時(shí)間：2023-09-13 17:12:47
導(dǎo)語(yǔ)：在化學(xué)氣相沉積的概念的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
硬質(zhì)膜涂層能減少刀具與工件間的摩擦，降低刀具切削過程中的磨損，顯著提高刀具的使用壽命，因此被廣泛地應(yīng)用于刀具涂層。在傳統(tǒng)涂層的制備中，化學(xué)氣相沉積CVD和物理氣相沉積PVD（蒸鍍、濺射、離子鍍）仍是刀具涂層制備的主要技術(shù)。采用CVD技術(shù)可在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具表面實(shí)現(xiàn)TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復(fù)合涂層的沉積；采用PVD涂層技術(shù)可在硬質(zhì)合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉(zhuǎn)位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等表面制備多種涂層。隨著各類高效、高速、高精度數(shù)控機(jī)床及加工中心的應(yīng)用、普及以及綠色制造理念的提出，為了滿足各種高硬度、高韌性的難切削加工材料的加工需要，干切削技術(shù)越來(lái)越受到人們重視，同時(shí)也對(duì)刀具涂層技術(shù)及涂層材料提出了更高要求。納米薄膜順應(yīng)了干切削條件下對(duì)刀具的新要求，因此納米薄膜及其在干切削刀具中的應(yīng)用成為目前刀具涂層制備及表面工程技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
2納米薄膜技術(shù)的研究及發(fā)展
隨著納米材料的出現(xiàn)，納米薄膜（涂層）技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展。時(shí)至今日，已從單一材料的納米薄膜轉(zhuǎn)向納米復(fù)合薄膜的研究，薄膜的厚度也由數(shù)微米發(fā)展到數(shù)納米的超薄膜。目前已經(jīng)制備的薄膜有Ti（N，C，CN）、（V，Al，Nb）N、Al2O3、SiC及Cu、Ni、Al、Ag、Au、金剛石等。其中TiN、Al2O3、TiC是較典型的超硬膜，其顯微硬度分別為HV1950、HV3000和HV3200，抗磨順序是TiC>TiCN>TiN>Al2O3。這些薄膜在刀具、微機(jī)械、微電子領(lǐng)域作為耐磨、耐腐蝕涂層及其它功能涂層獲得重要應(yīng)用。自VeprekS等提出超硬納米復(fù)合膜的概念以來(lái)，對(duì)納米復(fù)合膜的研究更是引起廣泛的重視。超硬納米復(fù)合膜具有表面減摩、耐磨作用，可以改善摩擦副的運(yùn)動(dòng)可靠性和壽命，達(dá)到與高合金材料相同甚至更佳的使用效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材及提高效率的目的。納米復(fù)合膜是由兩種不同材料組成，這兩種材料可以是納米晶/納米晶，也可以是納米晶/非晶態(tài)，每種材料的粒子尺寸在3～10nm。在復(fù)合薄膜制備方法中，等離子化學(xué)氣相沉積（PACVD）最早應(yīng)用于制備nc-TiN/Si3N4、nc-TiN-BN和nc-TiAlSiN薄膜。
如VeprekS和ShizhiL等人采用PACVD方法，以SiCl4、SiH、TiCl4、H2為反應(yīng)氣體，在550～600℃的沉積溫度下制備了nc-TiN/α-Si3N4薄膜。但制備過程中反應(yīng)氣會(huì)腐蝕膜和設(shè)備，有造成環(huán)境污染甚至火災(zāi)的危險(xiǎn)。一般來(lái)說，CVD沉積技術(shù)需要溫度達(dá)500～600℃以促使納米晶粒的生長(zhǎng)，而過高的沉積溫度會(huì)造成基材軟化、尺寸精度下降等問題，因此嚴(yán)重限制了納米復(fù)合膜的應(yīng)用。研究表明，制備納米復(fù)合膜的關(guān)鍵在于快速形成晶核的同時(shí)保證晶粒尺寸的低速增長(zhǎng)。因此為保證覆膜后的整體性能不至下降，降低沉積溫度便成為其技術(shù)關(guān)鍵。
目前的實(shí)驗(yàn)表明，磁控濺射技術(shù)是低溫沉積最有效的方法。所以，目前的研究主要集中在用磁控濺射法制備納米復(fù)合膜。如反應(yīng)磁控濺射沉積廣泛應(yīng)用于制備MeC/DLC（類金剛石碳膜），Me為過渡金屬如Ti等。采用這種技術(shù)，其沉積溫度可低于150℃。KarvánkováP等人應(yīng)用不平衡磁控濺射技術(shù)制備ZrN-Ni和CrN-Ni納米復(fù)合膜，基體溫度分別為300℃和200℃；通過制備試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基體溫度高于400℃時(shí)，合成膜的硬度會(huì)降低。由此可見沉積溫度對(duì)納米復(fù)合膜的硬度影響甚大。
MusilJ用直徑100mm平面球形不平衡磁控管，在總壓0.5Pa的Ar和Ar+N2混合氣體中對(duì)TiAl合金靶進(jìn)行濺射，N2分壓連續(xù)變化導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)和顯微硬度明顯變化，獲得的nc-TiAlN/AlN納米復(fù)合膜顯微硬度高達(dá)47GPa，且具有高的彈性回復(fù)（74%）。
同時(shí)，多種技術(shù)的復(fù)合在納米復(fù)合薄膜制備中也體現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如磁控濺射法與脈沖激光技術(shù)的結(jié)合）。VoevodinAA等人采用脈沖激光沉積技術(shù)（PLD）和磁控濺射技術(shù)相結(jié)合分別制備了TiC/DLC、WC/DLC/WS2納米復(fù)合膜。由于采用這種復(fù)合技術(shù)使得沉積時(shí)的基體溫度低于100℃，因而該法成為制備W-C-S系列納米復(fù)合膜的主要方法。MengWJ等人采用射頻耦合輔助（ICP）PVD/CVD技術(shù)與反應(yīng)磁控濺射技術(shù)相結(jié)合制備Ti/α-C:H納米復(fù)合膜也取得良好效果。
由于PVD、CVD等方法工藝復(fù)雜，成本昂貴，不宜用于大面積制備納米復(fù)合薄膜，因此近十多年來(lái)，國(guó)外對(duì)電沉積法制備納米晶體材料進(jìn)行了較多研究，國(guó)內(nèi)近幾年也開始了這方面的研究。電沉積法因設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝成熟、低溫且參數(shù)可控等突出優(yōu)點(diǎn)而逐漸受到重視。電沉積方法經(jīng)歷了直流、脈沖及選擇性噴射電沉積的發(fā)展，目前已能制備出各種厚度的薄膜。已研究的電沉積納米材料有鎳、銅、鈷等，其中鎳及鎳基合金的復(fù)合沉積是最受關(guān)注的，已沉積的材料有Ni-P、Ni-Fe、Ni-Cu、Ni-Mo、Ni-SiC、Ni-Al2O3、Ni-ZrO2等。在基體上電沉積薄金屬層（厚度100μm以下）以改善表面性能是電沉積技術(shù)最廣泛的應(yīng)用。電沉積的納米結(jié)構(gòu)薄層，具有高耐磨、耐蝕性的同時(shí)，又具有高的硬度及與基體極好的結(jié)合力，可作為理想的保護(hù)性鍍層；所具有的低磨損率和較低的摩擦系數(shù)，可用于要求高耐磨性的同時(shí)又要求低摩擦系數(shù)的場(chǎng)合，如刀具材料、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓活塞的表面涂層等。
有報(bào)道表明，近年來(lái)許多研究者用溶膠－凝膠法制備了納米薄膜。由于溶膠的先驅(qū)體可以提純且其溶膠－凝膠過程在常溫下可液相成膜，所用的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，具有化學(xué)計(jì)量比易控、成份均勻、成膜面積大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于薄膜制備。目前已采用該法制備的納米復(fù)合薄膜主要有Co（Fe，Ni，Mn）/SiO2，CdS（ZnS，PbS）/SiO2等。陳元春等就溶膠－凝膠法制備氧化鋁涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了研究，可獲得單層凝膠膜的厚度在幾百納米以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果說明在干切削狀態(tài)下溶膠－凝膠法制得的涂層刀具壽命比未涂層刀具提高一倍左右。
3納米薄膜在干式切削刀具中的應(yīng)用
涂層技術(shù)的發(fā)展是干式切削加工得以推廣應(yīng)用的重要條件之一。在干式切削過程中，具有納米薄膜的刀具涂層可起到明顯作用：①在刀具與被切削材料之間形成隔離層；②通過抑制從切削區(qū)到刀片的熱傳導(dǎo)來(lái)降低熱沖擊；③減少摩擦力及摩擦熱。刀具通過涂層處理，可實(shí)現(xiàn)固體，減少摩擦和粘結(jié)，使刀具吸收熱量減少，可承受更高的切削溫度。
目前，采用封閉場(chǎng)非平衡磁控濺射（CFUMS）技術(shù)，可在硬質(zhì)合金刀具和HSS鉆頭上涂覆上B4C/W多層納米涂層。涂層總層數(shù)100層，每層由厚度為13埃的B4C涂層材料及18埃的W涂層材料組成。在105m/min的切削速度下，分別用B4C/W多層納米涂層刀具與未涂層刀具、普通單涂層（TiAlN）刀具、三涂層（TiC/TiCN/TiN及TiC/Al2O3/TiN）刀具對(duì)中碳鋼進(jìn)行了干切削對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，納米涂層刀具的后刀面磨損量比未涂層刀具和常用的TiC/Al2O3/TiN三涂層刀具大大減小。此外，隨著切削時(shí)間的延長(zhǎng)，納米涂層刀具的切削力與未涂層刀具、TiC/TiCN/TiN三涂層刀具和TiAlN涂層刀具相比也顯著減小。試驗(yàn)進(jìn)一步說明了采用封閉場(chǎng)非平衡磁控濺射技術(shù)生產(chǎn)的刀具涂層具有重復(fù)性好、涂層與基體粘結(jié)強(qiáng)度更高、摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)，因而在干切削中具有更長(zhǎng)的使用壽命。
層狀結(jié)晶的二硫化鉬具有較小的摩擦系數(shù)，是常用的固體劑。將MoS2與耐熱金屬M(fèi)o組合成復(fù)合涂層MoS2/Mo，具有優(yōu)異的減摩耐熱的效果。研究者采用MoS2/Mo雙材料涂層結(jié)構(gòu)在HSS鉆頭表面制備了層厚80埃、總厚度為3.2μm（共400層）的納米涂層。用該涂層鉆頭與未涂層HSS鉆頭進(jìn)行了TI6Al4V合金工件干切削對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)用鉆頭直徑為φ9.5mm，名義鉆削速度2200rpm。試驗(yàn)結(jié)果表明，未涂層鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆削力急劇增大，導(dǎo)致鉆頭卡入工件中；測(cè)得多層納米涂層鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的鉆削力減小約33%，在相同的鉆削時(shí)間內(nèi)能保證正常鉆削，鉆削性能顯著優(yōu)于未涂層鉆頭。說明采用MoS2/Mo雙材料涂層結(jié)構(gòu)的納米涂層刀具是適用于干切削的理想刀具。
