三氧化钨陶瓷靶材的电致变色薄膜性能影响因素

三氧化钨电致变色薄膜三氧化钨陶瓷靶因具有成本低、制备简单、便于掺杂、利于制备疏松多孔薄膜等特性,逐渐被人们所重视。变色存储时间是指薄膜着色后自然褪色至△T小于一定值(一般为20%所需时间)。将电致变色应用于智能窗、电子公告牌等领域时,在薄膜有较高着色率的同时,延长变色储存时间,使得加一次电压着色后有更长的显色时间,这在环保节能方面具有很重大的意义。
 
三氧化钨陶瓷靶材的制备:
1. 采用纯度为99%的三氧化钨粉末为原料,加入粘接剂球磨、干燥、压制成型;
2. 在电阻炉中经1200°C烧结呈三氧化钨多晶陶瓷靶,打磨平整后即制得溅射靶材;
3. 采用导电玻璃为衬底材料溅射沉积1小时,完成镀膜,得到电致变色薄膜。
 
实验结论显示,采用三氧化钨陶瓷烧结靶,通过射频反应磁控溅射方法制备的电致变色三氧化钨薄膜具有如下特性:
1. 60%是三氧化钨的最佳用量,压强2.5Pa,功率145W;
2. 测试得出其对光调制幅度高达89.3%;
3. XRD测试表明,未真空热处理薄膜呈非晶态,当温度达到300°C左右开始出现较明显的晶化现象;
4. 300°C的热处理后,电致变色薄膜对光调幅度略有增加,变色存储能力增强,其存储时间达到32小时以上;同时,离子存储能力增大到3.96mC/cm3
5. 循环测试表明,适度温度(300°C)处理后薄膜的循环性能变化很小,这说明它的寿命没有缩短;但是,热处理增加了薄膜的密度,致使薄膜响应速度变慢;
6. 当温度高于300°C进行热处理,薄膜的变色存储时间稍微有增加,但是其它性能都极大的衰减,这说明,300°C为镀膜后的最佳热处理温度,此时电致变色薄膜能获得最佳的性能。
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蒸铝和钨加热子的工业流程

铝膜的形成是在真空容器中把纯度很高的铝丝(一般可达到99.9%)加热气化然后沉积在温度较低的荧光屏的表面上,从而形成一层薄薄且均匀致密的铝膜。荧光屏是通过黑底石墨、荧光粉涂敷、有机膜涂敷后的屏。蒸铝屏是在荧光屏上再蒸一层铝。一般蒸铝工序的工艺流程主要是:铝丝插入→荧光屏上料→一次真空→二次真空→真空测定→预热→蒸散→膜厚测定→泄露→冷却→屏下料。

在真空容器中将钨加热子通电后使铝丝气化形成铝膜,也就是通过低电压高电流给铝丝一定的功率使之熔化后汽化蒸发形成铝膜。其工作主要是在蒸铝工序中的预热和蒸散过程中。预热的目的主要是对将吸附在铝丝中的气体进行清除和净化,使蒸发的过程能平稳的进行。在开始的时候,输入加热子的电流随着电压的增加而增加。随着长时间的预热时间,加热子的温度会上升,导致其电阻率增加,表现为电流的缓慢降低。在蒸散的过程中,主要是依靠电加热使块状固体铝分子逸出,蒸铝过程的完成就是把蒸发出来的铝分子凝聚在有机膜上制备形成铝膜。在蒸散的过程中,电压要先加到一定的数值,比如8.5V。在温度达到铝熔化温度前,电流和功率的变化和预热过程一样,呈下降的趋势。当达到蒸发温度的时候,铝会迅速蒸发,电流急剧降低,直至蒸发结束。

蒸铝和钨加热子

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钨加热子的外观设计

钨加热子一般由钨丝制成,具有较高的熔点和高耐腐蚀性,所以主要应用于钨加热子真空镀金、铝等装饰物品,镀铬等镜子,塑料制品,加热元件。钨丝加热子根据可以的样品或图纸的具体要求,被绞合成单股或多股,所使用的钨丝可以是纯钨丝或掺杂钨丝。钨丝直径范围一般在0.2~1.2mm之间。

加热阴极件在1927年第一次被间接地为大众所得知,那个时候的加热子的外观设计就有了很大的差别。当时,一个发夹钨加热子是由一挤压陶瓷绝缘体支撑着,并且周围包围着镍套。

