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一种低温高效制备石墨烯增强基复合钎料的方法

阅读:778发布:2023-02-15

专利汇可以提供一种低温高效制备石墨烯增强基复合钎料的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种低温高效制备 石墨 烯增强 铜 基复合钎料的方法,本 发明 涉及制备 石墨烯 增强铜基复合钎料的方法。本发明要解决传统方法制备石墨烯增强铜基复合钎料时存在的石墨烯分散性差、表面 缺陷 多、制备 温度 高及效率低的问题。方法:将铜粉置于 等离子体 增强 化学气相沉积 真空 装置中,通入氢气,并在高温下保温,再通入氩气和 碳 源气体进行沉积,沉积结束后,停止通入碳源气体,最后冷却至室温以下,得到石墨烯/铜 复合粉末 ,再将 金属粉末 或 合金 粉末与石墨烯/铜复合粉末混合均匀,即得到石墨烯增强铜基复合钎料。本发明用于一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法。,下面是一种低温高效制备石墨烯增强基复合钎料的方法专利的具体信息内容。

1.一种低温高效制备石墨烯增强基复合钎料的方法,其特征在于是按照以下步骤进行的:
一、将铜粉置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中,抽真空至压强为5Pa以下,以气体流量为18sccm~22sccm通入氢气,调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为190Pa~210Pa,并在压强为190Pa~210Pa和氢气气氛下40min内将温度升温至为500℃~700℃,并在温度为500℃~700℃下保温25min~35min;
二、通入氩气和源气体,调节氢气的气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm、碳源气体的气体流量为1sccm~8sccm,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为800Pa~1000Pa,然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为190W~210W、压强为800Pa~1000Pa和温度为500℃~700℃条件下进行沉积,沉积时间为10s~300s,沉积结束后,关闭射频电源和加热电源,停止通入碳源气体,继续以氢气的气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm通入氢气和氩气,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为150Pa~200Pa,在压强为150Pa~200Pa和氢气及氩气气氛下从温度为500℃~700℃冷却至室温,即得到石墨烯/铜复合粉末
三、将金属粉末合金粉末与步骤二制备的石墨烯/铜复合粉末放入球磨机中,进行研磨并搅拌至粉体混合均匀,即得到石墨烯增强铜基复合钎料。
2.根据权利要求1所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,其特征在于步骤一中所述的铜粉纯度为99%~99.99%,颗粒直径为100nm~100μm。
3.根据权利要求1所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,其特征在于步骤二中所述的碳源气体为甲烷。
4.根据权利要求1所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,其特征在于步骤三中所述的金属粉末纯度为99%~99.99%,颗粒直径为100nm~100μm;所述的合金粉末纯度为99%~99.99%,颗粒直径为100nm~100μm。
5.根据权利要求1所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,其特征在于步骤三中所述的金属粉末为Sn粉末、Ag粉末或Mn粉末。
6.根据权利要求1所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,其特征在于步骤三中所述的合金粉末为Sn-Ag粉末或Ag-Zn粉末。

