Популярные Нано Технологии

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Кадры

Фотогалерея

НИОКР

Технология нанесения наноструктурных покрытий методом магнетронного напыления / 05.07.2010

© В.Н. Пашенцев, pashentsev2001@mail.ru

Источник: popnano.ru

Возрастающий интерес к наноструктурным пленкам связан с их высокой твердостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, термостойкостью и улучшенными антифрикционными свойствами. Срок службы обрабатывающих инструментов и деталей с защитными покрытиями увеличивается в несколько раз. Наноструктурные покрытия с размером нанокристаллов менее 100 нм применяют для создания биосовместимых покрытий на импланты, получения функциональных и оптических покрытий [1,2]. Для нанесения износостойких твердых покрытий TiN, CrN, TiAlN, TiC, TiBN, TiSiN, AlN используются метод химического осаждения пленок из газовой фазы – CVD и метод физического осаждения пленок из паров или плазмы – PVD. Для CVD метода требуется поддержание высокой температуры в процессе нанесения пленок, что не всегда допустимо для обрабатываемых материалов. PVD метод [2] является более универсальным и гибким для получения многокомпонентных наноструктурных покрытий, которые могут быть получены при более низкой температуре подложки. Ионно-плазменные методы нанесения покрытий включают в себя магнетронное распыление, вакуумно-дуговое испарение (рис. 1) и термическое испарение (рис. 2). Широкими возможностями для нанесения покрытий обладают магнетроны и вакуумно-дуговые испарители [3,4]. В дуговых испарителях катодное пятно, перемещаясь по поверхности катода, вызывает локальный нагрев, испарение и ионизацию паров материала катода. Плазменный поток, двигающийся по направлению к обрабатываемой детали, практически полностью ионизован, плазма имеет высокую температуру. Скорость напыления и адгезия пленки к обрабатываемой поверхности являются большими. Однако из катодного пятна вылетают также микрокапли металла размером 1-10 мкм, которые осаждаются на поверхности, снижая качество покрытия. Для уменьшения количества капель используются поворотные магнитные фильтры, в которых происходит разделение плазменного потока и прямолинейного потока микрочастиц, а также вращающиеся цилиндрические катоды для непрерывного перемещения катодного пятна по всей поверхности катода. Из-за высокой температуры плазмы дугового испарителя происходит интенсивный нагрев поверхности обрабатываемой детали в процессе нанесения покрытия.

Магнетроны имеют меньшую скорость осаждения покрытия, чем вакуумно-дуговые испарители, однако их можно использовать для получения покрытий при более низкой температуре обрабатываемой поверхности. Самое большое распространение получили магнетроны с плоскими катодами дисковой или прямоугольной формы. Материал катода может содержать различные химические элементы: от металлов (Ti, Cr, Al, Mo, W) до сложных химических соединений, получаемых спеканием порошковых материалов. Однако катод магнетрона используется на 30% из-за узкой кольцевой зоны интенсивного распыления материала. В промышленном производстве также применяются вращающиеся катоды с магнитной системой внутри катода для повышения до 80% степени использования материала.

Рис. 1. Плазменные источники для нанесения покрытий: а) – магнетрон, б) – вакуумно-дуговой испаритель. 1 – катод, 2 – анод, 3 – магнит, 4 – плазма, 5 – подложка, 6 – траектория движения дуги.

Рис. 2. Термический испаритель. 1 – электронная пушка, 2 – электронный пучок, 3 – испаряемый металл, 4 – пары металла, 5 – подложка, 6 – тигель.

 

Термический метод нанесения покрытий характеризуется низкой энергией осаждающихся частиц ~ 0,3 эВ, которая соответствует температуре испаренных частиц. Более высокую энергию ~ 3-5 эВ имеют осаждающиеся частицы при использовании магнетронов и вакуумно-дуговых испарителей. Поэтому покрытия, наносимые термическими испарителями, могут иметь меньшую плотность, низкую адгезию, пористую и шероховатую поверхность.
Переход к наноструктурным покрытиям, у которых размер кристаллитов в пленке не превышает 100 нм, позволит значительно улучшить характеристики защитного покрытия. В таблице приведена шкала размеров объектов в нанометровом диапазоне.

Характерный размер   

Размер объекта
1 мкм Размер транзистора в микросхеме
100 нм Размер частиц ультрадисперсных порошков
10 нм Размер нанокристаллов в наноструктурных покрытиях и наночастиц порошков
1 нм Размер молекулы воды
0,1 нм Размер атома

Отличие наноструктурных покрытий от микроструктурных связано с тем, что 1) изменяются свойства самого кристалла и 2) появляется разветвленная структура границ раздела нанокристаллов внутри пленки (рис. 3а). Так как в нанокристаллах (рис. 3б) количество внутренних атомов соизмеримо с количеством атомов, находящихся на его поверхности, в нанокристалле отсутствуют дислокации и внутренние напряжения. Расстояние между нанокристаллами соответствует размеру нескольких монослоев, между нанокристаллами проявляются квантовые эффекты взаимодействия.

Рис. 3. Нанокристаллическое покрытие: а) – нанокристаллическая структура, б) – атомная структура нанокристаллов и границ раздела между ними. 1 – нанокристалл, 2 – промежуточный слой между нанокристаллами.

 

Сверхвысокой твердостью обладают нанокомпозиты (nc-TiN/a-BN, nc-TiAlN/a-Si3N4), состоящие из нанокристаллов, находящихся внутри аморфной (BN, Si3N4) или металлической (Cu, Ni) матриц (рис. 3а). Размер сверхтвердых нанокристаллов в ячейках матрицы составляет 3-10 нм. Разветвленная граница раздела кристаллов внутри материала является барьером для распространения дислокаций. Нанокомпозитные пленки используются для упрочнения поверхности инструмента и рабочих поверхностей различных деталей. По структуре защитные пленки могут быть однослойные, многослойные, градиентные (рис. 4). В градиентных покрытиях происходит плавный переход элементного состава покрытия от внутренней поверхности пленки к внешней.

Рис. 4. Виды покрытий: а) – однослойные, б) – многослойные, в) – градиентные.

<< первая < пред. 1 2 след. > последняя >>

Авторизация

логин
пароль
Регистрация Забыли пароль?

Реклама нефтегаз

Анонсы событий