低壓等離子噴涂技術(shù)及研究現(xiàn)狀

洪敏，王善林，陳宜，鄧穎，郭正華，陳衛(wèi)民，吳集思，黃永德

（1.江西省航空構(gòu)件成形與連接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.廣州先藝電子科技有限公司，廣州 511400）

熱噴涂技術(shù)作為材料科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。技術(shù)原理是利用氣體燃燒或放電將原料顆粒加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，然后通過(guò)火焰射流或者壓縮空氣將其噴涂到基體上，顆粒最終變平并固化成堆疊的碎片，并形成涂層。熱噴涂涂層因其耐磨、減摩、隔熱、絕緣、抗高溫、抗氧化、防微波輻射等功能特性，以及可以對(duì)因磨損、腐蝕引起的零件尺寸減小進(jìn)行修復(fù)的優(yōu)勢(shì)，能夠達(dá)到節(jié)約材料、節(jié)約能源的目的，在航空航天、汽車(chē)船舶、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

等離子噴涂技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來(lái)的一種熱噴涂技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的高壓氧氣燃料噴涂和電弧噴涂技術(shù)，等離子噴涂技術(shù)顯現(xiàn)出更高的效率[2]。等離子噴涂可提供與基材卓越粘合且緊湊的結(jié)構(gòu)、可變的厚度和較低的熱應(yīng)變度，尤其適用于無(wú)定形涂層的形成。隨著服役環(huán)境對(duì)涂層性能要求的提高和噴涂技術(shù)的革新，等離子噴涂技術(shù)得到了新的發(fā)展，比如超音速等離子噴涂、低壓等離子噴涂等[3—4]。文中主要對(duì)低壓等離子噴涂技術(shù)的特征和研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 低壓等離子噴涂原理及特征

1.1 原理

等離子噴涂技術(shù)是以直流電驅(qū)動(dòng)的等離子弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并高速?lài)娤蚪?jīng)過(guò)預(yù)處理的基體表面，從而形成附著牢固涂層的方法[5]，其原理如圖1 所示。在噴槍電極（陰極）和噴嘴（陽(yáng)極）之間施加一個(gè)高電壓并經(jīng)過(guò)高頻振蕩器的激發(fā)，使氣體（氬氣、氮?dú)?、氫氣等）電離形成電弧。通過(guò)特殊孔型的噴嘴時(shí)，電弧受到機(jī)械壓縮，電弧截面積減小，同時(shí)受外部不斷送來(lái)的冷氣流和導(dǎo)熱性很好的冷噴嘴孔道壁的冷卻作用，電弧柱外圍氣體受到強(qiáng)烈冷卻，溫度降低，導(dǎo)電截面縮小，產(chǎn)生熱收縮效應(yīng)，電弧進(jìn)一步被壓縮，造成電弧電流只能從弧柱中心通過(guò)，電弧電流密度急劇增加，形成高壓縮、高速等離子射流。噴涂粉末被送粉氣載入等離子焰流（兩種方式：槍外送粉和槍內(nèi)送粉），使粉末很快呈熔化或半熔化狀態(tài)，并高速?lài)娚湓诠ぜ砻嫘纬芍旅艿钠瑺钔繉印?/p>

圖1 等離子噴涂原理Fig.1 Principle of plasma spraying

1.2 分類(lèi)和特征

將等離子噴涂設(shè)備放置在低壓保護(hù)性氣體中操作，可以獲得結(jié)合強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)更致密且成分污染少的涂層。根據(jù)保護(hù)氣壓力的大小可大致分為低壓等離子噴涂、超低壓等離子噴涂和噴射等離子噴涂技術(shù)。

