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离子镀膜行业发展(离子镀膜行业发展现状)

2024-05-20 4230 0 评论 行业观察


  

本文目录

  

  1. 离子镀膜法的目的
  2. 表面处理行业未来发展方向
  3. 光学薄膜的制备技术及发展前景

1、多弧离子镀作为物理气相沉积技术的一个分支,是在真空蒸镀和真空溅射的基础上发展起来的一门新型涂层制备技术,也称为真空弧光蒸镀法,它把真空电弧放电用于电弧蒸发源。由于多弧离子镀技术具有沉积速率高、涂层附着力好、涂层致密、操作方便等特点,因此在材料表面改性领域得到了广泛应用。1963年Mattox提出并首次使用了离子镀技术;1972年Bunshah等开发出活性反应蒸镀(ARE)技术;1973年Mulayama等发明了射频激励法离子镀;20世纪80年代,离子镀已成为世界范围内的一项高新技术产业,主要产品有高速钢和硬质合金工具上的TiN、TiAlN耐磨层和TiN仿金装饰涂层。1982年美国Multi-arc公司首先推出多弧离子镀商品化设备,1986年我国开始了多弧离子镀设备的生产。20世纪90年代,离子镀技术取得了长足的进步,与80年代相比,离子镀设备和工艺都有了重大的改进。近年来,国内外根据不同使用要求,制造了各种离子镀膜机设备,有些已达到工业生产水平。以下主要介绍多弧离子镀技术的工作原理、特点、工艺参数和研究进展,以及多弧离子镀膜技术在切削刀具涂层中的应用。

  

2、多弧离子镀技术的工作原理主要基于冷阴极真空弧光放电理论。图1为多弧离子镀工作原理示意图,点燃真空电弧后,阴极靶材表面上出现一些不连续、大小和形状多样、明亮的斑点,它们在阴极表面迅速地做不规则的游动,一些斑点熄灭时又有些斑点在其他部位形成,维持电弧的燃烧。阴极斑点的电流密度达104~105A/cm2,并且以1000m/s的速度发射金属蒸气,其中每发射10个电子就可发射1个金属原子,然后这些原子再被电离成能量很高的正离子(如Ti+),正离子在真空室内运行时与其他离子结合(如与N-形成TiN),沉积在工件表面形成涂层。

  

3、图2为真空弧光放电示意图,真空弧光放电理论认为电量的迁移主要借助于场电子发射和正离子电流,这两种机制同时存在,而且相互制约。在放电过程中,阴极材料大量蒸发,这些蒸发原子产生的正离子在阴极表面附近很短的距离内产生极强的电场,在这样强的电场作用下,电子足以能直接从金属的费米能级逸出到真空,产生所谓的“场电子发射”。

  

4、多弧离子镀过程的突出特点在于它能产生由高度离化的被蒸发材料组成的等离子体,其中离子具有很高的动能。蒸发、离化、加速都集中在阴极斑点及其附近很小的区域内。其特点如下:

  

5、(1)最显著的特点是从阴极直接产生等离子体。

  

6、(2)入射粒子能量高,涂层的致密度高,强度和耐久性好。

  

7、(3)离化率高,一般可达60%~80%。

  

8、(5)设备较为简单,采用低电压电源工作比较安全。

  

9、(6)一弧多用,电弧既是蒸发源和离化源,又是加热源和离子溅射清洗的离子源。

  

10、(7)外加磁场可以改善电弧放电,使电弧细碎,细化涂层微粒,增加带电粒子的速率,并可以改善阴极靶面刻蚀的均匀性,提高靶材的利用率。

  

11、多弧离子镀设备一般比较简单,整个设备主要由真空镀膜室、弧源、真空获得系统、偏压源等几大部分组成。弧源是多弧离子镀设备的关键部件,现在国内一般使用小弧源,直径为60~80mm,厚度为直径的1/2。少数离子镀膜机采用柱状弧源设计,一台镀膜机只装一个柱状弧源于真空室中央,工件置于四周。国外有些离子镀膜机使用大弧源,直径达100mm,厚度约为直径的1/4,一台镀膜机上装有12~32个弧源,待镀工件置于真空室中央。丹普公司正积极地和国内外的企业和科研院所展开技术合作。并且已经在一些比较常用的镀膜应用领域取得了可喜的成果,镀膜涂层工艺可以制备具有高硬度、热稳定性和化学稳定性的氧化铝涂层,技术可制备许多物理气相沉积涂层,如TiN、TiCN、AlTiN、AlTiSiN、CrN和DLC等。

