一种靶材的制备方法
技术领域
本发明涉及靶材的制备技术领域，具体涉及一种靶材的制备方法。
背景技术
随着煤、石油、天然气等能源日益枯竭，以及环境污染日益加剧，人们迫切需要寻找清洁可再生新能源。作为地球无限可再生的无污染能源—太阳能，其应用日益引起人们的关注，因而将太阳能转化为电能的太阳能电池的研制开发得到了迅速发展。目前以商品化的晶体硅太阳能电池的光电转化效率最高，但受材料纯度和制备工艺限制，晶体硅太阳能电池成本高，且很难再提高转化效率或降低成本。
而薄膜太阳能电池只需几微米的厚度就能实现光电转换，是降低成本和提高光子循环的理想材料。其中，铜铟镓(CIG)材料由于能降为1.1eV，适于太阳光的光电转换，且CIG薄膜太阳电池不存在光致衰退问题，因此，CIG用作高转换效率薄膜太阳能电池材料引起了人们的高度重视。目前CIG旋转靶材的制备主要通过采用雾化法制备一定粒径的合金粉，再通过大气喷涂或者冷喷涂来实现粉末沉积在背衬管上，然后按图纸要求机加工到合格尺寸。但这种工艺存在如下局限性：
1)喷涂工艺粉末利用率低、成本高昂。
2)喷涂法工序繁杂，生产周期长。
3)喷涂法生产的铜铟镓靶材致密度低，存在孔隙，一般密度只有80-90％。
4)喷涂法生产过程中粉末容易氧化，造成无法精确把控合金元素实际含量比。
5)喷涂法不可控性因素多，喷嘴容易堵塞。
6)由于喷涂存在内应力，无法制备过厚尺寸旋转靶材，一般只能在6-10mm左右。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中旋转靶材生产过程中粉末利用率低、生产周期长、靶材密度、纯度较低的问题，从而提供一种靶材的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种靶材的制备方法，包括如下步骤：
将粉末填充到模具中，通过振动使粉末在模具内填充密实；
对填充密实后的粉末层进行热等静压烧结，然后进行后处理，得到所述靶材。
在本发明的一个具体实施方式中，所述填充密实后的粉末层的堆积密度为3.5-4.5g/cm3。
在本发明的一个具体实施方式中，所述振动包括旋转和震动。
在本发明的一个具体实施方式中，所述粉末为铜粉、铟粉和镓粉的混合粉末；所述靶材为旋转靶材。
在本发明的一个具体实施方式中，所述热等静压烧结的温度为450-650℃，和/或所述热等静压烧结的压力为80-150MPa，和/或所述热等静压烧结的时间1-3h。
在本发明的一个具体实施方式中，所述振动通过以下方式实现：将填充有粉末的所述模具安装在旋转震动底座上，通过所述旋转震动底座来带动所述模具中的粉末振动。
在本发明的一个具体实施方式中，所述模具包括：
筒体；
衬管，所述衬管设于所述筒体内部，且与所述筒体的底板相配合；所述衬管与所述筒体形成环状空间，所述环状空间用于容纳所述粉末；
盖板，所述盖板固定于所述筒体的上方，用于密封所述环状空间。
在本发明的一个具体实施方式中，所述筒体的底板具有与旋转震动底座相配合的定位部件；和/或，所述模具还包括实心轴，所述实心轴以可拆卸的方式内套于所述衬管内，且所述实心轴的外壁与所述衬管的内壁相贴合；可选地，所述实心轴为石墨实心轴。
在本发明的一个具体实施方式中，所述将粉末填充到模具中的步骤包括：将所述粉末加入到所述模具的环状空间内，然后使用所述盖板将所述环状空间封闭。
在本发明的一个具体实施方式中，所述后处理包括降温工序和机加工工序。
