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High-temperature superconductors (abbreviated high Tc) are a family of superconducting materials containing copper-oxide planes as a common structural feature. For this reason, the term is often used interchangeably with cuprate superconductors.

This feature allows some materials to support superconductivity at temperatures above the boiling point of liquid nitrogen (77 K or -196°C). Indeed, they offer the highest transition temperatures of all superconductors. The ability to use relatively inexpensive and easily handled liquid nitrogen as a coolant has increased the range of practical applications of superconductivity.

Although cuprate compounds in the normal superconducting state share many characteristics with each other, there is as of 2007 no widely accepted theory to explain their properties. The search for a unified theory of high-temperature superconductivity is a topic of active experimental and theoretical research. Cuprate superconductors differ in many important ways from conventional superconductors, such as elemental mercury or lead, which are adequately explained by the BCS theory.

High-Tc superconductivity was discovered in 1986; until then it was thought that BCS theory ruled out superconductivity at temperatures above 30 K. The experimental discovery of the first high-Tc superconductor by Karl Müller and Johannes Bednorz was immediately recognized by the Nobel Prize in Physics in 1987.


[edit] Copper-oxide planes

The cuprates are quasi-two-dimensional materials which consist of layers of copper-oxide planes separated by other materials. It seems that most of the properties are determined by electrons moving within the copper-oxide planes. The remaining components play structural roles and provide screening and doping environments. The copper-oxide plane is a checkerboard lattice with square backbone lattice of oxygens in the O-- state and with, say, "black" squares marked by copper atom in the center; Copper is typically in Cu++ state. The unit cell is, e.g., a square rotated by 45° containing exactly one "black square". The unit cell contains one copper and two oxygen atoms. Obviously, the unit cell is charged by an equivalent of two electronic charges. These charges are "supplied" by the La, Ba, Sr or other atoms which in cuprate superconductors are always present between the planes. It may be considered as an experimental fact that the chemical potential crosses one of the electronic bands of the copper-oxide plane and nothing else: it is the copper-oxide plane that determines the Fermi surface and low-energy electronic properties. As such, in the ionization state Cu++O2--, the copper-oxide plane is a Mott insulator with long-range antiferromagnetic order of spins at small enough temperatures. A vital feature of cuprates is their ability to accommodate chemical substitutions, i.e., atoms that (i) replace one of the atoms of the original without disrupting the short-range lattice order and (ii) have a different number of electrons in their outer shells. The excess electrons may enter the copper oxide plane (electron doping) or electrons can be taken away from the copper-oxide plane (hole doping), as a result of such chemical substitution. It is important that chemical substitutions occur in the substance outside the copper-oxide plane. In other words, a unique property of copper-oxide planes and their "environment" atoms in the copper-oxide superconductors is that such doping is possible at all and charge redistribution is effectively screened and is stable. (Materials that allow doping are not very common, but cuprate superconductors are by no means the only ones). Structural formulas of interesting cuprate superconductors typically contain fractional numbers since they are constitute doping modifications of the particular "mother" compound. Concentration of excess electrons or holes (in short, doping) is one of the most important parameters that determine the low-energy properties of the cuprate compounds.

[edit] Weak distortions

Copper-oxide planes in real material are distorted in several ways. This distortions are usually weak but they can play an important role because they break the symmetries of the original (square, plane) lattice.

  • buckling
  • orthorhombic distortion
  • pairs of planes


[edit] General phase diagram


Typically the half-filling state is an insulator with antiferromagnetic ordering and it is not superconducting at any temperature. The "interesting" phases are in the metallic state which is achieved at finite electron/hole doping of copper-oxide planes. The common way of doping is by chemical substitution; other methods, such as pressure may also be used. The "geography" of the copper-oxide materials can in the doping-temperature diagram.

[edit] History and Progress

The term high-temperature superconductor was first used to designate the new family of cuprate-perovskite ceramic materials discovered by Johannes Georg Bednorz and Karl Alexander Müller in 1986,[1] for which they won the Nobel Prize in Physics the following year. Their discovery of the first high-temperature superconductor, LaBaCuO, with a transition temperature of 35 K, generated great excitement.

Recently, other unconventional superconductors, not based on cuprate structure, have been discovered. Some have unusually high values of the critical temperature, Tc, and hence they are sometimes also called high-temperature superconductors. The record-high Tc at standard pressure, 138 K, is held by a cuprate-perovskite material,[2] although slightly higher transition temperatures have been achieved under pressure.[3] Nevertheless, some researchers believe that if a room-temperature superconductor is ever discovered, it will be in a different family of materials.[citation needed]

[edit] Types of High-Temperature Superconductors

Examples of high-Tc cuprate superconductors include La1.85Ba0.15CuO4, and YBCO (Yttrium-Barium-Copper-Oxide), which is famous as the first material to achieve superconductivity above the boiling point of liquid nitrogen.

All known high-Tc superconductors are Type-II superconductors. In contrast to Type-I superconductors, which expel all magnetic fields due to the Meissner Effect, Type-II superconductors allow magnetic fields to penetrate their interior in quantized units of flux, creating "holes" or "tubes" of normal metallic regions in the superconducting bulk. Consequently, high-Tc superconductors can sustain much higher magnetic fields.

[edit] How High-Temperature Superconductors are Made

Perovskites are made by mixing oxides in stoichiometric quantities and then heating in a kiln at high temperatures in a concentrated oxygen atmosphere.

[edit] Ongoing Research

A small sample of the high-temperature superconductor BSCCO-2223. The two lines in the background are 1 mm apart.

A small sample of the high-temperature superconductor BSCCO-2223. The two lines in the background are 1 mm apart.

The question of how superconductivity arises in high-temperature superconductors is one of the major unsolved problems of theoretical condensed matter physics as of 2007. The mechanism that causes the electrons in these crystals to form pairs is not known.

Despite intensive research and many promising leads, an explanation has so far eluded scientists. One reason for this is that the materials in question are generally very complex, multi-layered crystals (for example, BSCCO), making theoretical modeling difficult. However, with the rapid rate of new discoveries in the field, many researchers are optimistic that a complete understanding of the process is possible within the next decade or so.[citation needed]

[edit] See also

[edit] References

  1. ^ J. G. Bednorz and K. A. Müller (1986). "Possible highTc superconductivity in the Ba−La−Cu−O system". Z. Physik, B 64: 189-193. doi:10.1007/BF01303701.
  2. ^ http://www.superconductors.org/Type2.htm
  3. ^ L. Gao, Y. Y. Xue, F. Chen, Q. Xiong, R. L. Meng, D. Ramirez, C. W. Chu, J. H. Eggert, and H. K. Mao (1994). "Superconductivity up to 164 K in HgBa2Cam-1CumO2m+2+δ (m=1, 2, and 3) under quasihydrostatic pressures". Phys. Rev. B 50: 4260-4263. doi:10.1103/PhysRevB.50.4260.


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Superkonduktor suhu-tinggi umumnya adalah hal yang mempertunjukkan superkonduktivitas pada suhu di atas suhu nitrogen cair, atau −196 °C (77 K), karena ini merupakan suhu cryogenik yang mudah dicapai. Superkonduktor konvensional membutuhkan suhu tidak lebih dari beberapa derajat di atas nol mutlak (−273.15 °C atau −459.67 °F).

[sunting] Sejarah

Superkonduktor "suhu tinggi" menarik magnet (dengan nitrogen cair yang direbus di bawah) yang emnunjukkan efek Meissner,salah satu sifat superkonduktivitas.

Superkonduktor "suhu tinggi" menarik magnet (dengan nitrogen cair yang direbus di bawah) yang emnunjukkan efek Meissner,salah satu sifat superkonduktivitas.

Istilah superkonduktor suhu-tinggi pertama kali digunakan untuk menunjuk ke material keramik cuprate-perovskite yang ditemukan oleh Johannes Georg Bednorz dan Karl Alex Müller pada 1986,[1] yang membuat mereka memenangkan Penghargaan Nobel dalam Fisika di tahun berikutnya. Penemuan superkonduktor suhu-tinggi mereka LaBaCuO, dengan suhu transisi 35 K, menyebabkan banyak kekaguman karena sebelumnya superkonduktivitas pada suhu 'tinggi' tersebut dianggap banyak orang tidak mungkin terjadi.

[sunting] Jenis superkonduktor suhu-tinggi

Material paling terkenal adalah Tc-tinggi yang disebut cuprate, seperti La1.85Ba0.15CuO4, YBCO (Yttrium-Barium-Copper-Oxide) dan bahan sejenis.

Seluruh superkonduktor Tc-tinggi disebut superkonduktor tipe-II. Superkonduktor tipe-II mengijinkan medan magnet untuk menembus bagian dalamnya dalam satuan flux quanta, menghasilkan 'lubang' (atau tabung) wilayah metalik normal dalam kumpulan superkonduksi. Sifat ini membuat superkonduktor Tc-tinggi mampu bertahan di medan magnet yang jauh lebih tinggi.

[sunting] Riset sekarang

Contoh kecil superkonduktor suhu tinggi BSCCO-2223. 2 jalur di belakang terpisah 1 mm.

Contoh kecil superkonduktor suhu tinggi BSCCO-2223. 2 jalur di belakang terpisah 1 mm.

Salah satu masalah tak terselesaikan dalam fisika modern adalah pertanyaan bagaimana superkonduktivitas dapat terjadi dalam material tersebut, yaitu, mekanika apa yang menyebabkan elektron dalam kristal tersebut dapat membentuk pasangan.

Meskipun riset yang giat telah dilakukan dan banyak menghasilkan petunjuk, namun jawabannya masih membingungkan ilmuwan. Salah satu alasannya adalah material yang dipertanyakan sangat rumit, kristal banyak-lapisan (contohnya, BSCCO), membuat pemodelan teoritis sulit. Namun dengan penemuan baru dan penting dalam bidang ini, banyak peneliti optimis bahwa pemahaman lengkap terhadap proses ini dapat terjadi dalam satu dekade mendatang.

[sunting] Referensi

  1. ^ J. G. Bednorz and K. A. Müller, Z. Physik, B 64, 189 (1986)


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Aukštatemperatūris superlaidumas buvo atrastas 1986 m. mokslininkų Karl Müller ir Johannes Bednorz. 1987 m. už tai jie buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija. Galimybė šaldymui naudoti suskystintą azotą išplėtė superlaidininkų taikymo sritį.


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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

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Termin nadprzewodniki wysokotemperaturowe został użyty do określenia nowej rodziny materiałów ceramicznych o strukturze perowskitu odkrytych przez Johannesa G. Bednorza i K. A. Müllera w 1986 roku za odkrycie których otrzymali oni Nagrodę Nobla. Odkryli oni nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe w związkach La2 − xBaxCuO2 (zwanych krócej w literaturze związkami Ba-La-Cu-O lub po postu LBCO), które występowało w temperaturze 35 K, nieco powyżej granicy, którą teoria BCS określała jako temperaturową granicę nadprzewodnictwa.

Wkrótce, wykorzystując efekty związane z ciśnieniem, początkowa wartość temperatury krytycznej w LBCO (35 K) podniesiono do 50 K, a w roku 1987 nadprzewodnictwo zaobserwowano w związku YBa2Cu3O6 + x w temperaturze 90 K, a wiec powyżej temperatury ciekłego azotu. Modyfikując strukturę krystaliczna oraz wykorzystując efekty związane z ciśnieniem otrzymano później nadprzewodniki o temperaturach krytycznych rzędu 160 K .

Większość nadprzewodników wysokotemperaturowych zawiera płaszczyzny miedziowo-tlenowe, w których każdy atom miedzi otoczony jest czterema atomami tlenu tworząc strukturę o symetrii grupy punktowej C4v. Płaszczyzny te oddzielone są od siebie tlenkowymi warstwami nieprzewodzącymi. W fazie normalnej przewodnictwo elektryczne w kierunkach równoległych do płaszczyzn miedziowo-tlenowych jest znacznie większe niż w kierunku do nich prostopadłym. Wartość temperatury krytycznej zmienia sie znacznie w zależności od składu związku, ale jest generalnie tym wyższa im więcej płaszczyzn miedziowo-tlenowych zawartych jest w komórce elementarnej, co czyni je zasadniczym elementem struktury nadprzewodników wysokotemperaturowych.


歡迎來到Bewise Inc.的世界,首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力,我們是提供專業刀具製造商,應對客戶高品質的刀具需求,我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求,我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質,這是現有相關技術無法比擬的,我們成功的滿足了各行各業的要求,包括:精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航 太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀 具設計;從微細刀具到大型刀具;從小型生產到大型量產;全自動整合;我們的技術可提供您連續生產的效能,我們整體的服務及卓越的技術,恭迎您親自體驗!!

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Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting toolaerospace tool .HSS DIN Cutting toolCarbide end millsCarbide cutting toolNAS Cutting toolNAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end milldisc milling cutter,Aerospace cutting toolФрезерыCarbide drillHigh speed steelMilling cutterCVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) Core drillTapered end millsCVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool Single Crystal Diamond Metric end millsMiniature end millsСпециальные режущие инструменты Пустотелое сверло Pilot reamerFraisesFresas con mango PCD (Polycrystalline diamond) FreseElectronics cutterStep drillMetal cutting sawDouble margin drillGun barrelAngle milling cutterCarbide burrsCarbide tipped cutterChamfering toolIC card engraving cutterSide cutterNAS toolDIN or JIS toolSpecial toolMetal slitting sawsShell end millsSide and face milling cuttersSide chip clearance sawsLong end millsStub roughing end millsDovetail milling cuttersCarbide slot drillsCarbide torus cuttersAngel carbide end millsCarbide torus cuttersCarbide ball-nosed slot drillsMould cutterTool manufacturer.

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Высокотемпературные сверхпроводники (Высокие Tc) - семья материалов с общей структурной особенностью, относительно хорошо разделёнными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этой семье, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное (и суперпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках БКШ теории. Последовательная теория сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, проблема привела к многим экспериментальным и теоретическим результатам, и интерес в этой области - не только в достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного свехпроводника в 1986 была немедленно присуждена Нобелевская премия.


[править] История открытия высокотемпературной сверхпроводимости

[править] Сплавы ниобия (интерметаллиды)

[править] Органические сверхпроводники

В конце 60-х - начале 70-х гг были большие надежды на синтез органических комплексов с переносом заряда (КПЗ) - например, комплексов en:TCNQ-TTF (тетрацианохинодиметан-тетратиофульволен). Однако, несмотря на синтез ряда перспективных соединений, оказалось, что сверхпроводимость в этих комплексах неустойчива даже при небольших плотностях тока.

[править] Керамические сверхпроводники

В 1986 г. Беднорц и Мюллер обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La2-xBaxCuO4) переходить в сверхпроводящее состояние при 30 К. Сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978 г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным, а также французскими исследователями двумя годами позже.