此外，刀具表面涂覆納米（Ti50Al45Si5）N、（Ti50Al45Si5）N+（Ti80Al15Si5）N和Ti-B-N四種納米復(fù)合涂層后，對(duì)ASTM1043標(biāo)準(zhǔn)鋼工件進(jìn)行的切削試驗(yàn)（切削速度為150～310m/min，切深為2mm，進(jìn)給量為0.219mm/rev）也表明這幾種納米復(fù)合涂層在高速切削測(cè)試中具有極其優(yōu)異的耐磨性，可用作干切削刀具的涂層材料。
關(guān)鍵詞：激光無(wú)損檢測(cè) 超聲無(wú)損檢測(cè) 射線無(wú)損檢測(cè)
在現(xiàn)代生產(chǎn)中針對(duì)不同對(duì)象選擇何種無(wú)損檢測(cè)方法已成為人們關(guān)注的問題,為解決好這個(gè)問題,就必須對(duì)無(wú)損檢測(cè)方法及其特征有較全面的了解。所謂無(wú)損檢測(cè),是在不損傷材料和成品的條件下研究其內(nèi)部和表面有無(wú)缺陷的手段。也就是說,它利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的異?；蛉毕莸拇嬖谒鸬膶?duì)熱、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化,評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)異常和缺陷存在及其危害程度。下面簡(jiǎn)要介紹三種常用方法的應(yīng)用和發(fā)展。
一、激光技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展
激光技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用始于七十年代初期,由于激光本身所具有的獨(dú)特性能,使其在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大,并逐漸形成了激光全息、激光超聲等無(wú)損檢測(cè)新技術(shù),這些技術(shù)由于其在現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)方面具有獨(dú)特能力而無(wú)可爭(zhēng)議地成為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的新成員。
1.激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
激光全息術(shù)是激光技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最早、用得最多的方法。激光全息無(wú)損檢測(cè)約占激光全息術(shù)總應(yīng)用的25%。其檢測(cè)的基本原理是通過對(duì)被測(cè)物體加外加載荷,利用有缺陷部位的形變量與其它部位不同的特點(diǎn),通過加載前后所形成的全息圖像的疊加來(lái)反映材料、結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在缺陷。
激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾方面。
(1)將全息圖記錄在非線性記錄材料上,以實(shí)現(xiàn)干涉圖像的實(shí)時(shí)顯現(xiàn)。
(2)利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)獲取干涉條紋的實(shí)時(shí)定量數(shù)據(jù)。
(3)采用新的干涉技術(shù),如相移干涉技術(shù)。在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高全息技術(shù)的分辨率和準(zhǔn)確性。
2.激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
激光超聲技術(shù)是七十年代中期發(fā)展起來(lái)的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)。它利用Q開關(guān)脈沖激光器發(fā)出的激光束照射被測(cè)物體,激發(fā)出超聲波,采用干涉儀顯示該超聲波的干涉條紋。與其他超聲無(wú)損檢測(cè)方法相比,激光超聲檢測(cè)的主要優(yōu)越性如下。
(1)能實(shí)現(xiàn)一定距離之外的非接觸檢測(cè),不存在耦合與匹配問題。
(2)利用超短激光脈沖可以得到超短聲脈沖和高時(shí)間分辨率,可以在寬帶范圍內(nèi)提取信息,實(shí)現(xiàn)寬帶檢測(cè)。
(3)易于聚焦,實(shí)現(xiàn)快速掃描和成像。
3.激光無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展
激光超聲檢測(cè)成本高,安全性較差,目前仍處于發(fā)展階段。但在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域,激光超聲檢測(cè)在以下幾方面的應(yīng)用前景引起了人們的關(guān)注:(1)可用于高溫條件下的檢測(cè).如熱鋼材的在線檢測(cè);(2)適用于某些不宜接近的樣品,如放射性樣品的檢測(cè);(3)激光束可入射到任何部位,可用于檢測(cè)形狀奇異的樣品;(4)可用于超薄超細(xì)的樣品及表面或亞表面層的檢測(cè)。國(guó)外近幾年已有將激光超聲檢測(cè)用機(jī)復(fù)合材料的檢測(cè)、熱態(tài)鋼的在線檢測(cè)的報(bào)道,在化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體濺射等高溫鍍膜工藝過程中膜層厚度的實(shí)時(shí)檢測(cè)方面也進(jìn)行了研究。
二、超聲檢測(cè)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展
超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(UT)是五大常規(guī)檢測(cè)技術(shù)之一,與其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比,它具有被測(cè)對(duì)象范圍廣。檢測(cè)深度大;缺陷定位準(zhǔn)確,檢測(cè)靈敏度高;成本低,使用方便;速度快,對(duì)人體無(wú)害以及便于現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)。
1.超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用
(1)目前大量應(yīng)用于金屬材料和構(gòu)件質(zhì)量在線監(jiān)控和產(chǎn)品的在投檢查。如鋼板、管道、焊鞋、堆焊層、復(fù)合層、壓力容器及高壓管道、路軌和機(jī)車車輛零部件、棱元件及集成電路引線的檢測(cè)等。
(2)各種新材料的檢測(cè)。如有機(jī)基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料等,超聲檢測(cè)技術(shù)已成為復(fù)合材料的支柱。
(3)非金屬的檢測(cè)。如混凝土、巖石、樁基和路面等質(zhì)量檢驗(yàn),包括對(duì)其內(nèi)部缺陷、內(nèi)應(yīng)力、強(qiáng)度的檢測(cè)應(yīng)用也逐漸增多。
(4)大型結(jié)構(gòu)、壓力容器和復(fù)雜設(shè)備的檢測(cè)。由于超聲成像直觀易懂,檢測(cè)精度較高。因此,近幾年我國(guó)集超聲成像技術(shù)及超聲信號(hào)處理技術(shù)等多學(xué)科前沿成果于一體的超聲機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)已研制成功,為復(fù)雜形狀構(gòu)件的自動(dòng)掃描超聲成像檢測(cè)提供了有效手段。
(5)核電工業(yè)的超聲檢測(cè)。
(6)其它方面的超聲檢測(cè)。如醫(yī)學(xué)診斷廣泛應(yīng)用超聲檢測(cè)技術(shù);目前人們正試圖將超聲檢測(cè)技術(shù)用于開辟其它新領(lǐng)域和行業(yè),如人們正努力將超聲檢測(cè)技術(shù)用于血壓控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)作非接觸檢測(cè)、辨識(shí)。性能分析和故障診斷等。
2.超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展
在現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中,超聲成像技術(shù)是一種令人矚目的新技術(shù)。超聲圖像可以提供直觀和大量的信息,直接反映物體的聲學(xué)和力學(xué)性質(zhì),有著非常廣闊的發(fā)展前景?，F(xiàn)代超聲成像技術(shù)都是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)采集技術(shù)和圖象處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)據(jù)采集技術(shù)、圖象重建技術(shù)、自動(dòng)化和智能化技術(shù)以及超聲成像系統(tǒng)的性能價(jià)格比等發(fā)展直接影響超聲檢測(cè)圖像化的進(jìn)程?，F(xiàn)代超聲成像技術(shù)大多有自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn),因而有許多優(yōu)點(diǎn),如檢測(cè)的一致性好,可靠性、復(fù)現(xiàn)性高,存儲(chǔ)的檢測(cè)結(jié)果可隨時(shí)調(diào)用,并可以對(duì)歷次檢測(cè)的結(jié)果自動(dòng)比較,以對(duì)缺陷做動(dòng)態(tài)檢測(cè)等。
目前已經(jīng)使用和正在開發(fā)的成像技術(shù)包括:超聲B掃描成像,超聲C掃描成像、超聲D掃描成像,SAFT(合成孔徑聚焦)成像,P掃描成像,超聲全息成像,超聲CT成像等技術(shù)。
三、射線技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展
1.射線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用
射線檢測(cè)技術(shù)是利用射線(X射線、射線、中子射線等)穿過材料或工件時(shí)的強(qiáng)度衰減,檢測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性的技術(shù)。穿過材料或工件的射線由于強(qiáng)度不同在X射線膠片上的感光程度也不同,由此生成內(nèi)部不連續(xù)的圖像。
(1)早期使用在石油工業(yè).分析鉆井巖芯。
(2)在航空工業(yè)用于檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)。評(píng)價(jià)某些復(fù)合件的制造過程。也用于一系列情況下樣件的評(píng)價(jià);這種檢測(cè)與評(píng)價(jià)過程,大大簡(jiǎn)化了取樣破壞分析過程。
(3)檢測(cè)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),這樣的射線系統(tǒng)使用電子直線加速器X射線源,能量高迭25MeV,可檢驗(yàn)直徑達(dá)3m的大型同體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