说明书全文

一种低温高效制备石墨烯增强基复合钎料的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法。

背景技术

[0002] 钎焊是三大焊接方法(熔焊、压焊、钎焊)的一种,主要是采用比母材熔点低的金属材料作钎料,将焊件和钎料加热到高于钎料熔点,低于母材熔化温度,利用液态钎料润湿母材,填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。在机械、电机、仪表、电子技术等诸多领域都有着广泛应用。钎焊接头的强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性等性能指标都与钎料有着直接关系,在钎料中添加颗粒、纤维、层片等增强体可以有效改善钎焊接头性能。随着科学技术的不断发展,纳米材料(如纳米颗粒、纳米线、纳米片等)作为增强体增强钎料已成为焊接领域的研究热点。
[0003] 石墨烯是一种由原子构成的单层片状结构的新材料。由于石墨烯结构的特殊性,与其他材料相比,石墨烯具有出色的电学性能、热学性能以及机械性能。在电子器件、复合材料及电化学储能材料等诸多方面展现出巨大的应用前景。已有研究证明,在Sn-Ag-Cu钎料中加入0.1%的化还原方法制备的石墨烯片可显著提高钎料的润湿性能及学性能。由此可见,石墨烯在强化钎料、提高钎料性能等方面具有广阔的应用前景。
[0004] 目前,石墨烯常用的制备方法有机械剥离法、氧化还原石墨法、化学气相沉积法等三种方法。机械剥离法制备出的石墨烯质量高,但是工艺复杂,产率低,难以实际应用。氧化还原石墨法虽然具有成本低、产量大等特点,但工艺较复杂,石墨烯结构破坏严重、表面缺陷极多,电学和力学等性能较差。化学气相沉积法制备的石墨烯尺寸大、缺陷少,但制备温度较高且时间长、效率低,难以实际应用。
[0005] 由于石墨烯材料的制备工艺限制,导致了石墨烯增强复合钎料的制备方法中,存在两个难点:(1)石墨烯分散性问题,传统机械球磨难以实现石墨烯在复合钎料中的均匀分散,常通过表面化学改性方法实现石墨烯的均匀分散,工艺较复杂。(2)石墨烯结构缺陷问题,根据实际制备工艺要求及添加量需求,常采用氧化还原石墨法获得的石墨烯,为此复合钎料中石墨烯结构缺陷较多。由于在较高温度下,结构破损的石墨烯极易与复合钎料中活性元素相互反应,限制了石墨烯材料在复合钎料中的广泛应用。

发明内容

[0006] 本发明要解决传统方法制备石墨烯增强铜基复合钎料时存在的石墨烯分散性差、表面缺陷多、制备温度高及效率低的问题,而提供一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法。
[0007] 一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,具体是按照以下步骤进行的:
[0008] 一、将铜粉置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中,抽真空至压强为5Pa以下,以气体流量为18sccm~22sccm通入氢气,调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为190Pa~210Pa,并在压强为190Pa~210Pa和氢气气氛下40min内将温度升温至为500℃~700℃,并在温度为500℃~700℃下保温25min~35min;
[0009] 二、通入氩气和碳源气体,调节氢气的气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm、碳源气体的气体流量为1sccm~8sccm,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为800Pa~1000Pa,然后在沉积系统射频电源频率
13.56MHz、射频功率为190W~210W、压强为800Pa~1000Pa和温度为500℃~700℃条件下进行沉积,沉积时间为10s~300s,沉积结束后,关闭射频电源和加热电源,停止通入碳源气体,继续以氢气的气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm通入氢气和氩气,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为150Pa~200Pa,在压强为150Pa~200Pa和氢气及氩气气氛下从温度为500℃~700℃冷却至室温,即得到石墨烯/铜复合粉末
[0010] 三、将金属粉末合金粉末与步骤二制备的石墨烯/铜复合粉末放入球磨机中,进行研磨并搅拌至粉体混合均匀,即得到石墨烯增强铜基复合钎料。
[0011] 本发明的有益效果是:1、本发明利用等离子增强化学气相沉积法(PECVD),通过射频作用可以将碳源(CH4)非常快速的分解成具有相高活性的碳基团,经过金属催化剂的催化反应就可以短时间的在金属表面生长出石墨烯。即可实现低温有效的在Cu粉表面生长出石墨烯。
[0012] 2、本发明利用等离子增强射频作用,不仅避免了高温热解碳源气体,而且也大幅度提高碳源气体(CH4)的分解效率,即通入少量的碳源气体(CH4)也会产生大量的活性碳基团,从而有效降低了制备温度、提高了制备效率。
[0013] 3、本发明的方法简单,高效,低成本,便于工业化生产,制备出的石墨烯增强铜基复合钎料中石墨烯的质量高且均匀分散,可以有效提高铜基复合钎料的性能。
[0014] 本发明用于一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法。附图说明
[0015] 图1为实施例一中石墨烯/铜复合粉末的拉曼光谱图;1为D峰;2为G峰;3为2D峰;
[0016] 图2为实施例一中石墨烯转移到SiO2/Si基底的光学显微镜图;
[0017] 图3为实施例一中石墨烯转移到SiO2/Si基底的拉曼光谱图;1为D峰;2为G峰;3为2D峰。