低壓等離子噴涂技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代由Steson和Hauk 提出，1973 年美國(guó)EPI 公司研制了首臺(tái)低壓等離子噴涂設(shè)備[6]，80 年代，該公司在等離子噴涂技術(shù)、真空技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)上成功研制出現(xiàn)代意義上的低壓等離子噴涂技術(shù)并實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化生產(chǎn)和銷(xiāo)售。等離子射流中存在固、液兩相，獲得的是層狀結(jié)構(gòu)的涂層，如圖2 所示[7]。低壓等離子噴涂顆粒呈熔融態(tài)或半熔融態(tài)，但使用低壓等離子體噴涂（LPPS），可以通過(guò)控制沉積氣氛將噴涂顆粒速度維持在較高水平來(lái)顯著阻止粉末的氧化，從而使得LPPS 涂層和基底之間具備高粘合強(qiáng)度，提升涂層性能。

圖2 YSZ 涂層截面SEM 形貌Fig.2 Cross-sectional SEM morphology of YSZ coating

超低壓等離子噴涂是在低壓等離子噴涂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型噴涂技術(shù)，由Sulzer Metco AG和法國(guó)蒙貝利亞-貝爾福特技術(shù)大學(xué)LERMPS 實(shí)驗(yàn)室首先提出[8]。超低壓等離子噴涂（VLPPS）是在惰性氣氛保護(hù)下，在100～1000 Pa 的異常低壓下運(yùn)行的，可用于制造陶瓷和金屬涂層。與大氣壓等離子體噴涂（APS）甚至低壓等離子體噴涂（LPPS）相比，等離子體流的結(jié)構(gòu)和沉積機(jī)理有所不同，超低壓等離子噴涂涂層是由蒸氣凝結(jié)而成，而不是由沖擊后的扁平顆粒堆積，熔融顆粒的擴(kuò)散和固化所致[9—11]。與低壓等離子噴涂相比，該技術(shù)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，可實(shí)現(xiàn)固相、液相、氣相的沉積，沉積速率低于0.5 μm，能獲得理想層狀、柱狀或?qū)又鶑?fù)合結(jié)構(gòu)涂層，如圖3 所示。

等離子噴射沉積是M.Gorski 于1996 年提出的一種新型等離子噴涂技術(shù)，結(jié)合了大氣等離子體噴涂（APS）和電子束物理氣相沉積（EB-PVD）的優(yōu)勢(shì)，可以以半熔融狀態(tài)、熔融狀態(tài)和氣相的混合狀態(tài)進(jìn)行沉積[12]。使用氣相沉積時(shí)，可以獲得具有高孔隙率和低導(dǎo)熱率柱狀結(jié)構(gòu)的噴涂熱障涂層。與超低壓等離子噴涂技術(shù)采用大功率噴槍?zhuān)瑢?shí)現(xiàn)噴涂材料的氣化相比，等離子噴射沉積噴槍的功率小于5 kW，電弧電流為低壓100 A，動(dòng)態(tài)工作壓力為低壓1000 Pa 時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)噴槍與真空腔內(nèi)保護(hù)氣體壓差，實(shí)現(xiàn)超音速射流沉積；沉積速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的PVD 和CVD 沉積，且冷卻速度快，易獲得良好納米結(jié)構(gòu)的柱狀涂層，如圖4 所示。

圖3 超低壓等離子噴涂技術(shù)制備的涂層Fig.3 Coatings prepared by ultra-low pressure plasma spraying technology

