现代表面工程与技术概述

现代表面工程与技术ModernSurfaceEngineeringandTechnology什么是表面工程？表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。第一章表面技术概论表面技术是直接与各种表面现象或过程相关的，能为人类造福或被人们利用的技术-宽广的技术领域。一、使用表面技术的目的1、提高材料抵御环境作用能力。2、赋予材料表面功能特性。3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。途径：表面涂覆：各种涂层技术(电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、气相沉积、包箔、贴片)。表面改性：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理。二、表面技术的分类1、按作用原理(1)原子沉积电镀、化学镀、物理、化学气相沉积(2)颗粒沉积热喷涂、搪瓷涂敷(3)整体覆盖包箔、贴片(4)表面改性2、按使用方法(1)电化学法电镀、电化学氧化(阳极氧化)(2)化学法化学转化膜、化学镀(3)真空法物理、化学气相沉积、离子注入(4)热加工法热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊(5)其它方法涂装、机械镀、激光表面处理电子束I电化看到里极天北格承抵化等寓子步;化学氧化i辍压玻钢照皆速静电喷涂等离子流化床电瓢特押除科i传蜕涂1一般除科co2保护触金属非累蠢* 可旗现合倭.后下日园手注&!i颂/rC等离字I高频停火三、表面技术的应用1、广泛性和重要性（i）广泛性?内容广?某材广?种类多遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，效益巨大（2）重要性?改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤?提高产品长期运行可靠性、稳定性?满足特殊要求（必不可少或唯一途径）?生产各种新材料、新器件(在制备临界温度超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅中起关键作用；又是许多光学、微电子、磁性、化学、生物等功能器件研究和生产的基础)2、在结构材料及构件和零部件上的应用表面技术作用:防护、耐磨、强化、修复、装饰3、在功能材料和元器件上的应用制造装备中具独特功能的核心部件。表面技术可制备或改进一系列功能材料及元器件物理特性：?光学反射镜材料，防眩零件?热学散热材料，耐热涂层，吸热材料?电学表面导电玻璃，绝缘涂层?磁学磁记录介质，电磁屏蔽材料，磁泡材料化学特性：分离膜材料4、在人类适应、保护和优化环境方面的应用(1)净化大气原料、燃料一CQ、N0SO措施：回收、分解方法：制备触媒载体(钳炭、珀炭、钉炭、铭炭)(2)净化水质制备膜材料，处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化(3)抗菌灭菌TiO2(粉状、粒状、薄膜状)可将污染物分解?当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激发作用，只有能量E满足式(1)的光量子才能发挥作用。he(1)?光子波长1240aWh至二一nmEgEfih-普朗克常数，4.138x10-15eVs；c-真空中光速，2.998X1017nm/s锐钛型TiO2的Eg=3.2eV?在TiO2粒子表面上，e石有还原作用；h:8产生氧化作用o在界面处e的还原作用：e+O2Toi它上+WgfHO+OHeJ+Ox-*Ox继续发生反应：+H+rHOi2Ho工fHQ+dO；-+HOL6+HO：HO2+HfH25H3O2上2HoHQ+O/fH0+OH-1+O2在界面处h；b的氧化作用：h；0H”fH0h；b+%OfHO+H*hA十REfRed工和。