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PVD纳米涂层:探寻涂层技术的应用
来源: | 作者:admin | 发布时间: 2024-03-28 | 43 次浏览 | 分享到:

PVD纳米涂层介绍

物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD),是当前国际上广泛应用的先进表面处理技术,属于镀膜技术的一种。其工作原理就是在真空条件下,利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化,在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时,把蒸发物或其反应物沉积在基底上。它具有沉积速度快和表面清洁的特点,特别具有膜层附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等特点。


PVD工艺对环境无不利影响,符合现代绿色制造的发展方向。PVD纳米涂层技术可使工件表面硬度提高、耐高温、防腐蚀等特点,现在以广泛应用于航空航天、飞机汽车制造,医疗行业等领域。在刀具、模具、零配件、紧固件等各种工件模具上也有广泛的运用,以此增加模具的使用寿命,提高生产效率。


经过涂层处理后的工具和精密元件,其性能将提高几个数量级,通过以下几种优势体现:

(1)在更小尺寸和更轻重量的情况下实现更高的性能;

(2)延长使用寿命和提高工作可靠性;

(3)以替代材料取代昂贵的特殊材料;

(4)降低润滑剂消耗和保养成本;

(5)在无润滑运行时提供保护;

(6)提高耐腐蚀性。


PVD三种主流生产工艺

1、蒸镀(evaporative PVD)

2、溅镀(sputtering PVD)

3、离子镀(ion plating PVD)

不同方法的选择主要取决于产品用途与应用场景。


(1)蒸镀:在真空条件下,采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料(或称膜料)并使之气化,粒子飞至基片表面凝聚成膜。但是应用受限,因为蒸镀不适用高溶点材料(如钼,钨),低硬度材料(如非金属材料),以及非导电材料等。


(2)溅镀:原理是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原发生碰撞,电离出大量的氩离子和电子,电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶材。原子沉积到基层表面形成膜层。特点为颗粒细小(溅射镀膜因离化方式的不同,使之形成的膜层颗粒细小,可用于光学级别镀膜)、镀层均匀(溅射镀膜因颗粒细,缓慢沉积再配合适当装载方式可实现高精度镀膜)、结合力高(相对于传统镀膜,与基体间的结合力高)。


(3)离子镀:是蒸镀和溅镀结合的一种镀膜技术,原理采用电弧放电的方法,在固体的阴极靶材上直接蒸发金属,蒸发物是从阴极弧光辉点放出的阴极物质的离子,从而在基材表面沉积成为薄膜。特点是生产效率高(在PVD技术中,对于硬质涂层来讲,电弧涂层可在保证涂层结合力的前提条件下,最短时间内完成工艺)、附着性高(电弧镀膜,单个离子能量高,涂层可牢固的沉积在基材表面,难以剥离,远超过常规化学涂覆以及电学涂覆)、工艺稳定(电弧镀膜因工艺技术成熟,设备可靠性高,在制备涂层,尤其是复合涂层上可实现精确的控制,品质可靠)。


PVD三种主流生产工艺对比

PVD纳米涂层材料(靶材)介绍

PVD纳米涂层材料指的是PVD镀膜的过程中使用的涂层材料(即前文中提到的“靶材”或“膜料”,PVD coating materials),是髙速荷能粒子轰击的目标材料,在不同PVD工艺条件下溅射在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。


PVD涂层靶材不同类型

(1)按靶材形状分类:常见的靶材多为平面靶材,形状有方靶、圆靶等,靶材均为实心。平面靶材的优点是结构简单、通用性强、膜层均匀性和重复性好。但是在镀膜作业中,圆环形的永磁体在靶材的表面产生的磁场为环形,会发生不均匀冲蚀现象,溅射的薄膜厚度均匀性不佳,靶材的使用效率大约只有20%~30%。另一种靶材的形状为空心管靶(也被称为旋转靶材),可绕固定的条状磁铁组件一定周期旋转运动,360°靶面可被均匀刻蚀,优势明显,将利用率提高到80%。缺点是涂覆大面积膜层时,膜层表面的均匀性较差。


(2)按靶材材质分类:

PVD靶材材质分类


(3)按靶材应用领域分类:

PVD靶材应用领域分类


(4)常见靶材种类及参数示例

常见靶材种类及参数示例


常见PVD涂层参数类型及单位

(1)维氏硬度:

用来描述PVD涂层的表面硬度,单位为HV,数值越高代表表面硬度越高。


(2)摩擦系数:

用来描述PVD涂层的表面粗糙程度,数值越低代表涂层表面越光滑。


(3)涂层厚度:

单位为μm。与涂层的性能(耐磨性、耐腐蚀性等)相关。


(4)适用工作温度:

单位为℃,跟靶材的原料有关,限制拥有PVD涂层的工件的适用场合。


(5)涂层生成温度:

单位为℃,跟靶材的原料有关,限制适用的基底材质类型。如果涂层生成温度大于基底材质的熔点,则靶材与基底不匹配。


(6)内应力:

当没有外力作用时,物体内部所存在的应力就是内应力,单位为(GPa)。PVD涂层中的内应力限制了涂层的厚度。如果内应力产生的单位体积弹性能超过单位面积断裂能,涂层就会脱落。


(7)外观颜色:

涂层应用冷却后显示出的颜色。


涂层技术(coating)是材料表面科学中的一项重要技术,是一种通过物理或化学的方法在基体材料表面实现一层或多层功能涂层的沉积过程,俗称镀膜。在经济快速发展以及技术创新推动下,我国芯片、光伏高新技术产业获得快速发展,随着市场需求不断释放,溅射靶材行业规模将进一步扩大。在应用需求带动下,我国溅射靶材市场规模不断扩大。



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