管状构件内表面真空镀膜方法研究进展

综述了国内外真空镀膜方法,包括化学气相沉积与物理气相沉积方法对管状构件内表面镀膜的研究进展,介绍了热化学气相沉积及各种等离子体(包括直流、射频及电子自旋共振等离子体)增强化学气相沉积方法在管状构件内表面镀膜方面的应用,分析了这种方法的优缺点;重点阐述了溅射镀膜方法 (包括直流二极(或三极)溅射、磁控溅射及离子束(或激光束)溅射)及电弧离子镀技术在管状构件内表面镀膜时对薄膜种类、沉积速率、薄膜厚度轴向均匀性、膜/基结合力等方面的特点。最后对管状构件内表面各种真空镀膜方法进行了分析对比,指出了存在的问题及今后的发展方向。     

铝铜薄膜复合技术的研究现状

综述了铝、铜薄膜复合技术的研究现状,介绍了气相沉积法和扩散连接方法对铝、铜薄膜的复合。气相沉积分为化学气相沉积和物理气相沉积,最受人们青睐的是物理气相沉积中的磁控溅射沉积法;扩散连接方法中讲述了扩散连接的过程,扩散工艺参数对扩散层组织结构、扩散层厚度的影响。     

高功率脉冲磁控溅射技术的离子(粒子)特性及其对薄膜组织结构的影响

作为电离物理气相沉积法(I-PVD)家族的新成员,高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS/HiPIMS)由于其较高的电子密度及金属离化率,自发现以来即受到了国内外专家的广泛关注。从高功率脉冲磁控溅射过程中金属离化率的角度出发,对高功率脉冲磁控溅射技术的离化机制、离化率定义进行了概述。在此基础上,重点综述了近些年来常用的离化率测量方法,包括等离子体发射光谱法、原子吸收光谱法、质谱仪法、多栅式石英微天平法、正电压沉积法等,并比较了各方法之间的优劣。进一步归纳了影响离化率的关键因素,如靶材功率、脉宽、频率、占空比、峰值电流等电学参数以及靶材种类、气体压力、磁场等非电参数。最后,针对离化率对薄膜性能的影响等方面的研究进展进行了综述,分别讨论了离化率对薄膜组织结构、斜入射沉积及均一性的影响,并概述了离化率对薄膜性能的不利影响。该文旨在为更好地调控并优化溅射过程中的离子特性提供借鉴,为制备性能优异的薄膜提供理论基础。     

脉冲真空电弧离子镀沉积速率的研究

薄膜沉积速率是影响薄膜性能的重要参数,研究它对于沉积优良的类金刚石薄膜具有重要的作用.针对脉冲真空电弧离子镀的具体工艺参数,研究了各种工艺参数对类金刚石薄膜沉积速率的影响,找出了影响类金刚石薄膜沉积速率的主要参数,得到了各种工艺参数下类金刚石薄膜沉积速率的曲线.     

磁场模拟在磁控溅射/阴极弧离子镀中的应用

针对磁控溅射和阴极弧离子镀沉积技术存在的局限性,采用有限元分析方法(Finite element method,FEM)进行磁场模拟,优化设计外加电磁线圈的结构和磁场分布位形,并应用于磁控溅射沉积透明导电氧化物和阴极弧离子镀沉积硬质薄膜中。分析了外加电磁线圈磁场对磁控溅射等离子体辉光变化、磁控靶磁场平衡度/非平衡度、以及线圈位置对等离子体特性和靶材利用率的影响。设计和制作了轴对称磁场和旋转磁场,研究了它们对阴极弧离子镀弧斑运动形貌和薄膜表面大颗粒等特性的影响。通过控制弧斑运动状态,可以得到不同程度的颗粒分布,实现颗粒的可控沉积,减少薄膜表面大颗粒的污染。     