丁是强还原剂，可还原重金属离子：_kct,+Men+MemorM。3（还原重金属离子为低价或零价）h，和HO是强氧化剂，可氧化降解有机物：+0喑-CtVHq.Cl-,SO/i,H*hvbTiO2光催化材料的特性：?光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带之间的能隙大，光生电子和空穴的还原性和氧化性强）?化学性质稳定，对生物无毒?在可见光区无吸收，可制成白色块料或透明薄膜光催化剂的纳米尺寸效应：?量子效应当半导体粒径是纳米尺寸时，导带和价带间的能隙变宽，光生空穴和电子的能量增加，氧化还原能力增强?表面积效应随着粒子尺寸减小到纳米级，光催化剂的比表面积大大增加，对底物的吸附能力增强?载流子扩散效应粒径越小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子和空穴的复合几率减小，光催化效率提高纳米TiO2光催化剂的制备：制备方法优点不足溶胶-凝胶法(sol-gel)粒径小，分布窄，晶型为锐钛矿型，纯度高，热稳定性好钛醇盐，成本高化学气相沉积法(CVD)粒径小，分散性好，分布窄，化学活性高，可连续生产投资大微乳液法可有效控制TiO,纳米粉末的尺寸易团聚纳米TiO2光催化剂的应用：环保方面的应用?有机污染物的处理?无机污染物的处理?室内环境净化卫生保健方面的应用?灭杀细菌和病毒活性超氧离子自由基。1和羟基自由基H。能穿透细菌的细胞壁，进入菌体，从而有效杀灭细菌。研究的范围包括TiO2光催化对细菌、病毒、真菌、藻类和癌细胞等的作用。?抗菌材料涂有TiO2纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷用于医院、食品加工等场所含纳米TiO2材料的假牙新型的含纳米TiO2粉末的牙齿漂白剂防结雾和自清洁涂层光催化化学合成纳米TiO2光催化技术的不足：?光致电子和空穴对的转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低?只能用紫外光活化，太阳光利用率低提高TiO2光催化性能的主要途径：?贵金属沉积?离子掺杂今后研究重点：?对纳米TiO2催化剂进行修饰，研制复合纳米TiO2催化剂，提高催化活性?加强采用自然光源和光催化剂固定技术的研究?设计新型光催化反应器，提高光催化效率(4)生物医学?医用涂层：?方法：气相沉积、等离子喷涂?例：金属上涂生物陶瓷-人造骨、人造牙(5)优化环境调光、调温的“智慧窗”方法：涂覆、镀膜5、在研究和生产新型材料中的应用例1:立方氮化硼例2:超微颗粒材料四、表面技术的发展例1:表面涂覆技术的发展?涂料涂装：古老、重要?热喷涂：例2:表面强化技术的发展?表面热处理、化学热处理：战国,钢淬火?喷丸强化：20世纪20年代出现，汽车工业一60年代后航空工业?20世纪60年代，激光、电子束新热源五、思考题1、材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展？2、表面工程技术的目的和作用是什么？3、纳米TiO2光催化剂的应用及提高TiO2光催化性能的主要途径有哪些?第二章热喷涂、概述、热喷涂过程及涂层性质1、定义：采用各种热源(氧-乙烘焰、电弧、等离子弧、爆炸波)使粉状或丝状固体材料(金属、陶瓷、金属-陶瓷复合材料、塑料)加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后高速喷射、沉积到经过预处理(清洁粗糙)的工件表面形成涂层。2、喷涂层形成过程(1)喷涂过程能血途材科(2)涂层形成过程由不断飞向基体表面的粒子撞击基体或涂层表面堆积而成即，粒子的碰撞变形冷凝收缩?两粒子撞击时间间隔0.1s左右?