(4)檢驗(yàn)小型、復(fù)雜、精密的鑄件和鍛件,進(jìn)行缺陷檢驗(yàn)和尺寸測(cè)量。
(5)檢查工程陶瓷和粉末冶金產(chǎn)品制造過程發(fā)生的材料或成分變化,特別是對(duì)高強(qiáng)度、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。
(6)組件結(jié)構(gòu)檢查。
摘要：筆者從幾年的“微電子工藝”教學(xué)實(shí)踐中提出了7點(diǎn)關(guān)于課堂教學(xué)改革方法：布置思考問題，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)；板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合；現(xiàn)場(chǎng)小實(shí)驗(yàn)和實(shí)物展示；播放實(shí)地拍攝的錄像；理論計(jì)算與工藝模擬相結(jié)合；專題討論以及安排綜合訓(xùn)練任務(wù)。通過一系列的改革措施，學(xué)生對(duì)這門課程從理論到實(shí)踐都具有比較深刻的認(rèn)識(shí)。
關(guān)鍵詞：微電子工藝；課堂教學(xué)；教學(xué)改革
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）49-0212-02
微電子工藝課程是為電子與信息工程學(xué)院電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)設(shè)立的一門必修課。通過對(duì)本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體集成電路制造工藝流程及工藝原理有一個(gè)較為完整和系統(tǒng)的概念，并具有一定工藝分析、工藝設(shè)計(jì)以及解決工藝問題和提高產(chǎn)品質(zhì)量的能力。
一、課堂教學(xué)改革整體思路
根據(jù)以往的授課經(jīng)驗(yàn)，如果學(xué)生能夠提前預(yù)習(xí)下節(jié)課內(nèi)容，就會(huì)對(duì)將要講授的內(nèi)容有所思考，并且會(huì)提出問題，這樣聽課的時(shí)候更會(huì)抓住重點(diǎn)；如果能參與課堂討論，將對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解的更為透徹。因此，在本輪教學(xué)中每節(jié)課將針對(duì)下節(jié)課內(nèi)容預(yù)留思考題，這些問題將會(huì)在授課時(shí)結(jié)合知識(shí)點(diǎn)給予回答，或者將其作為討論內(nèi)容。由此，對(duì)“微電子工藝”課程的課堂教學(xué)從以下幾方面進(jìn)行了改革：
1.每節(jié)課后設(shè)置思考題。例如，引言之后設(shè)置思考題：晶體中，不同晶向性質(zhì)不同，如何定義晶向？制造不同類型的集成電路選用不同晶向的材料，材料的晶向由什么來(lái)決定？回答了這個(gè)問題，將會(huì)引入關(guān)于晶體生長(zhǎng)的內(nèi)容，而這部分內(nèi)容與《半導(dǎo)體物理》中的晶向、晶體結(jié)構(gòu)的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)，也是對(duì)所學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)。又如，晶體生長(zhǎng)之后設(shè)置思考題：半導(dǎo)體生產(chǎn)要求一個(gè)非常潔凈的環(huán)境，特別是工藝越先進(jìn)，集成度越高，環(huán)境的潔凈度也越高，那么這樣的環(huán)境我們需要考慮哪幾大方面呢？?jī)艋?jí)別又如何定義呢？回答了這個(gè)問題，將會(huì)引入關(guān)于“工藝中的氣體、化試、水、環(huán)境和硅片清洗[1]”中環(huán)境凈化的內(nèi)容。這些問題的作用更像是預(yù)習(xí)作業(yè)，為學(xué)習(xí)下節(jié)課內(nèi)容做好準(zhǔn)備。
2.板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合。微電子工藝教學(xué)中，像氧化、擴(kuò)散、光刻以及工藝集成如果僅僅憑著畫圖講解很難有一個(gè)直觀的理解，如果結(jié)合多媒體中精準(zhǔn)的俯視圖、剖面圖、動(dòng)畫展示，會(huì)給學(xué)生以直觀、清楚的認(rèn)識(shí)。例如，雜質(zhì)原子在硅片中的擴(kuò)散過程、單個(gè)硅原子在硅片表面運(yùn)動(dòng)形成硅外延層的生長(zhǎng)過程等。
3.現(xiàn)場(chǎng)小實(shí)驗(yàn)和實(shí)物展示。教學(xué)中思考的最多的是如何吸引學(xué)生的聽課興趣，因此當(dāng)講到某個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，話題中盡量引用與實(shí)際相關(guān)的例子或拿來(lái)實(shí)物展示。比如講到去離子水，就聯(lián)系到生活中純凈水的制備；講到文氏管，就現(xiàn)場(chǎng)做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來(lái)講解文氏管的原理；講到硅片的制備，就拿來(lái)硅片實(shí)物；講到光刻，就拿來(lái)掩膜版給學(xué)生展示，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。
4.播放半導(dǎo)體生產(chǎn)的錄像。因?yàn)槲㈦娮庸に嚿a(chǎn)有其特殊性，要求環(huán)境潔凈度非常高，如果帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)地去工廠參觀，會(huì)影響正常的生產(chǎn)，因此，聯(lián)系相P的工廠，拍攝各個(gè)工藝的錄像短片，講到對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候播放給學(xué)生看，并加上詳盡的講解，這樣學(xué)生有一個(gè)非常直觀的認(rèn)識(shí)。
5.理論計(jì)算與工藝模擬相結(jié)合。本輪教學(xué)中，氧化、擴(kuò)散、離子注入、化學(xué)氣相沉積等工藝除了以往的理論計(jì)算之外，還加入了工藝模擬來(lái)對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整，使之與實(shí)際的工作過程更加接近[2]。
例1：晶向的硅樣品，摻硼，濃度2×1015cm-3，淀積0.4um厚度的氮化硅作為掩蔽，其中一部分刻蝕出窗口，進(jìn)行磷離子注入，注入能量為50keV、劑量為3×1015cm-2。然后將氮化硅全部刻蝕掉。進(jìn)行1000℃、10分鐘的濕氧氧化，提取注入磷區(qū)和沒有注入磷區(qū)氧化層厚度[3]。通過編寫程序，運(yùn)用silvaco軟件模擬結(jié)果如圖1所示，氧化膜的厚度可以從運(yùn)行文件中得到。
例2：n型、晶向的硅片上進(jìn)行15分鐘的硼預(yù)擴(kuò)散（溫度為850℃），如果硅襯底摻雜磷的濃度在1016cm-3量級(jí)，模擬硼摻雜分布和結(jié)深。雜質(zhì)分布模擬結(jié)果如圖2所示，結(jié)深參數(shù)從模擬運(yùn)行文件中得到。
6.專題討論。為了使學(xué)生對(duì)課堂講授內(nèi)容有所延伸，針對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)立專題討論課。討論一：雙大馬士革銅金屬化工藝。這次討論是針對(duì)課上講授的傳統(tǒng)金屬化工藝的延伸，結(jié)合已學(xué)內(nèi)容，通過查找資料，對(duì)于先進(jìn)的銅金屬化工藝進(jìn)行討論。討論二：BiCMOS工藝討論。這次討論是針對(duì)課上講授的雙極工藝和CMOS工藝的延伸。雙極和CMOS工藝的結(jié)合并不是簡(jiǎn)單的疊加，要求是工藝的兼容性、成本的最小化和性能的優(yōu)化。
7.綜合訓(xùn)練。在課程的尾聲，要求完成一個(gè)集版圖、工藝、仿真的綜合設(shè)計(jì)，以檢驗(yàn)對(duì)微電子工藝課程的理解和掌握程度。
例如：設(shè)計(jì)一套CMOS反相器版圖和與版圖對(duì)應(yīng)的工藝流程[4][5]。要求：（1）畫出版圖，完成金屬布線。（2）對(duì)應(yīng)每塊版畫出工藝步驟的剖面圖，在圖中標(biāo)明所用材料和工藝。并對(duì)每個(gè)剖面做出說明。（3）根據(jù)表1給出的工藝條件設(shè)計(jì)nmos管，使它的閾值電壓=0.4V，并測(cè)量源區(qū)、漏區(qū)的結(jié)深，方塊電阻，雜質(zhì)分布。給出仿真結(jié)果。
二、課堂教學(xué)改革效果分析
課堂授課過程中，能夠感受到上課聽講的人多了，并且能夠有效的互動(dòng)；因?yàn)橛懻摵途C合設(shè)計(jì)需要人人畫圖、講解、回答問題，所以絕大多數(shù)同學(xué)都能積極進(jìn)行準(zhǔn)備，也能夠在答辯過程中提出遇到的問題；有很多同學(xué)在之后的課程設(shè)計(jì)中提出自己的分析問題的方法。
反思多年的課堂教學(xué)過程，以及和同學(xué)們交流，有以下幾點(diǎn)需要不斷的改進(jìn)：①對(duì)于定量計(jì)算的內(nèi)容，有一部分同學(xué)接受較慢，在很大程度上影響了之后的學(xué)習(xí)效果。解決方法：把集中講解的習(xí)題課打散，把習(xí)題緊隨相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)之后進(jìn)行講解，用習(xí)題來(lái)加強(qiáng)對(duì)繁瑣理論計(jì)算的理解。②關(guān)于課堂互動(dòng)。并非每堂課都能輕松愉快，在一些較難的知識(shí)點(diǎn)上，學(xué)生的反映會(huì)比較鈍一些。解決方法：強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，明確知識(shí)點(diǎn)之間的層次與關(guān)聯(lián)；難點(diǎn)慢講，細(xì)講；增加提問和課上小測(cè)驗(yàn)。③討論和綜合訓(xùn)練答辯時(shí)間的掌握。無(wú)論是討論還是綜合答辯，都是非常耗費(fèi)時(shí)間的，因?yàn)槊總€(gè)同學(xué)都要自述、提出問題、回答問題。解決方法：根據(jù)學(xué)生人數(shù)，留出足夠的時(shí)間。比如今年是50個(gè)學(xué)生，分10組，每次討論答辯大概3小時(shí)，綜合答辯4個(gè)小時(shí)左右。
結(jié)束語(yǔ)：通過不斷的教學(xué)實(shí)踐摸索，使學(xué)生更好的理解和掌握微電子工藝中硅片制備、工藝環(huán)境的獲得和硅片的清洗、氧化、擴(kuò)散、離子注入、薄膜淀積、光刻、刻蝕、金屬化工藝以及工藝集成等內(nèi)容，也使學(xué)生具有了一定工藝分析、工藝設(shè)計(jì)以及解決工藝問題和提高產(chǎn)品質(zhì)量的能力。
參考文獻(xiàn)：
[1]Michael Quirk，等.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.
[2]高文煥，著.計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.
[3]施敏，著.半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)[M].合肥：安徽大學(xué)出版社，2011.
