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真空镀膜(一种机械工程)

真空镀膜是指在高真空的条件下加热金属或非金属材料,使其蒸发并凝结于镀件(金属、半导体或绝缘体)表面而形成薄膜的一种方法。例如,真空镀铝、真空镀铬等。 [1]

真空镀膜是真空应用领域的一个重要方面,它是以真空技术为基础,利用物理或化学方法,并吸收电子束、分子束、离子束、等离子束、射频和磁控等一系列新技术,为科学研究和实际生产提供薄膜制备的一种新工艺。简单地说,在真空中把金属、合金或化合物进行蒸发或溅射,使其在被涂覆的物体(称基板、基片或基体)上凝固并沉积的方法,称为真空镀膜。

众所周知,在某些材料的表面上,只要镀上一层薄膜,就能使材料具有许多新的、良好的物理和化学性能。20世纪70年代,在物体表面上镀膜的方法主要有电镀法和化学镀法。前者是通过通电,使电解液电解,被电解的离子镀到作为另一个电极的基体表面上,因此这种镀膜的条件,基体必须是电的良导体,而且薄膜厚度也难以控制。后者是采用化学还原法,必须把膜材配制成溶液,并能迅速参加还原反应,这种镀膜方法不仅薄膜的结合强度差,而且镀膜既不均匀也不易控制,同时还会产生大量的废液,造成严重的污染。因此,这两种被人们称之为湿式镀膜法的镀膜工艺受到了很大的限制。

真空镀膜则是相对于上述的湿式镀膜方法而发展起来的一种新型镀膜技术,通常称为干式镀膜技术。 [2]

真空镀膜技术一般分为两大类,即物理气相沉积(PVD)技术和化学气相沉积(CVD)技术。

物理气相沉积技术是指在真空条件下,利用各种物理方法,将镀料气化成原子、分子或使其离化为离子,直接沉积到基体表面上的方法。制备硬质反应膜大多以物理气相沉积方法制得,它利用某种物理过程,如物质的热蒸发,或受到离子轰击时物质表面原子的溅射等现象,实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。物理气相沉积技术具有膜/基结合力好、薄膜均匀致密、薄膜厚度可控性好、应用的靶材广泛、溅射范围宽、可沉积厚膜、可制取成分稳定的合金膜和重复性好等优点。同时,物理气相沉积技术由于其工艺处理温度可控制在500℃以下,因此可作为最终的处理工艺用于高速钢和硬质合金类的薄膜刀具上。由于采用物理气相沉积工艺可大幅度提高刀具的切削性能,人们在竞相开发高性能、高可靠性设备的同时,也对其应用领域的扩展,尤其是在高速钢、硬质合金和陶瓷类刀具中的应用进行了更加深入的研究。

化学气相沉积技术是把含有构成薄膜元素的单质气体或化合物供给基体,借助气相作用或基体表面上的化学反应,在基体上制出金属或化合物薄膜的方法,主要包括常压化学气相沉积、低压化学气相沉积和兼有CVD和PVD两者特点的等离子化学气相沉积等。 [2]

真空镀膜技术与湿式镀膜技术相比较,具有下列优点:

(1)薄膜和基体选材广泛,薄膜厚度可进行控制,以制备具有各种不同功能的功能性薄膜。

(2)在真空条件下制备薄膜,环境清洁,薄膜不易受到污染,因此可获得致密性好、纯度高和涂层均匀的薄膜。

(3)薄膜与基体结合强度好,薄膜牢固。

(4)干式镀膜既不产生废液,也无环境污染。

真空镀膜技术主要有真空蒸发镀、真空溅射镀、真空离子镀、真空束流沉积、化学气相沉积等多种方法。除化学气相沉积法外,其他几种方法均具有以下的共同特点:

(1)各种镀膜技术都需要一个特定的真空环境,以保证制膜材料在加热蒸发或溅射过程中所形成蒸气分子的运动,不致受到大气中大量气体分子的碰撞、阻挡和干扰,并消除大气中杂质的不良影响。

(2)各种镀膜技术都需要有一个蒸发源或靶子,以便把蒸发制膜的材料转化成气体。由于源或靶的不断改进,大大扩大了制膜材料的选用范围,无论是金属、金属合金、金属间化合物、陶瓷或有机物质,都可以蒸镀各种金属膜和介质膜,而且还可以同时蒸镀不同材料而得到多层膜。

(3)蒸发或溅射出来的制膜材料,在与待镀的工件生成薄膜的过程中,对其膜厚可进行比较精确的测量和控制,从而保证膜厚的均匀性。

(4)每种薄膜都可以通过微调阀精确地控制镀膜室中残余气体的成分和质量分数,从而防止蒸镀材料的氧化,把氧的质量分数降低到最小的程度,还可以充入惰性气体等,这对于湿式镀膜而言是无法实现的。

(5)由于镀膜设备的不断改进,镀膜过程可以实现连续化,从而大大地提高产品的产量,而且在生产过程中对环境无污染。

(6)由于在真空条件下制膜,所以薄膜的纯度高、密实性好、表面光亮不需要再加工,这就使得薄膜的力学性能和化学性能比电镀膜和化学膜好。 [2]

真空镀膜的方法很多,计有:

(1)真空蒸镀:将需镀膜的基体清洗后放到镀膜室,抽空后将膜料加热到高温,使蒸气达到约13.3Pa而使蒸气分子飞到基体表面,凝结而成薄膜。

(2)阴极溅射镀:将需镀膜的基体放在阴极对面,把惰性气体(如氩)通入已抽空的室内,保持压强约1.33~13.3Pa,然后将阴极接上2000V的直流电源,便激发辉光放电,带正电的氩离子撞击阴极,使其射出原子,溅射出的原子通过惰性气氛沉积到基体上形成膜。

(3)化学气相沉积:通过热分解所选定的金属化合物或有机化合物,获得沉积薄膜的过程。

(4)离子镀:实质上离子镀系真空蒸镀和阴极溅射镀的有机结合,兼有两者的工艺特点。表6-9列出了各种镀膜方法的优缺点。 [3]


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