CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ VÀ TỔNG QUAN VỀ VCD

Dao được phủ có tuổi thọ cao hơn gấp 10 lần so với dao không được phủ Bản chất quá trình là tạo ra một luồng kim loại kể cả hợp kim nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất

BÁO CÁO THIẾT BỊ PHUN PHỦ BỐC BAY HÓA HỌC (CVD)

M c l c ục lục ục lục

Công nghệ phun phủ và Tổng quan về VCD 2

PHẦN I NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY 3

1 Các quá trình trong phương pháp CVD 3

1.1 Vận chuyển các precursor vào buồng phản ứng 3

1.2 Các phản ứng pha khí 5

1.3 Khuếch tán và kết hợp để tạo màng trên đế 5

1.4 Giải hấp các sản phẩm phụ và vận chuyển ra khỏi buồng 6

2 Phận loại phương pháp CVD 7

2.1 CVD gồm nhiều phương pháp như: 7

2.2 Các hiện tượng truyền 9

3 Phản ứng hóa học 14

3.1 Nhiệt hóa học 14

3.2 Động hóa học 14

3.3 Các phản ứng trong CVD 15

3.4 Chất gốc- precursor 16

4 Cơ chế hình thành lớp phun 16

4.1 Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun 16

4.2 Quá trình bay của các hạt 17

4.3 Sự hình thành lớp phun 17

PHẦN II KẾT CẤU MÁY 19

1 Xây dựng hệ nhiệt CVD 19

1.1 Hệ tạo chân không cao : 19

1.2 Bơm sơ cấp(bơm stato lá gạt) 19

1.3 Bơm khuếch tán 20

1.4 Hệ chân không duy trì áp suất làm việc 21

1.5 Bơm sơ cấp(bơm roto lá gạt) 21

1.6 Bơm roots 22

1.7 Bộ đo chân không 23

1.8 Hệ tạo nhiệt 24

1.9 Buồng làm việc 27

1.10 Hệ vi chỉnh khí 28

1.11 Prolfile nhiệt độ của buồng làm việc 31

PHẦN III PHẠM VI ỨNG DỤNG 33

PHẦN IV ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ KẾT LUẬN 40

1 Ưu điểm : 40

2 Nhược điểm : 42

CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ VÀ TỔNG QUAN VỀ VCD

Năng lượng là một biểu thị của nhiệt và ma sát sinh ra trong quá trình cắt gọt kim loại Dưới tác dụng của nhiệt và ma sát làm cho điều kiện làm việc của dao vô cùng khắc nghiệt, kết quả là lực tải và nhiệt độ trên bề mặt của dao cao Nhiệt này là do sự trượt của phôi ở tốc độ cao trên mặt trước của dao, tạo áp lực cao và ma sát lớn lên lưỡi cắt

Các lực cắt có xu hướng dao động, chúng phụ thuộc vào sự hiện diện của các phần

tử cứng trong cấu trúc vi mô của vật liệu, hoặc khi thực hiện quá trình cắt gián đoạn Vìthế, yêu cầu dao cắt phải có độ bền ở nhiệt độ cao, độ dai cao, tính chống mòn cao và

độ cứng cao Suốt nửa thế kỷ qua, sự phát triển và nghiên cứu trên diện rộng đã được thực hiện với mục đích là cung cấp sự cải tiến liên tục về khả năng của dao cắt

Nhân tố then chốt trong tốc độ mòn của hầu như tất cả các vật liệu làm dao là nhiệt

độ đạt được trong suốt quá trình gia công Thật không may là khó có thể thiết lập các giá trị của các tham số cần thiết cho các tính toán như thế, tuy nhiên các phép đo lường thực nghiệm đã cung cấp nền tảng cho các tính toán theo kinh nghiệm

Thông thường người ta cho rằng tất cả năng lượng sinh ra khi cắt được chuyển thànhnhiệt và 80% lượng nhiệt này được phoi mang đi (điều này sẽ thay đổi và phụ thuộc vàomột số nhân tố đặc biệt là tốc độ cắt) 20% lượng nhiệt còn lại truyền vào dao cắt Ngay cả khi cắt thép ít các bon, nhiệt độ trên dao có thể vượt quá 5500C, đây là nhiệt

độ lớn nhất mà thép gió (HSS) có thể chịu được mà độ cứng của chúng suy giảm khôngđáng kể Cắt thép cứng với dao làm bằng Nitrit Boron lập phương (CBN) sẽ làm cho nhiệt độ của dao và phoi vượt quá 10000 C