根據(jù)歷年《臺(tái)灣科技年鑒》、《“國(guó)科會(huì)”年報(bào)》、《中研院化學(xué)研究所年報(bào)》等資料介紹，在理論化學(xué)與先進(jìn)分析方法領(lǐng)域，臺(tái)灣科學(xué)家以往取得的成果包括：以理論計(jì)算探討取代基對(duì)環(huán)糊精結(jié)構(gòu)的影響；解析單分子層在表面結(jié)構(gòu)重排現(xiàn)象，及混合單分子層在表面重排的相分離現(xiàn)象；利用“質(zhì)子化誘導(dǎo)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移”的概念來(lái)設(shè)計(jì)可遠(yuǎn)端調(diào)控的氫鍵系統(tǒng)，并研究如何設(shè)計(jì)共軛架橋結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)調(diào)控能力；探討氟取代對(duì)氟化并五苯分子半導(dǎo)體特性的影響；利用磷橋及硫橋異核雙金屬錯(cuò)合物研究異核金屬鍵的化學(xué)性質(zhì)；以六氮巨環(huán)配基合成新的三核銅混價(jià)含氧錯(cuò)化物；模擬嗜甲烷菌甲烷單氧化酶的反應(yīng)中心，進(jìn)行三價(jià)銅錯(cuò)合物的合成與光譜鑒定分析以及與受質(zhì)反應(yīng)機(jī)制之研究；用水熱法合成無(wú)機(jī)固態(tài)化合物；研究金屬錯(cuò)合物在二氧化碳固定化學(xué)上之作用；利用Suzuki耦合反應(yīng)，成功地耦合帶有氰基或不帶氰基的苯硼酸與帶有氰基或不帶氰基之溴化或碘化苯來(lái)制備多種含氰基與不含氰基的三聯(lián)苯；發(fā)展能有效用于合成α-芳香基及α-烯基-N，N-二甲基乙酰胺的耦合反應(yīng)；設(shè)計(jì)具有功能性的有機(jī)分子，配合動(dòng)力學(xué)的測(cè)量，探討其內(nèi)部的電子及能量轉(zhuǎn)移的機(jī)制，以了解分子內(nèi)予體與受體軌域間的交互作用，另一方面開發(fā)電子轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)移反應(yīng)的基礎(chǔ)速率的理論預(yù)測(cè)方法；研發(fā)三維離子速度成像技術(shù)，并結(jié)合與交叉分子束實(shí)驗(yàn)技術(shù)，探測(cè)兩個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物彼此的關(guān)聯(lián)性；發(fā)現(xiàn)手性分子并不是等分布性，而是隨著馬達(dá)的移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)所產(chǎn)生的力場(chǎng)而有所改變，達(dá)到辨識(shí)、分離手性分子的結(jié)果；成功發(fā)展出三維離子速度成像技術(shù)，其靈敏度與解析度在全世界首屈一指，并發(fā)現(xiàn)了“反應(yīng)動(dòng)態(tài)共振”的成因與性質(zhì)等。
2006年，臺(tái)灣中研院化學(xué)所的研究人員發(fā)明一種新質(zhì)譜游離技術(shù)――電噴灑輔助激光脫附游離法，即將適合游離大分子的電噴灑游離法與基質(zhì)輔助激光脫附游離法的游離源結(jié)合起來(lái)，可在常溫和常壓下操作，而且不需將樣品和基質(zhì)混合處理，即可速探測(cè)到樣品中所含的各種化學(xué)物品的質(zhì)譜信號(hào)，因此可適用于極微量的氣體、液體和固體樣品的快速分析，一舉突破了上述兩種方法在樣品檢測(cè)上的限制。
該所納米生醫(yī)研究團(tuán)隊(duì)2007年成功結(jié)合磁性納米材料及基質(zhì)輔助激光吸收脫附質(zhì)譜儀的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展功能化磁性納米粒子探針親和力質(zhì)譜分析平臺(tái)，將此分析平臺(tái)應(yīng)用于微量小分子藥物的高通量檢測(cè)，可快速純化小分子化合物，如農(nóng)藥、違禁食品添加劑及，并利用基質(zhì)輔助激光吸收脫附質(zhì)譜儀進(jìn)行精確分子量鑒定。
2009年，臺(tái)灣中研院化學(xué)所的首次由實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察到激發(fā)態(tài)在共軛高分子（或稱導(dǎo)電高分子）的共軛系統(tǒng)中是二維的現(xiàn)象。此項(xiàng)結(jié)果乃結(jié)合異三并苯的對(duì)鄰位鍵結(jié)與二維梯狀平面結(jié)構(gòu)達(dá)成，前者使得激子可以有效從對(duì)位共軛鏈進(jìn)入到鄰位共軛鏈，后者則使得整個(gè)共軛骨架保持共平面，而不會(huì)因結(jié)構(gòu)扭曲而使激子定域化，其具體結(jié)構(gòu)為一系列含不同苯環(huán)數(shù)目的星狀結(jié)構(gòu)的梯狀苯聚合物，結(jié)果顯示激子可擴(kuò)及每一個(gè)苯環(huán)，且此線性也可與鏈形梯狀聚對(duì)苯的性關(guān)系重疊，并進(jìn)一步利用熒光方向性的測(cè)量來(lái)確立其分子屬單一發(fā)光團(tuán)。
該所研究團(tuán)隊(duì)在2011年研發(fā)氣哨音波感測(cè)泛用型技術(shù)，對(duì)于微量分析物進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，利用氣相層析分離設(shè)備內(nèi)的哨型器，待測(cè)氣體流經(jīng)裝置時(shí)，空氣柱會(huì)發(fā)生振動(dòng)而形成駐波產(chǎn)生聲音，由高靈敏度麥克風(fēng)并經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換后根據(jù)分析物相對(duì)于聲音信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間與頻率的變化量，便可同步觀測(cè)單一譜峰，可用來(lái)確認(rèn)分析物的成分與含量。對(duì)于檢驗(yàn)或監(jiān)測(cè)，僅需讀取頻率的改變量，不需要校正曲線的輔助，即可直接估算分析物濃度。此項(xiàng)裝置為學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界提供新的氣體快速檢測(cè)及定量分析方法，對(duì)現(xiàn)行熱導(dǎo)探測(cè)器、火焰離子化探測(cè)器、半導(dǎo)體感應(yīng)器及質(zhì)譜儀等各類儀器不足之處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
先進(jìn)材料化學(xué)
在先進(jìn)材料化學(xué)領(lǐng)域，臺(tái)灣科學(xué)家以往取得的成果包括：開發(fā)多種高效率有機(jī)發(fā)光分子，包括多種四苯硅烷或四苯甲烷分子玻璃材料及二吡咯吡啶骨架的藍(lán)光、綠光材料及含銥金屬的紅光材料；利用開發(fā)的藍(lán)光材料搭配紅光材料，制成高亮度的電激發(fā)光材料及白光元件；以三芳香基胺順丁烯亞酰胺所制備的非摻入型發(fā)紅光有機(jī)發(fā)光二極管，能夠發(fā)出有效率的紅光；開發(fā)有高熒光量子產(chǎn)率的共軛三吡啶衍生物及其金屬錯(cuò)合物發(fā)光材料；開發(fā)出具有熒光特性的長(zhǎng)方形及籠狀超分子化合物；開發(fā)得到自發(fā)性組合環(huán)形的三次非線性光學(xué)化合物、高分子型二次非線性光學(xué)化合物；合成供雙光子吸收或雙光子熒光的三次非線性光學(xué)材料；制備新穎特殊的有機(jī)金屬化學(xué)氣相蒸鍍陶瓷薄膜材料；合成含甲硫醇功能基且具有17個(gè)苯環(huán)及16個(gè)碳-碳雙鍵的納米級(jí)有機(jī)分子；發(fā)現(xiàn)含有呋喃的多苯化合物是有效的空穴傳遞材料，及利用芴（fluorine）分子及星形化合物，創(chuàng)造一個(gè)形態(tài)穩(wěn)定（高Tg）的空穴傳導(dǎo)材料；研究碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)制，可將碳管選區(qū)生長(zhǎng)在各種材料表面，并達(dá)到高密度、低溫成長(zhǎng)、垂直排列等功效；開發(fā)場(chǎng)發(fā)射顯示器；利用推拉電子基取代的制作出高效率與亮度的非摻入型紅色有機(jī)發(fā)光二極管；合成各種形狀、不同大小的金、銀納米量子點(diǎn)，研發(fā)出一種可以在硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、磷化鎵、鋁、銅、玻璃等材料上制造納米針尖的技術(shù)，并證明其在催化、場(chǎng)發(fā)射、抗光反射、表面共振光學(xué)上有特殊的功效；利用一氧化碳和鎘制成自組裝一維超分子材料，并觀察到新的光學(xué)及結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。
2008年，臺(tái)灣中研院化學(xué)所陳錦地等人通過成功的精心的分子設(shè)計(jì)，開發(fā)出一系列咔唑-共軛-雙三甲基苯硼烷雙極性熒光物質(zhì)，制作高效率非摻入型藍(lán)色有機(jī)發(fā)光二極管，突破目前雙極性的藍(lán)色發(fā)光物質(zhì)所面臨到的難題。電激發(fā)光的效率很高，最大外部量子效率達(dá)到6.9%。該研究團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步探討研究利用此處的分子設(shè)計(jì)，用在白光有機(jī)發(fā)光二極體固態(tài)照明上。
近年來(lái)，臺(tái)灣大學(xué)彭旭明領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室專注于分子電子學(xué)的研究，2009年采用掃描式隧道顯微鏡測(cè)量金屬串分子（以4個(gè)多吡啶胺與金屬離子錯(cuò)合，并在分子的兩端各有軸向配基，具有良好電子傳導(dǎo)性質(zhì)，可作為分子導(dǎo)線）的導(dǎo)電性，得到電流與探針移動(dòng)距離的關(guān)系，計(jì)算出鎳、鈷以及鉻核金屬串分子的鍵序，即金屬核之間的鍵結(jié)程度；以導(dǎo)電原子力顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)鉻核金屬分子的導(dǎo)電能力有著強(qiáng)弱變化，分別代表開與關(guān)兩種性質(zhì)，顯示其具備分子開關(guān)的特性。
臺(tái)灣中研院化學(xué)所團(tuán)隊(duì)利用適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)自組裝分子層修飾金的表面，成功地改變五環(huán)素（pentacene）分子與表面作用力，提高五環(huán)素分子層的結(jié)晶性，得到高效能場(chǎng)效應(yīng)晶體管元件，再將金納米粒子安置于其中，藉由納米粒子用來(lái)當(dāng)作儲(chǔ)存電荷的浮置閥，使晶體管元件同時(shí)具有記憶性質(zhì)，因而成為具有記憶功能的三端點(diǎn)存儲(chǔ)元件。根據(jù)這一結(jié)果，該研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步使用其他金屬納米粒子或有機(jī)納米顆粒，制作出更多性能可以調(diào)控的有機(jī)場(chǎng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管/存儲(chǔ)器元件。