2021高功率脉冲磁控溅射技术与应用专题会议通知（第一轮）

正以高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)为代表的高离化磁控溅射技术作为一种新的物理气相沉积技术,可以明显提高薄膜结构可控性,进而获得优异的薄膜性能,在国内外研究领域和工业界受到了广泛关注和重视。为推动该技术的进步,国际上已经形成了HiPIMSToday等一系列的国际会议对该技术放电机理、脉冲形式、等离子体输运与诊断、以及薄膜/涂层沉积与应用等多个方面进行专题研讨,为其发展与应用带来了蓬勃动力!中国机械工程学会表面工程分会作为全国性的学术组织,     

专利集锦

气相沉积法制备空心的镍型材;在等离子体增强化学气相沉积的系统中提高薄膜均一性的方法;在凝胶晶体模板上化学气相沉积制备多孔材料;紫外光和等离子体辅助金属有机化学气相沉积系统;气相沉积法制备一氧化硅薄膜;电子束物理气相沉积工艺;化学气相沉积法制备有机硅薄膜;……[编者按]     

光催化二氧化钛薄膜的制备工艺研究进展

评述了制备二氧化钛薄膜的液相法、气相法和电化学法3大类方法的优缺点，以及3大类方法所包含的溶胶-凝胶、微乳液、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、阳极氧化和微弧氧化等方法制备二氧化钛薄膜的工艺步骤、特点及研究进展。文章最后指出，液相法由于自身存在的优点，仍将是今后二氧化钛薄膜制备和研究的重点；而光催化性能更好的掺杂二氧化钛，其研究重点是探讨掺杂方式、制备方法和优化配比等。     

焊接电弧等离子体热学特性测量方法的研究进展

测量焊接电弧等离子体的温度、粒子密度等参数,有助于深入理解和研究焊接电弧等离子体的物理性质,从而为寻找提高焊接质量、改善焊接工艺的新途径提供了基础数据。文中介绍了几种常用的接触法和非接触法的使用原理和工作特点,比如Langmuir探针法、热电偶法、光学干涉法、光谱分析法等,着重介绍了焊接电弧等离子体的光谱理论原理和几种光谱测量方法,主要阐述和分析了计算焊接电弧温度场的三种方法的测量原理和优缺点,如标准温度法、谱线相对强度法(双线法、Boltzmann作图法)和谱线绝对强度法,这三种方法使用的条件和焊接环境各不相同。这些计算方法有助于测量焊接电弧等离子体的温度场分布,有助于在实际研究过程中选择合适的等离子体测量方法和计算手段。     

高功率脉冲磁控溅射沉积原理与工艺研究进展*

高功率脉冲磁控溅射技术是一种峰值功率超过平均功率2个量级、溅射靶材原子高度离化的脉冲溅射技术,作为一种新的离子化物理气相沉积技术,已成为国际研究的热点,有关高功率脉冲放电、等离子体特性、薄膜及其工艺等方面的研究进展十分迅速。文中从高功率脉冲磁控溅射的原理出发,介绍10多年来高功率脉冲电源的发展,从高功率脉冲放电等离子体特性与放电物理、等离子体模型,以及沉积速率和薄膜特性等方面综述技术的研究进展。     

基于高功率脉冲磁控溅射的Cr膜层研究进展EI北大核心CSCD

Cr膜层因其优异的耐高温、耐腐蚀和耐磨损性能,在航空航天、武器装备和核电能源等领域得到广泛应用。由于传统电镀硬铬技术具有一定的污染,人们一直致力于寻找一种无污染的高性能Cr膜层制备方式。具备清洁特性的物理气相沉积技术,尤其是具有高离化率和高结合力特点的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术现已成为膜层研究领域的热点。介绍HiPIMS-Cr靶的放电特性,指出在Cr膜沉积过程中获得高Cr离化率的条件;对比HiPIMS-Cr膜层与传统工艺(电镀硬铬、直流磁控沉积溅射、电弧混合溅射等)制备的Cr膜层在表面形貌、微观组织和力学性能等方面的差异,概述不同工艺组合对Cr膜层沉积速率的影响,探讨不同影响因素对HiPIMS-Cr膜层的微观组织、力学性能的影响及相关研究进展。最后对HiPIMS-Cr膜层制备及其应用研究的趋势进行展望。     