圖4 等離子噴射沉積納米鉑涂層Fig.4 Plasma spraying deposition of nano platinum coating

2 低壓等離子噴涂研究現(xiàn)狀

低壓等離子噴涂作為一種新型噴涂技術(shù)，雖然出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)，但越來(lái)越受到各個(gè)國(guó)家的關(guān)注。瑞士Sulzer Metco AG 和法國(guó)蒙貝利亞-貝爾福特技術(shù)大學(xué)LERMPS 實(shí)驗(yàn)室一直開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究工作。21世紀(jì)，美國(guó)Sandia National Laboratories 和德國(guó)Julich能源所等也展開(kāi)相關(guān)研究，發(fā)表了一些學(xué)術(shù)論文。在國(guó)內(nèi)，航天材料及工藝研究所已成功引進(jìn)低壓等離子噴涂設(shè)備，開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)和理論研究；此外北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、廣州有色金屬研究總院等單位也積極開(kāi)展相關(guān)方面的研究；在交通運(yùn)輸部“十一五”項(xiàng)目的支持下，2009 年大連海事大學(xué)成功研制了超低壓等離子噴涂與沉積設(shè)備，制備的SUS316 不銹鋼涂層為結(jié)構(gòu)致密的等軸晶涂層、YAZ 涂層為類(lèi)柱狀晶涂層。國(guó)內(nèi)外對(duì)低壓等離子噴涂技術(shù)的研究主要聚焦在熱障涂層、燃料電池、太陽(yáng)能，以及半導(dǎo)體薄膜制備及應(yīng)用等方面。

2.1 熱障涂層

熱障涂層（TBC）由于重量輕且導(dǎo)熱系數(shù)低，增強(qiáng)了基底金屬的熱機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)，已廣泛應(yīng)用在汽車(chē)缸體、燃?xì)廨啓C(jī)以及飛機(jī)渦輪葉片上。當(dāng)前熱障涂層主要依靠大氣等離子噴涂、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、電子束物理氣相沉積、靜電噴涂輔助氣相沉積等手段進(jìn)行制備[13]。大氣等離子噴涂制備的涂層比較疏松，呈片層結(jié)構(gòu)，表面粗糙度低，抗熱沖擊效果較差，涂層易氧化，但熱導(dǎo)率也低，設(shè)備簡(jiǎn)單，沉積效率高。電子束物理氣相沉積和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制備的涂層結(jié)構(gòu)致密、呈柱狀晶結(jié)構(gòu)，抗氧化性和抗腐蝕性更好，涂層界面以化學(xué)鍵結(jié)合為主，結(jié)合力強(qiáng)，涂層表面光潔，不易封堵葉片的冷卻氣通道，有利于保持葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，但是電子束物理氣相沉積制造成本高，涂層導(dǎo)熱率高，涂層材料成分控制困難，存在所謂“陰影”效應(yīng)和原材料利用率低等不足。靜電噴涂輔助氣相沉積，是一種用于通過(guò)在電場(chǎng)下噴涂粉末，在加熱的基材超合金上生產(chǎn)陶瓷涂層的方法[14]，可有效保護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子或葉片，并延長(zhǎng)使用壽命。由于較低的服務(wù)成本和增加了靜電噴涂輔助氣相沉積，該方法非常有效，但沉積涂層后需要進(jìn)行熱處理工藝，以消除涂層表面的應(yīng)力和碳含量，因而制備工序繁瑣，耗費(fèi)時(shí)間較多。