图中A显示的是一种以前普遍使用的钨丝加热子所使用的检测器和放大器的管子。这种加热子的使用需要有2.5伏的电压供应。它需要一个为时20~30秒的预热时间。图中B显示的是一个直径为0.02mm的钨丝缠绕在一个氧化铝绝缘管的螺旋口上。通过中间的绝缘棒返回,一般情况下,氧化铝涂层会覆盖整个钨丝。图中C显示的是一个直径为0.7mm的钨丝缠绕在一个氧化铝绝缘管的螺旋口上,一个钼棒从中间的管通过,起着乘杆的作用。这种设计的加热器一般要在5伏和60安培的环境下进行运作。图中D显示的是一个直径为0.25mm的加热子支,并且挤压在绝缘管里。这四种加热子的外观设计是目前最典型的外形,但是实际上为了方便后续工作的使用,加热子还会被制作成各种不用的形状和规格。

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CNC加工钨铜工件—切削液的选用以及走刀路线安排

除了刀具和切削参数的选用外,在数控加工钨铜工件的过程中还需要注意切削液的选用以及铣削时走刀路线安排的问题。切削液(cutting fluid, coolant)是一种用在金属切削、磨加工过程中,用来冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体,切削液由多种超强功能助剂经科学复合配合而成,同时具备良好的冷却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。克服了传统皂基乳化液夏天易臭、冬天难稀释、防锈效果差的的毛病,对车床漆也无不良影响,适用于黑色金属的切削及磨加工,属当前最领先的磨削产品。相比于皂化油,切削液各项指标均占优,它具有良好的冷却、清洗、防锈等特点,并且具备无毒、无味、对人体无侵蚀、对设备不腐蚀、对环境不污染等特点。在切削钨铜工件时会产生较高的切削温度,切削热不易传散,因而需要使用切削液,从而提高切削过程中的润滑性能,降低切削力,极大提高刀具的耐用程度,有效地防止粘刀和刀具过早的磨损。

而合理安排CNC铣削过程中的走刀路线是有效防止加工钨铜工件时产生裂纹和掉渣的关键工艺方法,一般走刀路线的安排遵从以下几个原则:
1.合理选择铣削方式:通常铣削方式包括顺铣和逆铣。顺铣切削平稳,切削路程较短,切削由厚至薄且能有效减轻切屑粘结的现象并改善表面粗糙度,相比于逆铣更为常用;
2.保证铣刀旋转时切屑往内排,从而避免了因材料质地较脆而发生的铣削缺陷;
3.要注意避免过大的吃刀量以及棱边崩角和掉渣;
4.在加工平面或盲槽时,不适合选择在工件表面垂直进刀而应尽可能选择斜线或螺旋进刀,避免工件产生裂纹;
5.钻孔时,必须将出刀面紧贴在其他金属垫块上,这样可有效控制出刀孔口出现掉渣现象。

钨铜工件

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CNC加工钨铜工件—刀具的选用

钨铜材料是一种钨和铜的合金材料,其具有高密度、高强度、高熔点以及优良的耐磨耐蚀性,被广泛运用于航空航天以及一些高温材料领域。但是钨铜材料存在切削性能较差的缺陷且其属于脆性材料(在室温下多孔钨骨架抗拉强度仅有50-120MPa,Cu抗拉强度为240MPa)。在刀具加工过程中刀具磨损快,容易产生裂纹、崩块等缺陷。为了解决这些缺陷,相关研究人员在加工钨铜工件的实际生产中不断探索,尤其是在刀具选用、切削参数、切削液的选用以及数控铣削走刀路线的安排等方面进行了重点的研究与试验。

在刀具选用方面,对于材料有硬度高、韧性好、强度高、热硬性好、散热性好等要求,对于立铣刀最好选用三刃硬质合金铣刀,要求刀面光洁、刃口锋利,而对于多刃刀具应控制切削刃的跳动量。对加工钨渗铜的刀具几何角度,除后角要求稍大外,其他无特殊要求按成品刀具几何角度即可。对于切削参数的选用,切削时会产生较高的温度且切削热不易扩散,而会加快刀具的磨损。因而选择合适的切削速度、切削深度、进给量不仅能够有效提高加工效率,降低生产成本,还能够有效延长刀具的使用寿命。另外,对于CNC加工钨铜工件的硬质合金刀具的切削温度宜控制在600℃-800℃之间,而硬质合金端铣刀与立铣刀加工钨铜工件时切削参数也有所不同。

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WO3光触媒光催化CO合成甲酸

甲酸(化学式HCOOH)和甲酸甲酯(HCOOCH3)是重要的化工原料,广泛应用于有机合成、制备染料、印染、医药等许多领域。目前工业上普遍使用甲酸钠法生产;同时,也可以使用CO和水生产,这种方法的成本更低,但是需要较高温度和压力,耗能大,设备投资更高。因此,各国都在寻求新的甲酸合成方法。