隔0.1s第二层薄片形成，逐渐成层状结构(3)粒子流的特点粒子的飞行速度与喷涂方法、喷涂材料的密度和形状、粒子的尺寸、飞行距离等有关。飞行速度的大小影响粒子与基体表面碰撞时转换能量的大小、粒子的变形程度以及结合强度。粒子的温度若不考虑粒子与基体碰撞时动能转换为热能所引起的粒子自身温度的升高，那么粒子到达基体时的温度为其熔点。喷涂粒子的最小尺寸在一定的喷涂条件下，粒子的尺寸存在着最小的临界尺寸。粒子质量越小，则其轨迹偏离初始流速直线方向就越多。3、涂层的成分和结构(1)涂层的成分蒸发氧化烧损喷涂材料的成分?涂层的成分与粒子和喷涂气氛之间的化学反应有关(2)涂层结构层状结构(变形粒子互相交错呈波浪式堆叠)，性能具有方向性孔隙或空洞(孔隙率1-15%),伴有氧化物夹杂4、涂层结合机理包括涂层与基体的结合、涂层内部的结合结合力内聚力(1)涂层与基体的结合机械结合抛锚效应：粒子碰撞、变成扁平状并随基体表面的凹凸不平而起伏，这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片，在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。物理结合?范德华力的作用冶金结合?金属间化合物或固溶体(2)涂层间的结合?机械结合为主，物理结合、冶金结合等也起一定作用。5、涂层应力冷却凝固时伴随着收缩，颗粒内部产牛张应力，某体表面产牛压应力。厚度达一定值，涂层内的张应力超过涂层与基体的结合强度或涂层自身的结合强度，涂层破坏。薄涂层耐用(最佳厚度不超过0.5mm)。6、热喷涂分类及特点图51基本的热喷滁方法分类特点：涂层材料取材范围广金属、合金、陶瓷、塑料、尼龙、复合材料等可用于各种基体金属、陶瓷、玻璃、石膏、布、纸、木材等固体可使基体保持较低温度、基材变形小30200C、不变形工艺灵活可10mm内孔，也可大型构件；可大面积，也可局部；保护性气氛，也可现场作业工效高、操作程序少、速度快每小时几公斤几十公斤涂层厚度可调范围大几十微米几毫米可得到特殊的表面性能耐磨、抗氧化、耐热、导电、绝缘成本低、经济效益显著缺点：结合强度低；材料利用率低；热效率低；均匀性差；孔隙率高。、热喷涂工艺方法1、火焰喷涂(FlameSpray)体靛烧放出的热进IT的热喳途.】2Wii-eIhunvSpriy,Pox*tierSprayM悠久，但目前仍使用(1) (WireFlameSpray)丝材火焰喷涂的装置示意图(2)粉末火焰喷涂(PowderFlameSpray)粉末火焰喷涂的装置图金属粉合金粉碳化物粉陶瓷粉金属陶瓷粉复合粉“自熔”合金粉（含B、Si）火焰喷涂优势：设备投资少，操作容易，设备可携带到现场施工，无电力要求。（喷涂纯铝涂层的最好选择）缺点：涂层氧含量较高，孔隙较多，结合强度偏低，质量不高。最常用的火焰喷涂涂层材料及应用涂层应用材料锌、铝钢结构的阴极保护防腐涂层塑料防腐蚀涂层银铝粘结底层铝粘结底层，优异的抗粘着磨损性能，用于活塞环、同步齿轮环和轴颈高格钢耐磨保护涂层青铜轴承修复铝、抗热氧化涂层银铝2、电弧喷涂（ArcSpray）在两根金属丝之间产牛电弧、因电弧产牛的热使金属丝逐渐熔化、熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。丝盘?电弧温度：5000-6000C?优点（相对火焰喷涂）：?含热事更大结合强度高1.52.0倍，喷涂效率高?粒子速度更快?应用：大型金属构件，成本低，一次性投资少，使用方便。适合大面积长效防腐锌、铝涂层。3、等离子喷涂（PlasmaSpray）?利用等离子焰流作热源，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子焰流引导下高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层。等离子焰温度10000c以上，可喷涂几乎所有固态材料，金属和合金、陶瓷、非金属矿物及复合粉末等。