高利用率的贵金属靶材制备方法

高利用率的贵金属靶材制备方法

姚余

天津市

摘要：开发完成时间：2022年11月21日，首次发表时间：2022年11月29日

在当今高速发展的科技时代，贵金属靶材作为众多行业的关键材料，其性能与制备工艺直接影响着最终产品的质量和市场竞争力。然而，传统贵金属靶材的制备方法往往面临原料利用率低、制备周期长、成本高昂等问题，严重制约了其在高端领域的广泛应用。因此，探索并开发一种高效、节能、高利用率的贵金属靶材制备方法，成为材料科学领域亟待解决的重要课题。本文的方法通过优化原料处理、粉末制备、压制成型、烧结与热处理、机械加工及表面处理等多个环节，实现了贵金属靶材的高效制备。

以下将对该方法的各个步骤进行详细阐述，并分析其显著优点及潜在应用前景。

一、制备方法步骤详解

1. 原料选择与处理

原料选择：首先，原料的选择是制备高质量贵金属靶材的基础。通常选用高纯度的金、银、铂等贵金属作为原料，纯度一般要求达到99.99%以上。高纯度的原料能够确保靶材具有优异的导电性、导热性和化学稳定性，满足高端应用的需求。

原料处理：原料在制备前需经过严格的清洗和干燥处理，以去除表面的油污、氧化物及其他杂质。清洗方法可采用超声波清洗、化学清洗等多种方式，确保原料表面的清洁度。干燥处理则通过真空烘箱或干燥炉等设备进行，以避免水分对后续制备过程的影响。

2. 粉末制备

粉末制备是制备高利用率贵金属靶材的关键环节之一。通过物理或化学方法将贵金属原料转化为粉末形态，以便后续的混合与压制。

物理方法：主要包括机械破碎、球磨等。机械破碎通过高速旋转的刀片或锤头将原料破碎成细小颗粒；球磨法则利用球磨机中的钢球或陶瓷球对原料进行反复撞击和研磨，以细化颗粒并提高其均匀性。物理方法具有操作简单、成本较低的优点，但可能难以获得粒度分布极窄的粉末。

化学方法：包括化学还原、气相沉积等。化学还原法通过还原剂将贵金属盐还原为金属粉末；气相沉积法则利用气态原料在高温下分解或化学反应生成固态粉末。化学方法能够制备出粒度细小、纯度高的粉末，但操作复杂且成本较高。

在粉末制备过程中，需严格控制粉末的粒度、形状和纯度，以确保后续制备过程的顺利进行和靶材的最终性能。

3. 粉末混合与压制

将制备好的贵金属粉末按照一定比例混合均匀后，采用冷等静压技术将混合粉末压制成块状靶材。

粉末混合：混合过程中需确保各种粉末的均匀分布，避免出现团聚或分层现象。可采用机械搅拌、球磨混合或超声波混合等方法，以提高混合效果。

冷等静压压制：冷等静压技术是一种利用高压液体或气体对粉末进行均匀压制的方法。其优点在于能够制备出密度高、结构均匀的靶材，且不易产生内部缺陷。在压制过程中，需根据粉末的特性和目标靶材的密度要求，精确控制压制压力和保压时间。

4. 烧结与热处理

烧结是将压制好的靶材在高温下加热，使粉末颗粒间形成紧密的结合，从而提高靶材的密度和强度。

烧结过程：烧结温度、保温时间和烧结气氛是影响烧结效果的关键因素。需根据靶材的具体材质和性能要求，通过实验确定最佳的烧结工艺参数。烧结过程中，粉末颗粒间通过扩散、再结晶等机制形成致密的结合体，同时排出孔隙中的气体和杂质。

热处理：烧结完成后，对靶材进行热处理以消除内部应力和提高性能。热处理温度和时间需根据靶材的材质和性能要求进行精确控制。热处理能够进一步细化靶材的晶粒结构，提高其硬度和耐磨性；同时，还能改善靶材的导电性、导热性和热稳定性等性能指标。