與傳統(tǒng)大氣等離子噴涂相比，低壓等離子噴涂工藝在低壓保護(hù)氣氛中進(jìn)行，涂層不易氧化，而且低壓等離子噴涂設(shè)備功率大，噴涂材料易熔化、氣化，噴射速度快，可以實(shí)現(xiàn)柱狀涂層結(jié)構(gòu)或?qū)又鶑?fù)合涂層結(jié)構(gòu)，提高涂層的相關(guān)性能。大連海事大學(xué)高陽(yáng)教授[15—16]對(duì)比分析了大氣等離子噴涂和低壓等離子噴涂ZrO2-8%Y2O3的涂層顯微結(jié)構(gòu)。APS 噴涂8YSZ球形燒結(jié)粉涂層含有直徑達(dá)100 μm 的孔隙。雖然粘接-破碎粉涂層中沒(méi)有單個(gè)較大直徑的孔隙，但彌散分布著直徑為10～20 μm 的孔隙。LPPS 噴涂8YSZ 球形粉涂層呈現(xiàn)類(lèi)似柱狀晶結(jié)構(gòu)，且粘接-破碎粉涂層無(wú)孔隙、結(jié)構(gòu)致密，表面平滑。通過(guò)改變噴涂工藝參數(shù)，可以獲取不同顯微結(jié)構(gòu)的涂層，如圖5 所示[17]。當(dāng)噴涂載氣為Ar/H2，送粉率20 g/min 時(shí)，涂層主要以層狀結(jié)構(gòu)為主。當(dāng)載氣為Ar/He，提高電弧能量，涂層為納米團(tuán)簇的柱狀結(jié)構(gòu)，但納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)之間有較多孔隙；當(dāng)送粉率降低為2 g/min 時(shí)，涂層沉積速率降低，由單一軸向方向的生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉菃我惠S向生長(zhǎng)，涂層雖呈柱狀結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)更為致密。Al2O3納米粉的添加可以抑制YSZ 熱生長(zhǎng)，因?yàn)楦邷責(zé)崽幚頃r(shí)Al2O3會(huì)擴(kuò)散到Y(jié)SZ 晶粒界面處，抑制YSZ 晶面的熔合[16]。在Y2O3-CeO2-TZP/NiCoCrAlY 梯度熱障層中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～0.8%的稀土硅鐵，涂層的抗熱震性能有一定程度提高；添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～1.0%的稀土硅鐵，涂層的抗高溫氧化性能提高，但是添加量過(guò)高，其抗熱震、抗氧化性能均會(huì)下降[18]。雖然低壓等離子噴涂制備的熱障涂層具有更優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、抗熱震性、界面結(jié)合強(qiáng)度等，但是還未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

圖5 不同噴涂工藝參數(shù)下低壓等離子噴涂涂層顯微結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of low-pressure plasma spraying coating under different spraying process parameters

2.2 燃料電池

一般來(lái)說(shuō)固體氧化物燃料電池（SOFC）的運(yùn)行溫度接近1000 ℃，高溫條件對(duì)系統(tǒng)電解質(zhì)、電極和連接件等抗高溫侵蝕、高溫機(jī)械性能等提出了苛刻要求，因此，SOFC 系統(tǒng)的電解質(zhì)、電極和連接件一般采用陶瓷氧化物。等離子噴涂技術(shù)是制備SOFC 系統(tǒng)中陶瓷氧化物部件的關(guān)鍵技術(shù)，且獲得了工程應(yīng)用。Schiller 等[19—20]利用低壓等離子噴涂技術(shù)在鑲嵌于雙極板的多孔CrFe5-Y2O3基體上噴涂陽(yáng)極、電解質(zhì)、陰極和接觸層，獲得了30～50 μm 厚的多孔陽(yáng)極和陰極、厚度小于30 μm 的致密電解質(zhì)層，電池整體厚度小于100～120 μm。900 ℃的功率密度為200 mW/cm2，1000 h 的衰減率約1%，安全運(yùn)行2500 h。上海硅酸鹽研究所祝迎春等[21]研究了低壓等離子噴涂過(guò)程中納米TiO2的結(jié)構(gòu)變化和粒子注入特性，研究發(fā)現(xiàn)TiO2納米顆粒有無(wú)定型轉(zhuǎn)化為銳鈦礦結(jié)構(gòu)和金紅石結(jié)構(gòu)，圖層表現(xiàn)出良好的Li+注入電流和電化學(xué)穩(wěn)定性，真空等離子噴涂的氧化鈦涂層具有帶微孔和納米晶粒的多孔結(jié)構(gòu)。涂層不同平面展現(xiàn)出不同的導(dǎo)電機(jī)理，因而表現(xiàn)出獨(dú)特的電性能，例如可調(diào)的電阻和電容。這些電學(xué)性質(zhì)與納米相結(jié)構(gòu)和晶間成分以及低價(jià)鈦陽(yáng)離子密切相關(guān)，后者可以通過(guò)等離子噴涂參數(shù)進(jìn)行控制，極大增大了SOFC 的靈活性。