二硫化鉬是繼石墨烯之后備受關(guān)注的層狀材料之一。臺(tái)灣科學(xué)家2012年首先利用化學(xué)氣相沉積法研發(fā)出制備大尺寸高品質(zhì)二硫化鉬均勻薄層的方法，為二硫化鉬及相關(guān)的無(wú)機(jī)二維材料電子學(xué)研究及應(yīng)用奠定了材料基礎(chǔ)。此外，利用離子凝膠作為介電層，⒍硫化鉬制作為軟性晶體管，發(fā)現(xiàn)二硫化鉬薄層并不像一般無(wú)機(jī)材料容易碎裂，反而具有驚人的高度柔軟性，使其有機(jī)會(huì)取代共軛高分子，成為軟性電子的主動(dòng)材料。
環(huán)境化學(xué)與能源化學(xué)
在環(huán)境化學(xué)與能源化學(xué)領(lǐng)域，開發(fā)新型催化劑是保護(hù)環(huán)境、治理污染和發(fā)展綠色能源必不可缺的內(nèi)容。臺(tái)灣科學(xué)家以往取得的成果包括：利用X光光電子能譜、傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜及程溫脫附研究小分子在催化劑表面的吸附與反應(yīng)，檢測(cè)其反應(yīng)活性并推導(dǎo)反應(yīng)機(jī)理；研發(fā)出可大量產(chǎn)生高純度甲烷單氧化酶的發(fā)酵法，除光譜分析及生化方法鑒定外，并針對(duì)此酶活性，測(cè)定基質(zhì)氫與碳的同位素效應(yīng)，歸納出催化中心的反應(yīng)型態(tài)；研究鈀催化聚烯反應(yīng)，證明中性的鈀-醛酰配位錯(cuò)合物具催化聚合烯類化合物的效果，其活性與配位基的電子組態(tài)、立體障礙有關(guān)；制備出在甲苯的對(duì)位上帶有甲氧基的鈀環(huán)催化劑衍生物，促使芳香烴鹵化物進(jìn)行同耦合反應(yīng)；用二氧化鈦涂布中孔洞材料的表面，制備多孔洞二氧化鈦材料以研究其作為異相催化劑載體的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)不錯(cuò)的活性；以氘丁烷測(cè)量其同位素效應(yīng)，并測(cè)量其疏水性中心反應(yīng)空間的大小，顯示甲烷的催化需要一定的疏水作用及適當(dāng)?shù)奈幌蚍娇蛇M(jìn)行，另外以密度方程式的方法計(jì)算反應(yīng)的發(fā)生路徑，甲烷的活化以三個(gè)銅原子協(xié)調(diào)一致的作用方式最為有利；發(fā)現(xiàn)納米級(jí)催化系統(tǒng)?？商峁┢渌叨炔牧辖厝徊煌拇呋钚裕瑤?lái)嶄新的應(yīng)用；開發(fā)納米尺度的硅倍半氧多聚體復(fù)合材料，并探索硝化、聚合等催化反應(yīng)效率，重點(diǎn)研究以多孔性材料為載體的金屬催化劑以及納米級(jí)二氧化鈦催化劑等。
結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有納米大小孔洞的介孔物質(zhì)可以作為分子篩，用作催化反應(yīng)或用來(lái)儲(chǔ)存氫氣與二氧化碳，以及應(yīng)用于新型無(wú)鑭熒光粉材料。新竹清華大學(xué)的研究人員在2010年突破前人的瓶頸，利用不同長(zhǎng)度直碳鏈的單胺作為聚集式模板，掌控納米孔洞大小，導(dǎo)引出由3種相同構(gòu)建單元組裝而成的無(wú)機(jī)納米孔洞骨架，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)性合成，成功開發(fā)出理性合成無(wú)機(jī)骨架的方法，設(shè)計(jì)出一系列新穎的晶型納米孔洞結(jié)構(gòu)，不僅第一次超越了自然界36R的納米孔，更重要的是孔徑超越以往晶型孔洞物質(zhì)2納米的上限，使科學(xué)家第一次認(rèn)知到結(jié)晶性介孔無(wú)機(jī)物質(zhì)是存在的。
臺(tái)灣中研院化學(xué)所研究團(tuán)隊(duì)致力于選擇性材料的開發(fā)，即在納米空間中將功能基或客體嫁接或沉積在特定位置上，藉以形成多功能納米復(fù)合材料，并在納米生物醫(yī)學(xué)、綠色催化以及氣體吸附與傳感測(cè)量應(yīng)用中展現(xiàn)出優(yōu)越與特殊的性質(zhì)與表現(xiàn)。
另外，臺(tái)灣科技人員還通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，碳納米管在鋰電池的應(yīng)用上比石墨電極的效率高，利用碳納米管發(fā)射脈沖電子束，其電子束強(qiáng)度較其他材料高出千倍以上；
目前已知的化學(xué)反應(yīng)無(wú)法解釋臭氧洞的形成。為此，臺(tái)灣科學(xué)家決定跳脫傳統(tǒng)光譜學(xué)的思維，2009年提出創(chuàng)新的解決方案，結(jié)合分子束、激光與質(zhì)譜等技術(shù)，精密地測(cè)量過氧化氯分子在代表性波長(zhǎng)下的光分解速率，以明確的證據(jù)平息全球科學(xué)界對(duì)于臭氧層被破壞方式的重大爭(zhēng)議。該團(tuán)隊(duì)精確測(cè)量了過氧化氯分子光分解產(chǎn)物的產(chǎn)率，并清楚確立了其光分解動(dòng)態(tài)。這些結(jié)果不但增進(jìn)人類的基礎(chǔ)知識(shí)，也為大氣化學(xué)家提供了精確的參考數(shù)據(jù)，對(duì)于臭氧層中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)能依此做更深入的研究。
染料敏化太陽(yáng)能電池相較于傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)電池，具有色彩多樣化、元件效能不隨溫度增加而降低、可制作半透明、可撓曲元件和弱光下即可發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，因此極具商業(yè)化價(jià)值，但釕系錯(cuò)合物染料的最佳光電轉(zhuǎn)換效率在過去二十幾年中一直無(wú)法突破12%。有鑒于此，臺(tái)灣中研院化學(xué)所林建村等人2011年針對(duì)各類的紫質(zhì)染料來(lái)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其中以YD2-o-C8元件性能最為優(yōu)異，由此制成的高效能染敏型太陽(yáng)能電池，在模擬太陽(yáng)光一半強(qiáng)度照射下，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)13.1%的世界紀(jì)錄，這是以釕金屬作為光敏染料的DSSC元件自2005年達(dá)到11%以來(lái)至今最大突破。
生物及醫(yī)藥化學(xué)
在生物及醫(yī)藥化學(xué)，臺(tái)灣科學(xué)家以往取得的成果包括：將固相萃取及微透析膜分別整合在電泳芯片上，增加濃縮、即時(shí)取樣等分析功能，應(yīng)用于連接聚合鏈鎖反應(yīng)產(chǎn)物的臨床分析及蛋白質(zhì)分析；發(fā)展醣類金納米粒子，應(yīng)用到細(xì)菌的檢測(cè)及分析標(biāo)定；嘗試用納米粒子在老鼠身上產(chǎn)生新抗體；發(fā)展出不同顏色的功能化Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體粒子，再將其與生物檢測(cè)上使用的抗體或DNA結(jié)合，用于細(xì)胞器標(biāo)定和DNA序列鑒定，提供一種快速且精準(zhǔn)的生物檢測(cè)技術(shù)；由核磁共振頻譜及圓二色偏光光譜分析，得到牛痘病毒蛋白質(zhì)分子模型，可推斷造成此病毒蛋白質(zhì)分子集結(jié)原因及負(fù)責(zé)的氨基酸；開發(fā)新合成方法，制備一系列與細(xì)胞表面醣體硫酸乙酰肝素有關(guān)的寡醣，找出結(jié)合最強(qiáng)的寡醣，作為復(fù)合體結(jié)構(gòu)分析及電腦分子模擬設(shè)計(jì)抑制物；完成核酸突狀結(jié)構(gòu)的探測(cè)及其反應(yīng)機(jī)制的推導(dǎo)；利用光譜法定出艾滋病毒過膜蛋白核心結(jié)構(gòu)形成的氨基酸殘基，并發(fā)展出引發(fā)多株抗體的抗原；研究感冒病毒與胞膜作用對(duì)pH 的變異性；發(fā)現(xiàn)回紋式核酸三螺旋在水溶液中有前所未有的新結(jié)構(gòu)，其功用可能有助于核酸鏈在染色體緊密排列，證明核酸在水溶液中是一種機(jī)動(dòng)平衡；完成人類抗體蛋白質(zhì)工程研究，以大腸菌培養(yǎng)法大量生抗體并使之活化；研發(fā)具有抗腫瘤潛力的藥物胞核-單磷酸N-乙酰神經(jīng)胺糖酸直鏈狀類似物；證明以醣類分子包裹的金納米粒子為良好的多重價(jià)載體；開發(fā)新方法用于合成海藻醣脂醇；以肽形成淀粉狀蛋白纖維的現(xiàn)象為研究對(duì)象，了解其纖維化的過程藉由動(dòng)力學(xué)的控制效應(yīng)；率先報(bào)導(dǎo)一鍋化保護(hù)-醣鏈結(jié)反應(yīng)，有效合成α12鏈結(jié)的雙醣體；利用光不穩(wěn)定化合物，合成一系列包覆后的肽，根據(jù)其包覆前及包覆后的光譜資料，建立其確實(shí)的結(jié)構(gòu)信息；成功合成出半乳醣脂質(zhì)及其衍生物，并發(fā)現(xiàn)其免疫調(diào)節(jié)活性；成功開發(fā)出以三氟甲磺酸銅鹽催化六碳醣與醋酸酐的無(wú)溶劑且高產(chǎn)率的全乙?；磻?yīng)；成功開發(fā)出以自然界存量最多的D式葡萄糖為起始物，合成多種具潛在生物活性的L式六碳醣衍生物的合成途徑等。
2006年，臺(tái)灣中研院化學(xué)所研究人員利用金屬納米材料進(jìn)行蛋白質(zhì)、DNA與重金屬離子的探測(cè)，并進(jìn)行納米藥物的開發(fā)以調(diào)控凝血作用。所開發(fā)的高感度納米光學(xué)傳感器可用于乳癌標(biāo)志物的定測(cè)量試，也可進(jìn)行單一堿基對(duì)基因突變的檢測(cè)。另外開發(fā)的分子適合體納米藥物除具有快速和極佳調(diào)控凝血效果外，其高穩(wěn)定性和低副作用適合于抗凝血藥劑應(yīng)用，不僅可提高與凝血酶結(jié)合能力，也可調(diào)控凝血時(shí)間。
近幾年，該研究團(tuán)隊(duì)還將納米薄膜應(yīng)用在光學(xué)、電化學(xué)與質(zhì)譜探測(cè)器，通過制備金屬納米粒子、微納米粒子、納米團(tuán)簇，并進(jìn)行小分子、DNA、蛋白質(zhì)和酶等功能化修飾與薄膜化，所形成的功能性復(fù)合納米薄膜可應(yīng)用于汞、鉛、銅等重金屬、腫瘤蛋白、酶、DNA和癌細(xì)胞探測(cè)器的_發(fā)與控制藥物釋放。相關(guān)納米薄膜材料也可應(yīng)用于表面輔助激光脫附游離化質(zhì)譜儀，用以探測(cè)環(huán)境污染物，如重金屬鉛離子、大腸桿菌等。
熒光共振能量轉(zhuǎn)移方法因可以測(cè)量納米尺度的生物分子構(gòu)型改變，因此近年來(lái)成為了解各種生物現(xiàn)象中分子層面的動(dòng)態(tài)變化的一大利器。在利用熒光共振能量轉(zhuǎn)移方法于觀察蛋白質(zhì)時(shí)，研究人員需將欲研究的蛋白作多色的熒光定點(diǎn)標(biāo)定。然而，此步驟常異常繁瑣困難。2009年，中研院生化所楊維元等人開發(fā)出運(yùn)用天然的酵素intein來(lái)大幅簡(jiǎn)化蛋白多色熒光定點(diǎn)標(biāo)定之步驟，使熒光共振能量轉(zhuǎn)移方法在蛋白質(zhì)研究能更簡(jiǎn)易地被運(yùn)用。