锆合金包壳表面涂层的制备进展

锆因其极低的中子吸收截面、较高的熔点和优良的耐腐蚀性等特点,在核技术领域得到大量应用,主要作为核燃料的包壳材料。2011年日本福岛核事故后,事故容错燃料(ATF)的开发成为研究热点,尤其着重提高包壳材料的抗高温氧化性,而在锆合金表面制备涂层是提高该能力的重要途径之一。评述了锆合金包壳表面涂层的种类、性能、制备方法及各种方法的特点与发展。指出激光熔覆、等离子喷涂和冷喷涂都有沉积速率快、涂层厚的特点,但涂层过厚将降低核燃料的中子经济性。激光熔覆和等离子喷涂制得的涂层内应力大,存在较多气孔甚至微裂纹。冷喷涂涂层的应力和气孔得到改善,但喷涂法都存在粉尘及噪声污染等问题。重点分析了磁控溅射法(MS)和电弧离子镀(AIP)两种物理气相沉积技术在包壳涂层制备中的应用现状、存在的问题及未来发展方向。指出磁控溅射法因沉积速率可控、涂层的内应力小及涂层组分可调整等优势而应用最广。电弧离子镀因涂层致密、结合力强而最具发展潜力。这为进一步促进锆合金表面涂层的制备与研究提供了参考。     

Zr靶功率对(WMoTaNb)ZrxN薄膜微观组织及性能的影响

目的 提高(WMoTaNb)ZrxN薄膜的硬度与弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损及抗烧蚀性能。方法 采用反应磁控溅射技术,通过对Zr靶功率的调控,在单晶Si和M2高速钢基体上制备不同Zr含量的(WMoTaNb)ZrxN薄膜。采用FESEM对薄膜的表面及截面形貌进行观察,利用XRD对薄膜的物相组成进行分析,采用纳米压痕仪、划痕仪和摩擦磨损试验机分别对薄膜的硬度、膜基结合力及摩擦磨损性能进行表征,通过氧–乙炔烧蚀试验对薄膜的抗烧蚀性能进行测定。结果 (WMoTaNb)ZrxN薄膜主要由FCC和BCC固溶体结构组成,Zr元素引入后,薄膜FCC(200)晶面衍射峰消失,FCC(111)与(311)晶面衍射峰强度增强。随着Zr靶功率的增加,薄膜中Zr元素含量逐渐增加,薄膜的硬度与弹性模量先增大、后减小,膜基结合力呈现不规律变化,薄膜的抗烧蚀性能逐渐提升。薄膜的摩擦系数随着Zr靶功率的增加而增大,但维持在0.65~0.95。当Zr靶功率为40 W时,制备的薄膜硬度、弹性模量及膜基结合力均达到最大,分别为27.9 GPa、291.3 GPa、84 N,此时薄膜的磨痕深度最小为227 nm。结论 Zr靶功率为40 W时制备的薄膜硬度、弹性模量、膜基结合力、摩擦磨损与抗烧蚀性能最佳。     

高功率脉冲磁控溅射制备金属氮化物涂层EI北大核心CSCD

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)作为目前研究热门的物理气相沉积方法之一,已经在刀具材料、不锈钢、聚合物、复合材料等基体上实现硬质涂层、生物涂层、耐腐蚀涂层、耐高温氧化涂层、绝缘涂层等多种类型涂层制备。通过高功率脉冲磁控溅射与复合方法及后续热处理等工艺方法复合,调节高功率脉冲磁控溅射的脉冲频率、峰值功率、占空比、多脉冲和双极性实现对靶材离化率、等离子体空间分布、涂层沉积速率、相结构、微观结构、元素成分、内应力等等离子体参数和涂层物相结构的调整,以提高基体材料的硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温氧化及生物相容性等综合使役性能。特别是在应用于金属氮化物涂层的制备及性能研究方面,具有巨大的工程应用价值。结合目前硬质涂层材料的应用现状,探讨高功率脉冲溅射技术沉积涂层的特性和技术优势,介绍20多年来高功率脉冲磁控溅射技术在制备单元单层、多元多层、纳米多层与多元复合、高熵合金及含Si、O、C等金属氮化物硬质涂层工艺及性能等方面应用的研究进展。     

