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薄膜沉积扩散形成的数值研究

金艳梅  
【摘要】: 薄膜沉积、扩散和形成过程中液滴的形成、与基体的接触碰撞以及在基体表面的扩展问题涉及到复杂的流体形态变化,难以处理,是微尺度流体力学研究中的一个前沿课题。为了深入了解液滴形成以及在基体表面扩展的详细过程,并分析缺陷产生对产品质量可能产生的影响,本文采用数值模拟方法研究了液滴形成并连续滴落的过程,以及利用不同的涂覆方法,液滴在各种类型基面上沉积扩展的问题。主要研究内容为: 1、数值分析了旋涂覆中不同尺寸平整基体上薄膜的形成过程。分析了在重力和离心力的作用下,涂覆溶液从滴落到基体表面,到扩展覆盖至整个基体的过程。研究了基体旋转速度、涂覆溶液的体积、表面张力系数和黏度等参数对涂覆过程及涂覆质量的影响。通过计算发现,基体旋转速度、表面张力系数和黏度系数对薄膜的形成时间和质量都有较为明显的影响。基体旋转速度对薄膜厚度影响较大,当其线性增加并且增速较慢时形成的薄膜更为均匀。当溶液的黏度大于20cp之时,薄膜表面的压力呈现极不稳定状态,此时易于出现褶皱等缺陷。 2、数值分析了非平整倾斜基体上薄膜的形成过程,深入地了解了薄膜形成过程中自由表面的流动机理特性。研究表明:涂覆溶液的表面张力系数对特殊形态周围区域的溶液扩展具有非常大的影响,较大的表面张力系数会产生很大的阻碍作用,不利于薄膜的形成,此区域为缺陷的多发区域;溶液的黏度大小关系着壁面附近边界层区域的形成,当边界层区域的速度梯度小到零时容易发生边界层脱离现象;溶液的流量对薄膜的形成同样具有重要的影响,溶液的流量越大,在基体表面的扩展速度越快,容易形成连续的薄膜,最终的薄膜厚度较大,但是流量的大小对于特殊形态处的自由表面形状并没有太大的影响。 3、数值分析了喷涂中连续液滴在毛细管中的形成脱落以及在不同类型基面撞击并扩展的过程。研究发现:流量的变化对液滴的形状、体积和形成时间影响较大;压力的变化对液滴的形成具有明显的影响;环境温度的变化对液滴形成时间以及体积影响微弱。液滴连续滴落于基体时,在液滴与基体碰撞的瞬间,由于剧烈的接触,接触点会出现压强的突变。基体不同,撞击所产生的压强变化也不同。薄膜基体上接触点处的压强要明显小于固体基体,但由于液滴的滴落破坏了薄膜原有的稳定性,容易导致薄膜缺陷的出现。


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