文档介绍：分类号 TB43 单位代码 10618
密级公开学号2150980009
专业硕士学位论文
空心微球表面金属涂层的制备、表征和性能研究
研究生姓名: 孙书兵
导师姓名及职称: 王锋教授何智兵研究员
申请专业学位类别工程硕士学位授予单位重庆交通大学
论文提交日期 2018 年 6 月 6 日
专业领域名称材料工程论文答辩日期 2018 年 6 月 1 日
2018年 6 月 6 日
Study on Preparation of Metal Coatings on Hollow Microspheres and Properties Research
A Dissertation Submitted for the Degree of Master
Candidate: Sun Shubing
Supervisor: Wang feng
Chongqing Jiaotong University, Chongqing, China
摘要:
空心微球是惯性约束聚变(ICF)研究中重要的燃料容器,其中空心微球表面的金属涂层是微球靶壳层不可缺少的组成部分,具有提高微球的保气性能、耐冲击性能、压缩效率、和降低内爆过程的瑞利-泰勒(RT)不稳定性等功能,故ICF对微球上的金属涂层的厚度均匀性、表面粗糙度和涂层的结构致密性等性能存在一定的要求,而目前国内外关于微球上金属涂层的研究还较少,关于微球上涂层的生长方式与形貌的演变原因缺乏系统的分析,涂层质量有待提高,又微球上涂层的生长与平面上存在较大的差异,且涂层的质量在根本上取决于制备条件,针对这一现状开展微球上金属涂层的研究。
高品质微球涂层是研究的最终目标,为了达成此目标,本文首先开展工艺参数与涂层生长的变化规律探究,在此基础上展开激励微球运功的研究,分析了影响涂层质量的关键因素与影响规律,并总结出控制涂层最佳质量的方法,最后为了提高微球上金属涂层的综合性能,展开了微球上多层涂层的探索,率先进行铝钨多层涂层的相关实验。研究结果如下:
(1)通过改变真空室内的氩气流量,探索工作气压变化与涂层质量的对应关系,研究发现随工作气压增大,铝涂层的沉积速率变小,表面粗糙度呈现先减小后增大的变化趋势, Pa~ Pa。随后探究了靶间距对涂层质量的影响规律,研究发现靶间距增大时,铝涂层的沉积速率下降,壁厚均匀性增大,靶间距设置为10 cm最合理(2)重点分析了微球上与平面上涂层生长的差异,对微球运动模型进行假设,开展微球激励方式的探究,结合溅射原子的扩散势垒、阴影效应与溅射角度变化星系分析涂层的生长过程与最终形貌。研究发现旋转托盘的摩擦作用可使微球维持一段时间的旋转运动,微球得这种运动模式导致微球上溅射的纯铝涂层的表面粗糙度较小,但样品涂层的壁厚离散性较大,当转速为45 r/min时,微球上铝涂层的质量相对最好。随后增加的螺旋敲击锤基本使微球实现了持续性的运动,微球上金属涂层的壁厚均匀性显著增强,涂层的结构呈致密的柱状晶生长,生长模式从最初的层状生长转变为层状与岛状相混合的生长模式,但涂层的表面粗糙度稍有增大,控制最佳敲击力度后,改变敲击间隔,发现当敲击间隔为15 s时,微球上铝涂层的综合质量最好,%, nm,择优衍射晶面(111)晶面对应的残余应力值最小,此样品铝达到了ICF实验用的较高水平(3)在微球上开展多层涂层的探索,研究发现多层涂层的整体微结构与内部残余应力主要受底层涂层的影响。本文实验中
结构致密、球形颗粒的铝涂层作为底层涂层,为上层钨涂层的生长提供了良好的模板作用,不仅改变了钨涂层的颗粒形貌,也显著降低了溅射涂层的残余应力,且所有涂层的壁厚均匀性大于90%;本次研究还探索了工作气压变化对组合多层涂层的综合质量的影响, Pa时,微球上铝钨多层的综合质量最佳,涂层的壁厚均匀性大于90%, nm,层内的残余应力最小。
关键词:微球金属涂层,激励方式,多层涂层,壁厚均匀性,表面粗糙度
ABSTRACT
Hollow microsphere is an important fuel container in inertial confinement fusion (ICF) experiments. And metal coating is a necessary part of microsphere shell. It can improve the gas retention performance, increase impact resistance, pression effic