傳統(tǒng)藥物動(dòng)力學(xué)的區(qū)室分析方法是將生物體組織分為一至多個(gè)區(qū)室，每一個(gè)區(qū)室內(nèi)部的特定物質(zhì)均視為均勻分布，探討生物體內(nèi)不同區(qū)室里，特定物質(zhì)動(dòng)態(tài)吸收、分布、代謝和排泄的定量變化趨勢(shì)，并藉以達(dá)成其藥物試驗(yàn)的劑量設(shè)計(jì)、解釋造成藥效的研究。然而，對(duì)于特定區(qū)室的物質(zhì)動(dòng)態(tài)變化而言，常常會(huì)因缺乏適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而無(wú)法進(jìn)行。為克服此難題，臺(tái)灣研究人員在2010年陸續(xù)成功開發(fā)出多種可用以進(jìn)行細(xì)胞外液區(qū)室內(nèi)各種原生性（如腦內(nèi)金屬）及外源性物質(zhì)（如金屬離子、納米粒子）動(dòng)態(tài)濃度變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)的活體動(dòng)物體內(nèi)自動(dòng)化連線分析技術(shù)。
大蛋白質(zhì)復(fù)合體往往有容易裂解的問題，因此提高了用X光結(jié)晶學(xué)作為解析結(jié)構(gòu)方法的困難度。為了了解相位顯微鏡在提高襯度（即圖像的信號(hào)噪音比）后所帶來(lái)的具體影響，中研院化學(xué)所研究人員定量比較了相位片電子顯微鏡和傳統(tǒng)電子顯微鏡在單粒子重建程序中每一步的效能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相位片電子顯微鏡能夠幫助分離相似構(gòu)形的蛋白質(zhì)圖像；而對(duì)于分子量介于10萬(wàn)和50萬(wàn)道爾頓的蛋白質(zhì)，重建三維結(jié)構(gòu)所需的圖像數(shù)目大約減為傳統(tǒng)電子顯微鏡所需圖像數(shù)目的1%至10%，因此許多不易獲得的蛋白質(zhì)也有機(jī)會(huì)納入結(jié)構(gòu)解析的行列。
2011年，臺(tái)灣中研院生化所吳世雄領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)4年時(shí)間，自臺(tái)灣出產(chǎn)的釋迦及番荔枝科植物的種子中純化出8種不同呋喃鍵結(jié)型態(tài)的番荔枝科乙酰生合成物，藉由核磁共振光譜與恒溫滴定測(cè)焓儀，證實(shí)乙酰生合成物與鈣離子螯合，結(jié)合成不同形式的鈣離子類冠狀醚錯(cuò)合物。在生物細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)中，他們進(jìn)一步證實(shí)乙酰生合成物――鈣錯(cuò)合物能協(xié)助鈣離子穿透細(xì)胞膜，增加細(xì)胞體內(nèi)的鈣離子濃度，擾亂細(xì)胞體內(nèi)鈣離子的均一性，進(jìn)而引起粒線體的去極化，啟動(dòng)細(xì)胞死亡，而提供此類天然產(chǎn)物之所以具有強(qiáng)烈的細(xì)胞毒殺能力的原因。此研究成果結(jié)合化學(xué)及生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，厘清乙酰生合成物對(duì)細(xì)胞內(nèi)離子均一性的影響，為活性天然物應(yīng)用于新藥開發(fā)上提供更直接、可能的作用機(jī)制。
肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（也稱運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病或“漸凍人病”）是常見的神經(jīng)退化性疾病之一。藉由分析TDP-43C端片段的基因序列，可進(jìn)一步了解其在該病患中所扮演的作用。2012年，中研院化學(xué)所研究人員利用生物信息軟件PONDR，對(duì)TDP-43蛋白的序列進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示約80%的C端序列天生沒有結(jié)構(gòu)。為了更詳盡了解C端片段的特征和物理性質(zhì)，該團(tuán)隊(duì)分別合成4條勝肽片段（D1-D4），結(jié)果顯示只有D1呈現(xiàn)出纖維的結(jié)構(gòu)，寬度約11納米且有互相纏繞的現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該病患者中可以找到由TDP-43所形成纖維結(jié)構(gòu)的聚集物，因此推測(cè)D1具有促進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)形成的能力，幫助了解此疾病所產(chǎn)生的聚集體結(jié)構(gòu)上的特性，有助于找到治療該疾病的方法。
p53誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡的抗藥性是醫(yī)學(xué)界上一直懸而未解的難題。2012年，臺(tái)灣中研院化學(xué)所李文山及王朝諺所等人成功地發(fā)展出新型的含鈀、金及銀金屬抗癌劑。此類金屬抗癌劑不僅穩(wěn)定存在似生理狀態(tài)的緩沖溶液中達(dá)3天，且有效的抑制乳癌及腦瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，尤其對(duì)腦瘤細(xì)胞具較好的毒殺療效，并避開p53誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡的抗藥性。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這類金屬抗癌劑可導(dǎo)致p53-誘發(fā)的細(xì)胞凋亡（p53蛋白、磷酸化蛋白及bak表現(xiàn)增加）而p21蛋白表現(xiàn)減少。此發(fā)現(xiàn)可應(yīng)用于解決p53誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡的抗藥性問題，是治療腦瘤的一個(gè)重要突破。
第一節(jié)鋼的熱處理原理
熱處理的目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提高鋼的機(jī)械性能，延長(zhǎng)機(jī)器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強(qiáng)化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省和能源，而且能夠提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、大幅度延長(zhǎng)機(jī)器零件的使用壽命。
熱處理工藝分類：（根據(jù)熱處理的目的、要求和工藝方法的不同分類如下）
1、整體熱處理：包括退火、正火、淬火、回火和調(diào)質(zhì)；
2、表面熱處理：包括表面淬火、物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)等；
3、化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。
熱處理的三階段：加熱、保溫、冷卻
一、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變
加熱的目的：使鋼奧氏體化
（一）奧氏體（A）的形成
奧氏體晶核的形成以共析鋼為例A1點(diǎn)則Wc＝0.0218％（體心立方晶格F）Wc＝6.69％（復(fù)雜斜方滲碳體）當(dāng)T上升到Ac1后Wc＝0.77％（面心立方的A）由此可見轉(zhuǎn)變過程中必須經(jīng)過C和Fe原子的擴(kuò)散，必須進(jìn)行鐵原子的晶格改組，即發(fā)生相變，A在鐵素體和滲碳體的相界面上形成。有兩個(gè)有利條件①此相界面上成分介于鐵素體和滲碳體之間②原子排列不規(guī)則，空位和位錯(cuò)密度高。
珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變示意圖
a)形核b)長(zhǎng)大c)剩余滲碳體溶解d)奧氏體均勻化
（二）奧氏體晶粒的長(zhǎng)大
奧氏體大小用奧氏體晶粒度來(lái)表示。分為00，0，1，2…10等十二個(gè)等級(jí)，其中常用的1～10級(jí)，4級(jí)以下為粗晶粒，5-8級(jí)為細(xì)晶粒，8級(jí)以上為超細(xì)晶粒。
影響A晶粒粗大因素
1、加熱溫度越高，保溫時(shí)間愈長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大。因此，合理選擇加熱和保溫時(shí)間。以保證獲得細(xì)小均勻的奧氏體組織。（930～950℃以下加熱，晶粒長(zhǎng)大的傾向小，便于熱處理）
2、A中C含量上升則晶粒長(zhǎng)大的傾向大。
二、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變
生產(chǎn)中采用的冷卻方式有：等溫冷卻和連續(xù)冷卻
（一）過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變
A在相變點(diǎn)A1以上是穩(wěn)定相，冷卻至A1以下就成了不穩(wěn)定相。
1、共析碳鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能
共析鋼過冷奧氏體等溫
轉(zhuǎn)變曲線的建立示意圖
1）高溫珠光體型轉(zhuǎn)變：A1～550℃
（1）珠光體（P）A1～650℃粗層狀約0.3μm<25HRC
（2）索氏體（S）650～600℃細(xì)層狀0.1～0.3μm，25～35HRC
（3）屈氏體（T）600～550℃極細(xì)層狀約0.1μm，35～40HRC
2）中溫貝氏體型轉(zhuǎn)變：550℃～Ms
（1）上貝氏體（B上）550～350℃羽毛狀40～45HRC脆性大，無(wú)使用價(jià)值
（2）下貝氏體（B下）350~Ms黑色針狀45～55HRC韌性好，綜合力學(xué)性能好
（3）低溫馬氏體型轉(zhuǎn)變：Ms～Mf當(dāng)A被迅速過冷至Ms以下時(shí)，則發(fā)生馬氏體（M）轉(zhuǎn)變，主要形態(tài)是板條狀和片狀。（當(dāng)Wc＜0.2％時(shí)，呈板條狀，當(dāng)Wc＞1.0％呈針片狀，當(dāng)Wc＝0.2％～1.0％時(shí)，呈針片狀和板條狀的混合物）
（二）過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變
1．共析碳鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能
（1）隨爐冷P170～220HBS（700～650℃）
（2）空冷S25～35HRC（650～600℃）
\共析碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線應(yīng)用等溫轉(zhuǎn)變曲線分析奧氏體在連續(xù)冷卻中的轉(zhuǎn)變
2．馬氏體轉(zhuǎn)變
當(dāng)冷速>馬氏體臨界冷卻速度VK時(shí)，奧氏體發(fā)生M轉(zhuǎn)變，即碳溶于α—Fe中的過飽和固溶體，稱為M（馬氏體）。
1）轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：M轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行（Ms～Mf）,M轉(zhuǎn)變是在一個(gè)非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變(碳、鐵原子不能擴(kuò)散）,M轉(zhuǎn)變速度極快（大于Vk）,M轉(zhuǎn)變具有不完全性（少量的殘A）,M轉(zhuǎn)變只有α－Fe、γ－Fe的晶格轉(zhuǎn)變.