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Visokotemperaturni superprevodniki (VTS) so superprevodniki, ki imajo temperaturo prehoda višjo od nizkotemperaturnih. Običajno gre za temperature, ki so nad vreliščem tekočega dušika (77 K), kar pomeni, da za njihovo ohlajanje ni več potreben drag in zahteven tekoči helij (4,2 K).

Visokotemperaturna superprevodnost je bila najprej raziskovana v kupratno-perovskitnih keramikah, odkritih leta 1985. Do danes je bila najvišja dosežena temperatura prehoda 138 K (-135°C). Kljub imenu se pri visokotemperaturnih superprevodnikih superprevodnost pojavi pri temperaturah, ki so veliko nižje od sobne.

Pojav superprevodnosti v VTS še ni dokončno pojasnjen. Teorija BCS, ki pojasni superprevodnost v NTS, ima namreč omejitve.

Visokotemperaturni superprevodniki imajo kljub višji temperaturi prehoda pomanjkljivost, tehnološko se jih namreč ne da poljubno oblikovati. Tako iz njih ne moremo narediti električnih vodov. V superprevodnih tuljavah magnetov se zato še vedno uporablja nizkotemperaturne superprevodnike, ki se jih hladi s tekočim helijem.


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En högtemperatursupraledare svävar ovanför en magnet (med kokande kväve under), visandes på Meissnereffekten, ett av villkoren för supraledning.

En högtemperatursupraledare svävar ovanför en magnet (med kokande kväve under), visandes på Meissnereffekten, ett av villkoren för supraledning.

Högtemperatursupraledare är material som är supraledande vid temperaturer över kokpunkten för flytande kväve (-196 °C eller 77 K), den kryogeniska temperatur som är lättast att uppnå, till skillnad mot vanliga supraledare som når detta tillstånd endast om de når temperaturer på ett fåtal kelvin.

Historik [redigera]

Termen "högtemperatursupraledare" användes först om gruppen av keramiska kuprat-perovskit-material som J. Georg Bednorz och K. Alexander Müller upptäckte 1986 och som de fick nobelpriset för redan året efter. Upptäckten av högtemperatursupraledaren LBCO, med en kritisk temperatur på 35 K, blev mycket uppmärksammad då det tidigare antagits omöjligt att uppnå supraledning vid såpass "höga" temperaturer.

På sistone har även andra okonventionella supraledare upptäckts. Vissa av dessa har ovanligt höga kritiska temperaturer Tc, och kallas därför även de högtemperatursupraledare, även om rekordet fortfarande innehas av en kuprat-perovskit. (Tc=138 K eller -135 °C) (även om något högre övergångstemperaturer uppnåtts under förhöjt tryck). Trots detta anser forskare att om man någon gång kommer finna material som är supraledande vid rumstemperatur kommer dessa tillhöra någon annan familj av material.

Olika typer av högtemperatursupraledare [redigera]

De flesta material med höga kritiska temperaturer är kuprater, som La1.85Ba0.15CuO4, YBCO (Yttrium-Barium-Koppar-Oxid) och besläktade ämnen.

Alla kända högtemperatursupraledare är av Typ-II.

Den atomära strukturen hos samtliga kända högtemperatursupraledande kuprater är likartad. Enhetscellen är alltid tetragonal eller pseudo-tetragonal (dvs. svagt ortorombisk) och inversionssymmetrisk. Materialen har en lagerstruktur, där atomära plan av olika sammansättning ligger ovanpå varandra likt en pannkakstårta. Alla supraledande kuprater har ett av dessa byggelement gemensamt, nämligen ett koppardioxidplan (ett eller flera CuO2-plan kan finnas per enhetscell). Då detta koppardioxidplan återfinns i samtliga högtemperatursupraledare, är det generellt accepterat bland forskare att det är här den resistansfria elektriska ledningsförmågan finns. Ytterligare ett plan återfinns i samtliga aktuella material, som dock kan variera i kemisk sammansättning, och det är den så kallade "laddningsreservoaren". Sammansättningen på detta kan exempelvis vara BiOx, TlOx eller CuOx. Ett elektronunderskott i laddningsreservoaren balanseras av att ett hål överförs till det supraledande CuO2. På det viset dopas koppardioxidplanen med laddningsbärare. De allra flesta supraledande kuprater är på det viset hålledare (även om exempel på motsatsen, elektronledare, inte helt saknas).

Det som främst skiljer de olika högtemperatursupraledande kupraterna åt är hur många CuO2-plan som finns per enhetscell, och hur laddningsreservoarlagret är sammansatt.

Pågående forskning [redigera]

Ett av de stora olösta problemen inom modern fysik är att förstå hur supraledning uppstår i dessa material; vilken mekanism som får elektronerna att forma Cooperpar.

Trots intensiv forskning och lovande idéer har forskarna ännu inte lyckats besvara denna fråga. En anledning till detta är att materialen det är fråga om vanligen har väldigt komplexa strukturer med flera lager. (Som till exempel BSCCO), vilket gör teoretisk modellering svårt. De många nya, viktiga upptäckter som görs på området gör dock att många forskare optimistiskt tror att de kommer förstå processen fullständigt om sisådär ett decennium.


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遙 遙在望的聚變能聚變能是兩個較輕的原子核聚合在一起變成一個較重的原子核時所放出的核能。早在人們發現重核裂變之前,科學家就已提出了太陽能量的 來源是輕核聚變的理論,並在 1932 年發現了重氫。可是人工控制的核聚變卻遠遠落在核裂變後面。1938 年才發現了核裂變,4 年之後就已建成了第一個裂變反應堆。可聚變呢,直到 1950 年才第一次出現了實作品熱核聚變的氫彈。從 1958 年起受控核聚變研究解密,全世界進行了 30 餘年的努力,預言的受控核聚變裝置卻是遲遲不能實作品。雖然樂觀者普遍認為在 20 世紀末一定能實作品點火,但是一般的估計都是到 21 世紀中葉,才可供工業套用。是什麼原因使聚變能量如此難以釋放呢?難 就難在主要的聚變反應中反應物都是帶正電荷的原子核。要它們發生聚變反應,首先必須要讓它們靠攏到核力可以發生作用的距離,這大概是十萬億分之一釐米 (10-13釐米)。然而,兩個帶正電荷的原子核,同性相斥。這個庫崙斥力卻是一個遠距離就起作用的力,早在兩核靠攏之前就已經把它們推開了。好比是兩位 摯友要握手言歡而中間卻隔著一座庫崙山,遙遙相對達 100 公裏之遠。如果原子核有足夠的動能,是可以“越山而過”的。但這要原子核的動能高達幾十萬電子伏,通常以為電子伏是一個很小的能量,對應的溫度不會很高。 其實不然。太陽表面的溫度那麼高(6000℃),但是太陽表面帶電粒子的平均動能還不到一個電子伏。可以想象要在地球上造成一個環境,使其中帶電粒子的平 均動能達到幾十萬電子伏,並不是一件容易的事。好在微觀世界之中除了“越山而過”,還有“穿山而過”這一招。打個比方說;聲波遇到磚牆並不 完全被擋住,而是可以“穿牆而過”。帶電粒子的波動性表現在它也能從庫崙山中透過去。好比是打了一個“隧道”穿過去,人們稱之為“隧穿效應”。這樣就不一 定要求帶電原子核的動能高達幾十萬電子伏,即使溫度低一些也可以有發生聚變反應的機會。當然,即使是“隧穿效應”也總希望“山牆”薄一些,才容易穿透。一 種辦法是原子核的動能別太低(比太陽表面還熱),仍比較靠近庫崙山頂,感受到的“山牆”比較薄,這就是熱核聚變;另一種辦法是原子核動能很低(已接近室 溫)而削薄“山牆”,這就是冷核聚變。當年有人提出用µ粒子來代替氘分子中的電子,可以使庫崙山變薄以增加聚變反應的機會。這種反應被稱為µ粒子催化聚變 反應。這種催化反應是在實驗上已得到驗證的冷聚變,只是由於µ粒子的壽命太短,在實驗上從未達到有用的功率釋放。總而言之,聚變作為一種能量來源,其理論 模型是清楚的,也是有實驗依
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據 的。但要成為一種實用的能源,卻是困難重重。無論是熱核聚變,還是冷核聚變,都呈現一種雖然是可望,卻是日期遙遠的態勢。熱核聚變 “貴”而生畏近 4 0 年的熱核聚變研究促使我們不斷地探索究竟還有沒有其他更容易的途徑? 雖然沿著熱核聚變道路走下來,已經走到了馬上就要驗證“科學可行性”了(1989 年 11 月 13 日在美國物理學會年會上宣布,歐洲的聯合環已達到了接近“得失相當”的水平,即可輸出的聚變能已等於輸人能量的 0.8 倍),但科學家也深知其中的困難所在。首先是約束這麼高溫的帶電粒子所需要的磁場就是一項困難的高技術。在地球上還找不到一種材料可以制成容器來盛放比太 陽溫度還高的帶電粒子的氣體。人們想到了磁場,在強大的磁場中帶電粒子的軌道被彎曲而約束在一定的體積內。眾所周知,磁場要靠電流來產生,而電流要靠能源 來驅動。為了節省驅動能源必須採用超導技術,而用超導材料來包圍這樣一個龐大的熱核聚變堆就使其投資貴到了難以承受的程度。運用今日已知的理淪來預測,未 來的熱核聚變堆的尺寸將是長、寬、高皆達十餘米的龐然大物,而相應的超導材料等包裹物質卻是平均每公斤達上千美元的昂貴材料。每個熱核聚變電站的投資將是 幾十億美元之巨。且不說發展中國家難以承受這樣的經濟負擔,就是發達國家,今日也不得不考慮聯合投資來興建第一個實驗性熱核聚變反應堆(ITER)。對於 發展中國家來說他們在未來的經濟發展中是最需要聚變能源的國家,而他們是負擔不起這種巨額費用的。冷核聚變 應運而生正是在這樣的背景下,冷核聚變的出現 一下子轟動全球。因為它不僅僅可能隱含著科學的創新,也可能會打開一條通向聚變能源的新路。然而,按照龐斯和弗萊希曼本人的願望來說,現在發表為時過早, 只是不得已而為之。現年 46 歲的龐斯,早年就學於美國密歇根大學。在他快要得博士學位的時候,卻在其父的慫恿下棄學經商。十年之後,他又想繼續學業,由於密歇根大學不再承認其學分而 必須重修,才使他遠渡重洋成了英國南安普頓大學弗萊希曼教授的學生。弗萊希曼現年 62 歲,素以智謀出眾而受人稱道。兩人從師生而成為摯友。1984 年,當他倆在鹽湖城附近的峽谷地區作徒步旅行時忽然萌發了一個想法:既然鈀 能吸附大量的氫,而且化學家們早 就注意到氘在電場作用下能在鈀的原子晶格點陣中不尋常地作自由運動,那麼原子核會不會靠得足夠近而發生核聚變呢? 旅行結束一到家,他倆就在廚房內桌上邊喝邊畫草圖,第一步的電解池實驗方案就此誕生了。這個方案就是在重水中插入鈀絲作陰極進行電解。1985 年的一個晚上,電解池的電極居然意外地燒融乃至有一部分都汽化了。龐斯立即打電話把此意外事件通知巳回到英國的弗萊希曼,因為龐斯感到從電解池中得到的能 量已遠超過了化學反應所能釋放的能量。弗萊希曼卻告誡他最好不要在電話中討論此事。兩人用私人積蓄投資 10 萬美元以繼續探索這一被“認作”是冷聚變的現象。當他們感到私人投資已難以維持下去而向政府申請研究基金時,1988 年 9 月申請書轉到了同在猶他州的楊伯翰大學的物理學家瓊斯手中。政府要求他審議龐斯和弗萊希曼的申請。原來瓊斯也在作冷聚變實驗。本來瓊斯是專門研究µ粒子催 化聚變反應的,兩年前他也轉向研究電解池方案,並且也發現了聚變的跡象。他是一位核物理學家,在發明一台高質量的中子探測儀上下了功夫,並用普通水作了對 照試驗。因此他之所以相信他看到了聚變,是因為他確信已看到了聚變中子,而根
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本 不是用化學反應解釋不了的熱量。但瓊斯卻想用此冷聚變反應來解釋地球內部熱量的起源和夏威夷觀測站上測到的氚量異常。兩所大學相距不過 50 英裏,竟在從完全不同的角度分析著同樣的鈀電極電解重水實驗,于是瓊斯建議雙方合作。1989 年 3 月 6 日在兩所大學校方出席下協商如何向公眾報道。龐斯和弗萊希曼仍希望再等一下,而瓊斯卻已接到了美國物理學會的邀請,預定於 1989 年5 月初正式報告其研究結果。最後商定,1989 年 3 月 24 日雙方同時各投寄一篇論文於“自然”雜志。然而,龐斯和弗萊希曼卻於 1989 年 3 月 23 日在校方召開的記者招待會上宣布了他們的“突破”,這顯然是一個不成熟的競爭的產物。所以此後龐斯和弗萊希曼在洛杉磯美國電化學會年會和在歐洲各種場合受 到詰問而支支吾吾是可以想象的。他們也已料到,一旦發表所招來的問題會比所解決的問題多。值得注意的是從此之後弗萊希曼與瓊斯都分別與各地的學者合作。英 國哈威爾實驗室,在弗萊希曼參與下種種偵測中子的實驗都得出了零結果之後,弗萊希曼仍堅持他的結論(即“過量的熱”現象依然存在)。而瓊斯與意大利的學者 在格蘭·薩索(Gran Sasso)的深山隧道中重復了電解池實驗之後明確排除了是宇宙線µ粒子引起核聚變(因為隧道中µ粒子數量比海平面處還低一百萬倍)。後來又有一些支持冷 聚變現象的實驗,其中最值得一提的是意大利夫拉斯卡蒂(Frascati)的無電解池實驗。他們注意到了在瓊斯的實驗程序中電極材料可以不是鈀,而是其他 吸氫材料(如鈦等)。電解質也不一定非用氘氧化鋰不可。但是瓊斯提到了“非平衡態”可能是關鍵因素之一。因此意大利的學者們乾脆不用電解池而是在不鏽鋼瓶 中,放幾十克鈦片或海綿鈦,在 50 個大氣下,用液氮冷卻後升溫又重復冷卻,企圖以此來造成空間和時間上的非平衡程序。果然,他們在高氣壓下看到了猝發式的中子發射,其發射量比本底高出 35 倍(達每小時 70 個計數)。而在放氣之後,在室溫下又連續十餘小時內觀察到中子的發射,其發射量比本底高 500 倍(每小時 1000 個計數)。這個現象在意大利的熱那亞大學和另一個國家實驗室也都看到了,而且美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室也聲稱重復了這—實驗。也還有重復電解池實驗而 得到了正結果的地方,如美國斯坦福大學和德州農機學院。他們還用普通水作了對照試驗,驗證了過量的熱只出現在重水電解的實驗之中。疑雲密布 結論難下然 而,事情並不是那麼簡單。作為一名化學家,可以把他看到的、解釋不了的“過量的熱量”歸結為由“核反應程序”產生。但是物理學家同樣也解釋不了為什麼會有 這樣的“核反應程序”?在一種情況下,實驗看到了過量的熱,卻沒有看到中子和核聚變程序的其它產物(氚、質子或氦的一種同位素等); 在另一種情況下,實驗看到了中子卻並沒有見到明顯的熱量產生。按照傳統的氘一氘聚變反應,應該同時有兩種反應結局:一種是產生質子和氚;另一種是產生中子 和氦。同時伴隨著幾百萬電子伏能量的釋放。所以,主流科學家們普遍認為:應該同時測到聚變能量和中子,才能確證是冷聚變反應。龐斯和弗萊希曼一度宣稱同時 看到了“過量的熱”和聚變中子。但是用以論證聚變中子的伽瑪射線能譜被核物理學家否定了。在麻省理工學院等離子體聚變中心的驗驗證驗面前,弗萊希曼宣布他 們的伽瑪射線能譜有問題(但同時又重申“過量的熱”不僅確切無疑,數量上還比過去更多)。退一步說:即使弗萊希曼看到的是中子,其產額也比從聚變反應熱算 出的產額低了 10 億倍,而且瓊斯在同類電解池中看到的中子又比龐斯和
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弗 萊希曼低了 1 萬倍。這個疑點至今還沒有解開,但是還有更大的疑團。迄今為止多數重要的實驗室沒有測到任何正結果。包括麻省理工學院的等離子體聚變中心,國際商用機器公 司的研究中心,美國電話電報公司的貝爾實驗室,勞崙斯貝克萊實驗室,橡樹嶺,羅徹斯特大學,俄亥俄州立大學,多崙多大學,佛羅裏達州立大學,加拿大恰克河 核實驗室,瑞士洛桑高工。他們都說沒有看到弗萊希曼和龐斯所報道的中子產生率。由於他們所用的探測儀器的靈敏度比不上瓊斯的儀器,因此對於瓊斯所報道的中 子產生率(約每對氘核每秒產生 10-24個中子)尚無發言權。然而,耶魯大學和布魯克海汶國家實驗室的聯合實驗已確定中子的發生率不會高於每對氘核,每秒 10-25個聚變中子。面對著這難解的事實,有人拿出了“病態科學”的症狀來類比,認為所謂冷聚變不過是一場病態科學的瞎折騰。有人甚至還說是美國科學的 恥辱。理論的困惑在撲朔迷離的實驗結果面前,人們看著理論工作者的態度。然而,理論工作者同樣是困惑不解。為什麼聚變反應的熱量與聚變反應的中子如此不相 稱呢?姑且認為這是聚變中子,理論也解釋不了所宣稱的中子產率——每對氘核 每秒產生約 10-24次聚變反應。(使用“隧穿效應”來估計氘分子內兩個氘核聚變反應的幾率是 10-70/分子-秒)。最近,加州理工大學的理論工作者重新驗算了此幾率,發現可提高到 10-64/分子一秒,仍遠低於瓊斯實驗的數值。前面巳說明如果氘分子中的電子被換成µ粒子,則此幾率可以提高 80 個數量級。但為了解釋瓊斯的實驗,每個µ粒子必須催化 700 次聚變才行。遺憾的是µ粒子的壽命卻太短而達不到理論家的期望值。µ粒子的作用是使庫崙山變薄,那麼是否也可以用其他方法來使庫崙山變薄呢?固體物理學家 告訴我們,在金屬氫化物中確實可以有一些空位,每個空位內可累積多達 6 個氘核。可是計算表明:這些氘核之間的間距仍比氘分子內的間距還大 2 倍。如果可以找到一種機制使氘核間距迫近到只有氘分子內兩個氘核間距的(1/3)—(1/5),則瓊斯的中子產生率就可能得到解釋。另一方面也可以尋找使 氘核加速的機制。因為一旦被加速,氘核爬升到靠近庫崙山頂,則隧穿的厚度也會大大下降而提高聚變反應率。這種加速電壓可以來自金屬中的裂隙,在裂隙兩側的 電荷可以形成一個電場來加速氘核。早在 1976年就已觀察到充氘或充氫的金屬內會產生裂隙。也確實有蘇聯學者在 1986 年發表過撞擊氘化鋰晶體可以產生中子的實驗結果(撞擊中產生的裂隙每條可以發出約 10 個中子)。理論的現狀使化學家把目光投向核物理學家,而核物理學家又寄希望於固體物理,指望在固體晶格中,µ粒子壽命會變長,或在固體晶格裏會出現只釋放 能量而不放出中子的新型聚變反應……。1989 年 4 月初“氫彈之父”泰勒曾說,“在剛一聽到這消息時,我的看法是它決不可能發生”,“我現在非常高興,因為我看到:非常大的可能性是我完全錯了”。泰勒因病 動了一次外科大手術。在全身麻醉前他說的是:“但願我能知道冷聚變究竟是怎麼回事?”1989 年 10 月,他還出席了有關的討論會。這可以說是對理論家的心願和困惑的最好寫照。世界各國的對策到目前為止,實驗或理論都還未能對冷聚變作出最後的結論,但是看 一看各國對策不無裨益。美國能源部在猶他大學冷聚變實驗消息出來之後,即要求能源
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部 所屬各實驗室在 90 天內弄清楚是怎麼回事,並指定洛斯阿拉莫斯國家實驗室在 5 月 22~25 日召開國際討論會。還命令十個主要的國家實驗室每周向能源部報告一次有關冷聚變的實驗情況,那怕實驗結果是初步的還是不確定的也要報告。同時,能源部馬上 成立了一個由電化學、固體物理、核物理、工程技術等諸方面 20 位專家組成的專家小組,由他們獨立地評估、並要求他們於 1989 年 7月寫出階段報告。那次國際討論會果然如期舉行了。那個階段報告也於 7 月份寫出。其中說:“專家小組認為,迄今為止所報道的實驗,都未能提出令人信服的證據以說明那個被稱為冷聚變的現象能導致有用的能源。事實上,要說發現了 一種稱之為冷聚變的新的核程序,其證據也是沒有說服力的”。該專家組原定於1989 年 11 月提出最終報告。但是龐斯和弗萊希曼對於專家小組的組成持異議,甚至拒絕他們存取猶他的實驗室。因為龐斯和弗萊希曼認為專家小組中的成員都偏向懷疑派。龐 斯和弗萊希曼表示,只有改變專家小組成員,才會做出公正的結論。也只有那樣;他們才允許專家小組參觀猶他的實驗室。盡管去年 7 月份的報告說了大潑冷水的話,美國能源部內仍有一套政策來扶持和評價這種近乎“異想天開’的研究,這的確是值得借鑑的。在美國能源部中有一個專門支持這種 高風險,高潛在收益的研究基金(基礎能源科學辦公室的先進能源研究)。這項基金平均每年要支持 12 項類似的高風險,高潛力的創新研究,平均每項每年約 28 萬美元。已聞名於世的自由電子雷射就是此項基金扶植起來的。當年瓊斯的µ粒子催化冷聚變研究也是此項基金支持的。通常這項基金只支持三年左右。因為一個想 法如果基本上是正確的,就會得到能源部其他基金乃至工業界的支持。如果行不通,三年之後也可見分曉了。唯獨瓊斯的項目有些特殊。從 1982 年開始獲資助,過了三年還是無法得到能源部的其他資助,瓊斯只好轉向研究高性能的聚變中子探測器用以尋找其他的聚變途徑,最後發現了鈀電極電解重水會產生 聚變中子。而龐斯和弗萊希曼也正是在申請這項研究基金時碰上了瓊斯來評議申請書。並獲準 32 萬美元用於 18 個月的研究經費。如今在猶他州議會的支持下,龐斯和弗萊希曼得到了 450 萬美元的基金,籌建了有 30 名研究人員的國家冷聚變研究所。歐洲共同體為提高其工業的國際競爭能力而制定的《第三個科研總體規劃》中也明確列入了能源研究中要開展“冷核聚變”研究。 日本也與英國協議要利用英國的加速器從 1993 年起共同進行µ粒子核聚變實驗。我們要有所作為在改革開放的大潮中,我國學者對冷聚變的反應是及時的。遠在海外的學者、學生紛紛投書國內,並及時傳來了第 一批文獻資料。中國科學院和國家自然科學基金委員會還及時召集了有關專家的座談會,在會上我國的核物理學者就曾經提出過龐斯和弗萊希曼的伽瑪譜不合標準。 我國的化學家也曾提出過不用電解池的驗證方案。在祖國的首都、大西南,東北和大西北,有很多白發如霜的老專家與年輕人一起研究冷聚變。他們度過了一個又一 個的不眠之夜。他們認為,我們如果不做工作,就有可能錯過這個良機。在國家科委、教委的支持下,我們的一些高等院校、中國科學院,迄今仍有一些甘冒風險的 探索者在試驗著種種不同的方案。探索者的道路是艱難的,但是只有不畏艱險的人才有希望登上科學的頂峰。