5. 机械加工与表面处理

对烧结后的靶材进行机械加工，以获得所需的尺寸和形状；同时对靶材表面进行处理，以提高其表面质量和溅射性能。

机械加工：包括切割、打磨、抛光等工序。切割可采用金刚石锯片或激光切割等方式进行；打磨和抛光则通过不同粒度的砂轮或抛光膏进行，以去除表面的毛刺和粗糙度，提高靶材的平整度和光洁度。

表面处理：表面处理包括清洗、抛光、涂覆抗氧化层等多个环节。清洗可去除表面的油污和杂质；抛光则进一步提高表面的光洁度；涂覆抗氧化层则能有效防止靶材在后续使用过程中被氧化。

6. 靶材检验与测试

靶材的检验与测试是确保其质量和性能符合使用要求的重要环节。通过一系列严格的检验和测试手段，可以全面评估靶材的尺寸精度、密度、纯度、结构均匀性以及溅射性能等关键指标。

尺寸检验：利用精密的测量工具，如游标卡尺、千分尺或三维测量仪等，对靶材的尺寸进行精确测量，确保其满足设计要求和客户的定制需求。

密度与纯度检测：采用密度计、X射线荧光光谱仪（XRF）或电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等高级分析设备，对靶材的密度和纯度进行准确测定。这些检测手段能够有效评估靶材的致密度和杂质含量，确保其达到高品质标准。

结构均匀性评估：通过显微镜观察、扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）等显微技术，对靶材的微观结构进行细致分析，评估其晶粒大小、分布均匀性以及相组成等特征。这些信息对于理解靶材的性能特点和优化制备工艺具有重要指导意义。

溅射性能测试：溅射性能是评价靶材在溅射镀膜过程中表现的关键指标。通过构建溅射镀膜实验装置，模拟实际工作条件，测试靶材的溅射速率、溅射稳定性、溅射产物的成分和形貌等参数。这些测试数据不仅有助于评估靶材的适用性和稳定性，还为后续镀膜工艺的优化提供了重要参考。

二、优点分析

高利用率的贵金属靶材制备方法相较于传统方法，具有显著的优点和优势，具体体现在以下几个方面：

1. 提高原料利用率：通过精确的原料配比和粉末制备技术，有效减少了原料在制备过程中的浪费和损失。同时，高效的烧结和热处理技术进一步提升了靶材的致密度和均匀性，从而提高了原料的整体利用率。

2. 缩短制备周期：采用高效的烧结和热处理技术，显著缩短了靶材的制备周期。这不仅提高了生产效率，还降低了生产成本和能源消耗，有利于实现绿色制造和可持续发展。

3. 提高靶材性能：通过精确的制备工艺和热处理技术，制备出的靶材具有高密度、结构均匀、性能稳定等特点。这些优异的性能使得靶材在微电子、半导体、太阳能电池等高端领域具有更广泛的应用前景和竞争力。

4. 适用性广：该方法不仅适用于金、银、铂等常见贵金属靶材的制备，还可以根据具体的应用需求进行调整和优化。例如，通过改变粉末的配比和烧结工艺参数，可以制备出具有特殊性能或定制尺寸的靶材，以满足不同客户的个性化需求。

5. 环保节能：在整个制备过程中，注重原料的节约使用和能源的合理利用。通过优化制备工艺和热处理技术，减少了废弃物和有害物质的产生，降低了对环境的影响。同时，高效的制备流程也降低了能源消耗和碳排放量，符合现代工业绿色发展的趋势。

三、结论与展望

综上所述，高利用率的贵金属靶材制备方法具有显著的优势和重要的实际应用价值。该方法通过优化原料处理、粉末制备、压制成型、烧结与热处理、机械加工及表面处理等各个环节，实现了贵金属靶材的高效制备和性能提升。未来随着科技的不断进步和创新发展，该方法有望在贵金属靶材制备领域发挥更加重要的作用。

展望未来，研究人员可以进一步探索新的制备技术和工艺改进方法，以提高靶材的性能和降低成本。例如，可以开发更高效的粉末制备技术以获得更细粒度和更高纯度的粉末；可以优化烧结和热处理工艺以进一步提高靶材的致密度和均匀性；还可以引入智能化和自动化技术以提高制备过程的精确度和生产效率。这些努力将不断推动贵金属靶材制备技术的发展和创新为高端制造领域提供更加优质和高效的材料支持。