（2）M的組織形態(tài)
Wc（％）M形態(tài)σb/Mpaσs/MPaδ(%)Ak/JHRC
0.1-0.25板條狀1020－1530820－13309－1760－18030－50
0.77片狀2350204011066
(3)M的力學(xué)性能
①M(fèi)的強(qiáng)度與硬度隨C的上升M的硬度、強(qiáng)度上升
②M的塑性與韌性：低碳板條狀M良好；板條狀M具有較高的強(qiáng)度、硬度和較好塑性和韌性相配合的綜合力學(xué)性能；針片狀M比板條M具有更高硬度，但脆性較大，塑、韌性較差。
第二節(jié)鋼的退火
1、概念：將鋼件加熱到適當(dāng)溫度(Ac1以上或以下)，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝稱為退火。
2、目的：
（1）降低硬度，提高塑性，
（2）細(xì)化晶粒，消除組織缺陷
（3）消除內(nèi)應(yīng)力
（4）為淬火作好組織準(zhǔn)備
3、類型：根據(jù)加熱溫度可分為在臨界溫度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火，前者又稱相變重結(jié)晶退火，包括完全退火、擴(kuò)散退火、均勻化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再結(jié)晶退火及去應(yīng)力退火。
（1）完全退火：
1）概念：將亞共析鋼（Wc＝0.3％～0.6％）加熱到AC3+（30～50）℃，完全奧氏體化后，保溫緩冷（隨爐、埋入砂、石灰中），以獲得接衡狀態(tài)的組織的熱處理工藝稱為完全退火。
2）目的：細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度、改善切削加工性能。
3）工藝：完全退火采用隨爐緩冷可以保證先共析鐵素體的析出和過冷奧氏體在Ar1以下較主溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。工件在退火溫度下的保溫時(shí)間不僅要使工件燒透，即工件心部達(dá)到要求的加熱溫度，而且要保證全部看到均勻化的奧氏體，達(dá)到完全重結(jié)晶。完全退火保溫時(shí)間與鋼材成分、工件厚度、裝爐量和裝爐方式等因素有關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，為了提高生產(chǎn)率，退火冷卻至600℃左右即可出爐空冷。
4）適用范圍：中碳鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、鍛、軋制件等。
（2）球化退火
1）概念：使鋼中碳化物球狀化而進(jìn)行的退火工藝稱為球化退火。
2）工藝：一般球化退火工藝Ac1+(10～20)℃隨爐冷至500～600℃空冷。
3）目的：降低硬度、改善組織、提高塑性和切削加工性能。
4）適用范圍：主要用于共析鋼、過共析鋼的刃具、量具、模具等。
（3）均勻化退火（擴(kuò)散退火）
1）工藝：把合金鋼鑄錠或鑄件加熱到Ac3以上150～100℃，保溫10～15h后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。
2）目的：消除結(jié)晶過程中的枝晶偏析，使成分均勻化。由于加熱溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)引起奧氏體晶粒嚴(yán)重粗化，因此一般還需要進(jìn)行一次完全退火或正火，以細(xì)化晶粒、消除過熱缺陷。
3）適用范圍：主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件。
4）注意：高溫?cái)U(kuò)散退火生產(chǎn)周期長(zhǎng)，消耗能量大，工件氧化、脫碳嚴(yán)重，成本很高。只是一些優(yōu)質(zhì)合金鋼及偏析較嚴(yán)重的合金鋼鑄件及鋼錠才使用這種工藝。對(duì)于一般尺寸不大的鑄件或碳鋼鑄件，因其偏析程度較輕，可采用完全退火來(lái)細(xì)化晶粒，消除鑄造應(yīng)力。
（4）去應(yīng)力退火
1)概念：為去除由于塑性變形加工、焊接等而造成的應(yīng)力以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火稱為去應(yīng)力退火。
2)工藝：將工件緩慢加熱到Ac1以下100～200℃（500～600℃）保溫一定時(shí)間（1～3h）后隨爐緩冷至200℃，再出爐冷卻。
鋼的一般在500～600℃；鑄鐵一般在500～550℃超過550℃容易造成珠光體的石墨化；焊接件一般為500～600℃。
3）適用范圍：消除鑄、鍛、焊件，冷沖壓件以及機(jī)加工工件中的殘余應(yīng)力，以穩(wěn)定鋼件的尺寸，減少變形，防止開裂。
第三節(jié)鋼的正火
1、概念：將鋼件加熱到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后；在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。
2、目的：細(xì)化晶粒，均勻組織，調(diào)整硬度等。
3、組織：共析鋼P(yáng)、亞共析鋼F+P、過共析鋼Fe3CⅡ＋P
4、工藝：正火保溫時(shí)間和完全退火相同，應(yīng)以工件透燒，即心部達(dá)到要求的加熱溫度為準(zhǔn)
，還應(yīng)考慮鋼材、原始組織、裝爐量和加熱設(shè)備等因素。正火冷卻方式最常用的是將鋼件從加熱爐中取出在空氣中自然冷卻。對(duì)于大件也可采用吹風(fēng)、噴霧和調(diào)節(jié)鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度，達(dá)到要求的組織和性能。
5、應(yīng)用范圍：
1）改善鋼的切削加工性能。碳的含量低于0.25％的碳素鋼和低合金鋼，退火后硬度較低，切削加工時(shí)易于“粘刀”，通過正火處理，可以減少自由鐵素體，獲得細(xì)片狀P，使硬度提高，改善鋼的切削加工性，提高刀具的壽命和工件的表面光潔程度。
2）消除熱加工缺陷。中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄、鍛、軋件以及焊接件在加熱加工后易出現(xiàn)粗大晶粒等過熱缺陷和帶狀組織。通過正火處理可以消除這些缺陷組織，達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。
3）消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。過共析鋼在淬火之前要進(jìn)行球化退火，以便于機(jī)械加工并為淬火作好組織準(zhǔn)備。但當(dāng)過共析鋼中存在嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物時(shí)，將達(dá)不到良好的球化效果。通過正火處理可以消除網(wǎng)狀碳化物。
4）提高普通結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械性能。一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼零件采用正火處理，達(dá)到一定的綜合力學(xué)性能，可以代替調(diào)質(zhì)處理，作為零件的最終熱處理。第四節(jié)鋼的淬火
1、定義：將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時(shí)間。然后以適當(dāng)速度冷卻獲得M或B組織的熱處理工藝。2、目的：顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度。
3、淬火溫度的選擇
1）碳鋼的淬火加熱溫度由Fe－Fe3C相圖來(lái)確定，其目的是為了①淬火后得到全部細(xì)小的M；②淬火后希望硬度高。
①亞共析鋼Ac3+(30～50)℃,可獲得細(xì)小的均勻的M，如溫度過高則有晶粒粗化現(xiàn)象，淬火后獲得粗大的M，使鋼的脆性增大；如溫度過低則淬火后M+F，有鐵素體出現(xiàn)，淬火硬度不足。
②共析鋼與過共析鋼Ac1+(30～50)℃，由于有高硬度的滲碳體和M存在，能保證得到高的硬度和耐磨性。如果加熱溫度超過Accm將會(huì)使碳化物全部溶入A中，使A中的含碳量增加，淬火后殘余奧氏體量增多，降低鋼的硬度和耐磨性；淬火溫度過高，奧氏體晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有顯微裂紋的粗片狀馬氏體，使鋼的脆性增大。
2）合金鋼
①對(duì)含有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的強(qiáng)碳化物形成元素（如Ti、Nb等），淬火溫度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，獲得較好的淬火效果.