Va?en R[22]等使用具有多孔結(jié)構(gòu)的FeCr 合金作為載體，利用復(fù)合噴涂技術(shù)，分別使用大氣等離子體噴涂（APS）和低壓等離子體噴涂物理氣相沉積（PS-PVD）涂覆陽(yáng)極和電解質(zhì)，其中陽(yáng)極使用標(biāo)準(zhǔn)的Ni/YSZ（涂層混合物）粉末，陰極層由絲網(wǎng)印刷的La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）非燒結(jié)漿料組成。通過(guò)PS-PVD 獲得26 μm 厚的氣密性電解質(zhì)，其參數(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以避免下面的金屬多孔載體發(fā)生明顯彎曲。另外，在將經(jīng)過(guò)APS 處理的陽(yáng)極和經(jīng)過(guò)PS-PVD 處理的電解質(zhì)噴涂在金屬多孔載體上，獲得了氣密的半電池組件。將LSCF 陰極絲網(wǎng)印刷在半電池的頂部，所得電池在800 ℃和0.75 V 的條件下具有可接受的OCV 和優(yōu)于1 A/cm2的優(yōu)異性能。由于PS-PVD 的高輸入功率和較小的氣壓，孔隙率僅僅為9%，有效改善了電解質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。為了更進(jìn)一步提高SOFC 的性能，李成新等[23]采用等離子噴涂方法制備YSZ 電解質(zhì)層，并將硝酸鋯和硝酸釔混合致密化浸滲溶液均勻地刷涂在YSZ 電解質(zhì)層的外表面，并在一定溫度下保溫一段時(shí)間，使得滯留在空隙內(nèi)的溶液分解成氧化物填充空隙，重復(fù)多次，得到致密的YSZ 電解質(zhì)層涂層氣體泄漏率大幅度下降，從而提升SOFC 性能。

低溫固體氧化物燃料電池（LTSOFC）在清潔能源生產(chǎn)中顯示了巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力。尋求低成本和易于制造的方法是LTSOFC 研究中最重要的問(wèn)題之一。Kang Yuan 等[24]應(yīng)用低壓等離子噴涂技術(shù)，在固體雙極板和多孔鎳泡沫上均形成均勻且致密的Ni0.8Co0.15Al0.05LiO2-δ（NCAL）涂層，分別用作保護(hù)涂層和電極催化劑涂層。微觀(guān)結(jié)構(gòu)研究表明，在LPPS過(guò)程中，涂層形成了多相，并且在涂層中發(fā)生了原位納米微晶化。在4 電池堆中實(shí)現(xiàn)了約30 W 的輸出功率，這表明在雙極板上進(jìn)行低壓等離子噴涂的NCAL涂層效果良好。基于NCAL 涂層的鎳泡沫的燃料電池在1.08 V 時(shí)達(dá)到開(kāi)路電壓（OCV），在550 ℃時(shí)的最大功率密度為717 mW/cm2，表明低壓等離子噴涂技術(shù)在降低低溫固態(tài)氧化燃料電池的成本方面具備巨大的潛力。

2.3 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。目前市場(chǎng)上以光伏效應(yīng)工作的晶硅太陽(yáng)能電池占據(jù)主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的薄膜電池還處于萌芽階段，太陽(yáng)能電池主要由背板、電池片、EVA、鋼化玻璃以及膠封組件組成。Rodolfo 等[25]采用低壓等離子噴涂技術(shù)處理太陽(yáng)能電池玻璃基板，觀(guān)察到不僅清潔了基板并且形成了氧基官能團(tuán)，其促進(jìn)了玻璃基板的親水性。這種雙重作用導(dǎo)致銀層與經(jīng)等離子體處理的基材的粘合性得到改善，而鏡子的太陽(yáng)光反射率沒(méi)有明顯損失。最小間隙距離（2 mm）和最低速度（1 m/min）的等離子處理在這項(xiàng)工作中取得了最佳效果，使未處理的玻璃鏡的斷裂強(qiáng)度提高了85.8%，并且在加工條件下太陽(yáng)反射率沒(méi)有明顯變化。在加速老化之后，其斷裂強(qiáng)度保持了27.2%的提高，并且比未處理的玻璃鏡表現(xiàn)出更高的太陽(yáng)反射率。Woo Jung Shin 等[26]采用對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，與等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PE-CVD）進(jìn)行比較，驗(yàn)證了低成本的低壓等離子噴涂技術(shù)，研究了在硅太陽(yáng)能電池中使用富含稀土的ZrO2作為抗反射涂層的可能性。研究了噴涂ZrO2薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。低壓等離子噴涂沉積的ZrO2是高度透明的，在600 nm 處的折射率為2.0。ZrO2薄膜的反射和透射光譜表明，噴涂沉積的ZrO2的光學(xué)性質(zhì)與通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法沉積的SiNx相當(dāng)，但成本大幅度下降對(duì)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化具有極大的裨益。

