电弧离子镀
电弧离子镀TiN涂层陶瓷刀片的力学性能和界面结构
将 试 样 装 入镀 膜 室，接 通 电弧 电源，引 弧后 ．调 整 电流 为 ６Ａ，接 通试 样 负偏 压 电谭 ， ０ 坷整 电压 为 ５０ ，并 进行 Ｔ 离 子 轰击 １ｍｉ ０Ｖ ｉ ０ ｎ，并 进行 溅 射 清洗 ．然 后 通 入氮 气 ，控 制 氮气 分 压为 ０２ Ｐ ．￣ｌ ａ，工 件 负偏 压为 １０ ０Ｖ， 进 行 ＴＮ 涂 层 沉积 沉 积 时 间为 ４ｎ ｎ 沉积 ０￣３０ ｉ ５ｆ ｉ
３ 结果 和讨 论
３１ ． Ｔｉ 涂层 陶瓷 刀片 的 力学 性 能 Ｎ 为评 价 Ｔ Ｎ 涂 层对 陶瓷 刀 片 表面 改 性 的效 果 ，本研 究 比较 了加 涂 层 前后 刀 片 的抗 弯强 ｉ 度 和 Ｗｅ ｕｌ 数 ，如 图 １ 示 ．其 中 口表 示 试样 抗 弯强 度 ， Ｆ 表 示 断 裂 概 率 ，其 大 小为 ｉ ｌ模 ｂ 所
完 毕后 ，切 断 所有 电源 ，停止 通 氮气 ． ２３ 测 试 ． 采 用 三 点 弯 曲法 测量 陶 瓷 刀 片 涂 层 前 后 的抗 弯 强 度 ，分 别 使 用 １ ０个 试 样 ，加 载 速 率
０ ｉ ｎｎ ｎ ｆ ．用 Ｈ ｔｃｉ －２ ５ ｍ／ｉ ｉ ｈ Ｓ ５０型扫描 电子 显微镜 （Ｅ ． 观察 涂层前后 的表面形 貌和 断面 ａ Ｓ Ｘ） Ｉ 形貌 ； 采用 Ｄ ｍ ｘ２０ ／ ￣－４０型 ｘ 射线衍射仪 （Ｒ ） Ｘ Ｄ 对涂层试样 进行物相分析 ，扫描速度 为 ４／ ｉ 。ｒ ｎ，步 长 为 ０ ２ ，铜 靶 射 线 管工 作 电压 ４ｋ ａ ．。 ０ ０ Ｖ， 电流 １０ ０ｍＡ ；用 Ｃ ｍｅａＩ Ｆ型二 ａ ｒ ＭＳ６ 次 离 子 质 谱 仪 （Ｉ ） 析 膜 基 界面 元 素分 布 ． ＳＭＳ 分
维普资讯
【国家自然科学基金】_电弧离子镀_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
推荐指数 7 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
2014年 科研热词 电弧离子镀 脉冲偏压占空比 纳米硬度 微观结构 非平衡磁控溅射 表面形貌 管状构件 磁控溅射 硬度 物理气相沉积 氮气流量 晶体结构 摩擦学特性 化学气相沉积 内表面 tin薄膜 tin/tialn tin tialn薄膜 tialn dlc薄膜 推荐指数 4 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 科研热词 电弧离子镀 硬度 大颗粒 摩擦性能 双层调制 tin/tialn薄膜 m2高速钢 钛铸件 轴对称磁场 脉冲电弧离子镀 组织结构 等离子渗氮 磁控溅射 真空电弧离子镀 盐雾腐蚀 电偶腐蚀 生物安全性 热处理 材料表面与界面 抗电化学腐蚀性能 微观结构 微弧氧化 化学氧化 tin/tialn多层薄膜 tin tc16钛合金 nicocralysib涂层 18ni钢 推荐指数 5 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
科研热词 电弧离子镀 涂层 扩散阻挡层 钛合金 超宽带增透膜 血管支架 脉冲偏压 耐磨性 缝隙腐蚀 结构钢 结合强度 类金刚石薄膜 离子束辅助沉积 磁过滤 硒化锌 真空退火 真空离子镀 电偶腐蚀 生物学效应 氮化钛薄膜 氧化 抗氧化 恒磁场 微观结构 力学性能 初期氧化 再狭窄 光学薄膜 元素互扩散 一步沉积法 fe/pd磁性膜 crn craln涂层 alcrn沉积层
离子镀及其他PVD方法
活化反应离子镀的由来
为制备化合物薄膜，早期有所谓的反应蒸发法 ，即使金属蒸气通过活性气氛（如O2、NH3、 CH4）后，反应沉积成相应的化合物。当时，对 活性气体并不施加等离子体激活手段,其结果是 化学反应不易进行得很彻底，沉积物的化学成 分常偏离化合物的化学计量比
由此，发展了活化反应蒸发法(activated reactive evaporation，ARE) ，让金属蒸气通过 活性气体形成的等离子体区，使活性气体和金 属原子均处于离化态，增加两者的反应活性， 在衬底上形成相应的化合物薄膜
