不锈钢表面真空镀膜方法研究进展

GuangzhouChemicalIndustry

Vol郾47No郾10May郾2019

不锈钢表面真空镀膜方法研究进展

(佛山科学技术学院环境与化学工程学院,广东摇佛山摇528000)

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陈文静,董少锋,张洪华,陈育茹,温薛鑫,杨富国

摘摇要: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不锈钢表面镀膜的研究进展,介绍了热化

学气相沉积方法,重点阐述了溅射镀膜方法(包括直流二极溅射、磁控溅射及离子束溅射)及离子镀技术在不锈钢表面镀膜时对薄膜种类、沉积速率、结合力等方面的特点。最后对不锈钢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。

关键词:不锈钢;表面;物理气相沉积;化学气相沉积摇

中图分类号:TB43摇

摇文献标志码:A

文章编号:1001-9677(2019)10-0019-03

ResearchProgressonVacuumCoatingMethodforthe

SurfaceofStainlessSteel*

CHENWen-jing,DONGShao-feng,ZHANGHong-hua,CHENYu-ru,WENXue-xin,YANGFu-guo

(FoshanUniversity,GuangdongFoshan528000,China)

Abstract:Researchprogressonvacuumcoatingmethodsincludingphysicalvapordeposition(PVD)andchemicalvapordeposition(CVD)forthesurfaceprotectionofstainlesssteelwerereviewed郾ThermalCVDwasintroduced郾Thestudymainlyfocusedontheeffectsofsputteringmethod(includingdirectcurrentdiodesputtering,magnetronsputteringandionbeamsputtering)andarcionplatingtechniqueforthesurfacecoatingofstainlesssteelonthefilmtype,filmdepositionrate,adhesion,etc郾CVDandPVDmethodsforthesurfacecoatingofstainlesssteelwereanalyzedandcompared,andtheexistingproblemsatpresentanddevelopingdirectioninthefuturewerepresented郾

Keywords:stainlesssteel;surface;physicalvapordeposition(PVD);chemicalvapordeposition(CVD)

真空镀膜技术是一种新颖的材料合成与加工的新技术,是表面工程技术领域的重要组成部分。随着全球制造业的高速发展,真空镀膜技术应用越来越广泛。目前不锈钢基材真空镀层技术有两种:一种是物理气相沉积(PVD),主要由溅射、离子镀和蒸发镀组成;另一种是化学反应沉积的化学气相沉积(CVD)。真空镀膜技术可以改变镀件的表面性能,提高镀件的耐磨性和耐腐蚀性,延长镀件的使用寿命,带来较高的经济效益和社会效益。目前已广泛应用于光学仪器、太阳能利用、集成电路制造、信息存储、装饰配件等领域[1]。本文对不锈钢基材的镀膜方法和特点进行了分类和总结,以期为更多的真空镀膜工作者提供帮助。

由于这种方法不容易受到金属形状和尺寸的限制,只需要将金属浸入工作气体中就能在基体表面沉积薄膜,因此更容易处理复杂的工件[2]。在大部分的不锈钢基材中如在管状工件内壁的镀膜工艺都是利用CVD镀膜工艺的这一特性。随着真空镀膜技术的不断发展,化学气相沉积法也得到了不断改进,包括传统的热CVD方法,各种等离子体增强化学气象沉积方法(PECVD)等[3]。

由于常规的化学气相沉积方法基材表面温度极高,已超越了基材的热处理温度,使得传统CVD技术无法得到很好的推广和利用。而利用等离子体来降低沉积温度的等离子增强化学气相沉积方法(PECVD)则可有效地解决该问题,从而广泛地应用于不锈钢基材表面镀热膜工艺。HPark等[4]将三羟甲基氨基硼烷(TEMAB)作为前驱体,采用等离子体增强化学气相沉积技术制备出了细致均匀的、高产率和厚度可控的h-BN薄膜,优化了薄膜表面的性能,全面改善了在不锈钢表面镀膜的性能和效

1郾1摇等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法

1摇化学气相沉积

化学气相沉积(Chemicalvapordeposition,简称CVD)是反应物以气态反应在加热的固体基体表面形成固体物质,然后产生固体材料的过程。它本质上属于原子场中的气体传质过程。

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基金项目:佛山科学技术学院大学生创新创业训练计划项目(项目编号:XJ2018258);广东省大学生创新创业训练计划项目(项目编号:

201811847120);佛山科学技术学院2019年度学生学术基金立项项目;“攀登计划冶广东大学生科技创新培育专项资金项目(项目编号:pdjh2019b0512)。

第一作者:陈文静(1999-),女,在读本科生,专业为环境工程。通讯作者:杨富国。

摇20广摇州摇化摇工2019年5月

1郾2摇热化学气相沉积(H-CVD)方法

能。吴清鑫等[5]采用PECVD法在不锈钢基材表面沉积氮化硅薄膜,发现当基片温度达到250益,射频功率为150W,反应气体流量比为3020mL/min、反应气压为5Pa的条件下制得的氮化硅薄膜性能最佳。王志伟等[6]采用等离子体增强化学气相沉积法在不锈钢基体表面沉积二氧化硅薄膜,实验结发现在沉积温度为300益、射频功率为20W、腔体压强为90Pa、气体流量比SiH4/N2O为125/70cm3·min-1的工艺参数下,PECVD法在基底上沉积的SiO2薄膜应力相对较小,效果最佳。热化学气相沉积法的装置一般由耐热石英管和加热装置组成,反应气体一般采用BCl3或B2H6和NH3组成的缓和气体。