等离子焰流速度1000m/s以上，粉粒180-600m/s,涂层致密性和结合强度比火焰喷涂及电弧喷涂高。等离子气体的选择：氮和氢是双原子气体，形成等离子体时有分解反应，在一定温度下其等离子体比由氮、氮等单原子气体的等离子体能量更高，所以廉价的氮气是等离子喷涂主要工作气体。而一气最易形成等离子体,对喷枪损耗较小，因此常用来引发等离子体。氧气起弧后再加入氢、氮或氮等提高等离子体能量，或转用氮气喷涂。氢和氢则主要作辅助气体，以改变等离子体的能量结构。氢还可作喷涂中的防氧化剂。原理：工作/喷除卷耒图5T3等离子喷涂原理冷却水海建制揩由铜阳极嘴和鸨阴极头（掺12%牡或铺）组成。离子气从阴极流向阳极，经压缩从阳极喷出等离子喷涂的特点及应用：?焰流温度高（最大优势），喷涂材料适应面广，特适合高熔点材料;?涂层密度达理论密度的8598%真空喷涂可达9599.5%;?结合强度高（3570MPa,涂层质量优于火焰喷涂。应用：耐磨涂层、固体自润滑涂层、耐蚀涂层、抗高温氧化、抗高温气流冲刷涂层、导电涂层、绝缘涂层、磁性涂层4、爆炸喷涂（DetonationSpray）?将粉末注入喷枪的同时，引入氧-乙快混合气体，将混合气体点火燃烧，造成气体膨胀而爆炸，释放出热能和冲击波。热能使粉末熔融，冲击波使熔融粉末高速（约500-700）m/s射向工件表面，形成高结合强度和高致密度的涂层。喷枪是一个长的水冷枪筒，开有进气门和送粉口首先将氧气和燃料（乙快）混合气及粉末送入喷枪然后通过火花塞点火，使气体燃烧爆炸（爆炸频率4/次国，最快I0次A）熔化的粉末颗粒从喷枪口射出向工件表面轰击，在工件表面形成高质量涂层粉末每喷一次，就通一股脉冲氯气流清洗抢管冲击波传播速度达3000米/秒,膜层具极强的结合力。每次爆炸粉末在工件表面形成一个厚4-6um直径25mmi勺圆斑。许多圆斑互相重叠，在工件表面形成一个完整、均匀的涂层。特点及应用：?结合强度高，致密性好喷速高，颗粒能量大，与基体撞击力强。结合强度50MPa例：Co-WC100MPa,等离子喷涂30MPa气孔率一般小于1%（Co-W（X孔率0.5%）。?喷涂材料范围广从低熔点的铝合金到高熔点的陶瓷，粉末10100仙m?工件受热小，不变形每次爆炸喷涂时间短，工件不会受连续加热。温升小于100C,不易相变和形变。?适于大尺寸工件大气中完成，工件周围不需真空或其它保护气体，喷枪和工件均可采用移动工作方式。?喷涂效率低，运行成本相对较高一般专用于含碳化物涂层的喷涂。爆炸喷涂的应用零件喷涂位置涂层风扇风扇罩CmWC油泵齿轮轴承外径、轴颈轴承表面CoWCNKr-r/:衬套+套筒内外径密封面NiCr-Ci、C,喷涂碳化物类陶瓷（如Co-WC,Ni-WC,NiCr-Cr3Q）?碳化物在高温时易分解，用等离子喷涂很难通过控制工艺参数来防止分解，而火焰喷涂层质量差，结合强度低。?爆炸喷涂温度低，可抑制碳化物分解，同时其超音速的喷射速度可保证获得高密度、高结合强度涂层。5、超音速火焰喷涂（HVOF）?发展：与爆炸喷涂抗争美国人J.Browning发明1983年美国专利?气体：燃气（H2,C3H3,C3H或C2H-CH4-C3H0+助燃气（O2）一燃烧室混合一燃烧一高速通过膨胀管获得超音速送粉气：Ar或N2?速度：喷口处，音速的4倍（1520m/s）,最高达2400m/s到达工件时，5501000m/s?质量：与气体种类、比例、流量，粉末粒度和流量等有关特点：rJ射流速度高,焰流温度狡低适合喷涂含碳化物材料-M（同津炸喷涂）2*涂层最庙密度包达理论室及阻鹫U优于爆炸喷涂）-结合强度略高于爆炸喷涂4涂层杂质鼓少5涂层残余应力小，可喷厚深层工me正锈钢涂层16燃料消耗太I喷涂效率比爆炸喷涂高.