在本发明的一个具体实施方式中，所述热等静压烧结是在非活泼性气体下进行的。可选的，所述非活泼性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或多种。
本发明的有益效果：
本发明将粉末填充到模具中，通过振动使粉末在模具内填充密实；对填充密实后的粉末层进行热等静压烧结，然后进行后处理，得到成品靶材，其成品靶材的密度可达98％。本发明所述靶材的制备方法工序简便，衬管与靶材直接一体化等静压成型，实现了批量生产，一炉次可制成多根管靶材，大大缩短生产周期。由于铜铟镓粉末完全沉积且直接静压成圆柱体，大大降低了生产成本，提高了粉末利用率。本发明所述制备方法可制备任意成分比例及尺寸的旋转靶材，不会引入杂质、避免了铜铟镓粉末被氧化，提高了产品成分及纯度，优化了产品性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为靶材模具装置示意图。
图2为靶材制备装置示意图。
1、模具，2、衬管，3、筒体，4、环状空间，5、底板，6、盖板，7、旋转震动底座，8、实心轴，9、连接部件，10、烧结装置，11、第一侧壁，12、第一发热体，13、第一隔热板，14、第二侧壁，15、第二发热体，16、第二隔热板，17、上壁，18、下壁，19、第三隔热板，20、第四隔热板，21、石墨板，22、加热内腔，23、连接配件。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
一种靶材的制备方法，包括如下步骤：
将粉末填充到模具1中，通过振动使粉末在模具1内填充密实；
对填充密实后的粉末层进行热等静压烧结，然后进行后处理，得到所述靶材。
本发明将粉末填充到模具1中，通过振动使粉末在模具1内填充密实；对填充密实后的粉末层进行热等静压烧结，然后进行后处理，得到成品靶材，其成品靶材的密度可达98％。本发明所述靶材的制备方法工序简便，衬管与靶材直接一体化等静压成型，实现了批量生产，一炉次可制成多根管靶材，大大缩短生产周期。由于铜铟镓粉末完全沉积且直接静压成圆柱体，大大降低了生产成本，提高了粉末利用率。本发明所述制备方法可制备任意成分比例及尺寸的旋转靶材，不会引入杂质、避免了铜铟镓粉末被氧化，提高了产品成分及纯度，优化了产品性能。
在本发明的一个具体实施方式中，所述填充密实后的粉末层的堆积密度为3.5-4.5g/cm3。在此密度区间内，对粉末层进行真空烧结，进一步提高了靶材的致密度和粉末利用率。
在本发明的一个具体实施方式中，所述振动包括旋转和震动。通过旋转和震动使粉末层更为密实，使其达到较优堆积密度，更有利于进一步的真空烧结，使靶材的致密度和粉末利用率进一步提高。
在本发明的一个具体实施方式中，所述粉末为铜粉、铟粉和镓粉的混合粉末；所述靶材为旋转靶材。
在本发明的一个具体实施方式中，所述热等静压烧结的温度为450-650℃，和/或所述热等静压烧结的压力为80-150MPa，和/或所述热等静压烧结的时间1-3h。在此热等静压烧结的条件下，进一步提高了成品靶材的致密度和粉末利用率。
在本发明的一个具体实施方式中，所述振动通过以下方式实现：将填充有粉末的所述模具1安装在旋转震动底座7上，通过所述旋转震动底座7来带动所述模具中的粉末振动。所述旋转震动底座7同时具有旋转和震动的作用，使得粉末填充更为密实。
在本发明的一个具体实施方式中，所述模具1包括：
筒体3；