WO3和甲酸
 
研究表明,CO在水中可以被光催化还原成甲酸、甲醛、甲醇、甲烷等有机化合物。光催化还原具有反应条件温和、能耗低、二次污染少等优点。近年来,将这一技术应用于热表面催化难以实现的CO还原反应体系的研究受到了人们的广泛关注。根据光敏剂和催化剂的不同,CO的光催化还原研究主要分为以下四类:
1. 二氧化钛为光敏剂(或称为助剂),其它金属和金属氧化物等作为催化剂;二氧化钛和三氧化钨两种半导体的复合,能够增加俘获质子或电子的能力,进而增强光催化性能;
2. 卟啉,Ru(bpy)32+,ReX(CO)(bpy)既作为光敏剂,又作为催化剂;
3. Ru(bpy)32+作为光敏剂,另一种金属复合物作为催化剂;
4. 有机物作为光敏剂,金属复合物作为催化剂。
目前,CO还原的光催化剂以第一类为主,其反应与作为半导体的二氧化钛的光敏性有关。
 
WO3作为一种半导体光触媒,其禁带宽度为2.4eV~2.8eV,意味着它有更宽的光吸收波段,能响应可见光,被认为是替代二氧化钛光触媒的很好的光催化材料。近年来,对WO3光催化特性的研究在不断进行,特别是超细粉体的WO3在催化领域具有广阔的前景。
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WO3电致变色薄膜的变色机制

电致变色薄膜电致变色效应是指材料的光学性能在电流或者外加电场的作用下,物质的颜色发生稳定、可逆的变化现象,简称电色效应。WO3是最为典型的无机电致变色材料,其制成的电致变色薄膜是目前研究最多的一种,具有着色效率高、可逆性好、响应时间短、寿命长、成本低等优点,因而符合未来智能材料的发展趋势。它在建筑调光窗、汽车后视镜与挡风玻璃、电致变色储存器件、平板显示器等领域有着广泛的应用。
 
充分了解电致变色机制是制备实用性电致变色薄膜的前提,也是使得电色薄膜特性得到充分应用的必要条件。目前,人们普遍接受的是离子和电子在薄膜两侧的共注入,导致膜层发生电致变色的解释模型,其反应方程式为:
WO3+xM++xe- =MxWO3(蓝色)【其中反应向右推进为着色过程,向左推进为褪色过程】
式中M为H+或Li+的小半径正离子;
 
由于三氧化钨的半导体特性,当有电子注入且被局域于某W5+离子上,并进入5d轨道,注入的W5+也驻留在此,其内部趋于保持电中性,从而形成MxWO3,由于W5+与W6+离子混价共存并分处于2个能级上,则此时发生电子的能级跃迁效应而产生电致变色现象。原始状态WO3电致变色薄膜呈轻微的蓝色,通电反应过程中薄膜的颜色逐渐加深,随着反应时间的延长,薄膜颜色持续变化,由淡蓝色最终变为蓝黑色;褪色过程中,薄膜颜色由蓝黑色逐渐变回淡蓝色,但比原始状态的颜色稍微有加深一些。
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稀土钨电极的工作机理

稀土钨电极的工作机理主要依靠稀土钨酸盐或者是氧化钨酸盐在燃弧过程中的迁移和扩散,从而实现电极表层稀土的最佳优化配比,从而降低电极表面的逸出功,促进电子发射,提高焊接性能。

多元复合稀土钨电极在不同的燃弧时间,其组织形貌及稀土变化情况是不同的。燃弧初期,在高频引弧的作用下,电极尖端的温度较高,使得材料的纤维组织发生变化呈现了三个不同的区域特征。A区域的温度最高,组织呈现半熔化态,表面由于存在氧化钨的分解,因此表面有少量的钨沉积。由于A区域温度最高,因此在该区域内物质的蒸发量是最大的。B区域发生了再结晶,组织呈现等轴状。稀土在B区域呈现的是液状,主要沿晶界向表面发生扩散迁移,但是等轴状的钨晶粒会在一定程度上阻碍稀土的扩散迁移,因此在这个区域容易达到扩散与蒸发的平衡,在电极表面形成稳定的活性层,对焊接起到了稳弧的作用。C区域保持电极原有的加工态纤维组织。在复合电极中Ce最先向表面发生扩散迁移,因此在燃弧初期,Ce起的作用最大。另外,稀土的扩散迁移在B区域和C区域相类似,也会发生以Ce为主的稀土沿晶扩散迁移,但是由于C区域钨晶粒呈现与电极轴向平行的纤维状组织,因此稀土主要向B区域迁移。

