajendran(291通過一種新的方法研究了CeO2拋光Si仇過程，發(fā)現(xiàn)CeO2的機(jī)械作用能加速其與Siq還原的化學(xué)反應(yīng)，并且在拋光過程中存在Cc 3+與Ce0+兩種價態(tài)。

2.2 Si02拋光漿料

Si仇拋光料的優(yōu)點是選擇性和分散性好，機(jī)械磨損性能較好，化學(xué)性質(zhì)較活潑，后清洗過程廢液處理較容易，其缺點是硬度較高，易在被拋光物體表面造成不平整，且在拋光領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

漿料中易產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象，對拋光速度的再現(xiàn)性有不良影響，同時會使被拋光物體表面產(chǎn)生刮傷。SiO2拋光漿料的pH值、磨料粒徑(50-200 nm)與分散度、濃度等都對其拋光效果有很大的影響。Si02拋光漿料用于硅片的拋光、層間介電層OLD)的拋光、妮酸鉀晶片的拋光、硬盤基片的拋光等。Siq拋光料的制備方法國內(nèi)外有很多研究，從總體來說主要是分散法與凝聚法:分散法是通過機(jī)械攪拌將納米Si仇粉末直接分散到水中來制備Si02漿料的。用分散法制備Si02漿料主要包括以下3個過程:①納米Si02穎粒在液體中潤濕:②團(tuán)聚體在機(jī)械攪拌力作用下被打開成獨立的原生粒子或較小的團(tuán)聚體;③將原生粒子或較小的團(tuán)聚體穩(wěn)定住，阻止再發(fā)生團(tuán)聚。采用分散法制備出的Si仇漿料濃度高、顆粒均勻、分散性好、純度高、黏度較小，但受粉體本身性能的影響特別嚴(yán)重。凝聚法是利用水溶液中化學(xué)反應(yīng)所生成的SiO2通過成核、生長，采用各種方法脫除其中雜質(zhì)離子得到納米Sio2水分散體系的一種方法，該法制得的Sio2漿料穎粒粒徑均一，形狀規(guī)整，純度與濃度也較高.王占銀以SiO2作為拋光漿料，分析了影響妮酸鏗晶片拋光效果的因素，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，使妮酸銼的表面粗糙度凡達(dá)到0.387 nmo雷紅制備了Sio2拋光漿料用來拋光鎳磷敷鍍的硬盤基片，表面形貌儀測得拋光后基片的表面粗糙度和波紋度分別為0.052 nm和0.063 nm,且基片表面無凹坑、電蝕等缺陷。另有研究領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

表明[301當(dāng)Si02拋光漿料pH->9時，在拋光漿料中加入適量的活性劑和鰲合劑，能消除Si02凝膠現(xiàn)象，得到較好的拋光結(jié)果。目前，對影響Si02拋光漿料拋光效果〔高拋光速率、低表面損傷、高表面平整度、易清洗等)的各種因素(拋光漿料粒度、pH值、溫度、拋光漿料流速等)的研究己比較成熟.2.3 A1203拋光漿料

1998年日本COSMOS公司首次開發(fā)了納米級別的超細(xì)A1203微粉作磨料的納米級拋光劑，從而Al2o3拋光漿料廣泛應(yīng)用于CMP領(lǐng)域，以納米Y-AI203為研磨粒子的漿料可用于集成電路生產(chǎn)過程中層間鎢、鋁、銅等金屬薄膜的平坦化及高級光學(xué)玻璃、石英品體和各種寶石的拋光等.A12o3場拋光漿料因具有選擇性低、分散穩(wěn)定性不好、易團(tuán)聚等缺點，往往在幾分鐘內(nèi)就會出現(xiàn)沉淀，顆粒變粗，所以在拋光中表面劃傷嚴(yán)重，損傷層深，所以通常A1203拋光漿料要混合有機(jī)添加物一起使用并控制好工藝條件以達(dá)到良好的拋光效果。宋曉嵐等的研究表明，在y-A12偽固含量為6%的漿料中，加入異丙醉胺分散劑的用量為-y-A1203粉體質(zhì)量的1%，同時控制漿料的pH值約為4，此時納米y-A12場粉末的潤濕性能最佳，漿料Zeta電位值較高，勃度較小，在該條件下可成功獲得長時間不沉降的穩(wěn)定漿料。盧海參采用丙烯酞氯對超細(xì)氧化鋁進(jìn)行表面改性，有效提高了氧化鋁拋光漿料的分領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

散性，進(jìn)一步的研究表明材料去除速率隨壓力或下盤轉(zhuǎn)速先增大后減小，隨拋光時的延長，材料去除速率初期較人，后期變化趨于平緩。具有良好的抗靜電性和可擦性的A1203拋光漿料在國內(nèi)已經(jīng)研制出來，應(yīng)用于磁性材料的精密拋光加工中。有研究表明,通過A1203外層包覆Si02形成殼一核性結(jié)構(gòu)粒子拋光漿料拋光能很好地提高拋光性能，減低表面損傷和粗糙度，其機(jī)理可能為殼一核結(jié)構(gòu)的緩沖效應(yīng)和粒子之間的解聚作用。

3化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著計算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，對作為其基礎(chǔ)的集成電路的性能要求愈來愈高。集成電路芯片增大而單晶體管元件減小及多層集成電路芯片是發(fā)展的必然趨勢，使得CMP在集成電路行業(yè)的重要性越來越顯著，這對CMP技術(shù)提出了更高的要求。