衬管2，所述衬管2设于所述筒体3内部，且与所述筒体3的底板5相配合；所述衬管2与所述筒体3形成环状空间4，所述环状空间4用于容纳所述粉末；
盖板6，所述盖板6固定于所述筒体3的上方，用于密封所述环状空间4。
在本发明的一个具体实施方式中，所述筒体3的底板5具有与旋转震动底座7相配合的定位部件；和/或，所述模具1还包括实心轴8，所述实心轴8以可拆卸的方式内套于所述衬管2内，且所述实心轴8的外壁与所述衬管2的内壁相贴合；可选地，所述实心轴8为石墨实心轴。
在本发明的一个具体实施方式中，所述将粉末填充到模具1中的步骤包括：将所述粉末加入到所述模具1的环状空间4内，然后使用所述盖板6将所述环状空间4封闭。
在本发明的一个具体实施方式中，所述后处理包括降温工序和机加工工序。通过降温工序将热等静压烧结后的模具1进行降温，通过机加工工序将降温后得到的靶材粗胚加工成成品靶材。具体的，热等静压烧结后的模具1降温后，拆掉包围在衬管2周围的筒体，移除石墨实心轴，得到衬管2外表面覆有粉末层的靶材粗胚，将靶材粗胚通过机加工制备成任意尺寸的成品靶材。
在本发明的一个具体实施方式中，所述热等静压烧结是在非活泼性气体下进行的。在本发明中所述非活泼性气体包括但不限于氮气、氩气、氦气，所述热等静压烧结是在非活泼性气体下进行，防止铜铟镓粉末被空气中的氧气所氧化，提高了产品的纯度。
本发明实施例还提供一种靶材模具1，如图1所示，包括：
筒体3；
衬管2，所述衬管2设于所述筒体3内部，且与所述筒体3的底板5相配合；所述衬管2与所述筒体3形成环状空间4，所述环状空间4用于容纳粉末；
盖板6，所述盖板6固定于所述筒体3的上方，用于密封所述环状空间4。
本发明实施例提供的靶材模具1，通过将铜铟镓粉末填装于所述环状空间4中，在衬管2外表面形成一层铜铟镓粉末层，由于铜铟镓粉末完全沉积且直接静压成圆柱体，大大降低了生产成本，提高了粉末利用率。应用本发明提供的装置可制备任意成分比例及尺寸的旋转靶材，不会引入杂质、避免了铜铟镓粉末被氧化，提高了产品成分及纯度，优化了产品性能。
在本发明的一些实施例中，所述筒体3的底板5具有与旋转震动底座7相配合的定位部件。本实施例对所述定位部件不做具体限定，只要能达到使所述模具1和旋转震动底座7进行固定连接的效果即可，本实施例通过旋转震动底座7对所述模具1内的铜铟镓粉末进行震动充实，以形成铜铟镓粉末层。可选地，所述定位部件可为相互配合的卡扣或螺栓。
在本发明的一些实施例中，所述模具1还包括实心轴8，所述实心轴8以可拆卸的方式内套于所述衬管2内，且所述实心轴8的外壁与所述衬管2的内壁相贴合。本实施例中所述实心轴8用来支撑所述衬管2。可选地，所述实心轴8为石墨实心轴。可选地，所述石墨为三高石墨。本发明利用三高石墨作为石墨实心轴，更有利于脱模。
在本发明的一些实施例中，对筒体3和衬管2的材质没有特别的限定，只要不损害本发明的效果可任意选择；可选地，所述筒体3的材质为不锈钢，所述衬管2的材质包括不锈钢或钛。
在本发明的一些实施例中，所述盖板6上固定连接有连接部件9。本实施例对连接部件9没有特别的限定，只要不损害本发明的效果可任意选择。可选地，所述连接装置可为挂钩、卡扣、螺栓等装置，例如，在盖板6上固定连接有挂钩，与烧结装置进行连接，以使所述模具1悬浮于烧结装置的加热内腔内。
在本发明的一些实施例中，所述粉末包括铜铟镓粉末。
本发明还提供一种靶材制备装置，本发明所述靶材制备装置可应用于所述靶材的制备方法中，如图2所示，包括：烧结装置10，所述烧结装置10内具有加热内腔22，上述所述的模具1置于所述加热内腔22内。具体的，烧结装置10可为等静压烧结炉。
