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物理|一文了解物理气相沉积技术

物理气相沉积（PVD）指的是利用某种物理的过程 ， 如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现象 ， 实现物质从源物质到薄膜的可控的原于转移过程 。
物理|一文了解物理气相沉积技术
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（PVD原理）
PVD技术出现于二十世纪七十年代末 ， 制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点 。 最初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视 ， 人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时 ， 也在硬质合金、陶瓷类刀具中进行了更加深入的涂层应用研究 。
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（图片来源于网络）
PVD技术的特点
相对于气相沉积(CVD)来说 ， PVD有如下特点：
1、需要使用固态的或者熔化态的物质作为沉积过程的源物；
2、源物质要经过物理过程进入气相；
3、需要相对较低的气体压力环境；
4、在气相中及衬底表面并不发生化学反应 。
PVD技术的优点及缺点
优点：
1、沉积温度低 ， 一般在600°℃以下 ， 对刀具材料的抗弯强度影响很小；
2、涂层内部的应力状态是压应力 ， 更适应于硬质合金精密复杂刀具的涂层；
3、对环境不造成污染 ， 符合目前绿工艺、绿色制造的发展动向；
4、随着纳米涂层的出现 ， 涂层刀具质量显著提高 ， 不仅具有结合强度高、硬度高和抗氧化性能好等优点 ， 还能有效地控制精密刀具刃口形状及精度 。
缺点：
1、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长 ， 使得刀具的成本增加；
2、生产的刀具抗冲击性能、硬度和均匀性比技术生产的刀具差 ， 使用寿命也比技术生产的刀具短；
3、涂层的产品几何形状单一 ， 使用领域受限；
【物理|一文了解物理气相沉积技术】4、易产生内应力和微裂纹 ， 原因是涂层与基体在冷却时收缩率不同 。
PVD技术分类
按照沉积时物理机制的差别 ， 物理气相沉积一般分为真空蒸发镀膜技术、真空溅射镀膜、离子镀膜和分子束外延等 。 近年来 ， 薄膜技术和薄膜材料的发展突飞猛进 ， 成果显著 ， 在原有基础上 ， 相继出现了离子束增强沉积技术、电火花沉积技术、电子束物理气相沉积技术和多层喷射沉积技术等 。
1、离子束增强沉积技术(IBED)
离子束增强沉积技术是一种将离子注入与薄膜沉积融为一体的材料表面改性新技术 。 它是指在气相沉积镀膜的同时 ， 采用一定能量的离子束进行轰击混合 ， 从而形成单质或化合物膜层 。 它除了保留离子注入的优点外 ， 还可在较低的轰击能量下连续生长任意厚度的膜层 ， 并能在室温或近室温下合成具有理想化学配比的化合物膜层(包括常温常压无法获得的新型膜层) 。 该技术具有工艺温度低(＜200℃) ， 对所有衬底结合力强 ， 可在室温得到高温相、亚稳相及非晶态合金 ， 化学组成便于控制 ， 方便控制生长过程等优点 。 主要缺点是离子束具有直射性 ， 因此处理形状复杂的表面比较困难 。
2、电火花沉积技术(ESD)