具体实施方式

[0018] 本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式,还包括各具体实施方式之间的任意组合。
[0019] 具体实施方式一:本实施方式所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,具体是按照以下步骤进行的:
[0020] 一、将铜粉置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中,抽真空至压强为5Pa以下,以气体流量为18sccm~22sccm通入氢气,调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为190Pa~210Pa,并在压强为190Pa~210Pa和氢气气氛下40min内将温度升温至为500℃~700℃,并在温度为500℃~700℃下保温25min~35min;
[0021] 二、通入氩气和碳源气体,调节氢气的气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm、碳源气体的气体流量为1sccm~8sccm,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为800Pa~1000Pa,然后在沉积系统射频电源频率为
13.56MHz、射频功率为190W~210W、压强为800Pa~1000Pa和温度为500℃~700℃条件下进行沉积,沉积时间为10s~300s,沉积结束后,关闭射频电源和加热电源,停止通入碳源气体,继续以氢气的气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm通入氢气和氩气,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为150Pa~200Pa,在压强为150Pa~200Pa和氢气及氩气气氛下从温度为500℃~700℃冷却至室温,即得到石墨烯/铜复合粉末;
[0022] 三、将金属粉末或合金粉末与步骤二制备的石墨烯/铜复合粉末放入球磨机中,进行研磨并搅拌至粉体混合均匀,即得到石墨烯增强铜基复合钎料。
[0023] 本实施方式中的所涉及到的低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的基本原理:利用等离子增强化学气相沉积法(PECVD),通过射频作用可以将碳源(CH4)非常快速的分解成碳基团,这些碳基团有非常高的活性,经过金属催化剂的催化反应就可以短时间的在金属表面生长出石墨烯。另外由于射频作用,不仅避免了高温热解碳源气体,而且也大幅度提高碳源气体(CH4)的分解效率,即通入少量的碳源气体(CH4)也会产生大量的活性碳基团,从而有效降低了制备温度、提高了制备效率。本发明所选用铜作为基体,由于碳原子在铜中的溶解度相对较低,故可以通过碳原子吸附自限制的方式生长石墨烯,此种方式形成的石墨烯不仅质量高,而且分散性好。应用这种方法制备的石墨烯增强铜粉末来制作铜基复合钎料,可使复合钎料获得一系列优秀的性质。
[0024] 本实施方式的有益效果是:1、本实施方式利用等离子增强化学气相沉积法(PECVD),通过射频作用可以将碳源(CH4)非常快速的分解成具有相高活性的碳基团,经过金属催化剂的催化反应就可以短时间的在金属表面生长出石墨烯。即可实现低温有效的在Cu粉表面生长出石墨烯。
[0025] 2、本实施方式利用等离子增强射频作用,不仅避免了高温热解碳源气体,而且也大幅度提高碳源气体(CH4)的分解效率,即通入少量的碳源气体(CH4)也会产生大量的活性碳基团,从而有效降低了制备温度、提高了制备效率。
[0026] 3、本实施方式的方法简单,高效,低成本,便于工业化生产,制备出的石墨烯增强铜基复合钎料中石墨烯的质量高且均匀分散,可以有效提高铜基复合钎料的性能。
[0027] 具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中所述的铜粉纯度为99%~99.99%,颗粒直径为100nm~100μm。其它与具体实施方式一相同。
[0028] 具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是:步骤二中所述的碳源气体为甲烷。其它与具体实施方式一或二相同。
[0029] 具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤三中所述的金属粉末纯度为99%~99.99%,颗粒直径为100nm~100μm;所述的合金粉末纯度为99%~99.99%,颗粒直径为100nm~100μm。其它与具体实施方式一至三相同。
[0030] 具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤三中所述的金属粉末为Sn粉末、Ag粉末、P粉末或Mn粉末。其它与具体实施方式一至四相同。
[0031] 具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤三中所述的合金粉末为Sn-Ag粉末或Ag-Zn粉末。其它与具体实施方式一至五相同。
[0032] 采用以下实施例验证本发明的有益效果:
[0033] 实施例一:
[0034] 本实施例所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,具体是按照以下步骤进行的:
[0035] 一、将铜粉置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中,抽真空至压强为5Pa以下,以气体流量为20sccm通入氢气,调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,并在压强为200Pa和氢气气氛下40min内将温度升温至为600℃,并在温度为600℃下保温30min;
[0036] 二、通入氩气和CH4,调节氢气气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm及CH4气体流量为2sccm,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为1000Pa,然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为200W、压强为1000Pa和温度为600℃条件下进行沉积,沉积时间为60s,沉积结束后,关闭射频电源和加热电源,停止通入碳源气体,继续以氢气气体流量为40sccm及氩气气体流量为80sccm通入氩气和氢气,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,在压强为200Pa和氢气及氩气气氛下从温度为600℃冷却至室温,即得到石墨烯/铜复合粉末;
[0037] 三、将金属Sn粉末与步骤二制备的石墨烯/铜复合粉末放入球磨机中,进行研磨并搅拌45min至粉体混合均匀,即得到石墨烯增强铜基复合钎料。
[0038] 步骤一中所述的铜粉纯度为99.9%~99.95%,颗粒直径为300目。
[0039] 步骤三中所述的金属Sn粉末纯度为99.95%,颗粒直径为300目。
[0040] 实施例一中制备出的石墨烯/铜复合粉末的拉曼光谱图如图1所示,1为D峰;2为G峰;3为2D峰;激光波长为488nm;由图可知说明获得的材料质量好;
[0041] 对于石墨烯的光学显微镜观测只能将石墨烯转移到SiO2/Si基体上,石墨烯转移到SiO2/Si基底的光学显微镜图如2所述,石墨烯转移到SiO2/Si基底的拉曼光谱图如图3所述,1为D峰;2为G峰;3为2D峰;可知转移之后没有明显的质量缺陷,尺寸均一,转移之前也没有,方便转移也是PECVD法的优势之一。
[0042] 制备出的石墨烯增强铜基复合钎料中石墨烯的质量高且均匀分散,可以有效提高铜基复合钎料的性能。
[0043] 实施例二:
[0044] 本实施例所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,具体是按照以下步骤进行的:
[0045] 一、将铜粉置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中,抽真空至压强为5Pa以下,以气体流量为20sccm通入氢气,调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,并在压强为200Pa和氢气气氛下40min内将温度升温至为500℃,并在温度为500℃下保温30min;
[0046] 二、通入氩气和CH4,调节氢气气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm及CH4气体流量为2sccm,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为1000Pa,然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为200W、压强为1000Pa和温度为500℃条件下进行沉积,沉积时间为90s,沉积结束后,关闭射频电源和加热电源,停止通入碳源气体,继续以氢气气体流量为40sccm及氩气气体流量为80sccm通入氩气和氢气,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,在压强为200Pa和氢气及氩气气氛下从温度为500℃冷却至室温,即得到石墨烯/铜复合粉末;
[0047] 三、将金属Sn粉末与步骤二制备的石墨烯/铜复合粉末放入球磨机中,进行研磨并搅拌45min至粉体混合均匀,即得到石墨烯增强铜基复合钎料。
[0048] 步骤一中所述的铜粉纯度为99.9%~99.95%,颗粒直径为300目。
[0049] 步骤三中所述的金属Sn粉末纯度为99.95%,颗粒直径为300目。
[0050] 本实施例制备出的石墨烯/铜复合粉末中石墨烯尺寸均一,缺陷很少,石墨烯大部分为1-3层。
[0051] 制备出的石墨烯增强铜基复合钎料中石墨烯的质量高且均匀分散,可以有效提高铜基复合钎料的性能。
[0052] 实施例三:
[0053] 本实施例所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,具体是按照以下步骤进行的:
[0054] 一、将铜粉置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中,抽真空至压强为5Pa以下,以气体流量为20sccm通入氢气,调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,并在压强为200Pa和氢气气氛下40min内将温度升温至为600℃,并在温度为600℃下保温30min;
[0055] 二、通入氩气和CH4,调节氢气气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm及CH4气体流量为8sccm,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为1000Pa,然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为200W、压强为1000Pa和温度为600℃条件下进行沉积,沉积时间为10s,沉积结束后,关闭射频电源和加热电源,停止通入碳源气体,继续以氢气气体流量为40sccm及氩气气体流量为80sccm通入氩气和氢气,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,在压强为200Pa和氢气及氩气气氛下从温度为600℃冷却至室温,即得到石墨烯/铜复合粉末;