ref:

這裡有電動車電力電子整合多工機電技術與電能儲備科學.也有自旋量子及壓電儲能技術.更有先進奈米磁技及微奈米分子與新材料科技的演進及初學者小小奈米營天地 .還有讓網友覺得夢幻文章不可能實現的能源科學及國內外最尖端武器系統.願我們科技更進步.國防更精實


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布氏硬度是表示材料硬度的一種標準,由瑞典人布林南爾首先提出.應用壓入法將壓力施加在淬火的鋼球(HBS)或者硬質合金球(HBW)上,它壓入所試材料的表面而產生凹痕,用測得的球形凹痕單位面積上的壓力來表示硬度,
HB=F/S MPa.(F單位N S單位:平方mm)。。用於測定塑料,橡膠,金屬材料等的硬度.

洛氏硬度中HRA、HRB、HRC等中的A、B、C為三種不同的標準,稱為標尺A、標尺B、標尺C。
洛 氏硬度試驗是現今所使用的幾種普通壓痕硬度試驗之一,三種標尺的初始壓力均為98.07N(合10kgf),最後根據壓痕深度計算硬度值。標尺A使用的 是球錐菱形壓頭,然後加壓至588.4N(合60kgf);標尺B使用的是直徑為1.588mm(1/16英吋)的鋼球作為壓頭,然後加壓至980.7N (合100kgf);而標尺C使用與標尺A相同的球錐菱形作為壓頭,但加壓後的力是1471N(合150kgf)。因此標尺B適用相對較軟的材料,而標尺 C適用較硬的材料。
HR=K-h/0.002(h是壓痕的殘餘深度,K是常數)


維氏硬度和布氏硬度差不多都是單位面積上的載荷大小來計算,只不過維氏硬度採用的是相對面夾角為136度的正四稜錐體金剛石作為壓頭的。。

邵氏硬度用於確定塑料或橡膠等軟性材料的相 對硬度. 它測量了規定壓針在指定壓強和時間 條件下的針入度. 硬度值用來識別或指定特殊 硬度的塑料,也可作為多批材料的質量控制.

試驗方法:
將試樣置於硬而平的檯面上. 把硬度計的壓針 壓入試樣內, 並保證它與檯面平行. 每一秒鐘 讀一數(或由試驗者決定).

試樣規格:
通常, 試樣厚度為6.4mm(0.25英吋). 可將幾個試樣重疊,以達到上述高度, 但最好 用一個試樣.

試驗數據:
硬度值由硬度計讀出. 常見的硬度計有 A型和 D型. A型用於較軟材料;D 型用於較硬材料.



硬度表示一般分為絕對硬度與相對硬度,絕對硬度一般只會在科家界使用,而在實際生產中極少應用,故通常我們所接觸到的硬度單位體系為相對硬度,常有幾種表 示方法:肖氏硬度(又稱:邵氏硬度)、洛氏硬度、布氏硬度(又稱:勃氏硬度)、洛克氏硬度;其換算關係詳見下列公式:
1、肖氏硬度(HS) =布氏硬度(BHN)/10 + 12
2、肖氏硬度(HS) =洛氏硬度(HRC)+ 15
3、布氏硬度(BHN)=洛克氏硬度(HV)



布氏硬度是表示材料硬度的一種標準,由瑞典人布林南爾首先提出.應用壓入法將壓力施加在淬火的鋼球(HBS)或者硬質合金球(HBW)上,它壓入所試材料的表面而產生凹痕,用測得的球形凹痕單位面積上的壓力來表示硬度,
HB=F/S MPa.(F單位N S單位:平方mm)。。用於測定塑料,橡膠,金屬材料等的硬度.

洛氏硬度中HRA、HRB、HRC等中的A、B、C為三種不同的標準,稱為標尺A、標尺B、標尺C。
洛 氏硬度試驗是現今所使用的幾種普通壓痕硬度試驗之一,三種標尺的初始壓力均為98.07N(合10kgf),最後根據壓痕深度計算硬度值。標尺A使用的 是球錐菱形壓頭,然後加壓至588.4N(合60kgf);標尺B使用的是直徑為1.588mm(1/16英吋)的鋼球作為壓頭,然後加壓至980.7N (合100kgf);而標尺C使用與標尺A相同的球錐菱形作為壓頭,但加壓後的力是1471N(合150kgf)。因此標尺B適用相對較軟的材料,而標尺 C適用較硬的材料。
HR=K-h/0.002(h是壓痕的殘餘深度,K是常數)


維氏硬度和布氏硬度差不多都是單位面積上的載荷大小來計算,只不過維氏硬度採用的是相對面夾角為136度的正四稜錐體金剛石作為壓頭的。。

邵氏硬度用於確定塑料或橡膠等軟性材料的相 對硬度. 它測量了規定壓針在指定壓強和時間 條件下的針入度. 硬度值用來識別或指定特殊 硬度的塑料,也可作為多批材料的質量控制.

試驗方法:
將試樣置於硬而平的檯面上. 把硬度計的壓針 壓入試樣內, 並保證它與檯面平行. 每一秒鐘 讀一數(或由試驗者決定).

試樣規格:
通常, 試樣厚度為6.4mm(0.25英吋). 可將幾個試樣重疊,以達到上述高度, 但最好 用一個試樣.

試驗數據:
硬度值由硬度計讀出. 常見的硬度計有 A型和 D型. A型用於較軟材料;D 型用於較硬材料.