Các loại hợp kim mới và các vật liệu kĩ thuật đã và đang phát triển mạnh không ngừng từ thập niên 1960.các vật liệu này có cường độ và độ bền cao nhưng nói chung làm mài mòn và phản ứng hóa học đối với vật liệu dao Rất khó để gia công các vật liệunày có hiệu quả và cần phải cải thiện nhiều hơn đặc tính trong gia công các vật liệu cơ khí thông thường Do vậy, đã dẫn đến sự phát triển loại dao cụ được phủ

Do các đặc tính độc nhất của chúng như có tính ma sát thấp hơn, tính chống mài mòn và chống nứt cao hơn, dao phủ được sử dụng để gia công ở tốc độ cắt cao, giảm thời gian gia công và giảm chi phí sản xuất Dao được phủ có tuổi thọ cao hơn gấp 10 lần so với dao không được phủ

Bản chất quá trình là tạo ra một luồng kim loại (kể cả hợp kim) nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi phun có sự va đập vào lớp kim loại nền, do ảnhhưởng của các biến đổi lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám chắc

vào lớp nền

Phương pháp CVD là một phương pháp được biết đến về tính lâu đời và hiệu quả của nó trong chế tạo các vật liệu có độ tinh khiết và hiệu suất cao Ngoài ra phương pháp CVD còn được sử dụng trong nghiên cứu và chế tạo các vật liệu oxide cấu trúc nano Đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các cấu trúc nano của các vật liệu oxide được tạo bằng phương pháp CVD [3-5]

CVD là tên viết tắt tiếng anh của từ “ Chemical V apor Deposition tức phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học Đây là phương pháp linh hoạt được sử dụng để chế tạo các vật liệu rắn có độ tinh khiết và hiệu suất cao

CVD có thể chế tạo hầu hết các kim loại Một số phi kim quan trọng như Carbon, Silicon… cũng như một số lượng lớn các tạp chất Carbide, Nitride, Oxide…., và nhiều loại vật liệu khác

CVD là quá trình tổng hợp vật liệu rắn bằng cách cho các chất hóa học ban đầu

(presusor) ở pha hơi phản ứng với nhau và lắng đọng trên một đế được nâng nhiệt.Precusor có thể bao gồm một hay nhiều các chất vô cơ, kim loại-hữu cơ… và được vận chuyển pha hơi đến buồng phản ứng , nơi tại đó sẽ diễn ra các phản ứng hóa học để tạo thành màng bật vật liệu rắn lắng đọng trên đế.

Chính các phản ứng hóa học xảy ra trong phương pháp CVD này là đặc điểm để phân biệt CVD với các phương pháp PVD tức lắng đọng hơi vật lý như phún xạ ,bốc bay…

Ứng dụng CVD vào công nghiệp đã đạt được nhiều thành công trong thời gian gần đây, đặc biệt là ngành công nghiệp mạ và công nghiệp bán dẫn Ngành công nghiệpbán dẫn được xem là ngành ứng dụng của phương pháp CVD nhiều nhất khi chiếm 3/4 sản phẩm tạo bởi phương pháp CVD

Kiểm tra thông số vật liêu, vật liệu nén, vật liệu phun phủ, vật liệu phu

trợ

Chuẩn bị bề mặt Chuẩn bị vật liệu phun

Gia công nhiệt hoặc nhiệt hóa

Gia công nhiệt hoặc nhiệt hóa

Gia công cơ khí

Kiểm tra chất lượng lớp phun phủ

và sản phẩm

1 Các quá trình trong phương pháp CVD

Sự hình thành vật liệu của phương pháp CVD bao gồm các quá trình

vận chuyển , phản ứng và lắng đọng của các chất gốc lên đế nền Các quá trình trên chịu ảnh hưởng lớn của các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ khí tải , thiết kế buồng …Do đó kiểm soát được các yếu tố ảnh hưởng đến mỗi quá trình là ta có thể kiểm soát được cấu trúc , tính chất cũng như hình thái của vật liệu tạo thành

1.1 Vận chuyển các precursor vào buồng phản ứng

Mục đích của quá trịnh vận chuyển là nhằm cung cấp một cách lien tục và đồng nhấtlượng

Precursor (chất gốc) đưa vào để lắng đọng trên đế Độ tinh khiết của cấu trúc tạo thành

có thêt được gia tăng trong phản ứng ở pha khí nhưng đồng thời có thể bị suy giảm do các khí tạp và quá trình tạo mầm Các phản ứng ở pha khí không mong muốn có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng các hệ thống chân không cao làm giảm khả năng vachạm của các phẩn tử khí trước khi chúng được lắng đọng trên bề mặt Sự vận chuyển các precursor ở pha khí phụ thuộc vào dạng và thiết kế của buồng phản ứng

