氣相沉積全氟醚密封圈應(yīng)用

物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)技術(shù)表示在真空條件下，采用物理方法，將材料源——固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過(guò)低壓氣體（或等離子體）過(guò)程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。物理氣相沉積的主要方法有，真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍、離子鍍膜，及分子束外延等。發(fā)展到目前，物理氣相沉積技術(shù)不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物膜等。

簡(jiǎn)介

物理氣相沉積技術(shù)早在20世紀(jì)初已有些應(yīng)用，但30年迅速發(fā)展，成為一門(mén)極具廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)，并向著環(huán)保型、清潔型趨勢(shì)發(fā)展。20世紀(jì)90年代初至今，在鐘表行業(yè)，尤其是高檔手表金屬外觀件的表面處理方面達(dá)到越來(lái)越為廣泛的應(yīng)用。

真空蒸鍍基本原理是在真空條件下，使金屬、金屬合金或化合物蒸發(fā)，然后沉積在基體表面上，蒸發(fā)的方法常用電阻加熱，高頻感應(yīng)加熱，電子束、激光束、離子束高能轟擊鍍料，使蒸發(fā)成氣相，然后沉積在基體表面，歷史上，真空蒸鍍是PVD法中使用最早的技術(shù)。

濺射鍍膜基本原理是充氬(Ar)氣的真空條件下，使氬氣進(jìn)行輝光放電，這時(shí)氬(Ar)原子電離成氬離子(Ar+)，氬離子在電場(chǎng)力的作用下，加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材，靶材會(huì)被濺射出來(lái)而沉積到工件表面。如果采用直流輝光放電，稱(chēng)直流(Qc)濺射，射頻(RF)輝光放電引起的稱(chēng)射頻濺射。磁控(M)輝光放電引起的稱(chēng)磁控濺射。電弧等離子體鍍膜基本原理是在真空條件下，用引弧針引弧，使真空金壁(陽(yáng)極)和鍍材(陰極)之間進(jìn)行弧光放電，陰極表面快速移動(dòng)著多個(gè)陰極弧斑，不斷迅速蒸發(fā)甚至“異華”鍍料，使之電離成以鍍料為主要成分的電弧等離子體，并能迅速將鍍料沉積于基體。因?yàn)橛卸嗷“撸�所以也稱(chēng)多弧蒸發(fā)離化過(guò)程。

離子鍍基本原理是在真空條件下，采用某種等離子體電離技術(shù)，使鍍料原子部分電離成離子，同時(shí)產(chǎn)生許多高能量的中性原子，在被鍍基體上加負(fù)偏壓。這樣在深度負(fù)偏壓的作用下，離子沉積于基體表面形成薄膜。物理氣相沉積技術(shù)基本原理可分三個(gè)工藝步驟：(1)鍍料的氣化：即使鍍料蒸發(fā)，異華或被濺射，也就是通過(guò)鍍料的氣化源。(2)鍍料原子、分子或離子的遷移：由氣化源供出原子、分子或離子經(jīng)過(guò)碰撞后，產(chǎn)生多種反應(yīng)。(3)鍍料原子、分子或離子在基體上沉積。

物理氣相沉積技術(shù)工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境改善，無(wú)污染，耗材少，成膜均勻致密，與基體的結(jié)合力強(qiáng)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、光學(xué)、機(jī)械、建筑、輕工、冶金、材料等領(lǐng)域，可制備具有耐磨、耐腐飾、裝飾、導(dǎo)電、絕緣、光導(dǎo)、壓電、磁性、潤(rùn)滑、超導(dǎo)等特性的膜層。

隨著高科技及新興工業(yè)發(fā)展，物理氣相沉積技術(shù)出現(xiàn)了不少新的先進(jìn)的亮點(diǎn)，如多弧離子鍍與磁控濺射兼容技術(shù)，大型矩形長(zhǎng)弧靶和濺射靶，非平衡磁控濺射靶，孿生靶技術(shù)，帶狀泡沫多弧沉積卷繞鍍層技術(shù)，條狀纖維織物卷繞鍍層技術(shù)等，使用的鍍層成套設(shè)備，向計(jì)算機(jī)全自動(dòng)，大型化工業(yè)規(guī)模方向發(fā)展。