Enhancement of aluminum oxide physical vapor deposition with a secondary plasma

Reactive sputtering of aluminum oxide in a planar magnetron system is conducted with a mixture of O₂ and Ar reacting with and bombarding an aluminum target. The aluminum target is powered by a pulsed directed current (DC) bias which functions to discharge the accumulated ions on the insulating AlO_x film surface during the positive duty cycle and suppresses arc formation. A seven-turn helical antenna sits below the magnetron sputtering system in the vacuum system and delivers radio-frequency (RF) power to generate a secondary plasma in the chamber. This plasma can efficiently ionize the sputtered flux, achieving ionized physical vapor deposition (IPVD). A gridded energy analyzer (GEA) and a quartz crystal microbalance (QCM) are located in the substrate plane to allow the ion and neutral deposition rates to be determined. Electron temperature and electron density are measured by a RF compensated Langmuir probe. A RF power of 500 W significantly increases the deposition rate of AlO_x up to half of the Al deposition rate in metallic mode at the total pressure of 1.33 Pa (10 mtorr). At 3.33 Pa (25 mtorr), the ionization fraction of Al atoms reaches 90%. In addition the RF power extends the range of O₂ partial pressure in which the sputtering occurs in the metallic mode. SEM photos show that the secondary RF plasma makes the films smoother and denser due to a moderate level of ion bombardment. The deposition rates and ionization fractions fluctuate as a function of O₂ partial pressure. These variations can be explained by the combined variation of sputtering at the target, electron temperature and electron density.     

不同电场环境对镀料脱靶方式及TiN镀层微观结构的影响

当前主流的镀层沉积技术中,电弧离子镀因镀料熔融喷溅脱靶致镀料中夹杂微米尺度高温颗粒,易使镀层表面粗糙和基体高温损伤;直流磁控溅射因镀料碰撞溅射脱靶致离化率低,易使镀层厚度不均和组织疏松。为解决以上技术缺点,依据气体放电等离子体物理学知识,采用新型阶梯式双级脉冲电场诱发阴极靶材与阳极腔体间气体微弧放电,依靠微弧放电后产生的高密度等离子体,增强Ar+对靶面的轰击动能和靶面产生的焦耳热,实现镀料由碰撞溅射脱靶向热发射脱靶的转变,并以此提高镀料的离化率,达到改善镀层结构的目的。实验结果表明：双级脉冲电场诱发的气体微弧放电呈现出耀眼白光,而靶面形貌则表现出高低起伏的凹坑和水流波纹,其靶面形貌不同于镀料碰撞溅射脱靶后的多边形凹坑,说明靶面局部区域的镀料以热发射方式脱靶。同时,在双级脉冲电场下制备的TiN镀层具有较为致密的组织结构,沉积速率可达51nm/min。     

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)等离子体 放电时空特性研究进展

高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）放电凭借着高离化率优势,已经成为物理气相沉积（PVD）领域的核心技术。鉴于HiPIMS放电具有复杂的物理场配置和兆瓦级的峰值功率,其产生的不均匀等离子体严重影响着薄膜的性能。从HiPIMS放电等离子体的时间和空间特性角度出发,结合放电靶电流、等离子体阻抗、离子饱和电流的特性,以及各种粒子在不同时刻和空间位点对应的相互作用和运动轨迹,综述了近年来国际上关于HiPIMS脉冲放电过程中等离子体参数的时空演变特性以及脉冲等离子体动力学行为,主要包含了等离子体物理量的时间演变规律,复杂物理场的空间分布行为,粒子密度、能量的扩散传输机制,靶材粒子离化程度的表征方法等,并全面地叙述了气体原子稀释效应、气体循环、双极扩散、等离子体波、旋转的spoke等不稳定传输特性。此外,依据等离子体时空特性,总结出HiPIMS放电沉积速率低的内因,介绍了提高沉积速率的方法和机理。最后,指出了目前关于HiPIMS时空特性研究方面存在的问题和发展方向。