Dòng khí vận chuyển trong buồng bao gồm dong chảy do sự phun khí vào buồng

và dòng chảy khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ của vật liệu lên đế nền Dòng chảy của khí (dòng đối lưu) không thể vận chuyển khí xuống đế nền mà dòng khuếch tán mớichính là dòng gây ra hiện tượng lắng đọng trong VCD

Trong đa số trường hợp , sự dịch chuyển của các khối khí là dòng chảy

lớp(laminar flow) Khi đó vận tốc của dòng khí biến thiên từ zero tại thành buồng đến vận tốc lớn nhất

Tại tâm buồng Đây chính là lớp biên của dòng khí , lớp biên này bắt đầu hình thành ở một đầu buồng như hình khí phản ứng di chuyển bên trong lớp biên sẽ khuếch tán qua

nó để lắng đọng lên đế

Ngoài lớp biên vận tốc trong lòng buồng còn hình thành lớp biên nồng độ

Lớp biên vận tốc sinh ra do độ nhớt của dòng khí và ma sát giữa dòng khí với thành buồng

Như hình vẽ Trong khi đó lớp biên nồng độ sinh ra do sự hấp dẫn phụ chất phản ứng vào đế gây ra gradient nồng độ lớp biên độ có dạng tương tự như lớp biên vận tốc

Để miêu tả những điểm tại đó khối khí có cùng vận tốc , nhiệt độ hay nồng độPhản ứng đã sử dụng các profile vận tốc , profile nhiệt độ hay nồng độ khi phản ứng

Hình 1.1.2 là sơ đồ điển hình của các profile nhiệt độ Lớp biên nhiệt độ cũng tương tự như lớp biên vận tốc Khí trong dòng sẽ được nâng nhiệt một cách nhanh chóng khi tiếp xúc với thành buồng tạo nên một gradient nhiệt giữa thành buồng với tâm buồng Nhiệt độ trung bình cũng tăng theo chiều dịch chuyển của dòng khí.

Khi dòng khí chảy trong buồng, sự lắng đọng , phản ứng và tạo thành các sản phẩm phụdiễn ra sẽ khiến cho luồng khí có sự thay đổi về nồng độ Sơ đồvề các profile nồng độ

và lớp biên được miêu tả như trên hình 1.1.3

Hình 1.1.3 Sự thay đổi lớp biên độ nồng độ và nồng độ của khí phản ứng trong buồng

Lớp biên của ba đại lượng vận tốc , nhiệt độ và nồng độ trùng nhau trong đa số các trường hợp Tuy nhiên có một số trường hợp các phản ứng diễn ra với tốc độ chậm trong buồng Khi đó ở giai đoạn đầu lớp biên vận tốc và nhiệt độ đã phát triển đầy đủ trong khi các lớp biên nồng độ chưa hoàn thành bởi phản ứng lắng động diễn ra ở phía đầu cuối của buồng

Càng vào sâu trong buồng, lớp biên càng dày và gradient nồng độ càng nhỏKhiến cho độ dày màng tạo thành sẽ không đồng đều Do vậy đế nền được đặt nghiêng, song song với bề mặt lớp biên sẽ giúp quá trình lắng đọng diễn ra một cách đồng đều hơn

Việc hiểu rõ và xác định chính xác profile và lớp biên của các yếu tố trong buồng phản ứng đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ cũng như sắp xếp đế nền nhằm đạt được điều kiện lắng đọng tối ưu cho quá trình tạo vật liệu

Metallorganic(các hợp chất kim loại –hữu cơ như Ga(CH3)3, Zn(C2H5)2, …) Các yêu cầu về đặc tính cần của precursor bao gồm: ổn định ở nhiệt độ phòng

dễ bay hơi ở nhiệt độ thấp, có thể điều chế với độ tinh khiết cao và có thể phản ứng hoàn toàn trong vùng phản ứng mà không xảy ra phản ứng phụ

Các phản ứng trong phương pháp CVD có thể xảy ra trong pha khí hoặc trên bề mặt đế hay cả hai Những phản ứng này bao gồm phản ứng nhiệt phân, thủy phân, phản ứng khử, oxi hóa …có thể được kích thích bằng nhiều cách

Sự phân loại các phương pháp CVD có thể dựa trên cách kích thích để cho phản ứng xảy ra như :

Nhiệt CVD (kích thích bằng nhiệt diễn ra ở nhiệt độ cao>900)

PE-CVD (kích thích bằng plasma diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn (300 )PA-CVD(kích thích bằng photon, thường sử dụng ánh sang có bước sóng ngắn

để kích thích trực tiếp chất phản ứng hoặc gián tiếp thông qua môi trường.)

