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详细内容

晶界扩散技术及设备的介绍

文章内容

随着科技的不断发展,晶界扩散技术作为一种重要的材料处理技术,在半导体、陶瓷、金属等领域得到了广泛的应用。本文主要介绍晶界扩散技术的概念、原理、应用以及相关设备等方面的内容。




一、晶界扩散技术的概念和原理

晶界扩散是指在外界能量作用下,原子或分子从高浓度向低浓度区域扩散的过程。当材料受到高温或外部能量作用时,原子或分子会从高浓度区域向低浓度区域扩散,直到达到平衡状态。这种扩散过程主要发生在晶界处,因此被称为晶界扩散。

晶界扩散的原理主要基于浓度差和热力学原理。在晶体中,原子或分子在晶格结点上振动,当受到外部能量作用时,它们会脱离原来的位置,形成自由态原子或分子。这些自由态原子或分子将扩散到晶界处,因为那里存在浓度差,从而形成新的表面层。由于热力学原理的作用,这些新的表面层将趋向于降低表面能,以最小的表面自由能维持热力学平衡。因此,随着时间的推移,高浓度区域中的原子或分子将不断向低浓度区域扩散,直到达到平衡状态。

二、晶界扩散技术的应用

晶界扩散技术被广泛应用于半导体、陶瓷、金属等领域。下面以半导体和陶瓷为例介绍其应用。

1、半导体领域

在半导体领域中,晶界扩散技术被广泛应用于集成电路和光电器件的制造过程中。首先,在集成电路制造过程中,通过晶界扩散可以将杂质原子或分子从高浓度区域向低浓度区域扩散,以形成所需类型的半导体器件。例如,通过硼酸溶液掺杂形成p型半导体,通过磷酸溶液掺杂形成n型半导体。此外,在光电器件制造中,通过控制晶界扩散的工艺参数和选用特定材料,可以制备出高效、低噪声的光电器件,如激光器、光电检测器等。

2、陶瓷领域

在陶瓷领域中,晶界扩散技术被广泛应用于材料的改性和加工过程。通过在陶瓷材料中掺杂某些金属元素(如Mg、Zr等),可以改变材料的力学、化学和物理性能,如硬度、耐磨性、热膨胀系数等。此外,在陶瓷材料的加工过程中,通过控制晶界扩散的工艺参数(如温度、时间等),可以优化陶瓷材料的加工性能和最终性能。例如,通过高温处理可以消除陶瓷材料中的残余应力,提高材料的强度和稳定性。

三、晶界扩散的设备

晶界扩散技术的主要设备包括扩散炉、手套箱、高温烧结炉等。

3、扩散炉

扩散炉是进行晶界扩散处理的主要设备之一。它主要由加热系统、气氛控制系统和样品放置系统组成。在扩散炉中,样品被放置在炉腔内,加热系统可以提供所需的温度和保温时间,气氛控制系统可以控制炉腔内的气氛(如氮气、氧气、氢气等)。通过控制这些参数,可以实现不同材料的晶界扩散处理。

4、手套箱

手套箱是一种用于操作和保护样品的环境控制设备。它可以提供一个干燥、无尘、无氧的环境,以防止样品受到污染和氧化。在手套箱中,操作者可以安全地操作样品而不必担心样品受到污染或损坏。这种设备广泛应用于材料的制备和处理过程中。

5、高温烧结炉

高温烧结炉是一种用于烧结和高温处理材料的设备。它可以提供高温环境(高达数千度)并维持一定温度下对样品进行处理。高温烧结炉主要用于陶瓷、金属等材料的烧结和加工过程中。在陶瓷领域中,高温烧结炉被广泛应用于制备高性能陶瓷材料和进行陶瓷材料的加工处理。

四、总结

晶界扩散技术是一种重要的材料处理技术,被广泛应用于半导体、陶瓷、金属等领域。通过控制晶界扩散的工艺参数和选用特定材料,可以实现不同材料的改性和加工处理。同时,晶界扩散技术的主要设备包括扩散炉、手套箱、高温烧结炉等也得到了广泛的应用和发展。随着科技的不断发展,晶界扩散技术的应用范围将会越来越广泛,设备性能也会不断提升。

钕铁硼晶界扩散技术及设备-浙江泽晨智能设备有限公司

一、背景分析——行业背景

稀土永磁材料

钕铁硼:室温永磁性能最强、应用最广,2022年产量超20万吨

稀土永磁电机优势:体积小、质量轻、损耗小、效率高

应用产业:硬盘、新能源汽车、风力发电和航空航天等



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永磁电机及终端行业对高性能永磁材料有着急迫的需求!

中国是稀土大国,资源量和出口量位列全球第一。

2022年中国钕铁硼出口金额达到19096万美元。

浙江省的钕铁硼永磁体产量占全国总量的44%。



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中国为稀土大国,稀土资源是全世界“卡脖子”技术的关键材料

钕铁硼年消耗稀土量接近我国稀土总用量的40%。

钕铁硼过度依赖Nd/Pr/Dy/Tb,而重稀土元素Dy/Tb丰度低价格高。



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二、技术介绍 —— 晶界扩散技术

晶界扩散技术——通过热处理使涂敷到磁体表面的扩散物(稀土合金混合物)进入磁体提高矫顽力的方式。

相比传统工艺(直接掺杂),节约重稀土。



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晶界扩散流程示意图

传统晶界扩散方法需要不断实验,不断试错,不但人力时间成本巨大,而且浪费了作为扩散物(稀土)的材料。



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基于数据驱动和晶界扩散的扩散物成分设计技术



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根据本技术设计的扩散物对M牌号进行扩散后,

矫顽力增量最大可提升 12kOe


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扩散磁体性能提高、成本降低

团队晶界扩散技术入选

浙江省科学技术厅创新成果展厅

团队成果被中科院公众号、材料学网等多个媒体转载报道


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团队在相关领域获得国家科学技术二等奖,承担项目经费近两千万,公开/授权中国发明专利28项,发表SCI论文50多篇


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扩散剂粘结涂覆要求:快速、均匀、量可控、低成本


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现有技术:热固丝网印刷

使用场地占地面积大:

长度50米,宽度10米

能耗高:大于100kw

印刷速度慢:固化时间>30min

180度固化,溶剂挥发排放


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扩散物激光固化技术:自主知识产权、固化时间短、室温固化

设备优势:成本降低、效率提升、能耗降低、避免扩散物燃烧

新型激光固化丝网印刷技术和设备


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已申请ZL201910250908.0;CN202211611402.6;202210194631.6等专利6项


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钕铁硼晶界扩散技术及设备

目前已申报多项国家专利

发明创造名称:固化装置 申请号:2023210051057

发明创造名称:磁体制备设备 申请号:202320986889X

发明创造名称:磁体制备设备 申请号:2023104676506

发明创造名称:涂覆装置 申请号:2023210183944

发明创造名称:一种基于光固化快速印刷的钕铁硼晶界扩散方法 申请号:202211611402.6

已经在申报国际专利

成果应用于英洛华(横店集团)、杭州永磁集团,科宁达,永久、守正等多家知名永磁体制造企业以及经销商

联合开发了N40EH、N42EH等牌号低重稀土高矫顽力烧结钕铁硼磁体,并已投入批量化生产



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钕铁硼永磁体市场占比大,用途之广,产业集中



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