能和强的结合力,是传统镀铬工艺技术的理想代替技术。秦子威等[17]利用多弧离子镀技术在不锈钢双极板上制备TiC、TiN层薄膜,满足双极板耐蚀性要求,且流道压制对双极板耐蚀性没有太大的影响。

3摇结摇语

不锈钢是一种铬含量极高的铁基合金,具有强度高、耐热耐腐蚀性能强的优良特性,所以被广泛应用于航空航天、机械制造、建筑加工及家用品等领域。可以看出,不锈钢将会应用到更大更广的领域,但不其是否得以发展很大程度上取决于不锈钢表面处理技术的发展,目前研究学者已提出并发展了一些JunChen等[7]提出一种通过优化的氯基方法HCVD在切割基板上快速通知外延生长厚的、4H-SiCC薄膜的工艺技术,该技术所使用的气体是HCl与SiH42H2和H2的混合气体,在自制的立式热壁[8]HCVD系统中,4H-SiC外延生长速率高达52滋m/h。米瑞宇等就以Si粉、Al粉、琢-Al2O3为原料,采用热化学气相沉积法在1550益下保温3h,得到纯茁-Si5AlON7纳米带。

2摇物理气相沉积(PVD)方法

物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition,简称PVD)是一种在真空状态下,采用物理方法(蒸发、溅射等)将材料(固体或液体)表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)工艺,在基体表面沉积具有某种特定功能的薄膜技术。物理气相沉积的类型主要包括:真空蒸镀、溅射镀、离子镀等。由于该工艺具有操作简便,环保无污染,耗材少且薄膜性能优良,因此被广泛应用于制备不锈钢双极板的镀层。

2郾1摇真空溅射镀膜

随着工业的需求和表面技术的发展,真空溅射镀膜技术得到了极大的发展与应用。根据溅射方式的不同,可将真空溅射分为直流二极溅射、磁控溅射等方法。真空溅射镀膜中较为常用的是磁控溅射。新型磁控溅射如高速溅射、自溅射等成为目前磁控溅射领域新的发展趋势。而由于受不锈钢尺寸限制,溅射镀膜的靶材基本都是棒材或丝材,所沉积的薄膜材料多为金属膜或合金膜[10],且很多镀膜方法采用了磁场辅助溅射方式[9]张波等采用直流溅射镀膜技术在不锈钢管内沉积了TiN。

薄膜180,匀的益即放电压强范围在、,金黄色的就可在不锈钢材料真空管道基体上获得高品质的80~90Pa,被镀管道基体温度为160~TiN膜,它完全可以应用于加速器细长管道真、均空室的工业化生产和加工过程。杨和梅等[11]采用直流反应磁控溅射镀膜方法在不锈钢基体表面YBiO3制备氧化铝陶瓷,主要应用于医疗手术器械领域。为了制备高活性且牢固的TiO膜,张宗权等[12]运用直流磁控溅射镀膜技术在不锈钢基体表面2薄沉积TiO2膜层。

2郾2摇真空离子镀

蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面,称为离子镀,这种技术是D郾麦托克斯于1963年提出的[13]子镀工艺综合了蒸发。离子镀是真空蒸发与阴极溅射技术的结合[14](高沉积速率)与溅射(良好的膜层附着。因此离力)工艺的特点,并有很好的绕射性,可为形状复杂的工件镀膜,广泛应用于耐磨刘海华等[16]、抗高温氧化的工模具表面强化的工业生产中[15]。采用真空离子镀的方式在不锈钢基体表面制备了硬铬层薄膜。实验表明,不锈钢上离子镀硬铬工艺技术环境友好,制备的硬铬层硬度高,具有优良的耐蚀、耐磨性

在不锈钢表面利用真空镀膜技术与装置解决这一问题的方法。随着全球各地区对节能、环保、高效的不锈钢表面改性技术的需求不断提高,传统的电镀镀膜技术将逐步被以对环境友好的真空镀膜表面改性技术所取代。目前,等离子增强化学气相沉积方法由于对施压的条件较为苛刻,实验所需的沉积温度较高以及受到沉积涂层种类的限制,且表面涂层细致性结合性仍存在一定问题,所以制约了该方法的普及应用;相比较而言,磁控溅射方法虽不受薄膜种类的限制,但该技术在中心柱状靶材的应用及膜基结合力方面仍需提高,对其应用仍存在一定困难。总体来看,目前国内过的表面真空镀膜技术各有其优劣势,如何找到合适的应用领域,发展更广泛、更可靠的表面镀膜技术等仍是今后急需解决的重要问题。

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PreparedbyPulseBiasedArcIonPlating(下转第46页)

摇46电荷传递阻力更小。

广摇州摇化摇工2019年5月

3摇结摇论

本研究中,我们采用共沉淀法和水热法两步法成功制备了二元硫化物NiFe-S和Ce(OH)3/NiFe-S异质结构复合材料,并研究了Ce(OH)3的掺杂对结构、析氧催化性能的影响。SEM结果表明Ce(OH)3掺杂使得结构疏松化,活性位点更丰富;同时LSV、计时电位法、循环伏安等电化学方法测试结果表明该新颖的Ce(OH)3/NiFe-S异质结构的析氧催化性能明显优于未掺杂的NiFe-S,其过电位为294mV,Tafel斜率仅为57郾5mV·dec-1,在10h中能够维持良好的催化稳定性,催化活性面积高,其综合性能优于商业化的RuO2催化剂,具有良好应用前景。

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