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1 引言

隨 著精密、超精密以及納米級加工技術、先進控制系統、激光測量技術、掃瞄探針顯微鏡 等相關技術的快速發展,超精密加工表面的研究不斷取得新的進展,其加工精度正逐步從亞微米級提高到納米級,通過超精加工獲得超光滑表面已成為可能。但是, 這些超光滑表面通常是在反覆加工和試驗的基礎上獲得的,如何穩定地、可重複地獲得高質量表面,實現表面的設計功能,仍是超精密表面加工研究的一個難點。目 前,關於超精密加工表面的一個重要研究方向是研究表面的加工形成機理,並根據表面的不同用途及相應的功能要求,在加工前對表面進行設計和預測,從而達到穩 定獲得所需功能表面以滿足實際應用需求的目的。為此,必須對超精密元件表面的加工、表徵及功能進行全面而深入的研究。

2 超精密加工表面及其特點

  1. 加工表面的相關定義
    表 面是一個物體分隔於其它物體或空間的周界面。為便於研究分析,美國國家標準ASME B46.1-1995中給出了名義表面、實際表面和測量表面的定義,即:①名義表面:預期的表面分界面(不包括任何表面粗糙度),其形狀及範圍通常在圖示 中顯示並標注或者加以詳細說明。②實際表面:物體的實際邊界面,它與名義表面的偏差來源於表面形成的加工過程。③測量表面:基於測量儀獲得的對實際表面的 描述。
  2. 加工表面的特點
    超精密加工的 實際表面與名義表面的差別在於它可顯現出表 面的特徵、缺陷和形狀誤差。其中,表面特徵是控制工業產品表面質量的主要內容,它是實際表 面上某些典型偏差的綜合,主要包括粗糙度和波紋度。粗糙度是指表面特徵的精細不規則性,通常來源於加工過程所固有的作用或材料條件,這些都可能是加工過程 留在表面上的特徵標記。波紋度是表面特徵更為廣泛的空間構成,產生於機床或工件的偏差或振動。粗糙度可被認為是波動表面上的疊加。
作為物質實體,表面具有許多特徵。表面的幾何形狀即為其重要特徵之一,它的自然狀態是三維(3D)的,其特徵細節被稱為形貌。在許多應用中,形貌代表著表面的主要外部特徵。

3 超精密元件表面的加工、表徵及功能

工 件表面產生於大量的加工過程,一旦加工完成,反映加工過程的表面特徵就 會體現在表面上,因此加工元件的表面特徵是整個加工過程的復現(Fingerprint),任何加工變量的改變和加工刀具的誤差都將體現在表面特徵中。同 時,這些表面特徵又決定著加工元件表面的最終功能,即特定的表面特徵產生相應的表面功能,因此表面是其加工控制和功能設計的聯結(Link),而對表面的 表徵是獲取表面信息的重要手段。由此可知,表面的加工、表徵和功能是相互關聯的:一方面,表面形成的每一加工階段及處理過程都決定著表面宏觀及微觀幾何特 性;另一方面,工件表面的幾何特性以及物理、化學特性等在相當大程度上決定了產品表面的最終功能。表面的加工、表徵和功能之間的相互關係可用圖1加以說 明。針對具體的應用功能,應考慮相應表面的幾何、物理和化學特性等,只有通過相應的加工控制和質量控制才能獲得理想的表面設計功能。


圖1 表面的加工、表徵和功能之間的關係


  1. 表面的加工
    先 進的加工技術是獲得高質量表面的重要前提和保證。以納米級加工為發展目標的超精密加工技術是當今及未來製造技術的基礎之一。超精密切削是超精密 加工的重要組成部分,其關鍵技術是極鋒銳的金剛石單點切削(SPDT),即採用具有納米級鋒銳度的切削刃、切削時刃口可複印在加工表面上、具有高耐磨性的 單晶金剛石刀具進行切削加工。該技術現已發展成為製造尖端、精密元件的成熟加工技術,可加工出具有微米至亞微米級精度、表面粗糙度達納米級範圍的工件。由 於可獲得高質量、高精度的加工表面,金剛石單點切削(SPDT)技術已被廣泛應用於精密部件和掃瞄鏡、注塑相機透鏡塑模等光學元件的加工。此外,具有特殊 功能要求的高質量表面是由多種加工過程完成的,由此產生的表面特徵也是多加工綜合作用的結果。例如,汽缸內腔的平面磨削就是一個多加工修整過程,它產生一 種特殊類型的表面特徵,由深的溝槽(有利於油液滯留)和溝槽之間精細的表面(確保高支承能力)組成。表面的形成是加工全過程綜合作用的結果,故影響表面質 量的加工因素較多。對於切削、成型、研磨以及刻蝕、激光、電子束等加工技術,表面幾何形貌的形成主要受機床、刀具、工件和加工環境等相關因素的影響,如表 1 所示。表1 影響表面幾何形貌的相關因素 機床 刀具 工件 加工環境
    • 導向偏差
    • 工件與刀具定位的系統、隨機偏差
    • 熱的不穩定性
    • 夾緊力和材料去除
    • 機床—刀具—工件系統的振動
    • 工件與夾具或工作台定位基準之間的導向及定位偏差
    • 加工參數(轉速、進給量、切削深度等)
    • 具幾何形狀
    • 刀具的預調整
    • 刀具磨損狀態
    • 材料去除時的接觸和摩擦條件
    • 各加工階段前的實際幾何形狀(測量、成型和定位偏差、表面粗糙度)
    • 工件剛度
    • 材料性能(強度、硬度等)的變化
    • 恆溫條件
    • 恆濕條件
    • 防振條件
    • 超淨條件
    在 一定加工條件下,可形成相應的表面特徵。若改變加工控制參數(切削速度、進給量、切削深度等),必然會產生相應的幾何形貌變化。由於 振動、熱的不穩定性、加工環境變化等諸多隨機因素的影響,導致加工控制和表面形成出現一些不確定性因素,阻礙了工程技術人員通過精確控制加工條件而獲得理 想表面。基於機床運動學和切削理論分析,進行適當的合理假設,借助數學變換對加工控制參數與表面特徵表徵參數之間的關係進行建模,實現在加工前預測表面質 量,是超精密加工表面研究的一個重要方向。
  2. 表面的表徵
    作 為加工控制和功能設計 的關聯環節,表面的表徵提供了極有價值的形貌、特性信息,因此它是有關表面研究的一個關鍵問題。現有的表面表徵方法較多, 如統計分析、譜分析、自相關分析、時間序列分析、分形和函數說明等。但不論採取何種技術,從工程學的觀點看,表面形貌的表徵最終都是利用相關參數進行表徵 並輔以通用的視覺技術,即表面形貌特性是根據視覺圖像和表面參數值來進行評價。
    由於表面形貌固有的三維狀態,採用二維參數和輪廓圖 難以提供充分及可靠的信息以供分析,因此3D參數和3D圖像已成為評價表面形貌 的實用方法。3D參數能表徵並定量說明表面的微觀幾何形貌,3D數據由測量儀獲得。採用視覺技術和圖像處理技術可對表面進行直觀、現實的描述,圖像可傳遞 大量易於解釋的信息,是定性表徵表面的有效方法。由於單個參數難以完整描述複雜的實際表面,因此需要利用綜合的組參數來進行參數表徵,其中的每個參數只能 提供微觀幾何形貌的某些具體特徵,它可以被測量和定量表示。由於工程表面三維形貌信息的複雜性和綜合性,僅用幾個參數很難完整描述三維表面特徵。 K.J.Stout等人提出按不同的表徵特性將參數劃分為幅度參數、空間參數、綜合參數和功能參數四大類(共14 個參數),各參數的類別及定義見表2。表2 三維表面微觀形貌的表徵參數 幅度參數 空間參數 綜合參數 功能參數
    Sq—表面形貌的均方根偏差
    Sz—表面十點高度
    Ssk—表面高度分佈的偏斜度
    Sku—表面高度分佈的峭度
    Sal—最速衰減自相關函數
    Sds—表面峰頂密度
    Str—表面的結構形狀比率
    Std—表面的紋理方向
    S∆q—表面的均方根斜率
    Ssc—表面算術平均頂點曲率
    Sdr—表面的展開界面面積比率
    Sbi—表面支承指數
    Sci—中心液體滯留指數
    Svi—谷區液體滯留指數
    為 對表面進行定量分析,還可採用MOTIF參數表徵和分形函數表徵。MOTIF參數表徵採用7個參數對表面粗糙度和波紋度進行完整描 述,該方法是將未濾波輪廓分解為由峰表徵的幾何形狀特徵,根據相對幅值其輪廓峰或消失或保持不變。分形是一種連續但處處不可微的函數,在一定範圍的觀測尺 度上,分形呈現出自相似/ 相關性。實驗表明,許多工程表面均具有分形特徵。分形函數表徵僅用一個表面分形維數D(D是介於2和3之間的分數)即可描述複雜的幾何形狀。
    3D 分析的最大特點是可以進行直觀的圖像表徵,合適的圖像表徵能給出足夠的表面微觀形貌信息。常用的圖像表徵方式有等高圖、灰度 圖、投影圖等。等高圖可幫助辯識表面的方向特徵,它是採用直線或曲線連接具有相同高度的點,並用線性插值法求出其餘的交叉點,據此繪製表面形貌圖。灰度圖 上的每一點可表示與其高度相關的灰度等級。在投影圖中,數據點的有效表示是基於等軸或正視投影。
  3. 表面的功能
    在 工程應用中,要求某些元件的表面具有某些特殊功能特性,如具有高支承能力、密封能力、潤滑油滯留能力等。為實現這些功能要求,需要將功能表面設 計為可產生相應功能的特殊形貌。表面功能的範圍很廣,對於接觸元件,常用的應用功能要求有磨損、摩擦、潤滑、疲勞、密封、接觸剛度、接觸應力、承載面積、 熱傳導性等;對於非接觸元件,常用的功能要求主要有光學焦距、反射、表面保護、表面噴塗等。
    目前對表面功能尚無十分明確的表徵方法。有些表面參數可用於預測工件的功能特性。例如,由於粗糙度的輪廓峰高度Rz值始終小於塗層厚度,因此粗糙度參數具有控制加工表面質量和確保表面功能的雙重作用。表面的某些特徵對於實現其特殊應用功能十分重要,因此有時需要用專門定義的功能參數來描述表面的相應特徵。例如,表面支承指數Sbi用於表示表面的支承性能,Sbi值大,表明表面支承性能好;中心液體滯留指數Sci可反映在表面的中心區域液體滯留的性能,Sci值大,表明表面的中心區域液體滯留性能好;谷區液體滯留指數Svi表示在表面谷區的液體滯留性能,Svi值 大,表明在表面谷區液體的滯留能力強。但是,一組功能參數只能描述有限的幾類應用功能,因此利用一組功能參數來表徵所有的功能要求是不可能的,而為每一項 應用功能都建立相應的功能參數也是不現實的。由於表面特徵參數(如表面粗糙度)對加工的變化具有敏感性,而且它是在接觸或流動狀況下反映表面功能的關鍵因 素,因此可利用其來預測表面功能特性。除表面粗糙度外,幾何尺寸參數、圓度或圓柱度參數、殘餘應力等物理特性也可用於預測表面功能特性。
    D.J.Whitehouse 等人不久前提出一種評價工件表面功能特性的新方法——功能圖。該方法嘗試對表面功能特性作出明確表 征,並在設計階段有效控制表面粗糙度等影響因素。由於沒有界限條件,因此傳統的表面參數仍適用於功能圖。功能圖是以圖形方式而非文字說明方式表徵表面功能 特性(它同時也是加工圖的模擬),它主要由兩個笛卡爾坐標軸構成:縱坐標軸表示表面之間的間隔,若表面之間相互脫離,間隔值為正;若表面之間相互接觸,間 隔值為負(例如表面之間因相互嵌入而發生彈性或塑性變形,則表現為負間隔值)。表面間隔特性主要受加工過程的影響(尤其當表面間隔很小時)。橫坐標軸表示 表面間的相對橫向移動。接觸點的數量及分佈取決於局部幾何形狀(來源於輪廓信息),而相對速度所受影響則取決於表面的總體形狀和區域層(主要受刀具空間軌 跡的影響)。橫坐標還需考慮剪切應力、表面運動的接觸動能等橫向影響因素。功能圖的應用範圍不只局限於雙表面,當表面間隔值較大時(相對粗糙度值而言), 即可認為是一個光學反射的單表面。但是,採用功能圖評價工件表面功能時,有些功能特性(如承載特性等)無法表達。
    要實現穩定地、可 重複地獲得高質量表面,其困難之處不僅在於需要對加工條件、加工性能以及加工控制具有全面而深刻的瞭解,還在於如 何使元件表面按設計者的目標和具體要求實現相應的表面功能。因此必須對表面加工過程、表面特徵以及表面功能具有準確的理解與掌握,從而通過對加工過程的連 續監控獲得所需的功能表面。

    4 結語

    表面是加工控制與功能設計的聯結,表面特徵產生於大量的加工過程,同時又決定著工件表面的最終功能。全面瞭解表面的加工、表徵、功能及其相互關係,是超精密元件表面加工形成機理研究的基礎。


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工 具是雕刻家從事創作的最直接的助手和伴侶。在木雕的工藝製作過程中,雕刻刀及其輔助工具起到十分重要的作用。俗話說:「人巧莫如家什妙」、「三分手藝七 分家什」。看一個人的手藝如何,只須觀察一下他的工具便能知曉,而工具的保養修飾,也能證明勞動者素質的高低。在木雕創作中,工具齊備,會磨會用,不僅能 提高工作效率,而且在造型上能充分發揮自己的技巧,使行刀運鑿洗煉灑脫,清晰流暢,增加作品的藝術表現力。 中國刀劍網 刀劍製作 刀雕刻 刀 刀劍 日本軍刀 手工刀 手工刀製作 名刀製作 刀種類 軍刺製作



雕刻刀的種類有很多,基本分為二大類。一類是 「翁管形」的坯刀、俗稱「砍大荒」、「毛坯刀」,一類是「鑽條形」的修光刀,主要用於掘細坯和修光。最寬的鑿 有4-6厘米,最窄的鑿只有針尖那麼點兒。初學木雕者在選擇刀具時,首先要瞭解它們各自的用途,然後再到產地、廠家或鐵匠鋪裡定制購買。坯刀以浙江東陽、 溫州樂清和蘇州光福出產的為好,有些地方的美術材料用品商店裡也能買到比較合適的木雕工具。如果在不方便或買不到的情況下,可以學會自己做,自己做的好處 還在於無論刀的種類、大小形狀,都可由自己選擇決定,可根據不同的用途和需要隨時添置得心應手的工具。不過自製刀具只限於修光用的「鑽條形」。也有人試過 用鋼板銼改製成坯刀。像福建用的坯刀和修光刀都是直接用鐵條或鋼條打制而成,因其鐵柄的上方呈四方形,不用裝木柄也好打坯。下面就將木雕刀的種類與用途及 其製作方法逐一介紹。