在不间断离子轰击的情况下开始物质的蒸发沉 积过程。蒸发出来的粒子将与等离子体发生相 互作用。由于Ar的电离能比被蒸发元素的电离 能更高，因而在等离子体内将会发生Ar离子与 蒸发原子之间的电荷交换，蒸发原子发生部分 的电离
含有相当数量离子的蒸发物质在两极间被加速 ，并带着相应的能量轰击薄膜。但离子轰击产 生的溅射速率要低于蒸发沉积的速率
第四讲
薄膜材料制备的离子镀 及其他PVD方法
Preparation of thin films by ion plating and other PVD methods
提要
离子镀方法的原理和特点 各种各样的离子镀方法 其他制备薄膜的PVD方法
各种其他的物理气相沉积方法
还有一些不能简单划归蒸发、溅射法的PVD方 法，它们针对特定的应用目的，或是将不同的 手段结合在一起，或是对上述的某一种方法进 行了较大程度的改进，如
二极直流放电离子镀的操作环境
使用电子束蒸发法提供沉积所需的物质
以衬底作为阴极、整个真空室作为阳极组成一 个类似于二极溅射装置的放电系统
真空室内充入0.1-1.0Pa的Ar气
在沉积前和沉积中，采用高能量的离子流对衬 底和薄膜表面进行持续的轰击
PVD知识整理
帕邢（Paschen）曲线
溅镀
溅射沉积的方法
反应溅射溅射
在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，溅射出来的靶材料与反应气体形成化合
物（氮化物、碳化物、氧化物）
反应溅射特征
➢靶中毒：反应气体与靶反应，在靶表面形成化合物。
➢沉积膜的成分不同于靶材。
➢化合物靶材溅射后，组元成分（氧、氮）含量下降，补偿反应气体。
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸镀
➢真空室存在两种粒子：蒸发物质的原子或分 子；残余气体分子。 ➢由气体分子运动论可求出在热平衡下，单位时间通过单位面积的气体分 子数，即为气体分子对基片的碰撞率
➢蒸发分子的平均自由程为 （ d为碰撞截面）
蒸镀
蒸发分子的平均自由程与碰撞几率
蒸发分子的碰撞百分数与实际行程对平均自由程之比如图。当平均自由程等于源 之比如 图。当平均自由程等于源- -基距时，有63％的蒸发分子受到碰撞，如果自由程增加 10倍， 撞几率减小到9％。因此，只有在平均自由程源- -基距大得多，才有效减少渡越中的碰撞。
Z大溅射原子逸出时能量高，Z小逸出的速度高。 同轰击能量下，溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线形增加。 溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大，达到某一高
平均能量趋于恒定。
值时，
溅射沉积的方法 直流二极溅射
溅镀
辉光放电产生离子轰击靶材； 气压过低辉光放电难以维持（＜1Pa）； 溅射气压高（~10Pa）、沉积速率低； 工艺参数：电源功率、工作气体流量与压 强、基片温度、基片偏压。
溅镀
溅镀（Sputtering） 溅射的基本原理: ➢ 物质的溅射现象 溅射：荷能粒子与固体（靶材）表面相互作用过程中，发生能量和动量 的转移，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子 的溅射。 溅射是轰击粒子与固体原子之间能量和动量转移的结果 溅射镀膜：应用溅射现象将靶材原子溅射出来并沉积到基片上形成薄膜 的技术。 ➢ 溅射参数 ✓ 溅射阀值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射 离子的种类关系不大、与靶材有关。 ✓ 溅射产额 ✓ 溅射离子速度和能量
第6章离子镀膜ppt课件
3.离子能量
• 离子的溅射、沉积均与离子能量有关 ； • Vc为衬底阴极所加的负偏压，离子的平均
能量为eVc/10。当Vc为1~5kV时，离子的 平均能量为100~500 eV 。 • 这有沉积和溅射作用同时存在。 • D.G.Teer测出金属的离化率只有0.1~1%。
4.中性原子
• 受到碰撞的中性金属粒子的数量大约为金属离子数的20倍； • 但是，并非所有的高能中性原子都能到达基板。通常，约
Ei eUi ，其中Ui 是淀积离子的平均加速电压。
3.薄膜表面的能量活性系数
薄膜表面的能量活性系数 可由下式近似给出
(Wi Wv )/Wv (niEi nvEv )/ nvEv （4
当 nvEv niEi 时，可得