本发明通过将模具1置于加热内腔22内，进行真空烧结，最终得到的成品铜铟镓靶材，其铜铟镓粉末层的密度可达98％。应用本发明提供的装置制备铜铟镓靶材，工序简便，背衬管与靶材直接一体化等静压成型，实现了批量生产，一炉次可制成多根管靶材，大大缩短生产周期。
在本发明的一些实施例中，所述加热内腔22的内壁上设有连接配件23，用于与所述模具1的盖板6上的连接部件9相配合。所述连接配件23没有特别的限定，只要不损害本发明的效果可任意选择。可选地，所述连接配件23可为挂钩、卡扣、螺栓、圆环等装置。
在本发明的一些实施例中，所述靶材包括铜铟镓靶材。所述铜铟镓靶材可为铜铟镓旋转靶材。
在本发明的一些实施例中，还包括，
第一发热体12，靠近所述加热内腔22的第一侧壁11设置于所述加热内腔22内；
第二发热体15，靠近与所述第一侧壁11相对的所述加热内腔22的第二侧壁14设置于所述加热内腔22内，当进行烧结时，所述靶材模具1放置于所述第一侧壁11与第二侧壁14之间。
在本发明的一些实施例中，还包括，
第一隔热板13，设置于所述第一侧壁11与第一发热体12之间，且位于所述加热内腔22内；
第二隔热板16，设置于所述第二侧壁14与第二发热体15之间，且位于所述加热内腔22内。
本发明通过第一发热体12和第二发热体15对加热内腔22进行升温，通过第一隔热板13和第二隔热板16防止加热内腔22中的热量散失。
在本发明的一些实施例中，还包括，
第三隔热板19，设置于所述加热内腔22的下壁18，且位于所述加热内腔22内；
第四隔热板20，设置于所述加热内腔22的上壁17，且位于所述加热内腔22内。
本发明所述的上壁17、下壁18、第一侧壁11和第二侧壁14通过螺钉、卡扣等装置连接形成所述加热内腔22。
在本发明的一些实施例中，所述第一发热体12、第二发热体15设置于所述第三隔热板19上，使热量不易通过所述加热内腔22的下壁18散失；
所述第一隔热板13、第二隔热板16设置于所述加热内腔22的下壁18上。
在本发明的一些实施例中，还包括，
石墨板21，设置于所述第三隔热板19上，且位于所述加热内腔22内。所述石墨板21作为承压磨具用来压缩靶材模具。
本发明所述靶材的制备装置，首先将衬管2安装到旋转震动底座7上，然后用筒体3将衬管2包围在所述筒体3内，所述筒体3下端封焊，在筒体3内壁与衬管2外表面形成一个上端开口的环状空间4，将铜铟镓粉末从环状空间4的上端开口处填装入环状空间4中，震动充实后形成铜铟镓粉末层，将筒体3上端封焊；所述衬管2内填充石墨作为石墨实心轴8。将封焊后的上述装置从旋转震动底座7上拆下，然后悬挂在所述烧结装置10中进行热等静压烧结，热等静压烧结后降温，拆掉包围在衬管2外面的筒体3，移除石墨实心轴8，得到衬管2外表面覆有铜铟镓粉末层的靶材粗胚，将靶材粗胚通过机加工得到成品铜铟镓靶材。应用本发明提供的装置制备铜铟镓靶材，工序简便，衬管与靶材直接一体化等静压成型，实现了批量生产，一炉次可制成多根管靶材，大大缩短生产周期。由于铜铟镓粉末完全沉积且直接静压成圆柱体，大大降低了生产成本，提高了粉末利用率。应用本发明提供的装置可制备任意成分比例及尺寸的旋转靶材，不会引入杂质、避免了铜铟镓粉末被氧化，提高了产品成分及纯度，优化了产品性能。
以下将以不同的实施例来说明本发明的方案。
实施例一
本实施例提供一种铜铟镓靶材的制备方法，包括如下步骤：