  

传统表面技术,随着科学技术进步而不断创新。电弧喷涂方面,发展了高速电弧喷涂,使喷涂质量大大提高。等离子喷涂方面,已研究出射频感应藕合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、用三阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂。电刷镀方面研究出摩擦电喷镀及复合电刷镀技术。涂装技术方面开发出了粉末涂料技术。粘结技术方面,开发了高性能环保型粘结技术、纳米胶粘结技术、微胶囊技术。高能束应用方面发展了激光或电子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技术。离子注入方面,继强流氮离子注入技术之后,又研究出强流金属离子注入技术金属等离子体浸没注入技术。解决产品表面工程问题时,新兴表面技术与传统表面技术相互补充,为表面工程工作者提供了宽广选择余地。

  

单一表面技术发展同时,综合运用两种或多种表面技术复合表面技术有了迅速发展。复合表面技术通过多种工艺或技术协同效应使工件材料表面体系技术指标、可靠性、寿命、质量经济性等方面获得最佳效果,克服了单一表面技术存局限性,解决了一系列工业关键技术高新技术发展特殊技术问题。强调多种表面工程技术复合,表面工程重要特色之一。

  

表面工程大量任务使零件、构件表面延缓腐蚀、减少磨损、延长疲劳寿命。随着工业发展,治理这3种失效之外提出了许多特殊表面功能要求。例如舰船上甲板需要有防滑涂层,现代装备需要有隐身涂层,军队官兵需要防激光致盲镀膜眼镜,太阳能取暖发电设备需要高效吸热涂层光电转换涂层,录音机需要有磁记录镀膜、不沾锅需要有氟树脂涂层、建筑业玻璃幕墙需要有阳光控制膜等等。制备功能涂层方面,表面工程也可大显身手,做出自己贡献。

  

表面涂层材料表面技术解决工程问题重要物质基础。当前发展涂层新材料,有些单独配制或熔炼而成,有些则表面技术加工过程形成,后一类涂层材料诞生,进一步显示了表面工程特殊功能。

  

表面工程已经机械产品、信息产品、家电产品建筑装饰获得富有成效应用。但其深度广度仍很不够,不了解不应用表面工程单位产品仍很普遍。

  

表面工程优越性潜效益仍未很好发挥,需要做大量宣传推广工作。我国已经加入世贸组织,通过推广应用表面工程提高产品质量,降低生产成本,改进产品包装,增强市场竞争力,也应主要举措之一。

  

表面工程生物工程延伸已引起了人们注意,前景十分广阔。如髋关节表面修补,最常用复合材料超高密度高分子聚乙烯上再镀钴铬合金,使用寿命可达15~25年,近些年又发展了羟基磷灰石(简称HAP)材料,它一种重要生物活性材料,与骨骼、牙齿无机成分极为相似,具有良好生物相容性,埋入人体后易与新生骨结合。但HAP材料脆性大,有学者就用表面工程技术使HAP粒子与金属Ni共沉积不锈钢基体上,实现了牢固结合。

  

随着专业化生产方式变革人们环保意识增强,现呼吁表面处理向原材料制造业转移,这也一个重要动向。

  

倍受家用电器厂家欢迎预涂型彩色钢板,它金属材料表面涂上一层有机材料新品种,具有有机材料耐腐蚀、色彩鲜艳等特点,同时又具有金属材料强度高、可成型等特点,只须对其作适当剪切、弯曲、冲压连接即可制成多种产品外壳,不仅简化了加工工序,也减少了家用电器厂家加工设备投资,成为制作家用电器外壳极佳材料。

  

汽车制造业表面加工任务很重,呼吁表面工程由现汽车制造厂家处理,变为原材料制造时就同时进行出厂前主动处理。这种变革不表面处理任务简单转移,更重要一种节能、节材、有利环保举措。它可以简化除油、除锈工序,还可以利用轧钢后余热,降低能耗。西欧一些国家钢厂,就对半成品进行表面处理,如热处理、热浸镀、磷化、钝化等。