詳述

一、真空蒸鍍

(一)真空蒸鍍?cè)��?/p>

(1) 真空蒸鍍是在真空條件下，將鍍料加熱并蒸發(fā)，使大量的原子、分子氣化并離開(kāi)液體鍍料或離開(kāi)固體鍍料表面(升華)。

(2)氣態(tài)的原子、分子在真空中經(jīng)過(guò)很少的碰撞遷移到基體。

(3)鍍料原子、分子沉積在基體表面形成薄膜。

(二)蒸發(fā)源

將鍍料加熱到蒸發(fā)溫度并使之氣化，這種加熱裝置稱(chēng)為蒸發(fā)源。最常用的蒸發(fā)源是電阻蒸發(fā)源和電子束蒸發(fā)源，特殊用途的蒸發(fā)源有高頻感應(yīng)加熱、電弧加熱、輻射加熱、激光加熱蒸發(fā)源等。

(三)真空蒸鍍工藝實(shí)例 以塑料金屬化為例,真空蒸鍍工藝包括：鍍前處理、鍍膜及后處理。真空蒸鍍的基本工藝過(guò)程如下：

(1)鍍前處理，包括清洗鍍件和預(yù)處理。具體清洗方法有清洗劑清洗、化學(xué)溶劑清洗、超聲波清洗和離子轟擊清洗等。具體預(yù)處理有除靜電，涂底漆等。

(2)裝爐，包括真空室清理及鍍件掛具的清洗，蒸發(fā)源安裝、調(diào)試、鍍件褂卡。

(3)抽真空，一般先粗抽至6．6Pa以上，更早打開(kāi)擴(kuò)散泵的前級(jí)維持真空泵，加熱擴(kuò)散泵，待預(yù)熱足夠后，打開(kāi)高閥，用擴(kuò)散泵抽至6×10-3Pa半底真空度。

(4)烘烤，將鍍件烘烤加熱到所需溫度。

(5)離子轟擊，真空度一般在10Pa～10-1Pa，離子轟擊電壓200V～1kV負(fù)高壓，離擊時(shí)間為5min～30min。

(6)預(yù)熔，調(diào)整電流使鍍料預(yù)熔，除氣1min～2min。

(7)蒸發(fā)沉積，根據(jù)要求調(diào)整蒸發(fā)電流，直到所需沉積時(shí)間結(jié)束。

(8)冷卻，鍍件在真空室內(nèi)冷卻到一定溫度。

(9)出爐，取件后，關(guān)閉真空室，抽真空至l × l0-1Pa，擴(kuò)散泵冷卻到允許溫度，才可關(guān)閉維持泵和冷卻水。

(10)后處理，涂面漆。

二、濺射鍍膜

濺射鍍膜是指在真空條件下，利用獲得功能的粒子轟擊靶材料表面，使靶材表面原子獲得足夠的能量而逃逸的過(guò)程稱(chēng)為濺射。被濺射的靶材沉積到基材表面，就稱(chēng)作濺射鍍膜。 濺射鍍膜中的入射離子，一般采用輝光放電獲得，在l0-2Pa～10Pa范圍，所以濺射出來(lái)的粒子在飛向基體過(guò)程中，易和真空室中的氣體分子發(fā)生碰撞，使運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī)，沉積的膜易于均勻。發(fā)展起來(lái)的規(guī)模性磁控濺射鍍膜，沉積速率較高，工藝重復(fù)性好，便于自動(dòng)化，已適當(dāng)于進(jìn)行大型建筑裝飾鍍膜，及工業(yè)材料的功能性鍍膜，及TGN-JR型用多弧或磁控濺射在卷材的泡沫塑料及纖維織物表面鍍鎳Ni及銀Ag。

三、等離子體鍍膜

這里指的是PVD領(lǐng)域通常采用的冷陰極電弧蒸發(fā)，以固體鍍料作為陰極，采用水冷、使冷陰極表面形成許多亮斑，即陰極弧斑�；“呔褪请娀≡陉帢O附近的弧根。在極小空間的電流密度極高，弧斑尺寸極小，估計(jì)約為1μm～100μm，電流密度高達(dá)l05A/cm2～107A/cm2。每個(gè)弧斑存在極短時(shí)間，爆發(fā)性地蒸發(fā)離化陰極改正點(diǎn)處的鍍料，蒸發(fā)離化后的金屬離子，在陰極表面也會(huì)產(chǎn)生新的弧斑，許多弧斑不斷產(chǎn)生和消失，所以又稱(chēng)多弧蒸發(fā)。最早設(shè)計(jì)的等離子體加速器型多弧蒸發(fā)離化源，是在陰極背后配置磁場(chǎng)，使蒸發(fā)后的離子獲得霍爾(hall)加速效應(yīng)，有利于離子增大能量轟擊量體，采用這種電弧蒸發(fā)離化源鍍膜，離化率較高，所以又稱(chēng)為電弧等離子體鍍膜。由于鍍料的蒸發(fā)離化靠電弧，所以屬于區(qū)別于第二節(jié)，第三節(jié)所述的蒸發(fā)手段。

