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第三十一期技术成果汇编(河南省科技成果转移转化服务平台)

发布时间:2022-03-18 10:12:26 信息来源: 河南省科技成果转移转化服务平台 字体大小:

231号技术成果

 

成果名称:一种超硬非晶碳薄膜的制备装置和工艺

项目编号:A-1-022001-0

技术领域:新型材料

成果详情:碳基薄膜包括种类很多,例如石墨、金刚石、非晶碳、石墨烯、碳纳米管、碳化硅、碳化钛等,因此碳基材料具有非常丰富的物理化学特性,一直是科学家研究的重点。碳基薄膜中C有四个价电子,可以有包含sp3、sp2和sp1三种杂化方式。在sp3键组态中,碳原子的4个价电子分别与相邻碳原子结合,形成一个正四面体取向的sp3杂化轨道,形成加强的σ键;在sp2组态中,4个价电子中的3个与相邻碳原子结合,形成平面三角形的sp2杂化轨道,也是σ键,第4个价电子则处在垂直于平面的轨道,形成较弱的π键;而在sp1组态中,只有两个价电子形成σ键,其它的两个则形成π键,根据sp3、sp2和sp1三种杂化方式的组合构成碳基材料的结构和物理特性。当薄膜中以SP2杂化键为主时,呈现出石墨的特性,当薄膜中以SP3杂化键为主时,呈现了金刚石特性,通常称为金刚石或类金刚石膜(DLC)。金刚石薄膜具有高硬度、低摩擦系数、导热、绝缘、吸收紫外、抗辐射损伤、耐腐蚀等诸多优良的物理化学特性一直是科学家研究的热点课题。金刚石薄膜分为单晶、多晶和非晶态材料,单晶和多晶金刚石材料常常是在高温下形成,而DLC是在常温下形成的一种亚稳态的非晶态材料,可分为含氢类金刚石膜(hydrogenated amorphous carbon,简称a-C:H)和不含氢类(amorphous carbon,简称a-C)。一般a-C的sp3键含量高于a-C:H,所以也具有更高的硬度。当a-C中sp3键含量达70%以上,被称为非晶四面体碳(tetrahedral amorphous carbon,简称ta-C)。本项目即为ta-c薄膜制备技术。衡量金刚石薄膜质量的方法主要是看其SP3结构含量,含量越高,其性质越接近天然金刚石,如何得到高含量的sp3键是科学家们研究的重点。而目前国际上制备的金刚石薄膜以ta-c的SP3含量最高,可以达到85%以上,因此其性质最接近天然金刚石。本项目目前达到的水平为:SP3结构达到87%,薄膜硬度HV≥85Gpa,平整度0.2nm,摩擦系数≤0.08,紫外吸收97%以上。

国内外技术发展现状与趋势:本技术自从1991年由澳大利亚的D.R.Mckenzie和D.Muller研制成功,目前美国、英国、德国等各国科学家都在努力将该技术应用于工业生产中。

技术性能指标:1.性能指标。该技术与市场现有的部分硬质镀膜技术的比较,该膜层可沉积在金属、陶瓷和介电材料等基体上,膜厚可从几纳米到几微米,均匀度误差达±1%,是目前其它方法无法达到的。采用该方法镀制的膜层,其硬度和耐磨性能高于其它方法。2.技术指标。装置的技术水平达到国际先进,制备的薄膜均匀,重复性好、工艺稳定。制备的非晶碳薄膜SP3结构超过85%以上,摩擦系数小于0.1以下,并可达到沉积工作条件为常温(80oC)以下。可以根据不同基体设计不同涂层组合的复合涂层结构,并具有良好的附着力、耐磨损、摩擦系数小的良好特性。镀膜的均匀性在1%。

技术依托:课题组依托电子物理教育部重点实验室,具有人才、测试等方面的优势,每年招收十几个博士和四十几个硕士,具有教授10人,副教授20余人。具有齐全的薄膜检测设备,供课题使用。目前实验室具有各种镀膜装置4台,扫描隧道显微镜一台,电子显微镜和俄歇谱仪各一台,X射线衍射仪一台,椭圆偏光薄膜测试仪一台,四极场质谱分析仪和超净台等设备。电子材料教育部重点实验室具有英国VG公司生产的多用表面分析仪,英国CAMSCAN公司生产的扫描电子显微镜。金属材料国家重点实验室具有透射电子显微镜,X射线衍射结构分析仪等也可使用。拉曼光谱测试可以在西安交大能动学院、理学院和材料学院完成。

