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泰科諾熱絲CVD—工業界的黑科技

2018-06-12 點擊數:

英雄联盟维护公告2019最新公告:項目來了丨iPhone X也用了這個技術,揭秘工業界的“盔甲”制造者

英雄联盟宇宙 www.qerqa.icu 2017-09-21 11:58 iPhone /技術

Phone 6s的深空灰配色又回來了,iPhone 4s的“三明治”雙面玻璃加金屬中框設計也回來了。蘋果9月12日發布的iPhone 8/8p和十周年紀念版iPhone X充滿了懷舊的味道。

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△ 圖片來源:蘋果官網

蘋果官網在介紹iPhone X 深空灰外觀的文字中提到了一項被稱為“物理氣相沉積”的工藝,運用它來確保不銹鋼邊框顏色與玻璃顏色精準一致。

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△ 圖片來源:蘋果官網

什么是物理氣相沉積?它是如何給iPhone上色的?看完這篇文章,你心中的疑問也許就解開了。

iPhone X穿上“新衣”的秘密

在iPhoneX不銹框邊框的加工過程中,它被放入一個真空腔室,里面即將進行一場激烈的“打斗”。

真空腔室里注入了氬氣。在300~400伏特電壓下,氬氣被電離成氬離子(正電荷)和電子(負電荷),在電場作用下氬離子猛烈轟擊深空灰靶材,深空灰色靶材原子在“重擊”下脫離了靶材大本營,紛紛“投奔”iPhone邊框,在不銹鋼上沉積成一層深空灰色薄膜。于是,這層薄膜成為了iPhone邊框的新“戰衣”。

下面的動圖生動地演繹了這場激烈的打斗。

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△ 帶正電的氬離子撞向陰極靶材,“敲落”靶材原子。

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△ 若把這塊面板比作手機不銹鋼中框的平面,這些被轟擊出來的靶材原子在不銹鋼中框表面均勻堆積形成一層具有深空灰色的薄膜。

給iPhone X不銹鋼邊框“上色”的技術是磁控濺射,它是物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,以下簡稱“PVD”)的主要方法之一。

什么是PVD?

PVD是指在真空條件下,采用物理方法將材料源——固體或液體表面氣化成氣態原子、分子或部分電離成離子,并通過低壓氣體(或等離子體)在基體表面沉積形成具有某種特殊功能的薄膜的技術。

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PVD技術還可為刀具“定制盔甲”

制造業中的刀具主要用來切削金屬,號稱“工業的牙齒”。高速鋼、硬質合金是目前切削刀具的主要材質。

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△削鐵如泥的工業切削刀具。

中國科學院深圳先進技術研究院(以下簡稱“先進院”)功能薄膜材料研究中心主任唐永炳研究員及其團隊成員(楊楊副研究員、蔣春磊高級工程師)已經研發出儀器用來制備高性能刀具涂層,致力于PVD與CVD技術及其在切削工具、模具和零部件等領域的應用。

唐永炳研究員介紹,目前,超高強度鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金以及陶瓷、石墨等新材料在航空航天、汽車、軌道交通以及3C電子產業得到廣泛應用,但卻是難加工材料,普通高速鋼和硬質合金刀具的硬度、耐磨性難以滿足切削加工需求。

在刀具表面涂覆一層涂層可以有效提高刀具的表面硬度、耐磨性,延長使用壽命。蔣春磊團隊正是利用了PVD技術中磁控濺射的方法制備出了高性能的刀具涂層材料。

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△這臺儀器用來制備高性能刀具涂層。

經過磁控濺射后,刀具表面會沉積形成一層高性能硼化物薄膜。

現在再重溫上面的動圖,是否更清晰地感受到刀具表面的涂層是怎么形成的?