在CMP設(shè)備方面，正在由單頭、雙頭拋光機(jī)向多頭拋光機(jī)發(fā)展;結(jié)構(gòu)逐步由旋轉(zhuǎn)運動結(jié)構(gòu)向軌道拋光方法和線形拋光技術(shù)方面發(fā)展;開發(fā)帶有多種在線檢測裝置的設(shè)備，如組裝聲學(xué)信號、力學(xué)信號、薄膜厚度及拋光漿料性質(zhì)等在線測量裝置，并且結(jié)合目前的干進(jìn)干出要求，將拋光后清洗裝置與拋光機(jī)集成來進(jìn)行開發(fā)。在應(yīng)用方面，CMP技術(shù)已從集成電路的硅品片、層間介質(zhì)(ILD)、絕緣體、導(dǎo)體、鑲嵌金屬W.AI.Cu.Au及多晶硅、硅氧化物溝道等的平面化，拓展至領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

薄膜存貯磁盤、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MFMS)、陶瓷、磁頭、機(jī)械磨具、精密閥門、光學(xué)玻璃和金屬材料等表面加工領(lǐng)域。在CMP拋光漿料方面，關(guān)鍵是要開發(fā)新型拋光漿料，特別是復(fù)合磨料拋光漿料，使其能提供高的拋光速率、好的平整度、高的選擇性以及利于后續(xù)清洗過程，以使磨料粒子不會殘留在芯片表面而影響集成電路性能。

CMP漿料有待于發(fā)展的技術(shù)有:磨料制各技術(shù)、漿料分散技術(shù)和拋光漿料配方技術(shù)。首先要解決的就是尺寸小、分散度大、硬度適中、均勻性好、純度高的納米磨料粒子。拋光漿料的排放及后處理工作最也在增大(出于環(huán)保原因，即使?jié){料不再重復(fù)利用，也必須先處理才可以排放)。而且，拋光漿料價格昂貴，如何對拋光漿料進(jìn)行后處理，補(bǔ)充必要的化學(xué)添加劑，重復(fù)利用其中的有效成分，或降級使川，不僅可以減少環(huán)境污染，而且可以大大降低加工成本。拋光漿料的后處理研究將是未來的新研究熱點。另外一方面，復(fù)合磨料拋光漿料的研究也將是未來的趨勢之一，因為復(fù)合磨料拋光漿料在保持單一磨料拋光漿料優(yōu)點同時也改善了其缺點，在國外已經(jīng)出現(xiàn)了復(fù)合拋光磨料的研究報道，如A1203, Si02, CeO2各種單一拋光磨料互相通過包覆形成殼一核型的復(fù)合拋光磨料，集中各種單一拋光磨料的優(yōu)點，從而配制出拋光效果更佳的新型復(fù)合拋光漿料。實驗表明，在較軟的磨料粒子外面包覆一層較硬的物質(zhì)，可以在提高其拋光速率的同時領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

也保持了較高的選擇性;而在較硬的磨料粒子外面包覆一層較軟的物質(zhì)，則可在保持其較高拋光速率的基礎(chǔ)上改善其拋光表面質(zhì)量。如Lu等成功地在球形SiO2粒子外面包覆一層Ce02，并以其作為磨料制備復(fù)合拋光漿料與Sio2和Ce02拋光漿料進(jìn)行拋光實驗的比較，研究表明，復(fù)合磨料具有更好的拋光效果。目前，CMP技術(shù)己經(jīng)不局限于使用固體磨料，甚至出現(xiàn)了用氣體來進(jìn)行拋光的技術(shù)(如HVPE技術(shù)等)，為拋光漿料的發(fā)展開拓了新的思路。

近年來，CMP技術(shù)得到了長足的發(fā)展，涌現(xiàn)出了不少新技術(shù)，例如:固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、電化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)、無磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、無應(yīng)力拋光技術(shù)、接觸平坦化技術(shù)和等離子輔助化學(xué)蝕刻平坦化技術(shù)等。

盡管CMP技術(shù)發(fā)展的速度很快，但目前對CMP技術(shù)的了解還處于定性的階段，需要解決的理論及技術(shù)問題還很多。如人們對諸如拋光參數(shù)(如壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等)對平面度的影響、拋光墊一漿料一片子之間的相互作用、漿料化學(xué)性質(zhì)(如組成、pH值、顆粒度等)對各種CMP參數(shù)的影響及其機(jī)理了解仍然甚少，因而定量確定最佳CMP工藝、系統(tǒng)地研究CMP工藝過程參數(shù)、建立完善的CMP理論模型、滿足各種超大型集成電路生產(chǎn)對CMP工藝的不同要求，是研究CMP技術(shù)的重大課題。由于缺乏有效的在線終點檢測技術(shù)，維持穩(wěn)定的、一次通過性的生產(chǎn)運轉(zhuǎn)過程還存在困難，因而迫切需要開發(fā)領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

實用的在線檢測手段。一般在芯片工藝的最后幾個階段也需進(jìn)行CMP加工，此時每個芯片的價值已達(dá)到數(shù)千至數(shù)十萬美元，因而，芯片表面殘留漿料的清除是CMP后清洗的主要課題。研制合適的CMP工藝、拋光設(shè)備及漿料以使去除速度高而穩(wěn)定、片子的模內(nèi)均勻性和片內(nèi)均勻性都理想，且產(chǎn)生的表面缺陷少，是CMP技術(shù)發(fā)展的主要難題。4結(jié)語

綜上所述，CMP技術(shù)可用于各種高性能和特殊用途的集成電路制造，且應(yīng)用領(lǐng)域口益擴(kuò)展，已成為最為重要的超精細(xì)表面全局平面化技術(shù)，也是國際競爭的關(guān)鍵技術(shù)，其增長勢頭和發(fā)展前景非?？捎^。深入研究和開發(fā)CMP技術(shù)，并形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料和工藝，將促進(jìn)我國IC產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，提高我國在這一方面的國際地位，同時也將帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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