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1、1,电镀硬铬 Chrome Electroplating 硬度： 600HV 800HV HV:维氏硬度,致癌物 Cr6+,2,二硫化钼(MoS2) 固体润滑膜,3,要求： 1 不改变基体尺寸 2 基体不变形,精密零部件的表面改性,mm,热输入大,5-3 物理气相沉积技术,主讲：刘明,5,溅射镀膜设备,柱状靶磁控溅射镀膜机 全自动镀膜设备,溅射镀膜设备,7,溅射镀膜（Sputtering Deposition ）,通过溅射使材料气化后，沉积于工件表面并形成薄膜，从而使工件获得特殊表面性能。,8,Cr靶,工 件,Cr,接地,Ar气,9,晶格,溅射出的原子,溅射率: N原子/ Ar+,能否产生溅射
2、？,阈值,溅射出多少？,10,Cr 靶,工 件,真空度10-1Pa,+,Cr 靶,工 件,负偏压,+,11,Nucleation,Cluster,Nuclei,Incident atom,Diffusion,Stable Nuclei,Growth,团簇,12,13,制造工程基础,溅射薄膜结构区域模型(Structure Zone Model),温度,Ar分压,14,反应气体 (N2),-Vs,工件(金属),-Vt,靶材(Cr),Ar+,反应溅射,CrN,(陶瓷),15,纳米多层,CrN,Cr,Cr,Cr,N2,16,纳米复合,CrN,MoS2,Cr,MoS2,MoS2,Cr,N2,CrN,M
3、oS2,17,典型硬质Cr基薄膜耐磨损性能对比,金属,陶瓷,纳米多层,纳米复合,2.4 阴极溅射镀膜的特点,溅射的方式,二极溅射 三极或四极溅射 磁控溅射 对向靶溅射 射频溅射 偏压溅射 反应溅射 非对称交流溅射 吸气溅射 粒子束溅射,磁控溅射原理,（-）,（+）,磁控溅射特点：,1. 在阴极靶的表面形成一个正交的电磁场； 2. 电离效率高（电子一般经过大约上百米的飞行才能到达阳极，碰撞频率约为10-7 s-1 ）； 3. 可以在低真空（10-1Pa，溅射电压数百伏，靶流可达到几十毫安/m2）实现高速溅射； 4. 低温、高速。,对向靶溅射,对于磁性材料，要实现低温、高速溅射镀膜，由于靶的磁阻很
4、低，磁场几乎完全从靶中通过，不可能在靶面上形成平行的磁场。 采用对向靶溅射技术，可以解决上述问题。 对向靶溅射具有溅射速率高、基板温度低、可淀积磁性薄膜等优点。,射频溅射,射频溅射,特点：,缺点：,1. 电子与工作气体分子碰撞电离几率非常大，击穿电压和放电电压显著降低，比直流溅射小一个数量级； 2. 能淀积包括导体、半导体、绝缘体在内的几乎所有材料； 3. 溅射过程不需要次级电子来维持放电。,当离子能量高时，次级电子数量增大，有可能成为高能电子轰击基片，导致发热，影响薄膜质量。,25,锗,ZnS,DLC,DLC: Diamond Like Carbon ZnS: Zincsulfide,耐磨,
5、增透,26,2.真空蒸发镀膜, 原理 利用真空泵将样品室抽至一定程度的真空，对放在高熔点坩埚里的原材料加热，使其蒸发，并在收集基底上沉积成膜的技术。 步骤,2.真空蒸发镀膜 工艺过程,镀前准备抽真空离子轰击烘烤预热蒸发 取件镀后处理检测成品 。 1、预抽真空 低真空：机械泵10.1Pa 高真空：扩散泵 10-3 Pa以下 2、烘烤：非金属低于热变形温度2030，金属不 超过200 3、蒸发源加热，镀膜材料熔化、蒸发。 4、蒸发材料在零件表面吸附，沉积形成涂层。 5、后处理,2.真空蒸发镀膜 蒸发源,真空蒸发镀膜需要将镀层材料加热变成蒸气原子，蒸发源是其关键部位，大多数金属材料都要在1000-2
6、000的温度下蒸发。因此，必须将材料加热到这样高的温度。,常用的加热法有： 电阻法、电子束法、高频法及激光加热法等。,2.真空蒸发镀膜 （1）电阻蒸发源, 选择原则：在所需蒸发温度下不软化、饱和蒸汽压小，不发生反应。 一般采用高熔点金属如钨、钽、钼等材质，常制作成螺旋丝状或箔舟状。 特点：结构简单、造价低、应用广泛；存在污染，也不能蒸镀高熔点材料。,螺旋丝状加热器要求熔融的蒸发料能够浸润螺丝或者有足够的表面张力以防止掉落，它的优点是可以从各个方向发射蒸汽。 箔舟状加热器的优点是可蒸发不浸润加热器的材料，效率较高（相当于小型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸发。,2.真空蒸发镀膜 （2）电子束蒸发源
