为了增韧Si3N4基陶瓷材料, 以钨(W)作为第二相材料, Y2O3-Al2O3作为烧结助剂, 采用气压烧结法制备了W/Si3N4复合陶瓷材料。研究了W含量对W/Si3N4复合陶瓷材料致密性、力学性能以及结构的影响。结果表明: 在W含量小于5%(质量分数)时, 样品致密度均达97%以上; 在W含量为5%(质量分数)时, 获得的W/Si3N4复合陶瓷材料综合性能最佳, 弯曲强度、硬度和断裂韧性分别为(670.28±40.00) MPa、(16.42±0.22) GPa和(8.04±0.16) MPa·m1/2, 相比于未添加金属W的Si3N4陶瓷材料分别提高了38.08%、13.08%和44.34%; 通过分析W/Si3N4复合陶瓷材料样品抛光面和压痕裂纹的微观结构, 发现W的引入能促使裂纹在扩展路径上更易发生偏转、分叉等增韧机制, 消耗裂纹扩展能量, 从而改善Si3N4陶瓷的断裂韧性。

为了系统研究激光辐照对超音速激光沉积(SLD)Ti6Al4V涂层颗粒界面结合及致密性的影响并揭示涂层界面结合与其耐磨损性能的关系,采用不同功率激光在Ti6Al4V基板上制备了SLD-Ti6Al4V涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度仪和摩擦磨损仪等对涂层的微观特性、物相组成、显微硬度和摩擦磨损性能进行了分析。结果表明,激光辐照会诱使SLD-Ti6Al4V涂层中的颗粒在界面处发生原位氮化反应,生成氮化钛陶瓷相,且随着激光辐照功率的升高,氮化钛的尺寸和含量会增加。当激光辐照功率为800 W时,氮化钛陶瓷相的宽度可达4.5 μm,且在涂层中的面积占比可达28.06%。由于界面处的氮化钛陶瓷的相对孔隙具有闭合效应,SLD-Ti6Al4V涂层的孔隙率可从冷喷涂(CS)Ti6Al4V涂层的8.28%降至1.85%。由于高硬度陶瓷相的存在,SLD-Ti6Al4V涂层的显微硬度可达到360~370 HV。此外,SLD-Ti6Al4V涂层较Ti6Al4V基体和CS-Ti6Al4V涂层具有更优的耐磨损性能,这是由于SLD-Ti6Al4V涂层在高能激光束加热与高压氮气源的共同作用下,在颗粒界面处原位生成了Ti₂N、TiN等氮化物反应层,涂层致密度得到提高,颗粒之间形成了冶金结合,界面结合强度也得到提高。这些原位生成且结合良好的氮化钛陶瓷相使SLD-Ti6Al4V涂层的耐磨损性能得到提高。

为了实现降低金刚石涂层粗糙度的目的, 本文研究了飞秒激光功率, 重复频率以及扫描速度对金刚石涂层表面粗糙度的影响, 试验之后利用白光干涉仪检测抛光区域形貌以及粗糙度。试验结果表明: 粗糙度随着功率的降低而减小, 当功率降至100 mw以下时抛光后的粗糙度会随着功率的降低而略微的提高; 重复频率对抛光后的粗糙度无显著影响; 粗糙度随扫描速度的增大而减小, 当扫描速度增加到1.6 mm/s之后, 粗糙度会出现略微的升高。在功率100 mw, 重复频率1 KHz, 扫描速度1.6 mm/s的条件下, 得到的粗糙度最低, 约为0.14 μm, 局部区域粗糙度可降至100 nm以下, 并且抛光的区域相对于未抛光区域更具有致密性, 基本上满足金刚石涂层低摩擦表面的要求。

基于溶液旋涂法和高压退火工艺制备了a-IGZO薄膜。采用椭圆偏振光谱分析仪以及原子力显微镜研究和分析了H2O2对薄膜的表面结构和光学特性的影响。实验结果表明, a-IGZO前驱液中不含H2O2的薄膜, 退火温度从220 ℃升高到300 ℃, 薄膜的光学带隙从3.03增加到3.29, 而膜表面粗糙层由20.69 nm降至4.68 nm。在同样的高压退火条件处理下, 与前驱液中没加入H2O2的薄膜相比, 折射率显著增加并明显的降低了薄膜表面粗糙度。退火温度在300℃时, 薄膜的光学带隙由3.29 eV增大到3.34 eV, 表面粗糙层由4.68 nm减少到2.89 nm。因此, H2O2可以在相对低温条件下有效降低薄膜内部的有机物残留及微缺陷, 形成更加致密的a-IGZO薄膜。证明了利用H2O2能够有效降低溶液法制备 a-IGZO薄膜所需的退火温度。

应用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)法制备SiO2薄膜, 并用折射率来表征致密性。研究了SiO2薄膜致密性与射频(RF)功率、基板温度、腔内压强、N2O/SiH4流量比的关系。通过Filmetrics薄膜测厚仪F20测量了薄膜的折射率, 用聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)测量了表面微结构。利用能量弥散X射线(EDX)分析薄膜中Si、O、N元素含量随工艺参数变化对致密性的影响。进行多因子实验设计(DOE), 得出了各种条件下最优的折射率与结构的生长条件, 并研究了SiO2薄膜致密性随工艺条件变化的机理。

氮化硅薄膜作为传统的晶体硅太阳电池钝化减反膜, 其性能的变化直接影响电池的转化效率。通过改变管式PECVD的射频功率, 制备了不同膜厚和折射率的氮化硅薄膜, 并分别进行了薄膜致密性以及硅片镀膜后少子寿命的测试。实验及测试结果表明, 改变PECVD的射频功率对氮化硅薄膜的沉积速率及其薄膜的性能有重要影响。