По мере течения времени возрастает важность прочной продукции для снижения общего потребления и уменьшения отходов. Однако не все материалы обладают врожденной прочностью, теплостойкостью или устойчивостью к коррозии. В этой статье мы рассмотрим процесс, который улучшает физические свойства таких материалов – процесс нанесения покрытия методом физического осаждения (PVD).
В PVD, или физическом осаждении паров, вы наносите пары одного материала на другой и ожидаете, когда они затвердеют. Этот процесс приводит к образованию тонкой пленки, улучшающей свойства подложки.
Вы часто найдете PVD на нейлоне, пластмассе, металлах, стекле и керамике, поскольку он обеспечивает защиту этих материалов от коррозии, взаимодействия с химическими веществами или износа. Он может внести оптические свойства, улучшить проводимость, увеличить прочность, уменьшить трение или улучшить эстетику.
Методы нанесения покрытий PVD, используемые в промышленных приложениях
Для процесса физического осаждения паров (PVD) можно использовать следующие техники:
1. Термическое испарение
В микрообработке в компьютерной промышленности часто используется нанесение PVD методом термического испарения. Вы встретите два общеиспользуемых метода: электронно-лучевое испарение и импульсное лазерное осаждение.
Оба метода используют энергию для испарения металла и направляют пары через вакуум на холодную поверхность, где они затвердеют в виде тонкого слоя. Однако при электронно-лучевом осаждении электроны ускоряются для передачи энергии целевому материалу. И при импульсном лазерном осаждении вы используете низкое напряжение, но высокий ток для генерации энергии.
2. Рассеивание ионов
Вы найдете два общих типа этой техники: ионное рассеивание и магнетронное распыление.
В технике ионного рассеивания при нанесении покрытия PVD целевой материал ионизируется через электрическое поле. Это приводит к ионизации и его попаданию на поверхность, которую нужно покрыть.
При магнетронном распылении электрическое поле направляет положительно заряженные ионы на целевую поверхность.
Медицинские принадлежности и лабораторная продукция часто покрываются техникой рассеивания ионов.
3. Дуговое осаждение паров
В этой технике вы используете низкое напряжение для испарения целевого материала и вызываете его взаимодействие с другими газами в камере для производства нужного покрытия.
Дуговое осаждение паров является наиболее экологически безопасной техникой нанесения покрытий PVD, потому что в ней используется минимум химических веществ. Она также обеспечивает тонкое покрытие различных цветов, таких как черный, синий, фиолетовый, золотой, бронзовый, графитовый и разноцветные комбинации.
Пошаговое руководство по нанесению покрытий PVD
Вот подробное руководство, которое поможет вам понять тонкости процесса нанесения покрытий PVD.
Шаг 1: Очистка подложки
Необходимо обеспечить отсутствие поверхностных примесей на подложке, чтобы покрытие PVD хорошо на ней «держалось». Это можно сделать путем механической очистки под давлением воздуха или химической обработки для дезинфекции указанной подложки.
Шаг 2: Обработка подложки
Вы можете обрабатывать подложку различными способами для улучшения прочности сцепления покрытия. Например, вы можете сделать поверхность подложки более шероховатой через анодирование или плазменное травление. Это увеличит ее поверхностную площадь и позволит лучше нанести металлическое покрытие на нее.
Шаг 3: Загрузка подложки в вакуумную камеру
Подготовив подложку, вы загружаете ее в камеру PVD – обычно это вакуумный контейнер, спроектированный для поддержания низкого давления. Камера эвакуируется с помощью вакуумного насоса, чтобы гарантировать, что никакие дополнительные частицы не могут помешать процессу нанесения покрытия.
Шаг 4: Испарение и транспортировка целевого металла
После подготовки подложки целевой материал испаряется любым из вышеописанных методов. Полученный пар позволяется переместиться на подложку, где он наносится контролируемым образом.
Шаг 5: Реакция с газом
Подложка может реагировать с определенными газами, чтобы обеспечить качественное сцепление с покрытием. Реагентные газы также могут позволить изменить свойства полученного покрытия, такие как его прочность, гладкость и т. д.
Шаг 6: Наложение покрытия
Целевой металл затем осаждается на подложку на атомном или молекулярном уровне. Процесс происходит при контролируемом давлении и температуре, поскольку эти параметры могут изменить свойства покрытия.
Шаг 7: Послеобработка покрытия
Покрытое вещество проверяется на качества, такие как однородность, шероховатость, толщина и т. д., чтобы убедиться, что продукт соответствует желаемым характеристикам. Затем применяются послепроцессные обработки.
Послепроцессные обработки дополнительно улучшают прочность связи между подложкой и покрытием. Некоторые из них включают
- Отжиг: Здесь вы нагреваете покрытую подложку в контролируемой среде, чтобы улучшить сцепление покрытия с подложкой и уменьшить остаточные напряжения в покрытии.
- Поверхностная полировка: Это включает механическую или химическую полировку для удаления неровностей и шероховатости поверхности
- Отделка поверхности: Это включает использование методов, таких как лазерная текстурировка и электрополировка, для модификации свойств поверхности покрытия.