7、,将蒸镀材料放入水冷铜坩埚中，直接用电子束加热法，称为电子束加热法。,优点： （1）热量可直接加在蒸发材料上； （2）盛放蒸发材料的容器可以是冷的； （3）可以蒸发诸如钽和钨等类高温金属。 缺点： （1）装置复杂； （2）残余气体分子和蒸发材料蒸气的一部分会被电子电离； （3）多数化合物由于电子轰击而部分分解。,2.真空蒸发镀膜 （3）激光加热蒸发源,采用CO2激光器加热陶瓷材料使其蒸发，可在基材上蒸镀得到陶瓷层（ Al2O3 ）。,2.真空蒸发镀膜 真空蒸镀膜的特点,缺点：膜/基界面结合力较弱。结晶不够完整，工艺重复 性不够好，高熔点物质和低蒸气压物质难以制备 真空镀膜。蒸发源材料也会蒸发，
8、成为杂质沉积 在膜层中。 主要结构：真空室；蒸发源；基板；基板加热器及测温计,优点：设备结构简单，工艺操作简单；制的 薄膜纯度高，薄膜生长机理简单；大 多数物质可采用真空蒸镀方法镀膜。,3.离子镀 3.1原理及过程,3.离子镀 3.1原理及过程,在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，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蒸镀在基片上。 特点： 1、把气体辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜结合在一起。 2、提高了膜层性能 3、扩充了镀膜技术的应用范围，兼有真空蒸发和溅射的优点外，附着力好、绕射性好、材料广泛。, 过程 预抽真空 10-3 Pa（高本底真空度）
9、 充Ar气 10-110-3 Pa（低压惰性气体高压放电） 溅射清洗 离子镀膜（镀膜材料蒸发、离化、加速、沉积）,3.1 原理及过程,沉积与溅射同时存在 成膜的条件： 溅射速度沉积速度,3.2 离子轰击的作用 对基片表面,离子溅射 清除吸附气体、溅射掉表面物质、 发生反应。 产生缺陷 当能量大于25eV，缺陷产生。 结晶学破坏 形成非晶态。 表面成分变化择优溅射。 气体渗入 形貌变化 温度升高 近表面材料的物理混合,造成几何表面凹凸不平，在较高部位优先形核生长，得到柱状晶结构。,在离子镀过程中，因轰击溅射逸散在空间的基体原子 有一部分会再返回到基片表面与蒸发原子混合发生“凝固扩散”作用，促进了
10、中间层的形成，使膜/基界面附近的微小区域内的成分逐渐变化，这种膜/基界面附近成分逐渐变化的区域称为“伪扩散层”。,3.2 离子轰击的作用 对界面的影响,物理混合沉积+溅射 “伪扩散层” 增强扩散 改变成核方式 溅射效应 优先除去结合松散的原子 改善覆盖度,3.2 离子轰击的作用 对薄膜的生长,降低薄膜内应力 增加反应程度和速度,3 离子镀 3.4 离子镀的特点, 离子镀可在较低的温度下进行（成膜温度低） 结合力好 绕镀性好 沉积速率高 沉积速率一般为150m/min 溅射一般为0.010.5m/min 真空蒸镀为0.15m/min 无环境污染,物理气相沉积的三种基本方法比较,物理气相沉积的三种基本方法比较,4.4 在航空材料保护领域中的应用,在航空领域主要用在以下几个方面 1、离子镀润滑材料（固体润滑膜镀Ag、MoS2） 2、离子镀耐热材料（FeCrAlY、Al2O3） 3、离子镀耐蚀材料（镀Al） 4、离子镀高温防护涂层（铝化物涂层、热障涂层）,思 考 题,1、气相沉积的基本过程包括哪几个步骤？ 2、物理气相沉积的基本镀膜技术有哪几种？它们的沉积原理各是什么？ 3、在溅射与离子镀技术中应用气体放电的目的是什么？ 4、试述离子镀技术是如何将真空蒸发镀与阴极溅射技术结合起来的。试分析离子镀膜/基结合强度特点。,5-3 物理气相沉积技术,47,石墨,