[0056] 三、将金属Sn粉末与步骤二制备的石墨烯/铜复合粉末放入球磨机中,进行研磨并搅拌45min至粉体混合均匀,即得到石墨烯增强铜基复合钎料。
[0057] 步骤一中所述的铜粉纯度为99.9%~99.95%,颗粒直径为300目。
[0058] 步骤三中所述的金属Sn粉末纯度为99.95%,颗粒直径为300目。
[0059] 本实施例制备出的石墨烯/铜复合粉末中石墨烯尺寸均一,缺陷很少,石墨烯大部分为1-3层。
[0060] 制备出的石墨烯增强铜基复合钎料中石墨烯的质量高且均匀分散,可以有效提高铜基复合钎料的性能。
[0061] 实施例四:
[0062] 本实施例所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,具体是按照以下步骤进行的:
[0063] 一、将铜粉置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中,抽真空至压强为5Pa以下,以气体流量为20sccm通入氢气,调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,并在压强为200Pa和氢气气氛下40min内将温度升温至为600℃,并在温度为600℃下保温30min;
[0064] 二、通入氩气和CH4,调节氢气气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm及CH4气体流量为8sccm,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为1000Pa,然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为200W、压强为1000Pa和温度为600℃条件下进行沉积,沉积时间为30s,沉积结束后,关闭射频电源和加热电源,停止通入碳源气体,继续以氢气气体流量为40sccm及氩气气体流量为80sccm通入氩气和氢气,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,在压强为200Pa和氢气及氩气气氛下从温度为600℃冷却至室温,即得到石墨烯/铜复合粉末;
[0065] 三、将金属Ag粉末与步骤二制备的石墨烯/铜复合粉末放入球磨机中,进行研磨并搅拌45min至粉体混合均匀,即得到石墨烯增强铜基复合钎料。
[0066] 步骤一中所述的铜粉纯度为99.9%~99.95%,颗粒直径为300目。
[0067] 步骤三中所述的金属Ag粉末纯度为99.95%,颗粒直径为300目。
[0068] 本实施例中制备出的石墨烯/铜复合粉末中石墨烯尺寸均一,缺陷较少,石墨烯大部分为3-5层。
[0069] 制备出的石墨烯增强铜基复合钎料中石墨烯的质量高且均匀分散,可以有效提高铜基复合钎料的性能。
[0070] 实施例五:
[0071] 本实施例所述的一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法,具体是按照以下步骤进行的:
[0072] 一、将铜粉置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中,抽真空至压强为5Pa以下,以气体流量为20sccm通入氢气,调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,并在压强为200Pa和氢气气氛下40min内将温度升温至为700℃,并在温度为700℃下保温30min;
[0073] 二、通入氩气和CH4,调节氢气气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm及CH4气体流量为8sccm,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为1000Pa,然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为200W、压强为1000Pa和温度为700℃条件下进行沉积,沉积时间为30s,沉积结束后,关闭射频电源和加热电源,停止通入碳源气体,继续以氢气气体流量为40sccm及氩气气体流量为80sccm通入氩气和氢气,并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa,在压强为200Pa和氢气及氩气气氛下从温度为700℃冷却至室温,即得到石墨烯/铜复合粉末;
[0074] 三、将金属Ag粉末与步骤二制备的石墨烯/铜复合粉末放入球磨机中,进行研磨并搅拌45min至粉体混合均匀,即得到石墨烯增强铜基复合钎料。
[0075] 步骤一中所述的铜粉纯度为99.9%~99.95%,颗粒直径为300目。
[0076] 步骤三中所述的金属Ag粉末纯度为99.95%,颗粒直径为300目。
[0077] 本实施例制备出的石墨烯/铜复合粉末中石墨烯尺寸均一,缺陷少,石墨烯大部分为3层以上。
[0078] 制备出的石墨烯增强铜基复合钎料中石墨烯的质量高且均匀分散,可以有效提高铜基复合钎料的性能。
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