成本仍较岛7暧音大需隔音、防护装置WIS；应用：制备Co-WCNiCr-Cr3c2涂层项目1指标涂层最高工作温度81sle结合强度7070MPk抗压强度60008(100MPa硬度HV1000T300致密度95999%几种热喷涂方法的比较雌刺_1维材火焰1粉来火帽噂粘于11Hflq*CjB：OjC必电能彳电献根A,即出（卜明5+用喉树时金心全叠*，合金分金米合金fl平皇梨金园一:一一金盖金金机合金尚M276032W2涮7娴5000-600C网00：76O26C：60-52601部溯_J50-300150TM例颛0500-00550-1000堂轴周麻势也境整整海体胸人件固体呻几乎金串*U几乎全都固体材料JL手全事都幅叫V21a200210-w20P50的1_电1串6-s,65r11扇串，皿.必1.01-ub1u0.dQro(W*o|04T出+保jtMA4瞧特点胃肝于分干达于信邮点甘可小把四、热喷涂工艺流程和质量控制1、基体表面预处理清洗、脱脂氧化膜的处理机械法：切削加工和人工除锈法化学法：硫酸或盐酸酸洗粗化处理?喷涂前48h内进行。a.喷砂?冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等，根据工件表面硬度选择使用。b.机械加工法?对轴、套类零件，采用车螺纹、开槽等切削方法。?对结合力要求不高的轴类工件，可车螺纹，形成粗糙表面。预热处理?涂层与基体表面的温差会使涂层产生收缩应力，引起开裂和剥落。?预热温度不宜过高，以免基体表面氧化而影响结合强度。非喷涂表面的保护?根据形状和特点，设计简易保护罩（薄铜皮或铁皮）。?对基体表面的键槽和小孔等不允许外物进入的部位，喷砂前用金属、橡胶等堵塞，喷砂后换上炭素物或石棉等，以防止熔融喷涂料进入。2、热喷涂3、后处理封孔多孔隙是热喷涂层的固有缺陷，孔隙度可从小于1%变到大于15%,或者更局。孔隙可互相连接，甚至从表面延伸到基体。封孔的作用a.防止或阻止腐蚀介质浸入到基材表面；b.用于密封的涂层防止液体和压力泄漏；c.防止污染或研磨屑碎片进入涂层；d.保持陶瓷涂层的绝缘性能。常用封孔剂：非干操型石蜡空气干燥型硅树脂，煤焦油，聚氨酯，亚麻子油烘烤型酚醛树脂，环就树脂，聚酯，聚酰胺树脂无机封孔剂水玻璃机加工?热喷涂层表面较粗糙，对特定使用要求，需机加工以达到所要求的精度和粗糙度。但涂层颗粒间主要是机械结合，磨削压力过大，单个颗粒可能脱出,?仔细操作，加工工具（如金刚石砂轮）合适。五、热喷涂用材要求：?首先，有较宽的液相区（使熔滴在较长时间内保持液相。若高温下易分解或挥发，不适合。?其次，喷涂材料形状与尺寸也有要求。线材13mm粉末1100pmAgjAu等溅射率高，Ti、Zr、NbMoHf、Ta、叱低。?溅射率10-110个原子/离子。溅射出来的粒子动能约150eV,大部分为中性原子和少量分子，溅射彳#到离子(二次离子)10%Z下。B.直流辉光放电(2)特点与真空蒸镀比的特点：a.溅射镀膜是依靠动量交换作用使固体材料的原子、分子进入气相，溅射出的粒子能量约l50eV,高于蒸镀粒子，沉积在基底表面之后，尚有足够的动能在基底表面迁移，因而膜层质量较好，结合牢固。b.任何材料都能溅射镀膜，材料溅射特性差别不如其蒸发特性的差别大，即使高熔点材料也易溅射，对于合金、化合物材料易制成与靶材组分比例相同的薄膜，应用广泛。c.溅射镀膜中入射离子利用气体放电得到，溅射粒子在飞行到基底前已与真空室的气体分子发生过碰撞，其运动方向随机偏离原来的方向，且溅射一般是从较大靶表面射出的，因而比真空蒸镀易得均匀厚度的膜，适于沟槽、台阶等。?但是，较高压力下溅射会使薄膜中含较多气体分子。d.溅射镀膜操作简单，工艺重复性好，易实现控制自动化。?适宜大规模集成电路、磁盘、光盘等高新技术产品的连续生产，也适于大面积高质量镀膜玻璃等产品的连续生产。?除磁控溅射外，沉积速率较低，设备比真空蒸镀复杂，价格较高，（3）溅射镀膜的方式求冷1羽 X10T133X16TIP1)二极溅射装置直流二级溅射溅射靶（阴极）和基片及固定架（阳极）构成溅射装置的两个极。?优点：构造简单，在大面积工件表面可制取均匀薄膜，放电电流随压力和电压变化而变。?