四、離子鍍

離子鍍技術(shù)最早在1963年由D．M．Mattox提出，1972年，Bunshah &Juntz推出活性反應(yīng)蒸發(fā)離子鍍(AREIP)，沉積TiN,TiC等超硬膜，1972年Moley&Smith發(fā)展完善了空心熱陰極離子鍍，l973年又發(fā)展出射頻離子鍍(RFIP)。20世紀(jì)80年代，又發(fā)展出磁控濺射離子鍍(MSIP)和多弧離子鍍(MAIP)。

(一) 離子鍍

離子鍍的基本特點(diǎn)是采用某種方法(如電子束蒸發(fā)磁控濺射，或多弧蒸發(fā)離化等)使中性粒子電離成離子和電子，在基體上必須施加負(fù)偏壓，從而使離子對(duì)基體產(chǎn)生轟擊，適當(dāng)降低負(fù)偏壓后，使離子進(jìn)而沉積于基體成膜。離子鍍的優(yōu)點(diǎn)如下：

①膜層和基體結(jié)合力強(qiáng)。

②膜層均勻，致密。

③在負(fù)偏壓作用下繞鍍性好。

④無(wú)污染。

⑤多種基體材料均適合于離子鍍。

(二)反應(yīng)性離子鍍?nèi)绻�采用電子束蒸發(fā)源蒸發(fā)，在坩堝上方加20V～100V的正偏壓。在真空室中導(dǎo)人反應(yīng)性氣體。如N2、O2、C2H2、CH4等代替Ar，或混入Ar，電子束中的高能電子(幾千至幾萬(wàn)電子伏特)，不僅使鍍料熔化蒸發(fā)，而且能在熔化的鍍料表面激勵(lì)出二次電子，這些二次電子在上方正偏壓作用下加速，與鍍料蒸發(fā)中性粒子發(fā)生碰撞而電離成離子，在工件表面發(fā)生離化反應(yīng)，從而獲得氧化物(如TeO2：SiO2、Al2O3、ZnO、SnO2、Cr2O3、ZrO2、InO2等)。其特點(diǎn)是沉積率高，工藝溫度低。

(三)多弧離子鍍多弧離子鍍又稱(chēng)作電弧離子鍍，由于在陰極上有多個(gè)弧斑持續(xù)呈現(xiàn)，故稱(chēng)作“多弧”。多弧離子鍍的主要特點(diǎn)如下： 

(1)陰極電弧蒸發(fā)離化源可從固體陰極直接產(chǎn)生等離子體，而不產(chǎn)生熔池，所以可以任意方位布置，也可采用多個(gè)蒸發(fā)離化源。 

(2)鍍料的離化率高，一般達(dá)60%～90%，顯著提高與基體的結(jié)合力改善膜層的性能。 

(3)沉積速率高，改善鍍膜的效率。 

(4)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，弧電源工作在低電壓大電流工況，工作較為安全。

英文指”phisical vapor deposition” 簡(jiǎn)稱(chēng)PVD.是鍍膜行業(yè)常用的術(shù)語(yǔ).PVD(物理氣相沉積)鍍膜技術(shù)主要分為三類(lèi)，真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍和真空離子鍍膜。對(duì)應(yīng)于PVD技術(shù)的三個(gè)分類(lèi)，相應(yīng)的真空鍍膜設(shè)備也就有真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)、真空濺射鍍膜機(jī)和真空離子鍍膜機(jī)這三種。

近十多年來(lái)，真空離子鍍膜技術(shù)的發(fā)展是最快的，它已經(jīng)成為當(dāng)今最先進(jìn)的表面處理方式之一。我們通常所說(shuō)的PVD鍍膜 ，指的就是真空離子鍍膜；通常所說(shuō)的PVD鍍膜機(jī)，指的也就是真空離子鍍膜機(jī)。

物理氣相沉積（PVD）物理氣相沉積是通過(guò)蒸發(fā)，電離或?yàn)R射等過(guò)程，產(chǎn)生金屬粒子并與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物沉積在工件表面。物理氣象沉積方法有真空鍍，真空濺射和離子鍍?nèi)�種，應(yīng)用較廣的是離子鍍。離子鍍是借助于惰性氣體輝光放電，使鍍料（如金屬鈦）氣化蒸發(fā)離子化，離子經(jīng)電場(chǎng)加速，以較高能量轟擊工件表面，此時(shí)如通入CO2，N2等反應(yīng)氣體，便可在工件表面獲得TiC,TiN覆蓋層，硬度高達(dá)2000HV。離子鍍的重要特點(diǎn)是沉積溫度只有500℃左右，且覆蓋層附著力強(qiáng)，適用于高速鋼工具，熱鍛模等。

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