1.3 Khuếch tán và kết hợp để tạo màng trên đế

Sau khi phản ứng xảy ra , các phần tử vật liệu sẽ được hấp thụ trên bề mặt đế

Một khi hấp thụ trên bề mặt đế, các phần tử vật liệu sẽ được khuếch tán đến vùng phát triển Độ linh động và khả năng khuếch tán trên bề mặt đế các phần tử precursor phụ thuộcvào các tính chất như cấu trúc , nhiệt độ của đế

Sự phát triển của vật liệu trên bề mặt đế có thể được dự đoán thông qua tương tác tự nhiên giữa và đế, nhiệt động lực học của sự hấp thụ và động năng của quá trình phát triển tinh thể

Ba cơ chế hình thành vật liệu chính trong phương pháp CVD ( hình 1.1.4)là cơ chế

Franck-Van dẻ Merwe hình thành lớp, cơ chế Stranski-Krastanov hình thành

đảo(island0và cơ chế Volmer-Weber kết hợp của cả 2 cơ chế trên

Hình 1.1.4: Các cơ chế hình thành vật liệu trong phương pháp CVD

(a) Cơ chế Stranski-Krastanov(b) Cơ chế Volmer-Weber(c) Cơ chế Franck-Van der Merwe

1.4 Giải hấp các sản phẩm phụ và vận chuyển ra khỏi buồng.

Trong bước cuối cùng của phương pháp CVD các sản phẩm phụ được giải hấp ra khỏi

đế và vận chuyển ra khỏi buồng phản ứng Các sản phẩm phụ hình thành trên bề mặt đế phụ thuộc vào tương tác giữa chúng với đế Trong khi đó , khả năng loại bỏ các sản phẩm này phụ thuộc vào áp suất, sự có mặt của khí tải và thiết kế của hệ

Hình 1.1.5: Sơ đồ các quá trình tạo vật liệu trên đế của phương pháp CVD

2 Phận loại phương pháp CVD

2.1 CVD gồm nhiều phương pháp như:

Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition(APCVD)

Low Pressure Chemical Vapour Deposition(LPCVD)

Metal-Organic Chemical Vapour Deposition(MOCVD)

Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition(PACVD)

Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition(PECVD)

Laser Chemical Vapour Deposition(LCVD)

Photochemical Vapour Deposition(PCVD)

Chemical Vapour Infiltration(CVI)

Chemical Beam Epitaxy(CBE)

Qúa trình được bắt đầu khi khí có mang vật chất được đưa vào buồng phản ứng Do sự khác nhau về vận tốc của dòng khí, cộng với sự hấp thụ của bề mặt đã gây nên sự khác nhau về nồng độ vật chất, thông thường ở giữa dòng khí có cường độ cao nhất và giảm dần hai biên Chính có sự chênh lệch nồng độ này đã tạo nên một dòng khuếch tán vật chất xuống đế nền Vật chất tiếp xúc với đế, đồng thời được cung cấp thêm năng lượng nhiệt từ đế nên hình thành nên màng mỏng, quá trình này cứ tiếp tục và màng được hình thành Dòng khí vào luôn được đưa ra ngoài qua van xả, khí này cũng mang theo những vật chất chưa được tham gia phản ứng ra bên ngoài Các loại khí này đôi khi nguy hiểm cho môi trường nên luôn được xử lý trước khi đưa ra bên ngoài

2.2 Các hiện tượng truyền

2.2.1 Dòng ch y ảy

Hình vẽ bên là hình ảnh của dòng nước chảy

qua một khúc cua, từ hình vẽ ta thấy rằng vận

tốc nước chảy ở mỗi vị trí khác nhau là khác

nhau và có hiện tượng chảy thành từng lớp,

điều này là do ở các lớp biên có sự ma sát

mạnh với thành nên vận tốc dòng nước giảm

Từ hình vẽ ta cũng thấy rằng dòng đối lưu

không thể đưa vật chất xuống đế nền, mà sự

lắng đọng hình thành màng phải cần đến dòng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ của các lớp trong lòng đối lưu

2.2.2 Khu ch tán ếch tán

Do các dòng chảy có vận tốc khác nhau hình thành nên gradient nồng độ trong các dòng chảy đó Chính vì điều này đã hình thành nên dòng khuếch tán, nó có vai trò quan trọng đưa vật chất từ lỏng chảy đến đế nền để xảy ra phản ứng hình thành màng