缺点：工作压力较高，膜有玷污；沉积速率低，不宜镀10仙m以上膜厚；大量二次电子直接轰击基片使基片温升过高。三级和四级溅射?三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极，使放出热电子强化放电，提高溅射速率。?四极溅射在二极溅射靶和基板垂直的位置上，分别放置一个发射热电子的灯丝（热阴极）和吸引热电子的辅助阳极，具间形成低电压大电流等离子体弧柱，大量电子碰撞气体电离，产生大量离子。?四极溅射优点：可实现低气压、低电压溅射，放电电流和轰击靶的离子能量可独立调节控制。?缺点：不能抑制由靶产生的高速电子对基片的轰击，灯丝具有不纯物而使膜玷污。射频溅射?直流溅射：靶材为阴极，基片为阳极。当靶为绝缘体时，正离子使靶带电，使靶的电位逐渐上升，到一定程度后，离子加速电场变小，使辉光放电停止。因此，靶材只能为导体，不能为绝缘体。?射频：无线电波发射范围的频率。5-30MHZ,为避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为13.56MHz?优点：射频电压可穿过各种阻抗,故电极不要求是导电体，可溅射任何材料。?缺点：大功率射频电源价高。磁控溅射传统溅射方法缺点：?沉积速率较低，放电过程大约只有0.30.5%的气体分子被电离?工作气压高，气体分子对薄膜污染高磁控溅射技术：20世纪70年代?是一种高速低温溅射技术，在溅射中运用了正交电磁场，离化率提高到56%溅射速率比二极溅射提高10倍以上，沉积速率达几百2000nm/min。工作原理：?在阴极靶表面上方形成一个正交电磁场（磁场与电场正交，磁场方向与阴极表面平行）。?当溅射产生的二次电子在阴极位降区被加速为高能电子后，并不能直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用下来回振荡，近似作摆线运动，并不断地与气体分子发生碰撞，把能量传给气体分子，使之电离，而本身变为低能电子，最终沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极，进而被吸收。?避免了高能粒子对基底的强烈轰击，消除了二极溅射中基底被轰击加热和被电子辐照引起损伤的根源，体现了磁控溅射中基底“低温”、“低损伤”特点。?另外，磁控溅射产生的电子来回振荡，一般经过上百米的飞行才最终被阳极吸收，而气体压力为10-1Pa量级时电子的平均自由程只有10cm量级，所以电离效率很高，易放电，它的离子电流密度比其他形式溅射高一个数量级以上，溅射速率高，“高速”特点。磁控溅射的特点：?优点：高速、低温（基片温升低）、低损伤（对膜层损伤小）。?缺点：靶材利用率不高，低于40%离子束溅射?前述各种方法靶都置于等离子体中，膜面受气体和带电粒子的冲击、膜性能受等离子体状态影响很大，溅射条件不易严格控制，如气体压力、靶电压、放电电流等参数不能独立控制。?离子束溅射是从一个与沉积室隔开的离子源中引出高能离子束，对靶进行溅射。沉积室真空度达10-410-8Pa、残余气体少，可得高纯度、高结合力膜优点：?基底与等离子体隔离，不必考虑成膜中等离子体的影响，靶与基板又可保持等电位，靶上放出的电子不会对基底产生轰击的损伤作用，成膜质量高。?离子束的入射角、能量、密度可在较大范围变化，并可单独调节，因而薄膜的结构和性能能在相当广泛范围内调节和控制。?离子束溅射是在真空度比磁控溅射更高的条件下进行，有利于降低膜中杂质气体含量。缺点：镀膜速率太低，只0.01pm/min左右。比磁控溅射低12个数量级。限制了其在工业生产中的应用。化合物膜的镀制（反应溅射）?在金属靶材溅射镀膜的同时通反应气体（Q,N、CH、GH2、HS、SiH,等），金属原子与气体在基片表面发生化学反应得到化合物薄膜（氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、硅化物等）。?