Материалы, используемые при PVD-покрытии
PVD-покрытие включает подложки, целевые материалы и газы для помощи в покрытии.
1. Подложки
Подложки – это материалы, проходящие покрытие. Для процесса можно использовать различные подложки, включая металлы, керамику, стекло, при этом некоторые обеспечивают лучшую адгезию и совместимость с процессом, чем другие.
Пластик нужно покрывать при более низких температурах, и материалы, такие как медь, сталь и латунь, часто подвергаются гальваническому нанесению перед вакуумным осаждением для более высокой устойчивости к коррозии. Хромированные материалы и нержавеющие стали хорошо переносят PVD-покрытия. Выбор подложек разнится в зависимости от применения.
2. Целевые материалы
Материал, используемый для покрытия – целевой материал, – зависит от желаемых свойств вашей подложки.
Например, TiCN-покрытие увеличивает твердость объекта и часто используется на режущих инструментах, в то время как определенные керамические покрытия применяются в оптике для придания антирефлексионных свойств. Эти материалы представлены в большом количестве и не ограничиваются металлами. Некоторые из этих целевых материалов включают:
- Нитрид титана для увеличения твердости
- Графит-iC и MoST для снижения трения
- Нитрид циркония для защиты от коррозии
- Подобно алмазу углеродоподобный покрытие (DLC) для повышенной прочности
3. Газы
Процесс физического напыления материала часто включает следующие газы:
- Кислород изменяет цвет пленки, если вовлечено ионное напыление.
- Аргон может использоваться для увеличения давления.
- Азот изменяет цвет, если вовлечено ионное напыление, и используется для увеличения атмосферного давления.
Применения PVD-покрытия
От повседневных предметов до машин NASA, PVD-покрытие нашло разнообразные применения во многих областях. Мы рассмотрим три отрасли, которые значительно выигрывают от этой технологии:
1. Автомобильная отрасль
Движущиеся детали в транспортных средствах должны быть устойчивы к износу, иметь низкое трение для минимизации энергопотерь и износа, а также быть легкими, чтобы обеспечить длительную работу топлива. PVD-покрытия могут придать все эти свойства желаемым подложкам.
Например, система клапанного механизма и подшипники двигателя внутри автомобиля вызывают потерю мощности из-за трения. Поскольку несколько поверхностей двигаются друг по отношению к другу, риск повреждения деталей также высок.
Многочисленные PVD-покрытия, такие как DLC, MoS2 и Onyx, могут увеличить прочность и теплостойкость таких компонентов при снижении трения между ними без существенного увеличения веса или необходимости использования тяжелых материалов.
Более легкие материалы, такие как алюминий или некоторые сплавы, также могут быть защищены от структурных деформаций с использованием PVD-покрытий, что эффективно уменьшает массу автомобиля. Это увеличивает срок службы транспортных средств и повышает их эффективность.
Вы также можете использовать PVD-покрытия для улучшения эстетического вида автомобилей и настройки внешнего вида отделки путем введения различных цветов, свойств отражения и текстур.
2. Оружейная промышленность
Покрытие PVD быстро приобретает популярность в отрасли производства огнестрельного оружия благодаря эффективному улучшению функциональности оружия и возможностям более качественной настройки.
Как и в случае с автомобилями, для долговечности оружия существенным является твердость, устойчивость к износу и низкое трение. Покрытия PVD могут обеспечить подобные свойства. И поскольку эти покрытия крайне тонкие, они практически не изменяют размеры компонентов оружия, поэтому пользователи могут покрыть свое оружие после его покупки.
Любители огнестрельного оружия теперь также могут получить свои оружия в нескольких постоянных цветах и отделках через покрытие PVD нитридами, такими как CrN, TiCN и т. д.
3. Медицинская промышленность
Медицинские точные инструменты часто тонкие и острые, поэтому они могут легко деформироваться, если не используются подходящие материалы. Кроме того, многие инструменты должны быть разрезаны или просверлены через кости, что увеличивает вероятность их износа. Таким образом, неудивительно, что покрытия PVD давно утвердились в медицинской промышленности.
Покрытия высокой прочности, такие как TiN, DLC и AlTiN, получили широкое признание благодаря своему вкладу в увеличение срока службы оборудования биосовместимым образом. Они также помогают инструментам сохранять острые края, чтобы разрезы были точными и заживали быстро. Некоторые покрытия также обладают антимикробными свойствами и могут выдерживать несколько циклов автоклавирования, что помогает медицинской отрасли, делая оборудование более безопасным, экономичным и долговечным.
Преимущества покрытия PVD
Простое наложение тонкого слоя соответствующего целевого материала через покрытие PVD может открыть множество приложений, модифицируя поверхностные свойства материалов. Преимущества включают следующее:
- В отличие от электропокрытия, покрытия PVD обладают высокой адгезией, не являются коррозионностойкими, устойчивы к царапинам и могут служить долгие годы. Долговечные продукты в конечном итоге снижают потребление и рассматриваются как устойчивые.