  

新型军用飞机研制过程,先进胶粘技术、特种热处理技术、表面改性技术、薄膜技术以及涂层技术都发挥了重要作用。吸波材料研制成功为装备隐形提供了重要物质基础。

  

长江三峡工程,与其说土木工程,不如说钢铁工程,大坝全长2309.47m钢铁结构闸门就占全长72%。三峡工程,所有机械设备、金属结构、水工闸门以及隧洞、桥梁、公路、码头、储运设备都离不开表面工程。国家科技攻关项目,如“六五”、“七五”、“八五”“九五”攻关项目安排上以及三峡工程重新论证设计审查,表面工程应用始终一项研究讨论重要课题之一。从表面技术涂覆材料选择、喷涂工艺制定到表面电化学保护等,都三峡重大装备研制项目占有重要地位。

  

近年来纳米材料技术正以令人吃惊速度迅猛发展。迄今研究以纳米粉末制作为主,但越来越倍受关注纳米材料结构化问题。众所周知,特殊表面性能纳米材料重要独特性能之一。表面工程无论工艺方法应用领域方面都与纳米材料技术有着不可分割密切联系。

  

传统电刷镀溶液,加入纳米粉体材料。可以制备出性能优异纳米复合镀层。传统机油添加剂,加入纳米粉体材料,可以提高减摩性能并具有良好自修复性能。

  

因此可以说表面工程促进纳米技术,特别纳米材料结构化发展主力军之一。

  

20世纪全球经济高速发展,与此同时,对自然资源任意开发对环境无偿利用造成全球生态破坏、资源浪费短缺、环境污染等重大问题。其机电产品制造业最大资源使用者,也最大环境污染源之一。为解决这一时代课题,再制造工程应运而生。

  

再制造工程技术属绿色先进制造技术,对先进制造技术补充发展。报废产品再制造其产品全寿命周期管理延伸创新,实现可持续发展重要技术途径,再制造产业可带来新经济增长点新兴产业。

  

表面工程再制造关键之一,起着基础性作用。可以说没有表面工程,实现不了再制造。

  

机械设备经长期使用出现功耗增大、振动加剧、严重泄漏、维修费用过高,一般应该列为报废。这些现象发生都零件磨损、腐蚀、变形、老化,甚至出现裂纹这些失效结果所造成。磨损零件表面发生,腐蚀从零件表面开始,疲劳裂纹由表面向内延伸,老化零件表面与介质反应结果,即使变形,也表现为表面相对位置错移。所以“症结”都表面问题。对这些问题,表面工程可以大显身手。

  

表面处理时,自动化程度最高汽车行业微电子行业。以神龙汽车公司车身涂装线为例,涂装工艺采用三涂层体系(3C3B),即电泳低漆涂层、间涂层、面漆涂层,涂层总厚度为110~130μm,涂装厂房为三层,一层为辅助设备层,二层为工艺层,三层为空调机组层,厂房全封闭式,通过空调系统调节工艺层内温度湿度,并始终保持室内对环境微正压,保持室内清洁度,各工序间自动控制,流水作业,确保涂装高质量。

  

随着机器人自动控制技术发展,其他表面技术施工(如热喷涂)实现自动化智能化已为期不远。

  

从宏观上讲,表面工程对节能、节材、环境保护有重大效能,但对具体表面技术,如涂装、电镀、热处理等均有“三废”排放问题,仍会造成一定程度污染。现,有氰电镀已经基本上被无氰电镀所代替,一些有利于环保镀液相继被研制出来。当前,表面工程领域,提出了封闭循环,达到零排放,实现“三废”综合利用目标。至于一些小企业,距上述奋斗目标相距很远。总来看,表面工程工作者降低对环保负面效应方面,仍任重而艰巨。

  