②對(duì)含有促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素（如Mn等），淬火加熱溫度應(yīng)低一些，以防止晶粒粗大。
理想冷卻速度：650℃以上應(yīng)當(dāng)慢冷，以盡量降低淬火熱應(yīng)力。650～400℃之間應(yīng)當(dāng)快速冷卻，以通過過冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域，避免發(fā)生珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變。400以下至Ms點(diǎn)附近應(yīng)當(dāng)緩以盡量減小馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力。具有這種冷卻特性的冷卻介質(zhì)可以保證在獲得M組織條件下減少淬火應(yīng)力、避免工件產(chǎn)生變形或開裂。
4、淬火介質(zhì)
淬火介質(zhì)：鋼從奧氏體狀態(tài)冷至Ms點(diǎn)以下所用的冷卻介質(zhì)。常用的有三種：
水：650～400℃范圍內(nèi)冷卻速度較小，不超過200℃/s，但在需要慢冷的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，其冷卻速度又太大，在340℃最大冷卻速度高達(dá)775℃/s，很容易引起工件變形和開裂。此外，水溫對(duì)水的冷卻特性影響很大，水溫升高，高溫區(qū)的冷卻速度顯著下降，而低溫區(qū)的冷卻速度仍然很高。因此淬火時(shí)水溫不應(yīng)超過30℃，加強(qiáng)水循環(huán)和工件的攪動(dòng)可以加速工件在高溫區(qū)的冷卻速度。水雖不是理想淬火介質(zhì)，但卻適用于尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單的碳鋼工件淬火。
油：在650～550℃內(nèi)冷卻較慢，不適用于碳鋼，300～200℃范圍內(nèi)冷很慢，有利于淬火工件的組織應(yīng)力，減少工件變形和開裂傾向。與水相反，提高油溫可以降低粘度，增加流動(dòng)性，故可以提高高溫區(qū)的冷卻能力。但是油溫過高易著火，一般應(yīng)控制在60～80℃。適用于對(duì)過冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼。
水與油作為淬火介質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但均不是屬于理想的冷卻介質(zhì)。水的冷卻能力很大，但冷卻特性不好；油冷卻特性較好，但其冷卻能力又低。由于水是價(jià)廉、容易獲得、性能穩(wěn)定的淬火介質(zhì)，因此
目前世界各國(guó)都在發(fā)展有機(jī)水溶液作為淬火介質(zhì)。美國(guó)應(yīng)用濃度為15％聚乙烯醇、0.4％抗粘附劑、0.1％防泡劑的淬火介質(zhì)，以及國(guó)內(nèi)使用比較廣泛的新型淬火介質(zhì)有過飽和硝鹽水溶液等。它們的共同特點(diǎn)是冷卻能力介于水、油之間，接近于理想淬火介質(zhì)。主要用于貝氏體等溫淬火，馬氏體分級(jí)淬火，常用于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小和變形要求嚴(yán)格的工件。
5、淬火方法（常用的淬火方法：?jiǎn)谓橘|(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級(jí)淬火、貝氏體等溫淬火）
1、單介質(zhì)淬火
優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、應(yīng)用廣泛。
缺點(diǎn)：水中淬火變形與開裂傾向大；油中淬火冷卻速度小，淬透直徑小，大件無(wú)法淬透。
2、雙介質(zhì)淬火
優(yōu)點(diǎn)：減少熱應(yīng)力與相變應(yīng)力，從而減少變形、防止開裂。
缺點(diǎn)：工藝不易掌握，要求操作熟練。
適用于中等形狀復(fù)雜的高碳鋼和尺寸較大的合金鋼工件。
3、局部淬火
為了避免工件其它部分產(chǎn)生變形或開裂，即可用局部淬火。
4、馬氏體分級(jí)淬火
優(yōu)點(diǎn)：使過冷奧氏體在緩冷條件下轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而減少變形。
缺點(diǎn)：只適用于尺寸較小的零件，否則淬火介質(zhì)冷卻能力不足，溫度也難于控制。
5、馬氏體等溫度淬火優(yōu)點(diǎn)：下貝氏體的硬度略低于馬氏體，但綜合力學(xué)性能較好，應(yīng)用廣泛。
6、鋼的淬透性與淬硬性
（一）淬透性：決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性，即應(yīng)該是全淬成馬氏體的深度。
1.影響淬透性因素
（1）鋼的化學(xué)成分。除Co以外的合金元素溶于奧氏體后，均能增加過冷奧氏體穩(wěn)定性，降低馬氏體臨界冷卻速度，從而提高鋼的淬透性。
（2）奧氏體化條件。提高奧氏體的溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使奧氏體晶粒粗大，成分均勻，殘余滲碳體和碳化物的溶解徹底，使過冷奧氏體起穩(wěn)定，使C曲線越向右移，馬氏體臨界冷卻速度就越小，則鋼的淬透性越好。
2.淬透性表示方法。常用臨界直徑大小來(lái)定理的比較不同鋼種的淬透性大小。臨界直徑是指鋼材在某種介質(zhì)中淬冷后，心部得到全部馬氏體（或50％馬氏體）組織的最大直徑。用Dc表示。在同一冷卻介質(zhì)中，鋼的臨界直徑越大，其淬透性越好；但同一鋼種在冷卻能力大的介質(zhì)中，比冷卻能力小的介質(zhì)中所得的臨界直徑要大些。
牌號(hào)臨界直徑/mm
淬水淬油
4513～16.55～9.5
20Cr12～196～12
3.淬透性的實(shí)用意義：
1）淬透——性能均勻一致
2）未淬透——韌性降低
（二）鋼的淬硬性：鋼在理想條件下進(jìn)行淬火硬化所能達(dá)到的最高硬度的能力。
值得注意的：鋼的淬透性與淬硬性是兩個(gè)不同的概念。淬透性好的鋼其淬硬性不一定高，而淬火后硬度低的鋼也可能是具有高的淬透性。
7、鋼的淬火缺陷及其防止措施
1.淬火工件的過熱和過燒
過熱：工件在淬火加熱時(shí)，由于溫度過高或時(shí)間過長(zhǎng)造成奧氏體晶粒粗大的缺陷。
由于過熱不僅在淬火后得到粗大馬氏體組織，而且易于引起淬火裂紋，因此，淬火過熱的工件強(qiáng)度和韌性降低，易于產(chǎn)生脆性斷裂。輕微的過熱可用延長(zhǎng)回火時(shí)間補(bǔ)救。嚴(yán)重的過熱則需進(jìn)行一次細(xì)化晶粒退火，然后再重新淬火。
過燒：淬火加熱溫度太高，使奧氏體晶界局部熔化或者發(fā)生氧化的現(xiàn)象。
過燒是嚴(yán)重的加熱缺陷，工件一旦過燒無(wú)法補(bǔ)救，只能報(bào)廢。過燒的原因主要是設(shè)備失靈或操作不當(dāng)造成的。高速鋼淬火溫度高容易過燒，火焰爐加熱局部溫度過高也容易造成過燒。
2.淬火加熱時(shí)的氧化和脫碳
淬火加熱時(shí)，鋼件與周圍加熱介質(zhì)相互作用往往會(huì)產(chǎn)生氧化和脫碳等缺陷。氧化使工件尺寸減小，表面光潔度降低，并嚴(yán)重影響淬火冷卻速度，進(jìn)而使淬火工件出現(xiàn)軟點(diǎn)或硬度不足等新的缺陷。工件表面脫碳會(huì)降低淬火后鋼的表面硬度、耐磨性，并顯著降低其疲勞強(qiáng)度。因此，淬火加熱
時(shí)，在獲得均勻化奧氏體時(shí)，必須注意防止氧化和脫碳現(xiàn)象。在空氣介質(zhì)爐中加熱時(shí)，防止氧化和脫碳最簡(jiǎn)單的方法是在爐子升溫加熱時(shí)向爐內(nèi)加入無(wú)水分的木炭，以改變爐內(nèi)氣氛，減少氧化和脫碳。此外，采用鹽爐加熱、用鑄鐵屑覆蓋工件表面，或是在工件表面熱涂硼酸等方法都可有效地防止或減少工件的氧化和脫碳。
3.淬火時(shí)形成的內(nèi)應(yīng)力
有兩種情況：①工作在加熱或冷卻時(shí)，引起的熱應(yīng)力。
②由于熱處理過程中各部位冷速的差異引起的相變應(yīng)力。
當(dāng)兩力相復(fù)合超過鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，工件就變形；當(dāng)復(fù)合力超過鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件就開裂。
解決辦法：①工件在加熱爐中安放時(shí)，要盡量保證受熱均勻，防止加熱時(shí)變形；
②對(duì)形狀復(fù)雜或?qū)嵝圆畹母吆辖痄?，?yīng)緩慢加熱或多次預(yù)熱，以減少加熱中產(chǎn)生的熱應(yīng)力；
③選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)和淬火方法，以減少冷卻中熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。
但淬火不是最終熱處理，為了消除淬火鋼的殘余內(nèi)應(yīng)力，得到不同強(qiáng)度、硬度和韌性配合的性能，需要配以不同溫度的回火。鋼淬火后再經(jīng)回火，是為了使工件獲得良好的使用性能，以充發(fā)揮材料的潛力。所以淬火和回火是不可分割的、緊密銜接在一起的兩種熱處理工藝。
第五節(jié)鋼的回火
1、定義：鋼件淬火后，再加熱到A1以下某一溫度，保持一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。
2、目的：
1）穩(wěn)定組織，消除淬火應(yīng)力
2）調(diào)整硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性
3、淬火鋼在回火時(shí)組織的轉(zhuǎn)變
1）馬氏體的分解（＞100℃）
2）殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（200～300℃）
3）碳化物的轉(zhuǎn)變（250～450℃）
4）滲碳體的聚集長(zhǎng)大和鐵素體再結(jié)晶（＞450℃）
4、鋼在回火時(shí)性能變化
1）回火方法：
（1）低溫回火（150～250℃），組織是回火馬氏體，和淬火馬氏體相比，回火馬氏體既保持了鋼的高硬度、高強(qiáng)度和良好耐磨性，又適當(dāng)提高了韌性。硬度為58～64HRC，主要用于高碳鋼，合金工具鋼制造的刃具、量具、模具及滾動(dòng)軸承，滲碳、碳氮共滲和表面淬火件等。
（2）中溫回火（350～500℃），組織為回火屈氏體，對(duì)于一般碳鋼和低合金鋼，中溫回火相當(dāng)于回火的第三階段，此時(shí)碳化物開始聚集，基體開始回復(fù)，淬火應(yīng)力基本消除。硬度為35～50HRC，具有高的彈性極限，有良好的塑性和韌性，主用于彈性件及模具處理。
（3）高溫回火（500～650℃），組織為回火索氏體，硬度為220～330HBS。淬火和隨后的高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。因此，高溫回火主要適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，用來(lái)制作汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床等承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件，如曲軸、連桿、螺栓、機(jī)床主軸及齒
輪等重要的機(jī)器零件。鋼經(jīng)正火后和調(diào)質(zhì)后的硬度很相近，但重要的結(jié)構(gòu)件一般都要進(jìn)行調(diào)質(zhì)而不采用正火。在抗拉強(qiáng)度大致相同情況下，經(jīng)調(diào)質(zhì)后的屈服點(diǎn)、塑性和韌性指標(biāo)均顯著超過正火，尤其塑性和韌性更為突出。
2）回火時(shí)間：一般為1～3h
3）回火冷卻：一般空冷。一些重要的機(jī)器和工模具，為了防止重新產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形、開裂，通常都采用緩慢的冷卻方式。對(duì)于有高溫回火脆性的鋼件，回火后應(yīng)進(jìn)行油冷或水冷，以抑制回火脆性。
5、回火脆性
第一類回火脆性：300℃左右，無(wú)法消除，低溫回火脆性。產(chǎn)生這類回火脆性的原因，一般認(rèn)為在此回火溫度范圍內(nèi)碳化物以斷續(xù)的薄片沿馬氏體片或馬氏體條的界面析出，這樣硬而脆的薄片與馬氏體間結(jié)合較弱，降低了馬氏體晶界處強(qiáng)度，因而使沖擊韌性降低。
第二類回火脆性：400～500℃，，高溫回火脆性。產(chǎn)生這類原因是由于經(jīng)高溫回火后緩冷通過脆化溫度區(qū)所產(chǎn)生的脆性。辦法：快冷；提高鋼的純潔度，減少有害元素的含量等。