- Существует бесконечное количество сочетаний целевого материала и подложки, которые можно использовать, поскольку техника не ограничена определенным классом веществ. Это можно использовать для достижения различных свойств, таких как низкое трение, увеличенная прочность, высокая химическая и тепловая устойчивость, измененные оптические свойства и т. д.
- Техники PVD позволяют варьировать толщину пленки и состав в соответствии с вашими потребностями, обеспечивая превосходную модификацию.
- В процессе PVD не образуются токсичные побочные продукты. Это делает его гораздо более экологически чистым, чем другие методы металлического покрытия, которые часто требуют химических реакций.
- Персонал, работающий с процессами PVD, не обязан работать в опасных условиях, так как процесс безопасен.
- Вы можете использовать несколько техник вакуумного осаждения, поэтому каждый производитель может выбрать технику, которая для него экономична и подходит для его подложки.
- Изменение поверхностных свойств материалов через покрытие PVD существенно более экономично, чем инвестирование в чистые материалы с желаемыми свойствами. Например, приобретение сверла с DLC-покрытием гораздо более экономично, чем инвестирование в алмазорезные инструменты.
Недостатки покрытия PVD
- Стоимость оборудования для PVD высока.
- Физическое вакуумное осаждение занимает больше времени, чем многие другие техники покрытия.
- Для работы с процессом требуется квалифицированный персонал, поэтому трудозатраты высоки.
- Для покрытия PVD требуются системы охлаждения для справления с высокой тепловыделением.
Уход за покрытием PVD
PVD-покрытия легко обслуживать, поскольку они в основном созданы для обладания гладкой поверхностью и устойчивости к коррозии. При необходимости можно использовать сухую ткань или ткань, смоченную в слабом мыльно-водном растворе, для удаления пыли и загрязнений.
Избегайте использования агрессивных химических веществ, абразивных чистящих средств или полировочных средств, кислот и щелочных агентов, так как вы можете не знать степень химической стойкости вашего PVD-покрытия. Избегайте грубых материалов для чистки, таких как стальные металлические губки и другие абразивные материалы, используемые для посуды.
Для огнестрельного оружия детали с PVD-покрытием должны поддерживаться в смазке, чтобы обеспечить долговечность покрытия против коррозии.
PVD-покрытие против других технологий покрытия
Вот некоторые альтернативные методы покрытия по сравнению с физическим вакуумным осаждением:
1. Покрытие CVD
В процессе химического осаждения паров (CVD) для покрытия вашей подложки необходимо использовать несколько реактивных химических соединений. Требуемая пленка образуется через несколько реакций, которые осаждают ее на подложку. Это приводит к образованию тонких, стойких к износу слоев и может быть легко использовано для покрытия неправильных материалов. Производители могут искусно контролировать чистоту и толщину слоев.
Материал, осажденный в процессе CVD, присоединяется к подложке через металлургические и диффузионные связи, в отличие от физических связей в PVD, поэтому он лучше присоединяется. Однако компоненты, покрытые CVD, более хрупкие, чем покрытые PVD.
Независимо от того, нужно ли вам CVD или PVD-покрытие, зависит исключительно от намеченного вами применения продукта.
Важно отметить, что покрытие CVD включает в себя летучие предшественники и образует множество побочных продуктов, включая токсичные вещества. Любые утечки могут быть катастрофическими, и лаборатории должны быть хорошо поддерживаться в соответствии с строгими протоколами. Также требуется существенно более высокая температура, чем у процессов PVD.
2. Покрытие ALD
Вы можете выполнять вакуумное осаждение атомарного слоя (ALD) на нанометровом уровне, постепенно формируя слой с точным контролем на атомном уровне. В отличие от PVD и CVD, которые покрывают собранные объекты, ALD покрывает простые наноструктуры, которые затем собираются в более крупные объекты. Процесс обеспечивает крайне точные, равномерные и лишенные деформаций слои.
ALD – очень медленный процесс, и в нем ограничены материалы и процессы. Несмотря на свою ценность, его применение чрезвычайно специфично, например, в производстве полупроводников в схемотехнике, антирефлексионных покрытий в оптике и создании химических или влагозащитных барьеров для чувствительных устройств. И, в отличие от PVD, эту технику нельзя применять на изготовленные заранее объекты.
Заключение
Нанесение покрытий методом физического напыления (PVD) оказывается чрезвычайно ценным методом нанесения покрытий, способным улучшить свойства материалов. Он наносит устойчивые к коррозии, прочные и стабильные тонкие слои, способствующие улучшению характеристик, таких как прочность, стойкость, оптические, магнитные и проводящие свойства покрытого объекта.
Процесс нанесения покрытия PVD можно проводить различными техниками и он совместим с многими материалами. Он экологически безопасен, требует меньше энергии, чем его конкуренты, не производит токсичных продуктов, и обеспечивает безопасное рабочее пространство для сотрудников.
Если вы хотите нанять специалистов по нанесению покрытий PVD для своего бизнеса, вы можете связаться с нами и воспользоваться всеми свойствами, которые открывает PVD в материалах.
Дополнительные ресурсы:
Алюминиевое порошковое напыление – Источник: КДМ