圓刀:刃口呈圓弧形,多用於圓形和圓凹痕處,在雕刻傳統花卉上也有很大用處,如花葉、花瓣及花枝幹 的圓面都需用圓刀適形處理。圓刀橫向運刀比較省力,對大 的起伏、小的變化都能適應。而且圓刀的線條不肯定,使用起來靈活且便於探索。根據不同的用途,圓刀的型號應有所區別,大小範圍基本在5厘米-0.5厘米之 間。做圓雕人物的刀口兩角要磨去,呈圓弧形,否則雕衣紋或其它凹痕時,不但推不動,還會破損凹痕道的兩旁。倘若做浮雕時,則應保留刀口兩角,並利用其角尖 的功能雕刻地子角落處,因此要配備二種。圓刀還有正反之別,斜面在槽內、刀背呈挺直的為正口圓刀,它吃木比較深,最適合做圓雕,尤其是在出坯和掘坯階段。 斜面在刀背上,槽內呈挺直的為反口圓刀,吃木比較深活,能平緩的走刀或剔地,在浮雕中用途更大。圓刀的形狀還可根據需要做成鐵桿彎曲形,以便伸進較深的部 位挖雕鏤洞。



平刀:刃口呈平直,主要用於劈削剷平木料表面的凹凸,使其平滑無痕。型號大的也能用來鑿大型,有塊面感,運用得法,如繪畫的筆觸效果,顯得剛勁有力,生動 自然。平刀的銳角能刻線,二刀相交時能剔除刀腳或印刻圖案。瑞典和蘇聯的木雕人物就多用平刀,有強烈的木趣刀味。



斜刀:刀口呈45度左右的斜角,主要用於作品的關節角落和鏤空狹縫處作剔角修光。如果刻人物眼角處,斜刀更好用。料刀又分正手斜與反手斜,以適合各個方 向。在上海的黃楊木雕中刻毛髮絲縷通常使用斜刀,用扼、擰的方法運刀,刻出的毛髮效果比用三角刀刻得更為生動自然。



玉婉刀:俗稱「和尚頭」、「蝴蝶鑿」,刃口呈圓弧形,是一種介乎圓刀與平刀之間的修光用刀,分圓弧和斜弧二種。在平刀與圓刀無法施展時它們可以代替完成。特點是比較緩和,既不像平刀那麼板直,又不像圓刀那麼深凹,適合在凹面起伏上使用。



中鋼刀:刃口平直兩面都有斜度。也稱「印刀」。傳統雕刻認為:中鋼刀鋒口正中,用它打坯可保持鋒正直往,使周圍保留部分不受震動。中鋼刀還用於印刻人物服飾及道具上的圖案花紋。



三 角刀:刃口呈三角形,因其鋒面在左右二側,鋒利集點就在中角上。製作三角刀要選用適用的工具鋼(一般用4-6毫米的圓鋼),銑出55度-60度的三角 槽,將兩腰磨平,其口端磨成刃口。角度大,刻出的線條就粗,反之就細。三角刀主要用於刻毛髮刻裝飾線紋,也是版畫與水印木刻藝術製版時常用的一種工具,操 作時三角刀尖在木板上推進,木屑從三角槽內吐出,三角刀尖推過的部位便刻畫出線條來。



在選擇使用以上刀具時,要注意掌握 刀頭厚薄在用途上的區別。所謂刀頭,就是實際使用的那段刀面。刀頭越薄越鋒利,但牢度也越差。根據這種情況,開毛坯的刀 頭可適當厚些,以經受錘子的敲擊和用力掘撓;修光用的刀則薄些,所謂薄刀密片,方可將木料刻得光潔不隙。總之,工具選擇配置,一定要嚴格依照工藝性質,不 能隨意替代,而且無論在數量和質量上都應有所保證,在傳統的工藝雕刻中,木雕工具往往多達百餘件,工藝一般的至少也要30件,當然,經常使用的只是一小部 分,有的只是偶爾使用一下。



木雕的輔助工具:主要是指敲錘、木銼、斧子、鋸子。斧子的用途是配合出坯大量砍削木料,注意 砍削時不宜用力過大,不可直上直下砍,斧刃應與垂直的木紋保持 在45度左右,否則,木料會開裂。木銼的用途主要是在圓雕的細坯階段,可代替平刀將刀痕鑿跡銼磨平整以便修光;又可代替圓刀或斜刀作鏤空處理。木銼的作用 還在於能大面積迅速地調整造型結構,並能與雕刻刀結合使用,將人物衣紋的輾轉翻折處理得生動流暢,虛實有致。木雕敲錘的形狀以扁、平、寬、方為好。錘面尺 度可掌握在7×5.5×2.5厘米左右。太窄或太厚,都會影響錘子著落點的準確與力的均勻。敲錘分木製與鐵製二種,木製敲錘一般採用木質比重大的硬木,如 紅木、黃楊、檀木、櫸木及果樹木料等,其規格可掌握在長27厘米,寬55厘米,厚45厘米左右;握柄部位呈圓形略扁一些,大小以握在手中適宜為準。



木雕的輔助工具還包括小型電動木工拋光機和電動手槍鑽。拋光機的用途僅在於作品完成後的表面處理,可以代替手工作大面積的磨光,比較省時省力,但只限於大中型的體積較為平展的作品使用,手槍鑽主要用手鏤空打洞,做大型雕刻時,可用它打點切輪廓。



木 雕的操作設備:主要是指帶交叉拉條的特別穩定堅固的工作台和木鉗台,上面可安置台鉗和G字夾。台鉗用於鑿圓雕,鉗口必須配備軟木以防止雕刻木料及工具被 夾損。G字夾用於鑿浮雕粗坯用。初學者可以根據自己的條件設置一些經濟簡便的工作台,如坯坯凳等。大件作品可放在地上或站著或蹲著靈活操作。

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金 剛石作為一種超硬刀具材料應用於切削加工已有數百年歷史。在刀具發展歷程中,從十九世紀末到二十世紀中期,刀具材料以高速鋼為主要代表;1927年德國 首先研製出硬質合金刀具材料並獲得廣泛應用;二十世紀五十年代,瑞典和美國分別合成出人造金剛石,切削刀具從此步入以超硬材料為代表的時期。二十世紀七十 年代,人們利用高壓合成技術合成了聚晶金剛石(PCD),解決了天然金剛石數量稀少、價格昂貴的問題,使金剛石刀具的應用範圍擴展到航空、航天、汽車、電 子、石材等多個領域。

1.2 PCD刀具的性能特點

金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導熱性及耐磨性好等特性,可在高 速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態決定 的。在金剛石晶體中,碳原子的四個價電子按四面體結構成鍵,每個碳原子與四個相鄰原子形成共價鍵,進而組成金剛石結構,該結構的結合力和方向性很強,從而 使金剛石具有極高硬度。由於聚晶金剛石(PCD)的結構是取向不一的細晶粒金剛石燒結體,雖然加入了結合劑,其硬度及耐磨性仍低於單晶金剛石。但由於 PCD燒結體表現為各向同性,因此不易沿單一解理面裂開。

PCD刀具材料的主要性能指標:①PCD的硬度可達8000HV,為硬質合金的 80~120倍;②PCD的導熱係數為700W/mK,為硬質合金的 1.5~9倍,甚至高於PCBN和銅,因此PCD刀具熱量傳遞迅速;③PCD的摩擦係數一般僅為0.1~0.3(硬質合金的摩擦係數為0.4~1),因此 PCD刀具可顯著減小切削力;④PCD的熱膨脹係數僅為0.9×10

-6~1.18×10

-6,僅相當於硬質合金的1/5,因此PCD刀具熱變形小,加工精度高;⑤PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小,在加工過程中切屑不易粘結在刀尖上形成積屑瘤。

1.3 PCD刀具的應用

工業發達國家對PCD刀具的研究開展較早,其應用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來,對PCD刀具切削性能的研究獲得了大量成果,PCD刀具的應用範圍及使用量迅速擴大。目前,國際上著名的人造金剛石復合片生產商主要有英國De

Beers 公司、美國GE公司、日本住友電工株式會社等。據報道,1995年一季度僅日本的PCD刀具產量即達10.7萬把。PCD刀具的應用範圍已由初 期的車削加工向鑽削、銑削加工擴展。由日本一家組織進行的關於超硬刀具的調查表明:人們選用PCD刀具的主要考慮因素是基於PCD刀具加工後的表面精度、 尺寸精度及刀具壽命等優勢。金剛石復合片合成技術也得到了較大發展,De

Beers公司已推出了直徑74mm、層厚0.3mm的聚晶金剛石復合片。

國 內PCD刀具市場隨著刀具技術水平的發展也不斷擴大。目前中國第一汽車集團已有一百多個PCD車刀使用點,許多人造板企業也採用PCD刀具進行木製品加 工。PCD刀具的應用也進一步推動了對其設計與製造技術的研究。國內的清華大學、大連理工大學、華中理工大學、吉林工業大學、哈爾濱工業大學等均在積極開 展這方面的研究。國內從事PCD刀具研發、生產的有上海舒伯哈特、鄭州新亞、南京藍幟、深圳潤祥、成都工具研究所等幾十家單位。目前,PCD刀具的加工范 圍已從傳統的金屬切削加工擴展到石材加工、木材加工、金屬基複合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通過對近年來PCD刀具應用的分析可見,PCD刀具主 要應用於以下兩方面:①難加工有色金屬材料的加工:用普通刀具加工難加工有色金屬材料時,往往產生刀具易磨損、加工效率低等缺陷,而PCD刀具則可表現出 良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型發動機活塞材料——過共晶硅鋁合金(對該材料加工機理的研究已取得突破)。②難加工非金屬材料的加工: PCD刀具非常適合對石材、硬質碳、碳纖維增強塑料(CFRP)、人造板材等難加工非金屬材料的加工。如華中理工大學1990年實現了用PCD刀具加工玻 璃;目前強化復合地板及其它木基板材(如MDF)的應用日趨廣泛,用PCD刀具加工這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷。

2.PCD刀具的製造技術

2.1 PCD刀具的製造過程

PCD 刀具的製造過程主要包括兩個階段:①PCD復合片的製造:PCD復合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結合劑(其中含鈷、鎳等金屬)按一定比例在 高溫(1000~2000℃)、高壓(5~10萬個大氣壓)下燒結而成。在燒結過程中,由於結合劑的加入,使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、 Co、Ni等為主要成分的結合橋,金剛石晶體以共價鍵形式鑲嵌於結合橋的骨架中。通常將復合片製成固定直徑和厚度的圓盤,還需對燒結成的復合片進行研磨拋 光及其它相應的物理、化學處理。②PCD刀片的加工:PCD刀片的加工主要包括復合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步驟。

2.2 PCD復合片的切割工藝

由於PCD復合片具有很高的硬度及耐磨性,因此必須採用特殊的加工工藝。目前,加工PCD復合片主要採用電火花線切割、激光加工、超聲波加工、高壓水射流等幾種工藝方法,其工藝特點的比較見表1。

表1 PCD復合片切割工藝的比較

工藝方法-工藝特點

電火花加工-高度集中的脈衝放電能量、強大的放電爆炸力使PCD材料中的金屬融化,部分金剛石石墨化和氧化,部分金剛石脫落,工藝性好、效率高

超聲波加工-加工效率低,金剛石微粉消耗大,粉塵污染大

激光加工-非接觸加工,效率高、加工變形小、工藝性差

在 上述加工方法中,電火花加工效果較佳。PCD中結合橋的存在使電火花加工復合片成為可能。在有工作液的條件下,利用脈衝電壓使靠近電極金屬處的工作液形 成放電通道,並在局部產生放電火花,瞬間高溫可使聚晶金剛石熔化、脫落,從而形成所要求的三角形、長方形或正方形的刀頭毛坯。電火花加工PCD復合片的效 率及表面質量受到切削速度、PCD粒度、層厚和電極質量等因素的影響,其中切削速度的合理選擇十分關鍵,實驗表明,增大切削速度會降低加工表面質量,而切 削速度過低則會產生「拱絲」現象,並降低切割效率。增加PCD刀片厚度也會降低切割速度。

2.3 PCD刀片的焊接工藝

PCD 復合片與刀體的結合方式除採用機械夾固和粘接方法外,大多是通過釬焊方式將PCD復合片壓制在硬質合金基體上。焊接方法主要有激光焊接、真空擴散焊 接、真空釬焊、高頻感應釬焊等。目前,投資少、成本低的高頻感應加熱釬焊在PCD刀片焊接中得到廣泛應用。在刀片焊接過程中,焊接溫度、焊劑和焊接合金的 選擇將直接影響焊後刀具的性能。在焊接過程中,焊接溫度的控制十分重要,如焊接溫度過低,則焊接強度不夠;如焊接溫度過高,PCD容易石墨化,並可能導致 「過燒」,影響PCD復合片與硬質合金基體的結合。在實際加工過程中,可根據保溫時間和PCD變紅的深淺程度來控制焊接溫度(一般應低於700℃)。國外 的高頻焊接多採用自動焊接工藝,焊接效率高、質量好,可實現連續生產;國內則多採用手工焊接,生產效率較低,質量也不夠理想。

2.4 PCD刀片的刃磨工藝

PCD 的高硬度使其材料去除率極低(甚至只有硬質合金去除率的萬分之一)。目前,PCD刀具刃磨工藝主要採用樹脂結合劑金剛石砂輪進行磨削。由於砂輪磨料 與PCD之間的磨削是兩種硬度相近的材料間的相互作用,因此其磨削規律比較複雜。對於高粒度、低轉速砂輪,採用水溶性冷卻液可提高PCD的磨削效率和磨削 精度。砂輪結合劑的選擇應視磨床類型和加工條件而定。由於電火花磨削(EDG)技術幾乎不受被磨削工件硬度的影響,因此採用EDG技術磨削PCD具有較大 優勢。某些複雜形狀PCD刀具(如木工刀具)的磨削也對這種靈活的磨削工藝具有巨大需求。隨著電火花磨削技術的不斷發展,EDG技術將成為PCD磨削的一 個主要發展方向。

3.PCD刀具的設計原則

3.1 刀具材料的選擇

(1)合理選擇PCD粒度

PCD 粒度的選擇與刀具加工條件有關,如設計用於精加工或超精加工的刀具時,應選用強度高、韌性好、抗衝擊性能好、細晶粒的PCD。粗晶粒PCD刀具則可 用於一般的粗加工。PCD材料的粒度對於刀具的磨損和破損性能影響顯著。研究表明:PCD粒度號越大,刀具的抗磨損性能越強。採用De

Beers 公司SYNDITE 002和SYNDITE

025兩種PCD材料的刀具加工SiC基複合材料時的刀具磨損試驗結果表明,粒度為2μm的SYNDITE

002PCD材料較易磨損。

(2)合理選擇PCD刀片厚度

通常情況下,PCD復合片的層厚約為0.3~1.0mm,加上硬質合金層後的總厚度約為2~8mm。較薄的PCD層厚有利於刀片的電火花加工。De

Beers公司推出的0.3mm厚PCD復合片可降低磨削力,提高電火花的切割速度。PCD復合片與刀體材料焊接時,硬質合金層的厚度不能太小,以避免因兩種材料結合面間的應力差而引起分層。