niEi eUi ( ni ) C Ui ( ni )
nvEv 3kTv / 2 nv Tv nv
•则
n 9.76 1016 / cm。2 s
• ②溅射剥离效应
• 设离子电流密度为j，则单位时间内轰击到基片表面的 离子数，溅射率为η，则单位时间内溅射的原子数nj,
nj
nj
103 j
1.6 1019
0.631016
j / cm2
s
• 式中，是一价正离子电荷量（只考虑一价正离子），j
是入射离子形成的电流密度。
• 与溅射镀膜，离子轰击靶（阴极）溅射出原子成膜。而离子镀中，离 子或中性原子直接在负高压（阴极）成膜。
6.2 离子镀的特点
(1）膜层附着性能好。 因为在离子镀过程中，利用辉光放电所产生的大量高能粒子对
基片表面产生阴极溅射效应，对基片表面吸附的气体和污物进行 溅射清洗，使基片表面净化，而且伴随镀膜过程这种净化清洗随 时进行，直至整个镀膜过程完成，这是离子镀获得良好附着力的 主要原因之一。
摩擦学-离子镀
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2.5.1活性反应离子镀的设备
右图为活性反应离子镀膜 机结构示意图。 在安装电子枪蒸发源的二 级型离子镀膜机中，于坩埚的 上方安装了一个活化电极，放 电时活化电极对地（坩埚）为 正极，电压为50V～80V。吸引 从坩埚内的金属锭上激发出的 二次电子。增加了坩埚上方的 碰撞概率。
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2.5.2活性反应离子镀的特点
19
2.4.3空心阴极离子镀的特点
• 在空心阴极离子镀中，等离子体电子束一方面作 为气化金属的热源，另一方面当金属蒸气通过等 离子体电子束区域时，其受到高密度电子流中电 子的碰撞而发生离化。 • 在镀膜过程中，含有大量的高速中性粒子，其数 量比其他离子镀方法高两三个数量级。高的荷能 粒子轰击促进了膜/基间原子的扩散，提高了膜/ 基间结合力和膜层致密性。
32
2.6.3阴极电弧离子镀工艺过程（以沉积TiN为 例）
VI. 取出工件。当膜层厚度达到预定要求后，向镀 膜室，取出工件。
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2.6.4阴极电弧离子镀的特点
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2.6.3阴极电弧离子镀工艺过程（以沉积TiN为 例）
I. 安装工件。工件安装在工件卡具上后，关上镀 膜室。 II. 抽真空至6×10-3Pa以上。 III. 烘烤加热。开启烘烤加热电源，对工件加热。 达到预定温度
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2.6.3阴极电弧离子镀工艺过程（以沉积TiN为 例）
IV. 轰击净化。一般阴极电弧离子镀只进行钛离子 轰击净化，也称主弧轰击。通氩的真空度为 2×10-2Pa，工件偏压为800V~1000V。逐个开 启弧电源，引燃冷场发射弧光放电，靶面产生 高密度的弧光等离子体。从靶面发射大量的电 子流、钛离子流和钛蒸气流，在较高的真空度 下，金属离子几乎不产生碰撞地高速到达工件。 高密度、高能量的金属离子流将工件表面吸附 的残余气体和污染物溅射下来，是工件表面充 分净化，并形成一定的“伪扩散层”。
氮化钨涂层工艺流程
氮化钨涂层工艺流程
1.材料准备：首先需要准备待涂层的材料，通常选择具有较好的导电
性和耐高温性的基材进行涂层处理，常见的有钢、铝、钛等。
2.清洗和表面处理：在涂层之前，需要对材料进行清洗和表面处理，
以去除表面的污物和氧化层，提高涂层与基材的附着力。
常用的清洗方法
有化学清洗、机械清洗和超声波清洗等。
3. 应用涂层：涂层通常采用物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）或化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）等方法。
其中，物理气相沉积是最常用的方法，主要包括磁控溅射、电弧
离子镀、电子束蒸发等。
3.1磁控溅射：将氮化钨靶材放置在真空室内，通过施加高压电弧激
发气体形成等离子体，使得氮化钨靶材表面的原子溅射到基材表面上，形
成涂层。