Dòng khuếch tán theo các định luật sau

Định luật Fick 1: giành cho các quá trình lắng đọng tĩnh

Định luật Fick 2: giành cho các quá trình khuếch tán độngTrong đó D là hệ số khuếch tán và được tính từ công thức

Ta thấy rằng hệ số khuếch tán chịu sự ảnh hưởng mạnh của áp suất khí trong buồng phản ứng Qúa trình khuếch tán còn liên quan đến một số thông số vô cùng quan trọng

là chiều dài khuếch tán, đó là độ dài mà qua đó nồng độ giảm đi e lần và nó được tính theo công thức

Quá trình lắng đọng vật chất trong phương pháp CVD còn phụ thuộc rất lớn vào cấu tạocủa buồng phản ứng, với L là chiều dài của buồng Nếu chiều dài khuếch tán của vật chất lớn hơn rất nhiều so với chiều dài của buồng thì sự chênh lệch về nồng độ vật chất

ở đầu vào và đầu ra không nhiều Tuy nhiên nếu chiều dài khuếch tán lại bé hơn rất nhiều so với chiều dài của buồng thì sự phân bố nồng độ theo chiều dài của buồng có sựthay đổi đột như hình dưới

2.2.3 L p biên ớp biên

Lớp biên được hình thành do sự ma sát giữa dòng khí và thành buồng tạo ra profile vận tộc như hình vẽ Trong khi đó lớp biên nồng độ lại do sự hấp phụ của bề mặt thành buồng và đế gây nên sự thay đổi nồng độ giữa các lớp khuếch tán đi từ dòng khí mang vật chất đến đế nền Profile nồng độ có hình dạng tương tự profile vận tốc

Sự tồn tại của lớp biên ảnh hưởng đến sự hình thành của màng mỏng Theo như trên ta biết rằng nồng độ ở các vị trí khác nhau trong buồng có sự thay đổi và gradient ở các vị trí đó cũng khác nhau, điều này dẫn đến dòng khuếch tán đi xuống ở các vị trí khác nhau trong buồng là khá nhau Nên nếu ta để đế nền nằm ngang theo trục của buồng phản ứng thì màng sẽ có độ dày không đồng đều Để khắc phục điều này trong khi chế tạo màng mỏng bằng phương pháp CVD người ta hay để đế nghiêng góc so với trục, góc nghiêng này còn tùy thuộc nhiều vào độ dày của các lớp biên

Càng vào sâu trong buồng, lớp biên càng dày

Gradient nồng độ càng nhỏ

Độ dày màng không đồng đều

Đặt nền đế nghiêng song song với bề

mặt lớp biên

Làm giảm độ dày lớp biên

Màng có độ dày đều hơn

2.2.4 Các thông s c b n ố cơ bản ơ bản ảy

a H ng s Renoldằng số Renold ố Renold

Khi quan sát các dòng khí hay dòng nước như là dòng khí bốc lên từ điếu thuốc lá ta có nhận xét, dòng chảy này có khi trật tự cũng có khi chuyển động một cách hỗn loạn, có

sự khác nhau này là do hằng số Renold trong mỗi trường hợp là khác nhau

Re>10 chất khí chảy rối

Chất khí này không thể sử dụng trong quá

trình lắng đọng theo như phương pháp CVD

b Thông s Damkohlerố Renold

Thông số này chủ yếu đóng vai trò quyết

định trọng tốc độ tạo màng bằng phương

pháp

CVD Nó được đo bằng tỉ số tốc độ hấp thụ trên bề mặt với tốc độ dòng khuếch tán

Dam no <<1: tiêu tán<<khuếch tán vận tốc phản ứng tại bề mặt quyết định tốc độ lắng đọng

Dam no.>>1: tiêu tán >> khuếch tán vận chuyển khuếch tán xuống để quyết định vận tốc lắng đọng

2.2.5 Ph ươ bản ng pháp l ng đ ng ắng đọng ọng

a đ nh nghĩa:ịnh nghĩa:

Lắng đọng hơi hóa học là một phương pháp mà nhờ đó vật liệu rắn được lắngđọng từ pha hơi thông qua các phản ứng hóa học xảy ra ở gần bề mặt đếđược nung nóng

b Phương pháp:ng pháp:

Khí precursor đưa được dòng đối lưu vận chuyển, gặp môi tr ường nhiệt độ cao hayplasma sẽ xảy ra hiện tượng va chạm giữa các electron với ion hay electron vớinotron cũng có thể l à electron va chạm với electron để tạo ra gốc tự do Sau đó, cácphân tử gốc tự do khuếch tán xuống đế, gặp môi tr ường nhiệt độ cao tại đế sẽ xảy ra

các phản ứng tạo màng tại bề mặt đế Sản phẩm phụ sinh ra sau khi phản ứng sau đó

sẽ khuếch tán ng ược vào dòng chất lưu, dòng chất lưu đưa khí precursor dư, sảnphẩm phụ, khí độc ra khỏi buồng

3 Phản ứng hóa học

3.1 Nhiệt hóa học

Trong phần này chúng ta quan tâm đến chiều xảy ra phản ứng về mặt năng lượng và

ta chỉ quan tâm đến các trạng thái đầu và cuối của quá trình chứ không xét đến các trạng thái trung gian của nó

3.2 Động hóa học

Một phản ứng hóa học đơn giản mA + nB pC + qD có tốc độ phản ứng được tính theo công thức tuy nhiên quá trình phản ứng lại diễn ra phức tạp hơn nhiều và thông qua nhiều quá trình trung gian trong đó nguyên tử và phân tử ở trạng thái kích thích A +B AB’’ A

Kết tủa pha khí (gas phase recipitation)

Phản ứng kết tủa hình thành khi khí có độ bão hòa cao đồng thời nhiệt độ đế nền

đủ lớn để kết tủa được tạo thành

Tóm tắt 7 yêu cầu của precursor:

Tính chất dễ bay hơi phải thích hợp để đạt được tốc độ bay hơi thích hợp tại nhiệt độ bay hơi vừa phải

Sự bền để phân ly không xảy ra trong suất quá trình bay hơi

Khoảng nhiệt độ giữa bay hơi và lắng đọng đủ để lắng đọng màng

Độ tinh khiết cao

Phân ly sạch mà không có sự hợp nhất của những tạp chất dư

Tương thích tốt với co-precusor trong sự phát triển của những vật liệu phức tạpBền với môi trường xung quanh và không khí ẩm

Sản xuất dễ dàng với độ bền cao và giá thành thấp

Không nguy hiểm hoặc mức độ nguy hiểm thấp

4 Cơ chế hình thành lớp phun

Trên cơ sở phân tích các thuyết minh trên, cơ chế hình thành lớp phun có thể mô

tả như sau: pha đầu của quá trình phun kim loại đặc trưng bởi sự chảy của đầu dây phun Pha thứ hai là sự tách các hạt kim loại từ đầu dây, tiếp đó là quá trình bay và va đập của các hạt kim loại trên bề mặt được chuwaanrbij và cuối cùng là hình thành lớp phun kim loại bằng mối lien kết của chúng với bề mặt kim loại nền

4.1 Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun

Khi phun dây kim loại bằng hồ quang điện, đầu tiên xảy ra sự tiếp xúc củahai dây kim loại ( điện cực ) Sự đoạn mạch gây tác dụng nung nóng đáng kể kimloại ở vị trí tiếp xúc Kim loại được nung nóng chảy phủ trên mặt điện cực giữa

kim loại lỏng và môi trường khí xảy ra quá trình khuếch tán và tác dụng hóa lí với nhau như ứng suất bề mặt, nội năng, nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt, khả năng congót, gây ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong và các tính chất khác của giọt kim loại lỏng.

Sự lớn lên của một lượng kim loại lỏng trên đầu dây tồn tại cho đến khi lực động học của dòng không khí nén lớn hơn ứng suất bề mặt của kim loại lỏng làm tách các giọt kim loại giọt kim loại bị áp lực của dòng khí nén phân tách thành nhiều hạt nhỏ, những hạt này tao ra tia phun kim loại

4.2 Quá trình bay của các hạt

Toàn bộ quá trình bay của các hạt từ lúc hình thành giọt kim loại lỏng đến khi vađập trên bề mặt vật phun xảy ra rất ngắn ( khoảng 0,002 ÷ 0,008 giây) Trong quátrình bay của các hạt chủ yếu chỉ xảy ra sự oxy hóa, do vậy các phần tử phun kimloại bị bao bọc bằng một lớp oxit,lớp này sẽ lớn dần theo khoảng cách bay

Các hạt kim loai lỏng chảy di động trong luồng không khí nén tốc độ rất lớn Ngoài ra các phân tử càn bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, biểu hiện ở những phản ứng không đồng nhất Khi phun kim loại cần lưu ý những vấn đề sau:

- Các hạt kim loại bay ra ở trạng thái lỏng hay trạng thái đông đặc

- Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong trường gia tốc

- Các hạt luồn phản ứng với môi trường xung quanh chứa oxy, nitơ, hyđro, hơi nước và các thành phần hóa học khác

- Khả năng hòa tan khí phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và áp lực riêng củanó

4.3 Sự hình thành lớp phun

Quá trình tạo thành lớp phun bằng kim loại tương đối phức tạp Trên cơ sơ thực nghiệm người ta xác định rằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên bề mặt vật phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng rất lớn

Để hiểu được sự hình thành lớp phun cần chú ý tới các hiện tượng xẩy ra khi va đập của các phân tử lên bề mặt ( vật liệu nền ), cụ thể là hai vấn đề sau:

+ Thứ nhất là động năng của các phần tử va đập lên mặt phun gây biến dạng rất nhanh và mạnh Năng lượng này được xác định bằng tốc độ của các phần tử và khối lượng của chúng: Ek= m.V2 bởi vậy các phần tử có độ lớn khác nhau sẽ có động năng khác nhau ( khi chúng có cùng một tốc độ) Tốc độ bay của các phần tử là yêu chính để xác định sự biến dạng của các phần tử Arnold đã tính toán tốc độ cần thết cho một vài kim loại va đập lên bề mặt chi tiết phun theo phương trình:

= C.(t2 – t1) +S

Ở đây m= ; khi G=1g thì tốc độ cần thiết cho việc tan vỡ khi va đập là:

V = 91

Ở đây:

- m: khối lượng của phần tử phun

- V: tốc độ của các phần tử khi va đập, m/giây

- c: tỷ nhiệt, calg-1 0C-1

- t1: nhiệt độ của phần tử kim loại tại thời điểm va đập bề mặt chi tiết, 0C

- t2: nhiệt độ chảy của phần tử kim loại, 0C

- s: ẩn nhiệt cal/g

+ Thứ hai là khả năng biến dạng của các phần tử Lớp oxit trên bề mặt các phần

tử có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất này Điều cần khẳng định là tại thời điểm va đập lớp oxit phải là lỏng Như vậy, trong trường hợp này không thể giữ được sự biến dạng của các phần tử và ngược lại, ở các phần tử có lớp vỏ cứng: khả năng biến dạng của nó chủ yếu xác định bằng lớp vỏ bọc này

Khả năng biến dạng của phần tử thép với lớp màng mỏng oxit ở trạng thái lỏng phu thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước nó không kết thúc ngay mà còn tiếp diễn do tác dụng của các phân tử sau, giống như tác dụng của quá trình rèn Sự biến dạng của các phần tử xảy ra rất nhanh Bởi vậy, khi các phần tử sau va đập lên các phần

tử trước thì các phần tử này còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, do đó giữa chúng xảy ra sự lien kết với nhau

PHẦN II KẾT CẤU MÁY

1. Xây dựng hệ nhiệt CVD

Hệ thiết bị nhiệt CVD được xây dựng nhằm mục đích chế tạo các sợi ZnO kích thước nano bằng phương pháp Nhiệt bốc bay vận chuyển và một số ứng dụng khác Hệ nhiệt CVD có cấu tạo tổng quát được miêu tả như trên hình II.1.1

Hình II.1.1: Cấu tạo tổng quát hệ nhiệt CVD

Hệ được tạo nên từ 6 thành phần chính :

Hệ tạo chân không cao

Hệ duy trì áp suất làm việc

Hệ đo chân không

Hệ tạo nhiệt

Hệ vi chỉnh khí

Buồng làm việc

1.1 Hệ tạo chân không cao :

Chân không ban đầu cần thiết để tạo ra môi trường sạch, tránh oxy… được sử dụng

trong phương pháp Nhiệt bốc bay vận chuyển vào khoảng 10-5 Torr Để đạt được chân không đó, chúng tôi sử dụng hệ bơm gồm 2 bơm, một bơm khuếch tán cà bơm sơ cấp Bơm sơ cấp có nhiệm vụ tạo môi trường chân không ban đầu cho bơm khuếch tán hoạt động

20

-1.2 Bơm sơ cấp(bơm stato lá gạt)

Bơm sơ cấp là thiết bị tạo chân không thấp (áp suất giới hạn khoảng 10-3 torr) dựa trên nguyên tắc hút đẩy khí nhờ bộ phận bơm quay cơ học, có vận tốc hút là 2 (l/s)