對(duì)于薄膜電池而言，等離子體噴涂作為一種前沿技術(shù)，可應(yīng)用于合成具有良好內(nèi)在特性的高度穩(wěn)定的負(fù)載型TiO2光催化劑，以用于SPEC 污染修復(fù)工藝。Dosta S[27]等評(píng)估了等離子噴涂條件對(duì)涂層最終結(jié)構(gòu)和相分布的影響，并將這些特性與其作為SPEC 使AO7 溶液脫色的光陽(yáng)極的性能相關(guān)聯(lián)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，TiO2（銳鈦礦和金紅石）的結(jié)晶相比非化學(xué)計(jì)量的TiO2亞氧化物更具有光催化作用，具有較高比例的結(jié)晶相的涂層表現(xiàn)出更好的光電催化性能，生成的TiO2亞氧化物增強(qiáng)了涂層的導(dǎo)電性，有利于將其用作光陽(yáng)極。等離子噴涂涂層的結(jié)構(gòu)特征顯示出TiO2厚度的輕微影響，最佳值約為200～230 μm。由于光催化過(guò)程發(fā)生在涂層表面上，因此具有較高影響力的特性成為3D 表面粗糙度。當(dāng)照射到較大的比表面積時(shí)，氧化劑會(huì)發(fā)生大量光生反應(yīng)，并顯著增強(qiáng)AO7 的SPEC降解。由于涂層A3 的主要結(jié)晶相含量（金紅石和銳鈦礦）具備較大的3D 表面粗糙度和適當(dāng)?shù)暮穸?，因此獲得了最佳的SPEC 光活性。

低壓等離子噴涂技術(shù)制備的SiOx薄膜具有致密、化學(xué)穩(wěn)定性高、透光性好且與Si 基材具有良好的相容性等優(yōu)點(diǎn)，在制備太陽(yáng)能電池上具有重要意義，并獲得了工程應(yīng)用。N.Spalatu 等[28]為了改善CdTe 薄膜太陽(yáng)能電池的光俘獲能力，將Au 納米顆粒摻入CdTe 中，并通過(guò)低壓等離子噴涂技術(shù)將該層用于CdS/ CdTe 太陽(yáng)能電池中。結(jié)果顯示經(jīng)由低壓等離子噴涂處理，在等離子CdS/CdTe 太陽(yáng)能電池的Jscand效率分別從22.4 提高到24 mA/cm2，這歸因于較高量的噴涂溶液（15 mL）會(huì)在CdTe 上生成多孔表面層，并降低CdS/CdTe SC 的光伏參數(shù)，從而大幅度提升了電池的發(fā)電效率，可以展望的是低壓等離子噴涂技術(shù)及相關(guān)生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步提升，將推動(dòng)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?/p>