1)将不锈钢背衬管安装在旋转震动底座上，用不锈钢筒体将所述不锈钢背衬管包围在所述不锈钢筒体内，所述不锈钢筒体下端封焊，在不锈钢筒体内壁与不锈钢背衬管外表面形成一个上端开口的环状空间，将铜铟镓粉末从环状空间的上端开口处填装入环状空间中，振动充实后形成铜铟镓粉末层，将不锈钢筒体上端封焊；所述背衬管内填充三高石墨作为石墨实心轴；所述铜铟镓粉末层的堆积密度为3.5-4.5g/cm3；
2)将封焊后的上述装置从旋转震动底座上拆下，然后悬挂在等静压烧结炉内进行热等静压烧结，所述等静压烧结炉内通入氮气，热等静压烧结后降温，拆掉包围在不锈钢背衬管外面的筒体，移除石墨实心轴，得到衬管外表面覆有铜铟镓粉末层的靶材粗胚；所述热等静压烧结温度为450℃，热等静压烧结压力为150MPa，热等静压烧结时间为1h；
3)将靶材粗胚通过机加工得到成品铜铟镓靶材。
经测试，通过本实施例方法得到的成品铜铟镓靶材其密度为6.73-6.82g/cm3，纯度为99.999％-99.9999％，其铜铟镓粉末利用率相比喷涂法提高了30-40％。
实施例二
本实施例提供一种铜铟镓靶材的制备方法，包括如下步骤：
1)将不锈钢背衬管安装在旋转震动底座上，用不锈钢筒体将所述不锈钢背衬管包围在所述不锈钢筒体内，所述不锈钢筒体下端封焊，在不锈钢筒体内壁与不锈钢背衬管外表面形成一个上端开口的环状空间，将铜铟镓粉末从环状空间的上端开口处填装入环状空间中，振动充实后形成铜铟镓粉末层，将不锈钢筒体上端封焊；所述背衬管内填充三高石墨作为石墨实心轴；所述铜铟镓粉末层的堆积密度为3.5-4.5g/cm3；
2)将封焊后的上述装置从旋转震动底座上拆下，然后悬挂在等静压烧结炉内进行热等静压烧结，所述等静压烧结炉内通入氩气，热等静压烧结后降温，拆掉包围在不锈钢背衬管外面的筒体，移除石墨实心轴，得到衬管外表面覆有铜铟镓粉末层的靶材粗胚；所述热等静压烧结温度为650℃，热等静压烧结压力为80MPa，热等静压烧结时间为3h；
3)将靶材粗胚通过机加工得到成品铜铟镓靶材。
经测试，通过本实施例方法得到的成品铜铟镓靶材其密度为6.80-6.93g/cm3，纯度为99.999％-99.9999％，其铜铟镓粉末利用率相比喷涂法提高了35-45％。
实施例三
本实施例提供一种铜铟镓靶材的制备方法，包括如下步骤：
1)将不锈钢背衬管安装在旋转震动底座上，用不锈钢筒体将所述不锈钢背衬管包围在所述不锈钢筒体内，所述不锈钢筒体下端封焊，在不锈钢筒体内壁与不锈钢背衬管外表面形成一个上端开口的环状空间，将铜铟镓粉末从环状空间的上端开口处填装入环状空间中，振动充实后形成铜铟镓粉末层，将不锈钢筒体上端封焊；所述背衬管内填充三高石墨作为石墨实心轴；所述铜铟镓粉末层的堆积密度为3.5-4.5g/cm3；
2)将封焊后的上述装置从旋转震动底座上拆下，然后悬挂在等静压烧结炉内进行热等静压烧结，所述等静压烧结炉内通入氮气，热等静压烧结后降温，拆掉包围在不锈钢背衬管外面的筒体，移除石墨实心轴，得到衬管外表面覆有铜铟镓粉末层的靶材粗胚；所述热等静压烧结温度为500℃，热等静压烧结压力为120MPa，热等静压烧结时间为2h；
3)将靶材粗胚通过机加工得到成品铜铟镓靶材。
经测试，通过本实施例方法得到的成品铜铟镓靶材其密度为6.92-7.09g/cm3，纯度为99.999％-99.9999％，其铜铟镓粉末利用率相比喷涂法提高了40-55％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