电火花沉积技术是将电源存储的高能量电能 ， 在金属电极(阳极)与金属母材(阴极)间瞬时高频释放 ， 通过电极材料与母材间的空气电离 ， 形成通道 ， 使母材表面产生瞬时高温、高压微区 。 同时离子态的电极材料在微电场的作用下融渗到母材基体 ， 形成冶金结合 。 电火花沉积工艺是介于焊接与喷溅或元素渗入之间的工艺 ， 经过电火花沉积技术处理的金属沉积层具有较高硬度及较好的耐高温性、耐腐蚀性和耐磨性 ， 而且设备简单、用途广泛、沉积层与基体的结合非常牢固 ， 一般不会发生脱落 ， 处理后工件不会退火或变形 ， 沉积层厚度容易控制 ， 操作方法容易掌握 。 主要缺点是缺少理论支持 ， 操作尚未实现机械化和自动化 。
3、电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)
电子束物理气相沉积技术是以高能密度的电子束直接加热蒸发材料 ， 蒸发材料在较低温度下沉积在基体表面的技术 。 该技术具有沉积速率高(10kg/h～15kg/h的蒸发速率)、涂层致密、化学成分易于精确控制、可得到柱状晶组织、无污染以及热效率高等优点 。 该技术的缺点是设备昂贵 ， 加工成本高 。 目前 ， 该技术已经成为各国研究的热点 。
4、多层喷射沉积技术(MLSD)
与传统的喷射沉积技术相比 ， 多层喷射沉积的一个重要特点是可调节接收器系统和坩埚系统的运动 ， 使沉积过程为匀速且轨迹不重复 ， 从而得到平整的沉积表面 。 其主要特点是：沉积过程中的冷却速度比传统喷射沉积要高 ， 冷却效果较好；可制备大尺寸工件 ， 且冷却速度不受影响；工艺操作简单 ， 易于制备尺寸精度较高、表面均匀平整的工件；液滴沉积率高；材料显微组织均匀细小 ， 无明显界面反应 ， 材料性能较好 。 但是该技术还处于研究、开发和完善阶段 ， 因此对其沉积到工件表面的轨迹的规律性研究还缺少理论依据 。
PVD技术的应用
1、在刀具、模具中的应用
最早应用于模具和刀具中 。 通过沉积TiC镀层 ， 可以有效延长模具的寿命；在高速钢刀具中沉积镀膜 ， 可提高刀具的抗磨损性、抗粘屑性和刀具的切削速度 ， 同时经镀膜的刀具还具有高硬度、高化学稳定性、高韧性、低摩擦系数等特点 。
2、在建筑装饰中的应用
因物理气相沉积技术具有沉积过程易于操作 ， 膜层的成分易于控制 ， 不存在废水、废气、废渣的污染等特点 ， 目前 ， 这一技术在建筑装饰中得到广泛应用 。
3、在特殊薄膜材料制备中的应用
雾化沉积技术可以显著地扩大合金元素固溶度 ， 获得细小均匀的等轴晶组织 ， 减小合金元素的宏观偏析 ， 增加第二相的体积分数 ， 细化第二相粒子 ， 从而避免了传统冶金工艺中由于冷却速度低而导致的化学成分宏观偏析以及组织粗大等诸多弊端 ， 可实现大尺寸快速凝固材料的一次成型 ， 目前多应用于颗粒增强金属基复合材料的制备 ， 如用雾化沉积技术制备MMCs等 。 另外 ， 利用脉冲激光弧沉积技术制备类金刚石薄膜的方法国内已经开展了研究 。
4、在电学及医学等领域里的应用
具有铁电性且厚度尺寸在数十纳米到数微米的铁电薄膜具有良好的介电、电光、声光、光折变、非线性光学和压电性能 ， 主要被应用于随机存储器、电容器、红外探测器等领域 ， 其制备方法主要有溅射法、脉冲激光沉积法等 。 羟基磷灰石(HA)属于磷酸盐无机非金属材料 ， 它的化学成分和晶体结构与脊椎动物的骨及牙齿的矿物成分非常相近 ， 且与生物组织有良好的相容性 ， 目前在种植牙和人工骨等方面有着广泛的应用 ， 羟基磷灰石薄膜同样可以采用物理气相沉积技术制备 。
5、在耐腐蚀涂层中的应用
通过PVD技术使腐蚀介质很难穿透涂层到达基底 ， 使腐蚀介质与基底材料有效隔绝 ， 达到抗腐蚀保护基底的目的 。
参考来源：
[1]吴笛.物理气相沉积技术的研究进展与应用
[2]顾剑锋等.物理气相沉积在耐腐蚀涂层中的应用
[3]陈向阳等.气相沉积技术研究现状与进展


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