2.4 半導(dǎo)體

半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明應(yīng)用、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用。低壓等離子噴涂技術(shù)在半導(dǎo)體的生產(chǎn)中占據(jù)重要的地位，利用低壓等離子噴涂技術(shù)可在銀、銅、鋁表面形成涂層，如噴涂Al2O3涂層在半導(dǎo)體器件中作為耐CF4，SF6，O2，Cl2等離子濺射的防護(hù)層和作為絕緣涂層；噴涂ZnO 涂層用于透明導(dǎo)電氧化物等[29]。由于等離子濺射下形成的灰塵若沉積在半導(dǎo)體上將會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體報(bào)廢，因此對(duì)所獲取涂層的致密度有著很高的要求。鄧暢光等[30]分別采用大氣等離子噴涂和低壓等離子噴涂制備高純度的 Al2O3涂層，結(jié)果顯示大氣等離子噴涂制備的大氣等離子噴涂氧化鋁涂層呈明顯的層狀結(jié)構(gòu)，涂層比較疏松其孔隙率將近10%，顯微硬度低于HV800 而低壓等離子噴涂氧化鋁涂層致密，層狀結(jié)構(gòu)不明顯孔隙率低于2%，其顯微硬度達(dá)到HV900 以上。低壓等離子噴涂中氧化鋁粒子具有較高的運(yùn)動(dòng)速度是獲得致密涂層的主要原因。大氣等離子噴涂氧化鋁涂層在0.49 N 載荷下涂層即整體塌陷，而低壓等離子噴涂氧化鋁涂層在載荷達(dá)到9.8 N 時(shí)涂層才出現(xiàn)開(kāi)裂，其開(kāi)裂情況與燒結(jié)材料類(lèi)似，計(jì)算得到涂層的斷裂韌度為1.88 MPa·m1/2。

TCO（透明導(dǎo)電氧化物）是一種薄涂層，應(yīng)用范圍從太陽(yáng)能電池到觸摸屏半導(dǎo)體設(shè)備，具有重要的工業(yè)價(jià)值。其中ZnO 具有出色的電磁性能，相對(duì)于最常用的氧化銦基涂層而言，其原材料價(jià)格要低得多。TCO 通常是通過(guò)磁控濺射PVD 從陶瓷靶材開(kāi)始生產(chǎn)的，在某些情況下，低壓等離子噴涂技術(shù)也可用于制備靶材。Tului M 等[31]研究了通過(guò)低壓等離子噴涂制備ZnO 靶材，重點(diǎn)是等離子噴涂工藝對(duì)使用所獲得的靶材沉積的最終薄膜的電磁性能的影響，且評(píng)估了低壓等離子噴涂參數(shù)對(duì)ZnO 等離子噴涂涂層的微觀(guān)結(jié)構(gòu)性能的影響。通過(guò)SEM，EDS 和XRD 表征涂層，結(jié)果表明等離子噴涂可用于實(shí)現(xiàn)制備ZnO，并且可以通過(guò)選擇正確的工藝參數(shù)來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)速率。在惰性氣氛下生產(chǎn)的靶制成的膜是導(dǎo)電的，并且僅由氧化鋅構(gòu)成，但相比于傳統(tǒng)的PVD，其純凈度和生產(chǎn)效率還有很大進(jìn)步的空間。K.Baba 等[32]對(duì)低壓等離子噴涂技術(shù)制備ZnO 薄膜進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，探討了硝酸鋅濃度對(duì)噴涂等離子體裝置沉積ZnO 薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。首先用噴涂等離子技術(shù)將ZnO 薄膜沉積在玻璃基板上，并研究硝酸鋅前體溶液的摩爾濃度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)晶粒度隨著濃度的增加而增加。濃度為0.2 mol 的Zn(NO3)2時(shí)，薄膜的晶體質(zhì)量更好，并且在該濃度下制作的薄膜獲得了最大的應(yīng)變和粗糙度。當(dāng)濃度增加時(shí)，透射率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)減小。使用0.1 mol 的溶液可以在優(yōu)先c軸取向和良好的透射率之間實(shí)現(xiàn)最佳狀態(tài)。