3.2 刀具幾何參數與結構設計

PCD 刀具的幾何參數取決於工件狀況、刀具材料與結構等具體加工條件。由於PCD刀具常用於工件的精加工,切削厚度較小(有時甚至等於刀具的刃口半徑), 屬於微量切削,因此其後角及後刀面對加工質量有明顯影響,較小的後角、較高的後刀面質量對於提高PCD刀具的加工質量可起到重要作用。

PCD復合片與刀桿的連接方式包括機械夾固、焊接、可轉位等多種方式,其特點與應用範圍見表2。

表2 PCD復合片與刀桿連接方式的特點與應用

連接方式-特點-應用範圍

機械夾固-由標準刀體及可做成各種集合角度的可換刀片組成,具有快換和便於重磨的優點-中小型機床

整體焊接-結構緊湊、製作方便,可製成小尺寸刀具-專用刀具或難於機夾的刀具,用於小型機床

機夾焊接-刀片焊接於刀頭上,可使用標準刀桿,便於刃磨及調整刀頭位置-自動機床、數控機床

可轉位-結構緊湊,夾緊可靠,不需重磨和焊接,可節省輔助時間,提高刀具壽命-普通通用機床

4.PCD刀具的切削參數與失效機理

4.1 PCD刀具切削參數對切削性能的影響

(1)切削速度

PCD 刀具可在極高的主軸轉速下進行切削加工,但切削速度的變化對加工質量的影響不容忽視。雖然高速切削可提高加工效率,但在高速切削狀態下,切削溫度和 切削力的增加可使刀尖發生破損,並使機床產生振動。加工不同工件材料時,PCD刀具的合理切削速度也有所不同,如銑削Al2O3強化地板的合理切削速度為 110~120m/min;車削SiC顆粒增強鋁基複合材料及氧化硅基工程陶瓷的合理切削速度為30~40m/min。

(2)進給量

如PCD刀具的進給量過大,將使工件上殘餘幾何面積增加,導致表面粗糙度增大;如進給量過小,則會使切削溫度上升,切削壽命降低。

(3)切削深度

增加PCD刀具的切削深度會使切削力增大、切削熱升高,從而加劇刀具磨損,影響刀具壽命。此外,切削深度的增加容易引起PCD刀具崩刃。

不同粒度等級的PCD刀具在不同的加工條件下加工不同工件材料時,表現出的切削性能也不盡相同,因此應根據具體加工條件確定PCD刀具的實際切削參數。

4.2 PCD刀具的失效機理

刀 具的磨損形式主要有磨料磨損、粘結磨損(冷焊磨損)、擴散磨損、氧化磨損、熱電磨損等。PCD刀具的失效形式與傳統刀具有所不同,主要表現為聚晶層破 損、粘結磨損和擴散磨損。研究表明,採用PCD刀具加工金屬基複合材料時,其失效形式主要為粘結磨損和由金剛石晶粒缺陷引起的微觀晶間裂紋。在加工高硬 度、高脆性材料時,PCD刀具的粘結磨損並不明顯;相反,在加工低脆性材料(如碳纖維增強材料)時,刀具的磨損增大,此時粘接磨損起主導作用。

5.結語

PCD 刀具因其良好的加工質量和加工經濟性在非金屬材料、有色金屬及其合金材料、金屬基複合材料等切削加工領域顯示出其它刀具難以比擬的優勢。隨著PCD 刀具的理論研究日益深入及其應用技術的進一步推廣,PCD刀具在超硬刀具領域的地位將日益重要,其應用範圍也將進一步拓展。

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結 構和零件的微型化是技術領域的發展趨勢之一,開發經濟上可行的微細加工技術對於微型技術的發展具有重要意義。 目前,產業化的微細製造技術主要用在半導體工業,它們僅僅對大批量生產是經濟的;在印刷製版術行業裡使用的微細製造技術對所加工的幾何形狀及所能加工的材 料又有很大的局限性。與這兩種製造技術比較,微細切削加工可以彌補上述的缺點,因此,開發微細切削技術是微細製造技術的新領域。

微細切削 加工的第一批裝置是美國在60年代末開發的,主要用於加工光學件的表面,並由此誕生了超精加工技術。目前,在光學、電子和機械零件加工中達到了微 米和亞微米的精度和幾十個納米的表面粗糙度。在八十年代末,德國的卡魯斯厄研究中心把微細切削用於在微型元件的表面上加工微細的紋理,製造微型熱交換器: 它們對一個圓筒上的銅箔或鋁箔用單晶金剛石製造的刀尖進行切槽,最終做成一個微型的、效率很高的熱交換器。

直到九十年代,微細切削主要是用金剛石刀具加工有色金屬零件。隨著微型技術應用領域的不斷擴大,要求能加工更多樣化的材料,尤其是對鋼和陶瓷的微細切削,成為微細切削技術的發展方向。

金剛石??近乎理想的切削材料

在 超精加工領域,單晶金剛石刀具幾乎是唯一得到實用的刀具。金剛石摩擦係數低,導熱率高,這對切削過程很有利;它還有很高的硬度和可加工出接近原子尺寸級 的鋒利刃口,而製作鋒利的刃口是微細切削領域中必須解決的關鍵技術。一個亞微米級的鋒利刃口可以加工出幾納米數量級的表面粗糙度。鋒利的刃口及很低的摩擦 係數,可大大減小切削力,這有利於微細切削加工的精度,也降低了對超精加工機床剛性的要求。

金剛石刀具適合加工鋁、純銅、黃銅以及銅鎳合 金等。銅鎳合金有很高的硬度,在加工時可獲得極佳的表面質量。金剛石不適合加工黑色金屬,為了使金剛石能夠加 工鋼,正在開發一些裝置,有一個裝置效果很好。它把一個超聲振動疊加在刀具的運動上,切削時使刀具的接觸時間大大減少,從而降低了切削溫度,抑制了金剛石 向石墨的轉化。

微細切削來源於普通切削

微細切削的知識實際上是從普通的切削加工中獲得的,包括車、銑、鑽、磨,在個別情況下,微細加工也用鋸削或刨削。目前研究最多、最成熟的是超精車削。例如製作壓制菲涅耳透鏡的有色金屬模具或製作表面粗糙度的樣塊。

通過疊加一個由壓電晶體驅動的高頻振動到進給機構裡,在與主軸回轉頻率和振動適當同步時,能產生不旋轉對稱的加工表面,達到磨光的鏡面。目前,超精車削的技術水平已經可加工出極微細的軸徑。
在微細加工中,銑削也被認為是最柔性的加工方法。用單齒的金剛石圓盤銑刀加工槽與前面所述的在薄膜上車槽比較,可以加工出各種角度交叉的槽。可用於製造壓制光學柵格結構的模具,如每毫米100線。已商品化的圓盤銑刀最小寬度約100μm。

用金剛石製造的帶柄銑刀,直徑約300μm,也已經商品化。這種銑刀的結構為通用的直槽單齒銑刀,也可製成有端刃的雕刻刀,它特別適合加工只有幾微米厚的隔板。這種槽銑刀的缺點是最小的槽寬取決於刀具的直徑和裝夾的精度。

鋼是未來微細切削技術加工的對象

微 細切削技術至今還局限於加工硅或非金屬材料,而各種人工合成材料已經可用成形工藝進行加工(包括硬而脆的和軟而韌的),因此,下一步對鋼的加工就顯得很 有必要。鋼的微細切削加工研究在德國始於九十年代,至今仍處於研究階段。其主要應用領域在工模具行業,模具的耐磨性是成形加工經濟性的重要前提,尤其當模 具的結構有很高的深度??寬度比時,其材料的抗彎強度對成形加工的可靠性有決定性的意義,有時甚至關係到是否能夠成形。

鋼的微細切削不能用金剛石刀具,主要用硬質合金銑刀。硬質合金是由很多晶粒組成的燒結體,其晶粒的大小決定刀刃的微觀鋒利程度。因此,不能加工出像用金剛石刀具所獲得的表面質量,但由於價格低並能加工鋼,因此目前仍然是對鋼進行微細切削的主要刀具。

為了有鋒利的刀刃,通常採用鎢鈷類的超細顆粒硬質合金。超細顆粒硬質合金刀具的晶粒尺寸為0.5~1.0μm,其切削刃圓弧半徑為幾微米。

為 了開發鋼的微細切削技術,德國卡魯斯厄大學的機床和製造技術學院首先進行了硬質合金圓盤銑刀的試驗,刀具寬度為0.15mm。用銑刀作十字交叉的切削, 工件硬度為52HRC的調質鋼,加工出了高1mm、截面0.2×0.2mm2的一排排作為合成材料或粉末注射材料模具的稜柱。

適合微細切削的硬質合金帶柄銑刀在工業上已被廣泛採用,有塗層的和不塗層的,最小直徑為0.1mm,個別工具製造商可生產直徑為50μm的銑刀。

為避免刀具意外的折斷和提前磨損,在加工像鋼這樣的硬材料時,要注意加工過程的安全和機床的平穩,所以要求機床具有足夠的剛性和動態性能,採用高的切削速度和中等的每齒進給量,以保證刀具的切入。

硬 質合金微型銑刀的製造存在著一些難題,即除了要在不均質的刀具材料上加工出鋒利的刃口外,還要對直徑為零點幾毫米的銑刀進行磨削,使之承受磨削力的作 用,為解決這一難題,可選擇一種不產生切削力的加工方法(如激光加工)。用銑削的方法可加工出形狀複雜的表面,也可加工用工具鋼製造的100μm以下的零 件,如在硬度為55HRC的模具鋼上直接銑制加工一個微型汽車(1:160)的輪殼模具,其表面粗糙度達RZ=0.5μm,成形表面達鏡面光潔度,注射成 形後的零件不必再進行後續加工。
磨削是專門用於硬而脆的材料的加工,使微型元件能用玻璃、陶瓷、硅或硬質合金製造。目前用於硅片切割的零點幾毫米 寬的砂輪已商品化,通常用經鍍鎳或鉻的金 剛石磨料作砂輪的材料,最近還開發了CVD塗覆金剛石的硬質合金成形砂輪。與刀具相似,砂輪也有用作成形砂輪的盤狀砂輪和通用性很好的指狀砂輪,後者可加 工微細的任意形狀表面,目前在研究部門使用的指狀砂輪的最小直徑為50μm。

磨削加工硬而脆的材料

為了在硬而脆的材料 (例如單晶硅)上加工微孔,除了通常用電鍍法製造的直徑為0.9mm、金剛石顆粒為D91μm的微型空心鑽頭外,德國 Brauschweig技術大學新開發了同樣直徑的CVD金剛石鑽頭,其金剛石晶粒的尺寸為4μm~8μm。儘管有較大的切削力,用這種新型鑽頭在單晶硅 上鑽了55個盲孔,質量全部合格。這種盲孔鑽頭可以在指狀砂輪加工零件的封閉式型腔前鑽引導孔。電鍍的金剛石空心鑽頭較適合在板材上加工通孔,但在試驗 中,在孔的鑽穿那一面沿著硅的晶軸方向出現了大於100μm的崩刃,在孔的鑽入這一面邊緣也有20μm~150μm的崩刃,這一問題有待進一步研究。
結論和展望

微細切削是微細加工工藝的一個重要延伸,儘管目前微細切削所能加工出的零件細節不及微細電加工所達到的程度,但它與激光刻蝕加工等技術一起可在各種各樣的材料上加工任意的空間結構。

此外,它比基於平板印刷的微細技術需要的設備少,也省去了昂貴的母板製造,總之,零件的微細切削加工對於經濟地製作中等批量的微型構件有很大的優勢。

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1 引言

採用傳統的機械研磨方法製造金剛石刀具時,因研磨線速度高,局部壓力大,對刀具表面及刃口衝擊劇烈,不可避免地會導致刀具表面產生微小溝紋和較厚的加工變質層,且刀刃鋸齒度較大,從而限制了刀具質量的進一步提高。試驗表明,採用機械方法研磨金剛石的表面粗糙度極限值約為3nm,刀刃鋸齒度最小只能達到幾十納米的數量級,表面加工變質層厚度約為200nm。

隨著超精密加工技術的不斷發展以及加工精度的不斷提高,對金剛石刀具的精度及質量要求也更為苛刻。研究還發現,刀具表面變質層厚度將直接影響刀具的壽命與零件的加工質量。因此,開發新型的金剛石刀具加工方法無疑是突破機械研磨方法對刀具質量限制的有效途徑。

此 外,如高精度輪廓儀、隧道掃瞄顯微鏡、原子力顯微鏡等儀器中使用的金剛石探針的前端球頂圓弧半徑要求達到或小於1~2μm,精度要求高於0.1μm;加工 光通信用光柵表面的微細溝紋時,需要使用刀尖圓弧半徑為0.1~3μm,並具有相當高的尺寸與形狀精度的金剛石雕刻刀具。對於此類特殊要求,採用傳統的機 械研磨方法或者無法達到,或者加工成本極高,因此也迫切需要開發新型的金剛石工具加工方法。

下面介紹近年來出現的四種較為典型的金剛石工具加工方法。

2 離子束濺蝕法

離子束濺蝕法是利用高能離子的轟擊作用直接對被加工工件進行物理濺蝕,以實現原子級的微細加工。離子束濺蝕法的加工原理如圖1所示。


圖1離子束濺蝕法的加工原理

採用擴散泵使加工室達到10-5torr的真空,然後充入壓力為5×10-4torr的工作氣體(如氬氣)。鎢陰極與環狀陽極之間的電壓為40V,可保證電極間的持續放電。永久磁鐵產生的軸向磁場為熱激發電子形成一個螺旋形長通道,可最大程度地使氬氣電離為等離子體。由等離子體中釋放出的離子束通過雙層柵極聚焦系統(其 中內柵起隔離作用,外柵用於離子束的加速),由此形成具有強方向性及低散射能的簇射離子束。被加工的金剛石安裝在一個傾斜角可調的回轉工作台上,距柵極約 5mm。通過改變回轉軸的傾角範圍和回轉速度,可得到不同的加工形狀及加工精度。加工速率及質量與離子束能量、工件表面電流密度及離子束相對於被加工表面 的夾角有關。離子束濺蝕法最適於加工關鍵尺寸小於1μm的微小金剛石工具,並可達到很高的形狀精度。

3 真空等離子化學拋光法
真 空等離子化學拋光法的加工原理如圖2所示。轉動的磨盤被中間的高真空區分為左右兩部分。左邊為沉積區,採用真空等離子物理氣相沉積法在磨盤表面鍍上一層細 晶粒氧化硅;右邊為研磨區,金剛石表面處於活化狀態的碳原子通過與磨盤上的氧化硅發生分子級化學反應而形成磨削作用。反應生成的一氧化碳或二氧化碳氣體被 真空泵抽出反應室。該方法的研磨速度為1~3000μm3/s,約每秒0.25~750個原子層,可研磨出極高質量的刃口。該方法最先被美國刀刃技術公司 用於研磨超精密金剛石鏡面切削刀具,該刀具可廣泛用於加工各種納米級精度的超精表面。