光学薄膜技术是一门交叉性很强的学科,它涉及到光电技术、真空技术、材料科学、精密机械制造、计算机技术、自动控制技术等领域。光学薄膜是一类重要的光学元件,它广泛地应用于现代光学光电子学、光学工程以及其他相关的科学技术领域。它不仅能改善系统性能(如减反、滤波),而且是满足设计目标的必要手段。光学薄膜可分光透射,分光反射,分光吸收以及改变光的偏振状态或相位,用作各种反射膜,增透膜和干涉滤光片,它们赋予光学元件各种使用性能,对光学仪器的质量起着重要或决定性的作用。

  

科学家曾经预言21世纪是光子世纪。21世纪初光电子技术迅速发展,光学薄膜器件的应用向着性能要求和技术难度更高、应用范围和知识领域更广、器件种类和需求数量更多的方向迅猛发展。光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用,光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。

  

光学薄膜可以采用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和化学液相沉积(CLD)三种技术来制备。

  

PVD需要使用真空镀膜机,制造成本高,但膜层厚度可以精确控制,膜层强度好,目前已被广泛采用。在PVD法中,根据膜料气化方式的不同,又分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。其中,光学薄膜主要采用热蒸发及离子辅助镀技术制造,溅射及离子镀技术用于光学薄膜制造的工艺是近几年才开始的。

  

光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造,此方法简单、经济、操作方便。尽管光学薄膜制备技术得到长足发展,但是真空热蒸发依然是最主要的沉积手段,当然热蒸发技术本身也随着科学技术的发展与时俱进。在真空室中,加热蒸发容器中待形成膜的原材料,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸汽流,入射到固体(称为衬底或基片)表面,凝结形成固态薄膜的方法。

  

热蒸发的三种基本过程:由凝聚相转变为气相的相变过程;气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输,即这些粒子在环境气氛中的飞行过程;蒸发原子或分子在基片表面的沉积过程。

  

溅射指用高速正离子轰击膜料表面,通过动量传递,使其分子或原子获得足

离子镀膜行业发展(离子镀膜行业发展现状)

  

够的动能而从靶表面逸出(溅射),在被镀件表面凝聚成膜。

  

与蒸发镀膜相比,其优点是:膜层在基片上的附着力强,膜层纯度高,可同时溅射不同成分的合金膜或化合物;缺点是:需制备专用膜料靶,靶利用率低。

  

溅射的方式有三种:二级溅射、三级/四级溅射、射频溅射。

  

离子镀兼有热蒸发的高成膜速率和溅射高能离子轰击获得致密膜层的双优效果,离子镀膜层附着力强、致密。离子镀常见类型:蒸发源和离化方式。

  

a、膜附着力强。这是由注入和溅射所致。

  

b、绕镀性好。原理上,电力线所到之处皆可镀上膜层,有利于面形复杂零件膜层的镀制。

  

c、膜层致密。溅射破坏了膜层柱状结构的形成。

  

d、成膜速率高。与热蒸发的成膜速率相当。

  

e、可在任何材料的工作上镀膜。绝缘体可施加高频电场。

  

在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器—离子源,产生离子束,在热蒸发进行的同时,用离子束轰击正在生长的膜层,形成致密均匀结构(聚集密度接近于1),使膜层的稳定性提高,达到改善膜层光学和机械性能。

  

离子辅助镀技术与离子镀技术相比,薄膜的光学性能更佳,膜层的吸收减少,波长漂移极小,牢固度好,该技术适合室温基底和二氧化锆、二氧化钛等高熔点氧化物薄膜的镀制,也适合变密度薄膜、优质分光镜和高性能滤光片的镀制。

  

化学气相沉积就是利用气态先驱反应物,通过原子、分子间化学反应的途径来生成固态薄膜的技术。

  

CVD一般需要较高的沉积温度,而且在薄膜制备前需要特定的先驱反应物,在薄膜制备过程中也会产生可燃、有毒等一些副产物。但CVD技术制备薄膜的沉积速率一般较高。

  

CLD工艺简单,制造成本低,但膜层厚度不能精确控制,膜层强度差,较难获得多层膜,还存在废水废气造成的污染问题,已很少使用。

  

用光学功能薄膜制成的种类繁多的光学薄膜器件,已成为光学系统、光学仪器中不可缺少的重要部件。其应用已从传统的光学仪器发展到天文物理、航天、激光、电工、通信、材料、建筑、生物医学、红外物理、农业等诸多技术领域。

  