市场前景及应用:成果包括离子镀膜装置、离子源技术、薄膜技术。在实验和设备工艺方面具有丰富的实践经验和很高的造诣,先后获得国家和某省重大科技专项资助。目前已实现ta-c的部分工业产品的产业化生产。应用领域:1.工业领域,本项目也被广州钢铁集团在全国调研2年后选中的转型转产的重点项目,目前已为广钢集团研制6台设备。2.医疗领域,义齿、牙托和人造关节涂层及医用不锈钢刀具。3.切削刀具,本项目不仅可以实现硬质合金金属切削刀具,而且已推广到高速钢刀具金属切削、木材和家具加工的高速钢和碳钢刀具。ta-c刀具已得到部分单位应用。

技术成熟度:技术成熟、可产业化。

获奖情况:获得了陕西省高等学校科技成果一等奖、2008年度国际电工技术委员会特别贡献奖、四川省科技成果奖三等奖等多项荣誉,并申请专利9项。

 

232号技术成果

 

成果名称:2 英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化

项目编号:A-01-022000-0

技术领域:高端装备制造,新型材料

研究背景:金刚石单晶集电学、光学、力学和热学等优异特性于一体,在高温、高频、高效大功率电子器件、生物传感器、日盲紫外和粒子闪烁体探测与成像、光电器件、航空航天和武器系统等方面极具应用前景,被誉为“终极半导体”。金刚石电子器件相比其他半导体器件具有高效率(约提高18%)、低损耗(约降低30%)、体积小和更高的集成度、而且无需冷却系统。其耗能大约为现有器件的1/5-1/3。目前日、美、欧、中已纷纷投入巨资、并成立相关组织和产学研机构推进金刚石单晶材料及其电子器件的研发与应用。英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化,可以极大地推进我国半导体的革命性变革,实现我国微电子行业的跨越式发展,达到国际先进水平。

成果详情:通过单晶金刚石半导体衬底外延生长工艺研究金刚石MPCVD生长动力学过程;优化设计MPCVD反应腔体结构,实现微波等离子体的大面积、高密度和均匀化;优化反应腔室的热场分布及气流分布;利用单晶金刚石晶体的等效晶面特征,研究外延生长过程中的横向生长(Lateral over Growth)技术,采用相互垂直晶面的外延生长方式,获得10х10mm2以上面积的金刚石衬底;研究高能离子注入技术在金刚石浅表层下形成非金刚石层的有关规律及方法,获得表面层可分离的同质金刚石单晶衬底,为金刚石单晶的“克隆”创造条件;研究不同晶向的衬底接触部的晶体融合机理及规律,利用拼凑融合方式外延生长并形成更大面积的单晶衬底,满足1英寸大面积单晶金刚石衬底的量产需求。

产业化产品:1.金刚石单晶衬底。大面积单晶金刚石衬底主要为开发和产业化以下的金刚石电子器件提供外延生长衬底:大功率金刚石电力电子器件:其可替代现有的Si、SiC等电力转换器件和开关电源,大幅减小转换器件尺寸,而且无需散热,实现转化效率的大幅提升和功耗的大幅下降,可靠性大幅提升。金刚石电子器件的耗能将是现在使用的器件的1/3-1/5。超高频大功率金刚石电子器件(微波、毫米波雷达):可用在火控武器系统、雷达、高速无线通信、火箭及航空航天等领域。可替代现在使用的行波管,使得武器系统和通信系统更加小型化和可靠性的大幅提高,大幅提高通信系统的数据传输速率,大幅降低卫星及其它航天器的重量、发射成本和抗辐照能力。应用于集成电路芯片:开发基于金刚石的下一代集成电路芯片,彻底解决集成电路散热瓶颈问题,使得集成电路更加大规模化,更加高速化。金刚石紫外LED、LD:可使用在环保与医用杀菌,高密度数据储存等方面。DNA等生物传感器:利用金刚石与生物细胞的亲和性及其生物传感器的高灵敏性,开发各种金刚石生物传感器;同时,也可以制成生物武器探测器等。日盲紫外探测器和超快粒子辐射闪烁体探测器:应用于导弹制导与预警、深空x光通信。6.其他的电子器件和传感器。2.战斗机和其他武器系统的抗高能微波及耐磨视窗材料:利用金刚石的远红外到深紫外的高透光特性,高导热特性以及高强度特性,可以制成高功率微波武器的窗口、长程导胆窗口和探测器的窗口。3.超硬材料工具方面:金刚石具有最高的导热率和杨氏模量,是迄今为止最硬的物质,这就使得金刚石在刀具等工具行业里有着广泛的应用。比如美国苹果公司的iPhone手机的加工就需要用到大量的单晶金刚石,还有石油勘探所用钻头,精密加工刀头,手术刀等等。4.微波等离子体CVD设备:以上几个方面的大量应用就需要用到MPCVD设备。因此,在金刚石电子器件,军工市场展开之后,MPCVD的需求也会大幅攀升。5.电力电子器件(宽紧带、耐高压、抗击穿)6.培育钻石