圖2真空等離子化學拋光法的加工原理

4 無損傷機械化學拋光法

該方法是在NaOH溶液中加入適量的細金剛石粉和更細微(達納米級)的硅粉,帶強負靜電的細微硅粉會吸附在粒度大得多的單個金剛石微粒上形成具有硅吸附層的金剛石磨料, 然後將其塗敷在多孔的鑄鐵磨盤上對被加工金剛石進行研磨。研磨時,吸附在金剛石微粒上的硅粉一方面可阻止金剛石微粒對被加工金剛石表面的直接衝擊,保護金 剛石表面不會產生深度損傷,另一方面可與被加工金剛石表面發生反應並通過其微弱的磨削作用將反應層去除。該方法的磨削速度非常低,僅為每分鐘一個原子層。

5 熱化學拋光法

在溫度為800℃時,若使金剛石表面與鐵接觸,金剛石晶體中的碳原子能夠擺脫自身晶格的約束,擴散到鐵晶體晶格中去。熱化學拋光法即是運用此機理對金剛石表面進行研磨加工。

研 磨時,在氫氣氣氛中將鐵質研磨盤加熱到800℃,使被加工金剛石表面與鐵質研磨盤接觸並相對滑動,金剛石晶格中的碳原子就會擴散到鐵晶體晶格中,達到磨削 金剛石的目的。進入鐵晶格中的碳又與氫氣反應生成甲烷並隨氣流散發到空氣中。該方法的磨削速度為每秒40~2000個原子層。

利用該方法刻蝕金剛石,還可在其表面加工出圖案和花紋,製成各種精美的金剛石工藝品。

6 結語

上述加工方法具有以下共同特點:

對被加工金剛石表面無衝擊,避免了機械加工方法造成的表面衝擊溝痕,使被加工表面異常光潔,其表面粗糙度可達1nm。
被加工金剛石表面與研磨盤之間的接觸力非常小,易於研磨出高質量的刀刃。
被加工金剛石表面的損傷與變質層較
磨削速度很低,只適用於精磨加工後的超精密拋光。


圖3機械研磨與化學研磨的刀刃圓弧比較淺,可提高金剛石刀具的壽命。

此 外,採用機械方法加工製成的金剛石刀具用於鏡面切削時,通常存在一個「磨合期」,即需要經過一段時間的切削過程,刀具才能達到最佳加工效果。究其原因,是 由於刀刃圓弧實際是由一些不規則的折線組成。研究文獻表明,化學研磨方法可得到比機械加工方法光滑得多的刀具刃口圓弧(如圖3所示),製成的刀具在使用過 程中可消除「磨合期」,且工件表面加工質量得以大幅度提高。


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Siêu dẫn nhiệt độ cao, trong vật lý học, nói đến hiện tượng siêu dẫnnhiệt độ chuyển pha siêu dẫn từ vài chục Kelvin trở lên. Các hiện tượng này được khám phá từ thập kỷ 1980 và không thể giải thích được bằng lý thuyết BCS vốn thành công với các chất siêu dẫn cổ điển được tìm thấy trước đó.

[sửa] Lịch sử

Trước thập kỉ 1980, siêu dẫn nhiệt độ thấp chỉ được tìm thấy trên các kim loạihợp kim được làm lạnh đến nhiệt độ thấp hơn 23K, và đã được lý thuyết BCS giải thích một cách định lượng.

Năm 1986, Georg BednorzAlex Müller đã phát hiện ra một vật liệu mới khi cấy bari (doping) vào oxit latha-đồng, vốn là một chất cách điện, thì nó trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ thấp hơn 36K. Một loạt các vật liệu có cấu trúc tương tự với nhiệt độ chuyển pha cao hơn đã được tìm thấy sau phát hiện này; như oxit yttrium-barium-đồng (YBCO) với nhiệt độ chuyển pha lớn hơn nhiệt độ của nitơ lỏng, mở ra khả năng cho những ứng dụng mới. Nhiệt độ chuyển pha cao nhất đạt được hiện nay là 130K.

[sửa] Tính chất khác

Ngoài tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao, lớp các vật oxit đồng này còn có những tính chất rất khác thường ngay ở trong trạng thái không siêu dẫn. Hai đặc điểm khác thường này có thể kể đến trạng thái với "hố thế giả" và trạng thái không phải là chất lỏng Fermi, một lý thuyết do Landau đề xuất để giải thích bài toán heli lỏng.

Trong trạng thái bình thường các kim loại và hợp kim được mô tả rất tốt bởi lý thuyết chất lỏng Fermi. Có nghĩa là có thể định nghĩa được trạng thái "chuẩn hạt" (quasi-particle) và từ đó định nghĩa được "mặt Fermi" giống như trong khí Fermi tự do. Nhưng những thí nghiệm ARPES dựa trên hiệu ứng phát xạ photon lại cho thấy các "mặt Fermi" bị suy biến không còn là một mặt liên tục mà lúc này nó trở thành các "túi" rời rạc. Điều đáng chú ý ở đây là không hề có một sự phá vỡ đối xứng nào.

[sửa] Lý thuyết

Do đặc điểm các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hiện nay đều có cùng một cấu trúc gồm các mặt tinh thể oxit đồng, nên các mô hình lý thuyết hiện nay thường tập trung vào giải bài toán của mạng tinh thể oxit đồng trong không gian hai chiều. Mô hình lý thuyết đơn giản nhất được đề ra hiện nay là mô hình Hubbard hai chiều nhằm mô tả cấu trúc tinh thể này.

Cũng giống như hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp, các nhà vật lý lý thuyết cho rằng nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn là do sự xuất hiện các "cặp điện tử Cooper". Các cặp điện tử này không còn tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli và có thể tạm hiểu rằng hai điện tử được liên kết tạo thành một dạng phân tử Bose. Do đó các cặp điện tử này có thể ngưng tụ lại cùng một trạng thái lượng tử ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ chuyển pha nào đó, gần giống như hiện tượng ngưng tụ Bose trong vật lý nguyên tử lạnh. Chúng tạo ra một trạng thái lượng tử đồng pha và là nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn. Tuy nhiên, để tạo ra một cặp điện tử Cooper ta cần một tương tác hút hiệu dụng giữa các điện tử, tương tự tương tác "điện tử với phonon" trong lý thuyết BCS. Cho đến này nguyên nhân của tương tác đó vẫn chưa được tìm ra hoặc chưa được tất cả các nhà khoa học cùng đồng tình.

Từ những phát hiện về các tính chất của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái không siêu dẫn, một trong những hướng nghiên cứu được quan tâm là xuất phát từ trạng thái cơ bản của hệ oxit đồng khi chưa được cấy các nguyên tử lạ là một "chất cách điện Mott". Ví dụ như lý thuyết RVB của Philip Anderson (đoạt giải thưởng Nobel về vật lý năm 1977) vào những năm 1987, 1988 nhằm giải thích siêu dẫn nhiệt độ cao. Lý thuyết này đề ra một trạng thái cơ bản mới RVB là sự cộng hưởng (hay chồng chập) của tất cả các trạng thái mà trong đó có các liên kết hóa trị giữa các điện tử trên những nút tinh thể kề nhau. Sau này người ta đã chứng minh rằng trạng thái này không phải là trạng thái cơ bản của hệ không cấy nguyên tử lạ. Nhưng trong những năm cuối thập kỉ 1990, Philip Anderson đã hoàn thiện lý thuyết này và cho rằng nồng độ của chất được cấy ghép vào hệ oxit đồng là nguyên nhân khiến trạng thái RVB trở nên bền.

Tuy nhiên cho đến nay chưa một lý thuyết nào đủ hoàn thiện để có thể giải thích đầy đủ các tính chất và cấu trúc của các vật liệu này. Ngoài những tính toán lý thuyết, những phương pháp mô phỏng số cũng đóng một vai trò rất quan trọng. Hiện nay phương pháp DMFT và phiên bản mở rộng của nó CDMFT đang cho nhưng kết quả rất phù hợp với thực nghiệm.


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高溫超導High-temperature superconductivity)是一種物理現象,指一些具有較其他超導物質相對較高的臨界溫度的物質在較接近室溫的環境下產生的超導現象。

高溫超導體High-temperature superconductors, High Tc)是超導物質中的一種族類,具有一般的結構特徵以及相對上適度間隔的銅氧化物平面。它們也被稱作銅氧化物超導體。此族類中一些化合物中,超導性出現的臨界溫度是已知超導體中最高的。

不同銅氧化物在常態(以及超導態)性質之間具有共同的特徵;這些性質中,許多無法以金屬的傳統理論來解釋。銅氧化物的一致性理論至今尚不存在,然而這項問題觸發了許多實驗方面與理論方面的研究工作;此一領域的重要性已經遠超過開發出室溫超導體這項目標。

高溫超導在實驗上是由卡爾·亞歷山大·米勒約翰內斯·格奧爾格·貝德諾爾茨首度發現,不久兩人的研究成果即受到1987年諾貝爾物理學獎的肯定。


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高温超伝導(こうおんちょうでんどう、High-temperature superconductivity)とは、高い転移温度 (Tc)でおこる超伝導。”高温”の意味は、時代、状況によって異なるが、一般に高温超伝導と言えば、ベドノルツとミューラー(ミュラー)がLa-Ba-Cu-O系において1986年に発見したことから始まり、その後続々と発見された転移温度が液体窒素温度を越える一連の銅酸化物高温超伝導物質とその超伝導現象のことを指す場合が多い。高温超伝導を示す物質のことを高温超伝導体という。銅酸化物であるものは銅酸化物高温超伝導体という。

高温という語は、ふつうは人間が「熱い」と感じるほど温度が高いことをあらわすが、高温超伝導における高温とは-200℃~-100℃くらいをいう。従来の超伝導体と比較するとこれでも高温なのである。

[編集] 歴史

1985年、誘電体研究で著名なIBMチューリッヒ研究所のフェローとなっていたアレックス・ミューラーのもとで、ジョージ・ベドノルツはチタン酸ストロンチウムの研究を行っていた。この物質は強誘電体として良く知られている絶縁体であるが、電子ドープにより半導体から金属的となり、低い転移温度ながら超伝導を示す。ミューラーはヤーン・テラー型格子変形と超伝導との関係に興味をもっていた。ベドノルツはある日、図書室でLa-Ba-Cu-Oペロブスカイト系で液体窒素温度まで金属になるという論文を知り、早速作ってみると、試料は30K付近から抵抗が減少し、10K以下でゼロ抵抗になるように見えた。

彼らはドイツの会議でこの結果を発表したが、誰にも評価されることはなかった。そこでIBM T.J. Watson研究所に試料を送って真偽を鑑定してもらったが、比熱測定に超伝導転移による跳びが見られなかったことから超伝導ではないという結果が返ってきた。超伝導を認められなかったものの、1986年4月、ベドノルツとミューラーはとりあえずZeitschrift fur Physikというドイツの雑誌に論文を投稿した。

この論文が公表された1986年、少なくとも世界の数カ所で結果の追試が行われた。このうち東京大学の田中グループはこの物質の結晶構造の同定とマイスナー効果を 確認し、誰もが間違いないと確信できるレベルでLa-Ba-Cu-O系で超伝導が起こっていることを証明した。田中研で超伝導の存在が判明したのが 1986年11月13日であり、12月5日にボストンの材料研究学会においてこの結果が発表された。これ以後、数年間にわたり高温超伝導探索のフィーバー が続いた。1987年2月には、90K級で転移するY-Ba-Cu-O(Y系超伝導体)が発見された。短期間のうちにTcが60Kも高められたことになる。

超伝導転移温度は次々と塗り替えられ、2004年現在、水銀系銅酸化物において高圧下での160ケルビンの転移温度が最高記録である。

ただし、1987年前後をピークとして、研究論文の発表数は減少傾向を示している。学術データベースの統計から判断すると、高温超伝導に関する研究は、2010年から2015年までの間に行き詰まりを迎えるとする見方もある[1]

また、2000年前後には、フラーレンなどでも高温超伝導が生じるとする論文が数編提出されたが、後にすべて研究者による捏造と判明して撤回された[2]

[編集] 定義

高温超伝導体は国際電気標準会議(IEC)の国際規定 IEC60050-815(2000)と日本工業規格 JISh7005(1999)により定義されており、「一般的に約25K以上の臨界温度(Tc)を持つ超伝導体」とある。しかし、転移温度が90Kを超えるものが一般的になった今では液体窒素温度(-195.8℃、77K)以上で転移するものを高温超伝導体と呼ぶことが多い。

[編集] 結晶構造

YBa2Cu3O7-δ (Tc~93K)やBi2Sr2Ca2Cu3O10 (Tc~109K)といった銅酸化物高温超伝導体は全て、ペロブスカイト構造を基礎とした結晶構造をしている。

これら銅酸化物高温超伝導体の構造には以下のような特徴がある。

  • 2次元正方格子CuO2面がシート状に広がっている。
  • 多くの物質では、このシートの上下にはランタノイド等による電気伝導をブロックする層があり、CuO2面とブロック層が交互に積層する構造をとっている。ブロック層が存在しない無限層と呼ばれるものもある。

[編集] 超伝導体の名前

これらの超伝導体は、構成する元素の頭文字をとって呼ばれることが多い。たとえばYBa2Cu3O7-δYBCOと呼ばれ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10BSCCO(ビスコ)と呼ばれる。 一方、構成元素の物質量比(モル比)で呼ぶこともある。たとえばYBa2Cu3O7-δY123、Bi2Sr2Ca2Cu3O10Bi2223などである。

[編集] 性質

画像:高温超伝導の相図.png

高温超伝導体にはキャリアがホールであるものと、電子のものの2種類がある。前者をホールドープ型、またはp型と呼ばれ、後者は電子ドープ型、またはn型と呼ばれる。

ホー ルドープ型の高温超伝導体はホール濃度と温度により、右図のような状態をとる。ホール濃度がゼロのとき、反強磁性となり、ドープをすると反強磁 性が消え、擬ギャップと呼ばれる状態になる。さらにドープすると超伝導になる。 ドープを増やすと超伝導転移温度は上昇する。この領域をアンダードープ領域と呼ぶ。 さらにドープすると転移温度はさがる。この領域をオーバードープ領域と呼ぶ。 これ以上ドープすると超伝導は消え金属的になる。

[編集] 機構

高温超伝導においても従来型の超伝導と同様にクーパー対が形成されていることがわかっている。従来型超伝導では、BCS理論により、フォノンを媒介とするクーパー対の形成機構が解明されているのに対し、高温超伝導におけるクーパー対の形成機構に関しては、完全なコンセンサスは得られていない。 高温超伝導体の発見後すぐに行われた同位体効果実験から、高温超伝導機構はフォノン機構では説明できないとされている。 膨大な実験的・理論的な研究により、高温超伝導物質中のCuO22次元面内の電子系における、反強磁性的なスピンの揺らぎを媒介にしたクーパー対形成機構で、高温超伝導のメカニズムを理解できるという立場が主流となっている。 しかし酸素の同位体置換により超伝導電子密度が変化するという報告もあり、フォノンも何らかの寄与をしているものと考えられている。

[編集] 応用

YBa2Cu3O7-δの発見で転移温度が液体窒素温度を越えてから、高価な液体ヘリウムにかわって安価な液体窒素を使えることから実用への期待が高まった。しかし加工が難しいことや臨界電流密度を高めるのが難しいことから応用はなかなか進んでいない。応用としては送電線高周波通信用超伝導フィルターSQUID磁界検出器ジェイアール式マグレブなど。

[編集] 脚注

  1. ^ Katharine Sanderson, "Superconductivity research is down but not out", Nature 443, 376-377 (2006). DOI: 10.1038/443376b
  2. ^ 村松 秀, 『論文捏造』, 中公新書ラクレ, 中央公論新社、2006年9月. ISBN 978-4121502261

[編集] 関連項目


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Ohutkalvon kasvatuksella tarkoitetaan kaikkia niitä tekniikoita, joilla siirretään ohut materiaalikerros kasvatusalustalle (alustasta käytetään usein termiä substraatti). Ohutkalvon "ohuus" on suhteellinen käsite. Joillakin kasvatustekniikoilla (esimerkiksi ALD ja MBE, Molecular Beam epitaxy) päästään atomikerroksittain kasvattamaan kalvon paksuutta, mutta useimmilla menetelmillä pienin säädettävissä oleva paksuus on joitakin kymmeniä nanometrejä. Kalvojen paksuudesta puhuttaessa käytetään usein mittana Ångströmiä. Ohutkalvojen kasvatustekniikat ovat kehittyneet 50-luvulta alkaen elektroniikkateollisuuden kehittyessä. Näitä tekniikoita on alettu yhä laajemmin soveltamaan myös muiden tuotteiden valmistuksessa. Nanoteknologia on käyttää paljolti samoja valmistusmenetelmiä.

