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 中国科学院金属研究所

材料的“衣服”——涂层和薄膜

材料新视野
2015年08月19日
俗话说“人靠衣装马靠鞍”,我们人穿上了光鲜亮丽的衣服,立马显得精气十足;而穿上破烂不堪的衣服后则显得既邋遢又颓废,可见衣服对我们是非常重要的。而在生活中,材料也同样需要衣服来为自己增光添彩。比如汽车上喷的不同颜色的漆、手表和眼镜框上镀的不同色彩的膜、不粘锅上喷的涂层……这些都是它们的衣服。也正是这些衣服才让它们脱颖而出。
根据衣服的厚度可以将它们分为涂层和薄膜,涂层是厚衣服(≥1mm),如硬质涂层、防护涂层等;薄膜则是薄衣服(< 1mm),如光电功能薄膜等。这些衣服不仅仅像手表和眼镜框那样是为了好看,它们还有别的功能呢!比如汽车有了衣服(漆)就不再生锈了、飞机叶片有了衣服(高温防护涂层)就可以在1000 以上的高温下正常工作了、刀具有了衣服(硬质涂层)也变得更加坚硬了、玻璃有了衣服(透明导电薄膜)也导电了……
那么,这些衣服都是怎么做出来的呢?总体来讲,主要可以分为两类技术:喷涂技术和真空沉积技术。
喷涂技术又分为冷喷涂、等离子喷涂和超音速火焰喷涂。其中冷喷涂是利用预加热的压缩气体通过喷管产生超高速气流,再将粉末颗粒送入气流中经加速以高速撞击基体,通过产生剧烈的塑性变形而在基体表面沉积为涂层。而等离子喷涂和超音速火焰喷涂属于热喷涂。

QQ截图20150814095620_副本冷喷涂



QQ截图20150814095644_副本

?等离子喷涂

QQ截图20150814095706_副本超音速火焰喷涂

真空沉积技术又分为电子束—物理气相沉积(EBPVD)、电弧离子镀(AIP)、磁控溅射(MS)。电子束—物理气相沉积是高温状态下金属灯丝内部的一部分电子逸出金属表面,发射出热电子,热电子在电磁场的作用下高速运动形成电子束轰击靶材表面,电子的动能转变成热能,使材料表面快速升温而蒸发或升华,沉积在基片上。电弧离子镀是以镀膜材料作为靶材,借助于触发装置,使把表面产生弧光放电,镀膜材料在电弧作用下,产生无熔池蒸发并沉积在基片上的一种镀膜方法。而磁控溅射是在二级溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场,借助于靶表面上形成的正交电磁场,把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率,增加离子密度和能量,从而实现高速率溅射的过程。
QQ截图20150819090635

电子束—物理气相沉积(EBPVD)

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电弧离子镀(AIP)

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磁控溅射(MS)

这些技术各有特色,已经在科研和生产中得到了应用。
如果将来我们有机会接触到这些技术,可以根据需要和实际条件选择最适合的一种,让我们周围的材料焕发光彩!