技术创新性:采用等晶面及镶嵌拼凑融合的方法形成一套大面积单晶金刚石生长的工艺规范,可生产1英寸(25.4х25.4mm)以上单晶金刚石衬底及薄膜产品。获得采用克隆技术量产大面积单晶金刚石的整体技术。

市场前景及应用:按照日本相关公司的预测,随着金刚石半导体的发展,在2030年,中国的市场规模达到100亿美元。由于金刚石生产中的主要成本是甲烷、氢气和消耗电力的费用,成本较低,经济效益显著。团队拥有MPCVD设备全套自主知识产权,且制造出的单晶金刚石衬底材料,功率密度已超越日本、意大利等国家,在尺寸上,该团队可提供厘米级(1cm*1cm)产品,也为国际先进水平。国际上虽然有英寸级、2英寸级产品出现,但仍处于科研实验阶段,产量极低,无法产业化应用。

技术成熟度:技术成熟、可产业化。

 

233号技术成果

成果名称:城市生活垃圾全资源无害化综合处理技术

项目编号:A-7-021999-0

技术领域:节能环保

成果详情:我国城市生活垃圾构成主要表现为:有机物增加,可燃物增多,塑料增多,可回收利用物增多,可利用价值增大。当前我国城市生活垃圾种类的多样化,主要构成为:有机物(塑料、厨余、果皮、草木、动物尸体等)、无机物(灰土、砖陶等不可回收物);废铁、纸类、金属、织物及玻璃等可回收物;有毒有害废物:电池、废旧电子元件等。生活垃圾主要特点:成分复杂、各种垃圾混合、袋中套袋,难于分类。经过西安交通大学几年来科技攻关,结合当今国际上先进的垃圾处理工艺和我国实际的垃圾处理现状,我们研究总结出一套完整、有效的城市生活垃圾全资源再生利用方案,简单地说就是把上述三种工艺通过我们的技术有机的结合起来,形成一条封闭、安全、环保、有经济效益的处理工艺链,为解决垃圾处理的“资源化”、“无害化”、“减量化”要求,提供了一条切实可行的操作方案。

技术创新性和领先性:西安交通大学垃圾综合处理六大系统:1.机械化前综合分选处理系统;2.有机物动态无臭好氧堆肥系统;3.有机塑料分选、再生循环利用系统;4.废气、废水净化处理系统;5.可回收金属、重金属回收系统;6.可燃有机物无害化裂解系统。垃圾分选,可将垃圾变成均匀流体,采用多相流、异比重分选技术,内置破袋设施(破袋率达99%以上);破袋后使用鼓风,气固液三相流动进行分选。城市垃圾全资源无害化综合处理技术,该技术有效的解决了城市生活垃圾处理的世界性难题,实现了垃圾资源的回收和最大程度的循环再利用。彻底解决了白色(垃圾塑料)污染对人类造成的危害,实现城市生活垃圾处理的减量化、资源化、无害化和垃圾再利用经济效益最大化。

技术成熟度:中试

合作方式:授权(许可)

 

234号技术成果

 

成果名称:油田油泥原油清洁回收与残渣焚烧技术

项目编号:A-7-021998-0

技术领域:节能环保

成果详情:油田油泥、含聚油泥属于危险废物,产量巨大,泄漏后对环境、生态会造成严重污染。本技术开发了油田油泥以及含聚油泥的热化学转化原油回收以及无害化处理技术。该工艺采用清洁热裂解技术耦合残渣焚烧工艺实现对油泥中原油组分的回收利用。热裂解产生高热值可燃热解气可以作为燃气储备。热裂后产生的固体残渣被送至焚烧炉,并辅以热解气进行焚烧处理,从而达到高效燃烧去除残留污染物的目的,热裂解过程以及残渣焚烧过程全部采用高温除尘技术,完全可以实现气化尾气洁净排放,烟气颗粒物粒径<1.5nm。热裂解过程可回收高品质柴油类产品,残渣中油分含量<0.1%。整个工艺无任何废水产生。