Ohutkalvoja käytetään optiikassa esimerkiksi heijastuksen poistokalvoina, elektroniikassa eriste- tai johdekalvoina, hohdekalvoina litteissä näytöissä kuten elektroluminesenssinäytöt, puolijohteissa, pakkauskalvoissa (esimerkiksi alumiinikalvo PET-muovikalvolla). Ohutkalvoja voidaan käyttää myös korroosion estossa tai passivointikerroksina parantamaan materiaalin happojen kestävyyttä tai vähentämään elimistöjen hylkimisefektiä.

Ohutkalvojen kasvatustekniikat jakaantuvat karkeasti kahteen ryhmään riippuen siitä, onko kasvatusprosessi pääosin kemiallinen ja fysikaalinen.

[muokkaa] Kemialliset kalvonkasvatus tekniikat

Kemiallisessa kasvatuksessa virtaava lähtöaine ("prikursori", eng precursor) aiheuttaa kemiallisen reaktion kiinteällä pinnalla aiheuttaen kiinteän aineen kerroksen. Jokapäiväinen esimerkki nokikerroksen muodostuminen kylmän kappaleen pinnalle, joka laitetaan nuotion liekkeihin. Koska virtaus peittää kiinteän kappaleen, kalvoa kasvaa joka puolelle ja kasvun suuntaus ei määräydy kovin tarkasti. Kemiallisella kalvonkasvatuksella tehdyt kalvot ovat lähtökohtaisesti varsin tasaisia, kasvunopeus on sama pinnan kaikilla osilla.

Kemiallinen kalvonkasvatus jakautuu kahteen osaan riippuen siitä, onko lähtöaine neste vai kaasu:

  • Galvaaninen pinnoitus, (eng. plating) perustuu nestelähtöaineisiin, usein metallisuolojen vesiliuoksiin. Jotkut pinnoitusprosessit toimivat vain liuoksissa olevilla reaktioaineilla, mitä käytetään tavallisesti jalometalleilla. Kaikista eniten käytetty kaupallinen prosessi sähkökemiallinen pinnoitus (galvanointi). Elektrolyysiä ei aikaisemmin juurikaan käytetty puolijohteiden valmistuksessa, mutta viime aikoina lisääntynyt kemiallismekaanisen hionnan hyödyntäminen on elvyttänyt kiinnostusta asiaan.

[muokkaa] Fysikaaliset kalvonkasvatusmenetelmät

Fysikaalisessa kalvonkasvatuksessa käytetään mekaanisia tai termodynaamisia keinoja kiinteänaineen ohutkalvon tuottamiseen. Hyvä esimerkki on huurteen muodostuminen. Koska useimpien teknisten materiaalien koossa pysyminen vaatii paljon energiaa ja kemiallisia reaktioita ei käytetä näiden energioiden säilyttämiseen, kaupalliset fysikaaliset kalvonkasvatusmenetelmät edellyttävät usein alhaisia prosessipaineita toimiakseen hyvin. Suurimman osan menetelmistä voidaan luokitella PVD (physical vapor deposition) -ryhmään.

Pinnoituksessa käytetty lähtöaine sijoitetaan sellaiseen energiakenttään, että partikkeleja alkaa irrota sen pinnalta. Lähtöaineen pinnan läheisyyteen asetetaan kylmempi pinta, joka sitoo partikkeleiden energia niiden saapuessa ja mahdollistaa kiinteän aineen kerroksen muodostumisen. Koko prosessi tehdään vakuumiastiassa, jossa partikkelit voivat siirtyä niin esteettä kuin mahdollista. Koska partikkelit pyrkivät kulkemaan suoraa liikerataa, niin näin muodostuneet kalvot ovat yleisesti kalvonkasvun suhteen yhdensuuntaisia.

Esimerkkejä fysikaalisesta kalvonkasvatuksesta:

  • Höyrystyspinnoituksessa kasvatusaineena käytettävä metalli kuumennetaan sulaksi, jotta sen höyrynpaine saadaan sopivalle tasolle. Tämä tehdään tyhjiössä, jotta höyry saavuttaisi substraatin pinnan reagoimatta tai törmäämättä muiden reaktioastian kaasufaasissa olevien aineiden kanssa. Tyhjiössä jää myös epäpuhtauksien määrä poistokaasuissa vähäiseksi. Rajoituksena pinnoituksessa on se, että kuumentavien pintojen höyrynpaineen pitää olla huomattavasti pienempi kuin itse pinnoitettavan materiaalin, jotta epäpuhtauksien määrä kasvatettavassa kalvossa jäisi vähäiseksi. Molekyylisuihkuepitaksi(MBE Molekular Beam Epitaxy)-kalvonkasvatus on höyrystysmenetelmän erikoistapaus.
    • Elektronisuihkuhöyrystin tulittaa elektronitykin korkeaenergiaisella suihkulla kohdemetallia kiehauttaen siitä pienen pisteen. Koska kuumennus ei ole tasaista, voidaan kasvattaa pienemmän höyrynpaineen omaavia materiaaleja. Säde on normaalisti taivutettu 270°, jotta varmistetaan tykin filamentti ei altistu suoraan höyrystyvälle materiaalivirralle. Tyypillinen kalvonkasvatusnopeus elektronisuihkuhöyrystyksessä vaihtelee välillä 1-10 nanometriä sekunnissa.
  • Sputterointi perustuu jalokaasujen kuten argon plasmalla tapahtuvaan kasvatusmateriaalin (kohtion) pommitukseen, josta irtoaa muutamia atomeja kerrallaan. Kohtio voidaan pitää suhteellisen kylmänä, koska kyseessä ei ole höyrystysprosessi, minkä vuoksi sputteri on joustavimpia kalvonkasvatuslaitteita. Alhainen lämpötila käytettäessä yhdisteitä tai seoksia, jossa toisella materiaalilla olisi taipumus höyrystyä eri nopeudella. Sputteroitu kalvo kasvaa pääasiassa tasaisesti eri pinnan suunnille.
  • Pulssitettu laser-avusteinen kalvonkasvatus toimii eroosioperiaatteella. Lasersäteen pulssi kohdistetaan kasvatusmateriaalin pintaan, josta irtoaa materiaalia plasmatilassa. Tämä plasma yleensä kaasuuntuu ennen kuin se kohtaa substraatin.

[muokkaa] Muut kalvonkasvatusprosessit

Jotkut menetlmät jäävät kahden edellä mainitun menetelmän ulkopuolelle, kun ne ovat yhdistelmiä sekä kemiallisista että fysikaalisista menetelmistä.

  • Reaktiivisessa sputteroinnissa pieni määrä muita kuin jalokaasuja, kuten happi tai typpi sekoitetaan plasmaa muodostavaan kaasuun. Kun materiaali irtoaa plasman avulla se reagoi kaasun kanssa siten, että muodostuva kalvo on eri materiaalia kuin kohtio eli kohtion oksidia tai nitridiä.
  • Molekyylisuihkuepitaksissa (MBE) hidas jonkin alkuaineen virta kohdistetaan substraattiin siten että pintaan kasvaa kalvoa atomikerroksittain. Sellaisia yhdisteitä kuten galliumarsenidi kasvatetaan tavallisesti siten, että alkuaineita gallium ja arseeni suihkutetaan vuoron perään toistuvasti atomikerros kerrallaan, jolloin prosessi on välillä fysikaalinen ja välillä kemiallinen. Materiaalisuihku voidaan kehittää fysikaalisesti kuumennusuunin avulla tai kemiallisen reaktion avulla.
  • Topotaksi on epitaksia muistuttava erikoismenetelmä, jossa ohutkalvokiteiden kasvu on kolmidimensionaalista johtuen substraatin kiderakenteen ja kalvon kiderakenteen samankaltaisuuksista.


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Thin-film deposition is any technique for depositing a thin film of material onto a substrate or onto previously deposited layers. "Thin" is a relative term, but most deposition techniques allow layer thickness to be controlled within a few tens of nanometers, and some (molecular beam epitaxy) allow single layers of atoms to be deposited at a time.

It is useful in the manufacture of optics (for reflective or anti-reflective coatings, for instance), electronics (layers of insulators, semiconductors, and conductors form integrated circuits), packaging (i.e., aluminum-coated PET film), and in contemporary art (see the work of Larry Bell). Similar processes are sometimes used where thickness is not important: for instance, the purification of copper by electroplating, and the deposition of silicon and enriched uranium by a CVD-like process after gas-phase processing.

Deposition techniques fall into two broad categories, depending on whether the process is primarily chemical or physical.

[edit] Chemical deposition

Here, a fluid precursor undergoes a chemical change at a solid surface, leaving a solid layer. An everyday example is the formation of soot on a cool object when it is placed inside a flame. Since the fluid surrounds the solid object, deposition happens on every surface, with little regard to direction; thin films from chemical deposition techniques tend to be conformal, rather than directional.

Chemical deposition is further categorized by the phase of the precursor:

  • Plating relies on liquid precursors, often a solution of water with a salt of the metal to be deposited. Some plating processes are driven entirely by reagents in the solution (usually for noble metals), but by far the most commercially important process is electroplating. It was not commonly used in semiconductor processing for many years, but has seen a resurgence with more widespread use of Chemical-mechanical polishing techniques.
  • Chemical Solution Deposition (CSD) uses a liquid precursor, usually a solution of organometallic powders dissolved in an organic solvent. This is a relatively inexpensive, simple thin film process that is able to produce stoichiometrically accurate crystalline phases.
  • Chemical vapor deposition (CVD) generally uses a gas-phase precursor, often a halide or hydride of the element to be deposited. In the case of MOCVD, an organometallic gas is used. Commercial techniques often use very low pressures of precursor gas.
    • Plasma enhanced CVD uses an ionized vapor, or plasma, as a precursor. Unlike the soot example above, commercial PECVD relies on electromagnetic means (electric current, microwave excitation), rather than a chemical reaction, to produce a plasma.

[edit] Physical deposition

Physical deposition uses mechanical or thermodynamic means to produce a thin film of solid. An everyday example is the formation of frost. Since most engineering materials are held together by relatively high energies, and chemical reactions are not used to store these energies, commercial physical deposition systems tend to require a low-pressure vapor environment to function properly; most can be classified as Physical vapor deposition or PVD.

The material to be deposited is placed in an energetic, entropic environment, so that particles of material escape its surface. Facing this source is a cooler surface which draws energy from these particles as they arrive, allowing them to form a solid layer. The whole system is kept in a vacuum deposition chamber, to allow the particles to travel as freely as possible. Since particles tend to follow a straight path, films deposited by physical means are commonly directional, rather than conformal.

Examples of physical deposition include:

  • A thermal evaporator uses an electric resistance heater to melt the material and raise its vapor pressure to a useful range. This is done in a high vacuum, both to allow the vapor to reach the substrate without reacting with or scattering against other gas-phase atoms in the chamber, and reduce the incorporation of impurities from the residual gas in the vacuum chamber. Obviously, only materials with a much higher vapor pressure than the heating element can be deposited without contamination of the film. Molecular beam epitaxy is a particular sophisticated form of thermal evaporation.
    • An electron beam evaporator fires a high-energy beam from an electron gun to boil a small spot of material; since the heating is not uniform, lower vapor pressure materials can be deposited. The beam is usually bent through an angle of 270° in order to ensure that the gun filament is not directly exposed to the evaporant flux. Typical deposition rates for electron beam evaporation range from 1 to 10 nanometers per second.
  • Sputtering relies on a plasma (usually a noble gas, such as Argon) to knock material from a "target" a few atoms at a time. The target can be kept at a relatively low temperature, since the process is not one of evaporation, making this one of the most flexible deposition techniques. It is especially useful for compounds or mixtures, where different components would otherwise tend to evaporate at different rates. Note, Sputtering's step coverage is more or less conformal.
  • Pulsed laser deposition systems work by an ablation process. Pulses of focused laser light vaporize the surface of the target material and convert it to plasma; this plasma usually reverts to a gas before it reaches the substrate.

[edit] Other deposition processes

Some methods fall outside these two categories, relying on a mixture of chemical and physical means:

  • In reactive sputtering, a small amount of some non-noble gas such as oxygen or nitrogen is mixed with the plasma-forming gas. After the material is sputtered from the target, it reacts with this gas, so that the deposited film is a different material, i.e. an oxide or nitride of the target material.
  • In Molecular beam epitaxy (MBE), slow streams of an element can be directed at the substrate, so that material deposits one atomic layer at a time. Compounds such as gallium arsenide are usually deposited by repeatedly applying a layer of one element (i.e., Ga), then a layer of the other (i.e., As), so that the process is chemical, as well as physical. The beam of material can be generated by either physical means (that is, by a furnace) or by a chemical reaction (chemical beam epitaxy).
  • In Topotaxy, a specialized technique similar to epitaxy, thin film crystal growth occurs in three dimensions due to the crystal structure similarities (either heterotopotaxy or homotopotaxy) between the substrate crystal and the growing thin film material.


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