例：镀TiN:靶材Ti,溅射气体Ar+N?化合物靶材：大多数化合物的离解能在10100eV,而溅射工况下入射离子能量都超过此范围，所以，化合物靶材在溅射时化合物会高或二膜成分和靶组分的化学配比将发生偏差。?离解产物常是气体原子，有可能被抽气系统抽掉，所以要补偿膜组分中化学配比的偏差，需引入适量的“反应气体”通过反应溅射的方式来纠正化学配比的偏差。?例：氧化物、氮化物或硫化物的溅射中，需添加一定比例的Q,N,H2s等到溅射气体中进行反应溅射，以保证化学配比。合金膜的镀制?可采用多靶共溅射,控制各个磁控靶的溅射参数，可得到一定成分合金膜。?合金靶：为了得到与靶材成分相同的膜层，应加强靶的冷却，使靶处在冷态下溅射，这样就降低了靶内组分的扩散效应。开始溅射时，高溅射率的组分优先溅出，表面该组分贫化，若降低扩散迁移，深层元素不向表面补充，表面低溅射率元素浓度相对增高下多溅出，就可使沉积膜接近靶材成分。?在PVD#类技术中，溅射最易控制合金膜成分。溅射用途?溅射薄膜按其不同功能和应用分机械功能膜和物理功能膜。?前者包括耐磨、减摩、抗蚀等表面强化薄膜：?后者包括电、磁、热、光等功能薄膜。Cr、CrC、CrN等镀层?采用Cr靶，在Ar、CH4N2等气氛中进行溅射镀，可在各种工件上镀Cr、CrC、CrN等镀层。?纯3硬度为425840HVCrGCrN为10003500HV硬度高且摩擦系数小，可代替水溶液电镀铭。TiN、TiC等超硬镀层?用TiN、TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小，化学稳定性好，有优良耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，可提高刀具、模具等的工作特性，又可提高使用寿命，提高310倍。固体润滑剂?在高温、低温、超高真空、射线辐照等特殊条件下工作的机械部件不能用润滑油，只能用固体润滑剂。?常用固体润滑剂：软金属（Au、Ag、PbSn等），PTF由）。层状物质（MoSWS石墨、CaF2等）,高分子材料（尼龙、?溅射法制MoS膜及PTFESS十分有效（5）溅射镀膜的设备和工艺3、离子镀膜（P42）定义：在真空下，利用气体放电使气体或被蒸发的物质部分离化，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他反应物沉积在基底上。?镀膜与离子轰击改性同时进行的过程。?离子轰击的目的，改善膜层性能（致密度、结合力）。?它兼具蒸发镀的沉积速度快和溅射镀的离子轰击清洁表面的特点，膜层附着力强、绕射性好、可镀材料广泛。?真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种镀膜技术，入射到基片上的沉积粒子能量不同。?热蒸镀原子，约0.11eV。?溅射原子，约150eM?而离子镀中轰击离子，几百到几千eV。（1）离子镀的原理?离子镀一般来说是离子轰击膜层，实际上有些离子在行程中与其它原子碰撞可能发生电荷转移变成中性原子，但仍继续前进轰击膜层。?确切说应该既有离子又有原子的粒子轰击。?粒子中不但有氧粒子，还有镀料粒子,镀膜初期还有基片表面溅射出来的基材粒子。两国耐磨为目标的超硬膜，离子镀的目的是提高结合强度。?离子轰击对基片表面的清洗可除去其污染层，还能形成共混过渡层。过渡层是膜层和基片界面的一层由镀料原子与基片原子共同构成的。可降低界面上由于基片与膜层膨胀不一致产生的应力。?如果离子轰击的热效应足以使界面处产生扩散层，形成冶金结合，则更有HCD离子镀装置l-HCn相值一Ar气；3钟膜；4一工件;5一高压电霹-水冷钢附满利于提高结合强度。（2）离子镀的类型和特点空心阴极离子镀（HCDHCD法是利用空心热阴极放电产生等离子体。用空心铝管作为阴极，辅助阳极距阴极较近，二者作为引燃弧光放电的两极。?HCD&引出的等离子电子束初步聚焦后，在偏转磁场作用下，束直径