技术创新性和领先性:1.高效热裂解原油回收技术。完全实现含油污泥的深度快速油品回收。2.裂解残渣的焚烧技术,实现利用油泥自身热量实现热裂解过程的能量供给。3.高温除尘技术可以实现热解焚烧过程的可燃气体以及烟气的热态净化,大大降低后续处理成本。

市场前景及应用:油田油泥处理,罐底油泥处理、海上油泥处理。

合作要求:1.有独立承担民事责任能力的企业法人,具有良好的信誉基础和积极向上的事业。2.有相应的投资能力,并且具备一定的市场开拓能力。3.有一定的启动资金和市场经验,具备较强的品牌经营意识。

 

235号技术成果

 

成果名称:二噁英重金属近零排放的生活垃圾气化及飞灰熔融技术

项目编号:A-7-021997-0

技术领域:节能环保

成果详情:我国每年城市生活垃圾清运量超过2亿吨,且每年增长约8%-10%,到2020年预计可达2.5亿吨,中国城市生活垃圾无害化处理能力逐年提高,官方数据显示2016年大中城市生活垃圾无害化率已超过90%,但我国农村部分,无害化率仅为60%。垃圾处理面临占用土地、资源浪费、环境污染等问题。当前我国城市垃圾处理仍然以填埋为主,但以焚烧技术为代表的能源化利用技术增长很快。该技术伴随着设备投资高、产生强致癌剧毒物质、重金属污染、工艺优化不足等缺陷,急需探寻其他方法。该项技术利用气化熔融技术原理,对垃圾进行减容减量处理,处理后体积减小90%以上,大大降低填埋场的压力。气化熔融技术真正做到垃圾的无害化处理,可以做到二噁英、重金属污染物的超低排放,环保性能大大优于目前的垃圾焚烧技术,消除公众抵触情绪,易于推广。本研发团队针对我国生活垃圾能源化利用领域的一系列技术瓶颈问题展开攻关,形成了多项具有自主知识产权的关键技术,目前在本领域已经获得国家发明专利授权19项,国际发明专利授权2项。本团队基于城市生活垃圾流化床气化的实验研究成果,针对我国垃圾特点,自主研发了12t/d,50t/d的生活垃圾气化及飞灰熔融技术一体化工艺方案。

技术创新性和领先性:1.针对我国垃圾特点:高含水率、成分复杂、热值较低。2.有机结合垃圾前处理技术:挤压脱水、筛分、分选。3.充分利用气化熔融过程中产生的余热、余气、余渣,保证处理过程的经济性。4.通过系统工艺优化及多种环保技术相结合,保证处理过程的环境友好。5.二噁英排放值<0.05-0.005ng-TEQ/Nm3,大大低于新国标0.1 ngTEQ/Nm3重金属熔渣重金属浸出率。6.熔渣重金属浸出率各项指标在国家标准的1/10以内。7.硫、氯、氮等污染物排放均达到国家标准。

市场前景及应用:“十三五”期间我国环保总投资将达到17万亿元以上,固废处理行业投资将达4万亿元。根据统计年鉴推算:2018年,全国产生城市垃圾约2.3亿吨;逐年增长速度4%-5%,以处理规模为100t/d的垃圾处理设施为例,垃圾气化熔融装置需求至少在2000套以上。全国668座大中城市,2856个县级单位,假设平均每个城市需要2个垃圾处理设施,平均每个县城需0.5个垃圾处理设施,除去全国已有垃圾处理设施627个,则垃圾处理设施还需2000套以上。假设垃圾处理成本约180元,处理补贴约120元,每吨垃圾的发电量约550千瓦时/吨,电价约为0.65元/千瓦时,装置年运行330天,则日处理量100吨的垃圾气化及飞灰熔融项目可获得年收益约968万元,约4年可收回投资成本,现有垃圾焚烧项目的投资回收期普遍在8-10年。而随着装置规模的增大,发电效率和吨单位投资成本会进一步下降,可进一步缩短投资回收期。

技术成熟度:工程样机

 

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