2.5 其他領(lǐng)域

低壓等離子噴涂技術(shù)在熱障涂層、耐蝕涂層等領(lǐng)域得到了深入的研究以及應(yīng)用，從最開(kāi)始的航空航天逐漸延伸至鋼鐵、船舶、石油化工等領(lǐng)域。近年來(lái)低壓等離子噴涂技術(shù)在超導(dǎo)涂層、生物功能材料、光學(xué)領(lǐng)域等方面的應(yīng)用也逐漸受到人們的重視。例如采用低壓等離子技術(shù)制備的超導(dǎo)厚膜，在沉積后將涂層在氧氣中于750～930 ℃的溫度下加熱，涂層恢復(fù)超導(dǎo)性能，涂層的質(zhì)量和對(duì)基材的附著力在很大程度上取決于沉積條件。研究表明，大氣等離子噴涂技術(shù)是生產(chǎn)高質(zhì)量厚YBCO 涂層的有效技術(shù)。原料粉末的粒度分布顯著影響沉積涂層的質(zhì)量。等離子噴涂參數(shù)（例如載氣壓力，噴涂距離）在涂層質(zhì)量和沉積速率均達(dá)到最大值的狹窄范圍內(nèi)顯示出最佳值。在這些優(yōu)化的條件下，涂層與基材（銅和不銹鋼）均具有良好的附著力[33]。在生物功能領(lǐng)域，由于TiO2良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性，TiO2涂層作為植入材料已被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)。植入物的表面形貌在生物學(xué)性能中起著至關(guān)重要的作用。等離子噴涂的TiO2涂層的微觀(guān)表面不僅有利于體外的成骨細(xì)胞附著、分化和骨整合，而且有利于骨骼組織的向內(nèi)生長(zhǎng)，從而改善植入物與骨骼的結(jié)合，因此低壓等離子噴涂在生物功能材料的制備方面具備重要地位[34]。

等離子體噴涂過(guò)程產(chǎn)生的材料具有典型多孔復(fù)雜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。受電介質(zhì)多層反射鏡（DMM）的啟發(fā)，熱噴涂涂層可用于光學(xué)領(lǐng)域，尤其是用于制造適合大波長(zhǎng)范圍的散射和反射涂層的介質(zhì)。實(shí)際上，等離子噴涂基質(zhì)內(nèi)部的孔會(huì)產(chǎn)生許多光學(xué)指數(shù)不連續(xù)性（類(lèi)似于DMM 中產(chǎn)生的間隙），以便獲得高反射率，可以通過(guò)選擇等離子噴涂工藝參數(shù)來(lái)定制涂層微結(jié)構(gòu)的孔隙率。E.Meillot 等[35]利用由APS 和SPS 連續(xù)制造的氧化鋁雙層材料在300～800 nm 之間顯示出高散射反射率（＞90%），表明等離子噴涂工藝可用于制造散射和反射涂層的潛力。在紫外線(xiàn)可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，材料內(nèi)孔徑分布的優(yōu)化可改善反射特性，提升光學(xué)元器件的性能?？梢哉雇氖?，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，低壓等離子噴涂技術(shù)將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

3 展望

低壓等離子噴涂技術(shù)在航空航天、鋼鐵、船舶、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，工業(yè)界在利用該技術(shù)開(kāi)發(fā)新型功能性涂層的研究上投入了大量的人力物力。今后的研究重點(diǎn)將集中在以下幾個(gè)方面。

1）對(duì)等離子噴涂焰流形成機(jī)制、焰流與噴涂材料的作用機(jī)理、噴涂材料與基板的結(jié)合機(jī)制等規(guī)律進(jìn)行更加深入的研究。

2）低壓等離子噴涂與其他技術(shù)的復(fù)合，例如低壓等離子噴涂與懸浮等離子噴涂聯(lián)動(dòng)制備多層氧化鋁涂層；采用低壓等離子噴涂與激光重熔，改善陶瓷與金屬的結(jié)合形式，以達(dá)到涂層與基體的冶金結(jié)合。

3）超低壓等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展，可進(jìn)一步降低動(dòng)態(tài)壓力，使噴涂焰流與速度更加均勻，使其在半導(dǎo)體、超導(dǎo)涂層、燃料電池和太陽(yáng)能電池的制備等領(lǐng)域擁有更加廣泛的應(yīng)用。