Vỏ bơm có dạng hình trụ rỗng stator, bên trong là roto hình trụ quay lệch tâm Khiroto quay thì nó luôn luôn tiếp xúc thành trong của stator Vùng hút khí tách biệt vùng đẩy khí nhờ 1 là gạt linh động Lá gạt này tiếp xúc rất sát với bề mặt rotor nhờ loxo, khí thoát ra ngoài qua cửa ra(II.1.2).Để làm giảm khối lượng và để trọngtâm của rotor trùng với trục quay, người ta khoét lỗ bên trong nó

Như vậy sẽ tránh khỏi nhịp va đập mạnh

Hình II.1.2: Mô hình bơm stator lá gạt

Nhiệm vụ chính của bơm sơ cấp là tạo môi trường chân không ban đầu cho bơm khuếch tán làm việc Bơm sử dụng trong thiết bị này có nguồn gốc từ Liên

Xô(hìnhII1.1.3) được đặt trong hộp gỗ để giảm tiếng ồn và tránh hơi dầu thoát ra trong quá trình bơm hoạt động

Hình II.1.3 Bơm stator lá gạt của hệ nhiệt CVD.

1.3 Bơm khuếch tán

Cấu tạo cơ bản của bơm khuếch tán như miêu tả trên hình II.1.4 gồm có vỏ, bộ phận nâng nhiệt và ruột bơm

Hình II.1.4 Cấu tạo bơm khuếch tán

Vỏ kim loại hình trụ của bơm được bao quanh bằng ống nước lạnh lưu chuyển để giải nhiệt Đáy bơm là lò nâng nhiệt ở nơi nâng nhiệt dầu khuếch tán Ruột bơm bao gồm nhiều tầng tạo thành các khe hẹp xếp chồng lên nhau

Bơm khuếch tán sử dụng cho hệ CVD (hình II.1.5) có nguồn gốc từ Pháp, với vận tốc hút 100(l/s) chỉ có thể làm việc môi trường đạt độ chân không sơ cấp cần thiết (từ 10-1 đến 10-2 Torr) Để đạt chân không đó, ban đầu người ta dùng một bơm sơ cấp là bơm chân không sơ cấp ban đầu

22

-Hình II.1.5 Bơm khuếch tán của hệ nhiệt CVDNgười ta sử dụng buồng đốt để đun sôi dầu(gọi là dầu khuếch tán) có nhiệt độ hóa hơi thấp Các dòng hơi dầu khi bay hơi lên phun qua khe hẹp với vận tốc lớn, sẽ hấp thụ cá phần tử khí và cuốn theo các tầng khuếch tán đến ngõ ra của bơm Sau

đó dầu được làm lạnh và hoàn nguên, nhả các phần tử khí được hút ra theo một đường khác (nhờ hệ bơm sơ cấp đi kèm), Dầu quay trở lại buồng đột sẽ tiếp tục chu trình kín trên

1.4 Hệ chân không duy trì áp suất làm việc

Nhiệm vụ chính của hệ nhằm duy trì áp suất làm việc theo yêu cầu của hệ nhiệt CVD Hệ duy trì áp suất làm việc bao gồm bơm roto và bơm sơ cấp Bơm sơ cấp trong hệ roto lá gạt Nhiệm vụ của bơm sơ cấp nhằm tạo chân không ban đầu

để bơm roto có thể hoạt động vận tốc cao(25l/s)

1.5 Bơm sơ cấp(bơm roto lá gạt)

Bơm sơ cấp là thiết bị tạo chân không thấp(khoảng 10-2 torr) dựa trên nguên tắc hút đẩy khí nhờ bộ phận bơm quay cơ học, có vận tốc hút là (2l/s) Bơm bao gồm một roto đặt lệch tâm trong một khoang trụ tròn Hai bên thân của roto là

2 lá gạt có nhiệm vụ quét khí

Hai lá gạt này có thể trượt vào ra trên thân roto và bám vào sát khoang trong của

vỏ bơm bằng loxo Các lá gạt chia khoang bơm ra làm 3 vùng : vùng hút khí, vùngtruyền, vùng tỏa khí Khi bơm quay, thể tích sẽ tăng dần bên phần nhận khí và giảm dần bên phần đẩy khí

Dầu trong bơm sẽ đẩy vào trong phần nhận khí và bị ép lai để đẩy khí ra ngoài ở phần đẩy khí.Chân không quá trình hút đẩy khí sẽ được lặp liên tục khi bơm đạt ápsuất làm việc tới hạn của mình

Hình II.1.5 Mô hình hoạt bơm roto lá gạt