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這就像一場立體的桌球賽,被氬離子碰撞的靶材原子飛向刀具表面,這些原子均勻緊湊地沉積成涂層,給刀具穿上“盔甲”。

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△ 沒涂層和有涂層的刀具對比 圖片來源:深圳先進院

蔣春磊介紹,這種高性能硼化物涂層具有大于50 GPa的超高硬度,可用于高溫合金、淬硬鋼、鑄鐵等鐵基難加工材料的切削加工,更為重要的是該涂層不易與有色金屬材料產生化學反應,可以有效解決鋁合、鈦合金、鎂合金等有色金屬難加工材料的粘刀問題,提高表面加工質量,延長刀具使用壽命。

PVD還有個“兄弟”CVD

除了PVD技術能給刀具穿上“盔甲”,它的“兄弟”CVD也有方法為刀具定制“新戰衣”。

功能薄膜材料研究中心的另一個重要領域是化學氣相沉積技術(Chemical Vapor Deposition,以下簡稱“CVD”)。CVD技術可在刀具表面涂覆金剛石涂層。覆蓋了金剛石涂層的刀具是纖維增強復合材料、石墨、高硅鋁合金等難加工材料的理想刀具材料。

熱絲法是CVD制備金剛石涂層的主要方法之一。

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△ 唐永炳團隊設計研發的金剛石涂層制備設備。(此設備為北京泰科諾科技有限公司的熱絲CVD設備)

熱絲法

在設備中,放入需要涂層的刀具。熱絲(一般為鉭絲或鎢絲)被加熱到2400℃左右,含碳的氣體,如甲烷、乙炔、丙酮以及氫氣被高溫離解,被離解的物質如下毛毛雨般落到刀具上,均勻地鋪開,經過化學反應轉變為金剛石結構,一層層沉積,在刀具表面形成金剛石涂層。

金剛石涂層刀具除了擁有超高硬度外,其化學性質極其穩定,不會與被加工材料產生化學反應。因此,在切削過程中,它不僅超耐磨、而且不粘刀,具有比普通涂層刀具更優異的切削性能及更長的使用壽命。

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△ 如圖,披上金剛石涂層的硬質合金刀具非常犀利。

通過PVD和CVD為刀具制備涂層,針對不同的難加工材料,都能使機械加工廠家提高切削效率、產品質量和批次穩定性,同時提升刀具使用壽命可以節省換刀具時間,從而提高生產效率、降低生產成本。不過,這兩種技術還是有差別的。

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△ 左邊是未加上涂層的刀具,右邊是鍍了金剛石涂層的刀具。

用CVD技術制備的刀具涂層通常需要經歷800度到1000度的沉積,這樣的高溫并不是所有材質的刀具都能承受的。而PVD技術要求的沉積在300度到500度之間,溫度較低,多種材質的刀具都可以承受。PVD彌補了CVD技術的局限性,CVD也在某些領域有著PVD不可替代的優勢。

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△ 楊楊研究小組制備的金剛石涂層切削刀具。

行業中已有不少企業、高校、研究院所在研究涂層,為什么團隊還要在這方面發力呢?

唐永炳提到目前汽車、航空航天工業的切削加工需要高端刀具,但目前高端刀市場被國外企業壟斷,國產刀具仍停留在中低端水平。團隊研發刀具涂層工藝的初衷也是希望打破國外技術壟斷的局面。

此外,團隊還關注制備儀器的改造升級。實驗室中的涂層制備儀器雖從國內采購,但都經過改造升級。如改造升級過后的熱絲CVD設備具有更大范圍和更均勻的溫度場分布,可容納更大量的刀具同時沉積金剛石涂層。

唐永炳介紹,團隊一開始就從大設備入手,直接面向規?;泄ひ昭蟹?。目前先進院開發的涂層刀具已進入用戶試用評估階段,“據用戶反饋來看,涂層將刀具的使用壽命提高至少30%以上,加工質量得到改善?!?/strong>后續,團隊將繼續對設備和工藝進行系統優化。此外,楊楊及其研究小組利用CVD技術制備的金剛石涂層下一步將運用到處理有機廢水上。

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△ 楊楊手中所拿的正是他們下一步想做的金剛石涂層電極,這種電極將用到高濃度難降解有機廢水的處理上。

 

稿件轉載自by讀創記者 李旖露 嚴偲偲 編輯/月兒

 

 

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