基于Al/Ni纳米复合薄膜热源装配微型热电池技术研究(2)

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1 绪论

1.1 国内外研究现状

1.1.1 热电池的国内外研究现状

1.1.2 Al/Ni纳米复合薄膜的国内外研究现状

1.2 研究内容

本文在学习热电池基本原理、热电池激活技术等相关技术、Al/Ni纳米复合薄膜的自蔓燃烧反应机理及磁控溅射镀膜技术的基础上，以Al/Ni纳米复合薄膜代替传统的烟火药剂作为热电池的热源制作热电池并对其放电性能表征。具体工作如下：

(1)使用磁控溅射镀膜机制备80μm和200μm两种规格Al/Ni纳米复合薄膜；

(2)电极材料、电解质及含能薄膜划片准备；

(3)对热电池进行放电性能测试，并对热电池的激活时间、放电电压进行评估；

(4)以Al/Ni纳米复合薄膜基热电池可行性分析。

2 Al/Ni纳米复合薄膜的制备

2.1 实验设备及材料

①镀膜机。实验使用的是沈阳科友真空技术研究所生产的真空磁控溅射镀膜装置，如图1所示。镀膜机抽真空系统采用复合分子泵—机械泵系统，极限真空可达1×10-5Pa；利用PH-LW52-BHP型激光冷水机提供冷却系统用水，水温设置20°C，金属靶均采用直流功率源，靶与基底之间的距离为10cm。

②靶材。本实验使用的靶材选用江西科特公司生产的Al靶、Ni靶，规格为Φ76 mm × 4mm圆形薄片，其中Ni靶掺杂7%的V，为的是尽量减弱Ni靶的磁性，增加镀膜成功的可靠性，Al靶纯度为99.99%。

真空磁控溅射镀膜装置示意图

1—真空室，2—驱动电机，3—离子束电源，4—直流电源，5—射频电源，6—真空计，

7—控制面板，8—分子泵总控面板，9—冷水机

图1 真空磁控溅射镀膜装置示意图

2.2 镀膜原理

薄膜可定义为：按照一定的需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。

薄膜制备方法有物理气相沉积(Physical VaporDeposition CVD)、化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition CVD)、电镀等等。其中物理气相沉积是在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子，或离子化为离子，直接沉积到基体表面的方法，主要包括真空镀膜、溅射镀膜、离子镀膜等。本实验采用磁控溅射的方法。

所谓的溅射原理指的是在真空室内, 利用荷能粒子轰击靶材表面,通过粒子的动量传递打出靶材中的原子及其他粒子, 并使其沉积在基体上形成薄膜的技术。磁控溅射可实现大面积快速沉积, 几乎所有金属、化合物、介质均可做靶, 镀膜致密度高,附着性好。溅射技术的成膜方法很多, 具有代表性的有直流( 二级、三级或四级) 溅射、磁控( 高温低速) 溅射、射频溅射、反应溅射、偏压溅射等。溅射镀膜是物理气沉积薄膜的一种方法, 它有许多独特之处: 如可实现高速大面积沉积；几乎所有金属、化合物、介质均可做成靶, 在不同材料衬底上得到相应材料薄膜；可以大规模连续性生产等。因此, 溅射镀膜技术倍受关注, 尤其是在20 世纪70 年代初期迅速发展起来的磁控溅射镀膜技术, 在电子学、光学、磁学、机械、仪表、轻工业等行业, 作为一种有力的薄膜制备手段, 得到广泛应用。由于磁控溅射镀膜具有附着性好, 膜质较致密, 节水节电,工艺流程简便和无三废处理等优点, 使得它比蒸发镀膜和水溶液电镀, 具有更大的潜在优势。应用溅射技术制备薄膜材料是目前应用很广泛的一种方法[21]。

磁控溅射镀膜的原理如图2 所示，溅射靶材处于负高压电位，因此产生的电场方向如图3中E所示。溅射靶背面是永磁铁，产生如图中所示的磁场。电场与磁场正交。电子在电场E 的作用下，飞向处于阳极位的基片，在途中与氩原子碰撞，使氩原子发生电离产生Ar+ 和新的电子，Ar+ 带正电，在电场作用下加速飞往处于负高压的溅射靶，并轰击靶材，使靶材发生溅射，被溅射出来的靶原子飞向基片，并最终沉积到基片上形成薄膜。Ar原子产生的新电子，称为二次电子。二次电子与初始电子由于同时受到电场力和磁场B 的洛伦兹力的作用，在靶材附近围绕磁力线做螺旋运动，因此电子的运动轨迹大大加长，从而与氩原子碰撞的几率也大大增加，通过碰撞产生更多的Ar+ 轰击靶材，从而大大提高了溅射速率。二次电子在经过多次碰撞后能量逐渐降低，同时逐渐远离靶材，在电场E 的作用下，沉积到基片上，由于此时电子的能量很低，避免了电子轰击基片使基片的温度升高[22]。