分为:基本光学薄膜、控光薄膜、光学薄膜材料

  

基本光学薄膜是指能够实现分光透射、分光反射、分光吸收和改变光的偏振状态或相位,可用于各种反射膜、增透膜和干涉滤波片的薄膜,它赋予光学元件各种使用性能,对保证光学仪器的质量起到决定性的作。

  

减反膜是用来减少光学元件表面反射损失的一种功能薄膜。它可以有单层和多层膜系构成。单层膜能使某一波长的反射率为零,多层膜在某一波段具有实际为零的反射率。在应用中,由于条件和应用对象不同,其所用的减反膜的类型与诸多因素有关,例如基片材料、波长领域、所需特征及成本等。

  

为减少光的反射消耗,增大光线的透射率,常在玻璃的表面上沉积一层减反膜。其原理是光的干涉现象。只要膜的折射率小于玻璃基片的折射率,就能都实现光的减反射作用。

  

多层减反膜主要是为了改进单层减反膜的不足,进一步提高减反膜的效果,因而采用增加膜层层数的措施。

  

反射膜的作用与减反膜相反,它是要求把大部分或几乎是全部入射光反射回去。如光学仪器、激光器、波导管、汽车、灯具的反射镜,都需要沉积镀制反射薄膜。反射膜有金属膜和介质膜两种

  

金属反射膜具有很高的反射率和一定的吸收能力。金属高反射膜仅用于对膜的吸收损耗没有特殊要求的场合。

  

金属高反射膜的吸收损失较大,在某些应用中,如多光束干涉仪、高质量激光器的反射膜,就要求沉积低吸收、高反射的全介质高反射膜。

  

控光薄膜分为阳光控制膜、低辐射率膜、光学性能可变换膜三种。

  

在玻璃上镀上一层光学薄膜,使玻璃对太阳光中的可见光部分有较高的透射率,而对太阳光中的红外部分有较高的反射率,并对太阳光中的紫外线部分有很高的吸收率。将它制成阳光镀膜幕墙玻璃,就能保证白天建筑物内有足够的亮度等等

  

在玻璃的表面镀制一层低辐射系数的薄膜,称为低辐射率膜,俗称隔热膜,它对红外线有较高的反射率。

  

光学性能可变换膜是指物质在外界环境影响下产生一种对光反应的改变,在一定外界条件(热、光、电)下,使它改变颜色并能复原,这种变色膜是一类有广阔应用前景的光学功能材料。

  

金属和合金是较为广泛的薄膜,具有反射率高、截止带宽、中性好、偏振效应小以及吸收可以改变等特点,在一些特殊用途的膜系中,它们有特别重要的作用。

  

化合物是有重要用途并广泛应用的光学薄膜,主要有:卤化物、氧化物、硫化物和硒化物。

  

半导体材料在近红外和远红外区透明,是一类重要的光学薄膜材料。在光学薄膜中使用最普遍的半导体材料是硅和锗。

  

综合国内外光学及光学薄膜的研究现状,光学薄膜的研究呈现以下几个发展趋势:

  

1、继续重视对传统光学仪器中光学薄膜应用的研究和开发,提高薄膜的光学质量,研究大面积镀膜技术及其应用;

  

2、开发与新型精密光学仪器及光电子器件要求相适应的光学薄膜及其材料的制备方法,以满足现代光学、空间技术、军事技术和全光网络技术日益迫切的需要;

  

3、开发极端光谱条件下的光学薄膜,如超窄带密集型波分复用滤波片,软X射线膜,高功率激光膜等的制备技术;

  

4、开发与环境保护息息相关的“绿色光学薄膜”,实现光能与人类健康需要的相互协调;

  

5、研究光学薄膜的材料物理、成膜过程的原位观察,实现镀膜过程的自动控制和超快速低温镀膜。

  

时至今日,光学薄膜已获得很大的发展,光学薄膜的生产已逐步走向系列化、程序化和专业化,但是,在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决,光学薄膜现有的水平还需要进一步提高。科学家曾预言21世纪是光子世纪,而光学薄膜作为传输光子并实现其各种功能的重要载体,必然会在光学、光电子学及光子学获得突破性发展的同时,得到进一步的繁荣和发展。

  

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