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科研思维方法课件本讲稿第一页，共二十九页只有躺在墓地的人才没有任何问题，所以没有问题往往就是最大的问题。如果你某一天发现自己没有任何问题了，那也就说明你真的离墓地不远了。有问题并不可怕，可怕的是没有解决问题的信心和勇气。科研的目标正是要解决人类在认识和改造自然的过程中所遇到的问题。本讲稿第二页，共二十九页超高致密度ZAO陶瓷靶材的制备与研究本讲稿第三页，共二十九页课题相关背景介绍ZAO（ZnO掺杂Al2O3）是一种透明导电氧化物材料（简称TCO：Transparent conductive Oxide)目前TCO薄膜材料的主流产品是ITO（氧化铟掺杂氧化锡）本讲稿第四页，共二十九页TCO薄膜广阔的市场前景 透明电极1）平面显示器。（）平面显示器。（LCD、ELD、ECD）2）摄像元件。3）太阳能电池的窗电极。4）图象传感器。5）利用液晶的遮光玻璃。6）输入画面用开关：接触式画屏。防静电膜仪表的窗口。面发热膜1）防雾防霜用玻璃。2）取暖用嵌板散热器。红外线反射膜1）节能用红外线遮断膜。2）电炉、干燥箱的观测孔。选择透射膜太阳光聚热器。电磁波屏避本讲稿第五页，共二十九页ZAO薄膜的优势（相对于ITO）透明导电薄膜市场巨大，ITO（铟锡氧化物）独霸天下，但有致命弱点：成本高铟是稀有金属；靶材难以烧结，制靶成本高。与ITO相比，ZAO具有明显的优点：1）低廉成本;2）无毒；3）在氢等离子环境中有更好的稳定性；4）在室温制备薄膜条件下，薄膜性能比 ITO优异。ZAO是ITO的理想替代品。本讲稿第六页，共二十九页TCO薄膜的制备工艺流程薄膜的制备方法有很多种，对于导电薄膜常用磁控溅射的方法。原料粉体压制成型烧结成靶材磁控溅射成膜本讲稿第七页，共二十九页工艺路线的选择ITO靶材的工艺路线：粉体冷等静压热等静压从尽量降低成本，提高ZAO竞争优势的角度出发，成型工艺选择单向冷压工艺，烧结工艺选择无压烧结。在降低成本的同时，也加大了课题的难度本讲稿第八页，共二十九页问题的转换大问题转化为小问题复杂的问题转化为关键性的问题（在复杂多变的因素中找到关键因素）功能性的问题转化为结构性的问题（结构决定功能）抽象的问题转化为具体的问题（安排实验的方法）具体的问题转化为抽象的问题（理论升华的方法，写论文的方法）本讲稿第九页，共二十九页本课题问题的转化ZAO薄膜功能上的关键要素？1）导电性能 2）透光性能这些性能和靶材的哪些结构参数有关？1）掺杂比 2）烧成靶材的致密度本讲稿第十页，共二十九页问题聚焦聚焦于关键问题，聚焦是突破的前提。对于ZAO靶材，掺杂比的问题已经基本上解决（前面研究生的工作），目前存在的问题就是如何提高靶材的致密度。所以问题转化为如何通过无压烧结工艺获得高致密度或超高致密度ZAO陶瓷靶材？本讲稿第十一页，共二十九页烧结的几个基本过程烧结过程的划分和各个阶段的烧结行为烧结初期颗粒间形成接触；烧结颈长大（颈长）烧结中期连通孔洞闭合；孔洞圆化；孔洞收缩；致密化 烧结后期孔洞粗化；晶粒长大 本讲稿第十二页，共二十九页ZAO烧结过程及其特征700度SEM本讲稿第十三页，共二十九页 1000度SEM本讲稿第十四页，共二十九页1200度SEM本讲稿第十五页，共二十九页1300度SEM本讲稿第十六页，共二十九页对比中发现问题 ZnO断面SEM图 ZAO断面SEM图ZnO:晶粒形状较为规则，晶界也较为明显 ZAO:晶粒形状不太明显且不规则，晶界较窄而不明显，孔洞分布不均 如何解释这一差异？本讲稿第十七页，共二十九页努力去解释这些问题查阅现有的资料，发现现有烧结理论的整个理论框架是建立在单相粉体烧结的基础上的，其典型的模型是双球烧结模型。(见下一页)本讲稿第十八页，共二十九页双球颈长模型球球颈长模型 本讲稿第十九页，共二十九页发现传统烧结理论的缺陷适合解释单相粉体的烧结过程：同步均匀的颈长，从而产生相对均匀微观结构。无法解释多相粉体的烧结过程：无法解释掺杂材料在烧结过程中的作用。本讲稿第二十页，共二十九页提出新模型的必要性对于多相粉体，是否也像单相粉体一样，各个颗粒之间几乎同时颈长，同时长大？从上面给出的两张SEM照片里面，我们不难得出答案。本讲稿第二十一页，共二十九页试图用去解决这些问题 a b c d 球桥球模型本讲稿第二十二页，共二十九页运用模型对现象的解释对ZAO 和ZnO微观形貌差异的解释：1）ZAO晶粒形状不规则：富Al2O3区快速颈长造成ZAO坯体各个部分颈长不均匀。2）ZAO孔洞分布不均匀，大小不均匀：富Al2O3区孔洞迅速消除；缺Al2O3区气孔不易消除。本讲稿第二十三页，共二十九页升华自己提出的问题对于实验过程中发现的问题不要轻易的丢弃，有些看似与你目前从事的课题无关的一些问题，可能蕴藏着更大的价值。如果对这个烧结模型深入的研究下去（比如进行烧结动力学的研究），很可能在此基础上建立多相粉体烧结理论（这也是理论上的创新）本讲稿第二十四页，共二十九页对于新模型的运用运用新发现的模型，重新审查ZAO的烧结过程，就会发现靶材致密度不高的根本原因在于：Al2O3颗粒在微观上的不均匀分布 Al2O3和ZnO的百分含量悬殊，而颗粒粒径差不多，这样就造成它们在数量上的巨大差异。新的思路：改变Al2O3的粒径，采用纳米粉体掺杂。本讲稿第二十五页，共二十九页纳米掺杂后的颈长模型a 氧化铝颗粒在坯体中的 均匀分布 b 整个坯体同步均匀 的烧结本讲稿第二十六页，共二十九页良好的实验结果 设计前所得靶材SEM图 设计后所得靶材SEM图 设计前，靶材的相对密度最高能到94.8左右；设计后，所得靶材的相对密度能达到99.8。本讲稿第二十七页，共二十九页总结及体会努力的发现问题对比和比较的思维方法往往是发现问题的利器如何发现具有创新价值的问题1）努力寻找实验现象和现有理论之间的 矛盾点。2）注意旧有理论的假设条件。3）摆脱“目标”定势，要注意看似与目标 不相干的问题。本讲稿第二十八页，共二十九页如何解决问题想方设法的转化问题；善于抓住关键问题（生命中的“大石块”，“0”和“1”的区别）然后聚焦于关键问题，加以突破。目标思维方式和思维定势注意阶段性目标和最终目标的区别（守财奴的形成原因）；只注意阶段性目标容易导致思维定势，注意变通:变则通，通则达。(淘金的故事)本讲稿第二十九页，共二十九页