稳定燃弧后,电极尖端整体温度较燃弧初期有了明显的提高,特别是在区域B和C。B区域温度的上升使得Ce蒸发速率加快,表面含量降低。而La开始向电极表面扩散,能够在电极表面维持较大的覆盖度,对电极的稳定燃弧起到了主要作用。C区域温度升高,使得La沿晶界扩散的速率加快,因此La作为主要的元素沿纤维状晶界扩散迁移到了B区域,不从稀土的蒸发。

由上分析可知,电极工作是通过稀土氧化物与钨反应形成熔点较低的钨酸盐或氧化钨酸盐,并通过这些盐的迁移和扩散来实现蒸发和补给的平衡。这些盐类的合理搭配可以提高复合稀土电极的焊接性能。

钨电极工作机理

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稀土在钨电极燃弧过程中的扩散迁移

稀土可以有效降低电极表面的逸出功,降低电极的工作温度,不仅可以促进电子发射,也可以提高焊接性能。因此,稀土在钨电极工作时的最大作用就是降低表面逸出功,促进电子发射。但是目前对这种电极发射机理却又很多不同的解释。对于钍钨电极来说,在燃弧过程中氧化钍被还原成单质钍,所以在电极的表面覆盖着一层钍原子,钍原子的逸出功较低,因而电极表面的逸出功也较低,促进了电子的发射。但是经过热力学计算发现,稀土电极跟钍钨电极的发射机理不同,在燃弧的过程中稀土是不会被还原的,因而原子层发射机理无法解释稀土钨电极的稀土的迁移行为。

通过高温模拟,对稀土的扩散迁移进行研究。从测试图可以看出稀土Ce在850℃的时候,其在钨基体中的含量已经远超过其理论含量。这说明在升温前,Ce已经向电极表面扩散,随着温度的升高,其含量得到缓慢的增加,在1100℃达到了最大值。但随着温度继续升高,其蒸发速率大于其表面的扩散速率,因此含量开始下降。

稀土La在850℃就开始向表面扩散。在1050℃时,La向表面扩散的速率与蒸发速率达到了平衡,其中La含量达到了最高值25%。当温度上升至1200℃时,La的蒸发速率高于表面扩散速率,含量开始降低。

在稀土钨电极中,其含量的变化主要是由La、Ce和O的变化引起的。对于O而言,在850℃-1200℃,电极表面O是缓慢上升,在1000℃时达到最高值。

结合燃弧过程中电极形貌的变化可知,电极尖端的温度很高,所以在高温的作用下可以促进稀土向表面扩散。其中Ce最先开始迁移,且速率最快。因此在燃弧时,Ce最早开始扩散,在表面形成活性层,促进电子发射,使起弧成功。而La扩散的比较晚,其的是稳弧的作用。而O的作用主要在引弧初期,一部分O用于表面活性层的形成,另一部分则可以与钨反应,生成气态氧化物挥发或者沉积到电弧的尖端,形成凸起,有利于高频引弧和稳弧。

钨电极稀土含量变化

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金刚石薄膜用钨加热子

金刚石薄膜制备和钨加热子热丝法中的热解源——钨丝一般采用螺旋状(钨加热子)。但是螺旋状钨丝很容易在沉积的过程中受碳化影响而产生形变。大面积金刚石薄膜需要有比较均匀的热解源温度场,热解丝的变形会破坏原设计温度场的均匀性。用直线钨丝作热解丝能比较好地解决螺旋钨丝的下垂变形。除此之外,单根直线热解丝的热解能量密度比螺旋丝要低,要保证较高的热解能量密度,需要更多热解丝进行密集的排列。用并联法连接热解丝虽然可以解决密排的问题,但是由于热解电流很大,需要专用的低电压大电流设备进行供电,并且需要对引线触点水冷。而串联法要做到密排连接目前在工程上仍然存在一定的困难。

金刚石的硬度在固体材料中最高,达HV100GPa,热导率为20W·cm-l·K-1,为铜的5倍,禁带宽度为5.47eV,室温电阻率高达1016Ω·cm,通过掺杂可以形成半导体材料。

热丝法化学气相合成金刚石中的样品基片温度受热解丝温度及热解丝与样品基片距离影响很大。热解丝温度、热解丝与样品基片距离和样品基片温度很难同时在各自最佳的参数下运作。所以要将采用∅0.3mm直径的钨丝,这样可以将钨丝下垂变形减小到最低程度。采用独立的电炉加热装置,使样品保持一定的温度,当样品基片靠近热解丝的时候,热解丝有效大的热量辐射到样品基片,这个时候就可以将加热功率调小,或者不用电炉加热而直接用冷却水的流量来控制样品基片温度。

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