3.2电弧离子镀：类似于磁控溅射，通过施加高压电弧激发气体形成
等离子体，在真空环境中将氮化钨附着在基材表面。
3.3电子束蒸发：使用电子束对氮化钨靶材加热，使其表面原子蒸发
然后沉积在基材表面。
4.涂层后处理：涂层完成后，需要对其进行后处理以提高其性能和附
着力。
常见的后处理方法有退火、氢气处理和机械处理等。
5.检测和质量控制：在涂层完成后，需要对涂层进行检测以确保其质量。
常用的检测方法有厚度测量、附着力测试、硬度测试和显微镜观察等。
6.应用领域：氮化钨涂层广泛应用于制造业领域，例如刀具、模具、汽车零件、航空航天零件等。
涂层的硬度和耐磨性能可以提高材料的耐磨性和使用寿命，同时也可以提高材料的耐腐蚀性能。
举例说明pvd的主要过程。
举例说明pvd的主要过程。
1. PVD的主要过程之一是物理气相沉积。
在这个过程中，通过将固态材料加热至高温并将其转变为气体，然后将气体输送到目标材料表面，使其沉积在表面上。
例如，在制备薄膜时，可以使用物理气相沉积来将金属材料沉积在基底上。
2. PVD的另一个重要过程是磁控溅射。
在这个过程中，将目标材料放置在真空腔室中，并使用磁场引导离子束轰击目标材料，使其从表面释放出来并沉积在基底上。
例如，可以使用磁控溅射来制备高质量的薄膜，如金属氧化物薄膜。
3. 电弧离子镀是PVD过程的另一种形式。
在这个过程中，通过在真空腔室中产生弧光放电，将目标材料蒸发并形成离子，然后将离子沉积在基底上。
这种方法可以用于制备高硬度的薄膜，如氮化硅薄膜。
4. 蒸发是PVD过程中常用的一种方法。
在蒸发过程中，将目标材料加热至其蒸发温度，然后使蒸发的材料沉积在基底上。
这种方法常用于制备金属薄膜、光学薄膜等。
例如，在制备太阳能电池时，可以使用蒸发方法将金属薄膜沉积在硅基底上。
5. PVD过程中的溅射是一种重要的方法。
在溅射过程中，通过将高能粒子轰击目标材料，使目标材料从表面释放出来并沉积在基底上。
这种方法可以用于制备各种材料的薄膜，如金属、绝缘体、半导体等。
例如，在制备显示器的涂层过程中，可以使用溅射方法将ITO （锡氧化铟）薄膜沉积在玻璃基底上。
6. 离子束沉积是PVD过程中的一种技术。
在离子束沉积过程中，通过加速离子束并将其引导到目标材料上，使目标材料从表面释放出来并沉积在基底上。
这种方法可以用于制备高质量的薄膜，如硅薄膜。
例如，在制备集成电路时，可以使用离子束沉积来形成细微的结构。
7. 磁控电弧溅射是一种结合了磁控溅射和电弧离子镀的PVD技术。
在这个过程中，通过在真空腔室中产生弧光放电和磁场，将目标材料蒸发并形成离子，并将离子沉积在基底上。
这种方法可以用于制备高质量的薄膜，如金属氮化物薄膜。
8. PVD过程中的磁控阴极溅射是一种常用的方法。
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电弧离子镀
电弧离子镀是一种高效的表面处理技术，它可以在金属表面形成一层坚硬、耐磨、耐腐蚀的涂层，提高金属的使用寿命和性能。
本文将从电弧离子镀的原理、应用和优缺点三个方面进行介绍。
电弧离子镀的原理是利用高温电弧将金属材料蒸发成离子，然后通过电场加速离子，使其沉积在工件表面形成涂层。
电弧离子镀的工艺流程包括清洗、预处理、电弧离子镀和后处理等步骤。
其中，清洗和预处理是非常重要的步骤，它们可以去除工件表面的污垢和氧化物，提高涂层的附着力和质量。
电弧离子镀的应用非常广泛，它可以用于金属表面的硬化、防腐、耐磨、导电和美化等方面。
例如，电弧离子镀可以在汽车发动机的气门、曲轴等部件表面形成硬质涂层，提高其耐磨性和耐腐蚀性；电弧离子镀还可以在手机、电脑等电子产品的金属外壳表面形成金属质感的涂层，提高产品的美观度和质感。
电弧离子镀的优点是涂层质量高、附着力强、硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性强、导电性好等。
但是，电弧离子镀也存在一些缺点，例如设备成本高、工艺复杂、涂层厚度不易控制、涂层成分不易调节等。
此外，电弧离子镀还存在一些环境和安全问题，例如电弧放电会产生大量的氮氧化物和臭氧等有害气体，需要进行排放和处理。
电弧离子镀是一种高效的表面处理技术，它可以在金属表面形成坚
硬、耐磨、耐腐蚀的涂层，提高金属的使用寿命和性能。
电弧离子镀的应用非常广泛，但是也存在一些缺点和环境安全问题，需要在实际应用中加以注意和解决。