تجزیه و تحلیل عمیق از ماشین های پوشش PVD: "تکنولوژی سیاه" اصلاح خواص مواد

وقتی گوشی خود را بالا می برید، قاب فلزی آن هم مقاوم در برابر خراش و هم ضد اثر انگشت است. وقتی ساعت خود را می پوشید، رنگ طلایی صورتی آن به تازگی مانند جدید باقی می ماند.وقتی چاقو می بینی، تیغه تیز آن با یک لایه ضد زنگ پوشیده شده است - "پوشش های بیرونی با کیفیت بالا" این اقلام روزمره عمدتا توسط دستگاهی به نام دستگاه پوشش PVD ایجاد می شود.

PVD (پذیری بخار فیزیکی، سپرده گیری بخار فیزیکی) از پوشش شیمیایی سنتی متفاوت است.آن را با استفاده از ابزار فیزیکی به مواد به سطح قطعه کار و یک دستگاه هسته ای در زمینه اصلاح سطح مواد استدر صنعت و فن آوری مدرن، تکنولوژی درمان سطح بسیار مهم است و ماشین پوشش PVD تجهیزات کلیدی برای دستیابی به فرآیندهای پیشرفته درمان سطح است.

I. ماشین پوشش PVD: نه "نقاشی" بلکه "منتقلات در سطح اتمی"

بسیاری از مردم به اشتباه فکر می کنند که پوشش مانند "استفاده از یک لایه از فیلم" است، اما منطق کار ماشین پوشش PVD کاملا متفاوت است.این یک دستگاه حرفه ای است که برای قرار دادن فیلم های نازک در سطح زیربناها (مانند فلزات) استفاده می شود.اصول اصلی این است: در محیط خلاء، "مواد پوشش" (که به طور حرفه ای "مواد هدف" نامیده می شود، که می تواند فلزات، سرامیک و غیره باشد)) به اتم های گازی یا یون ها از طریق روش های فیزیکی تبدیل می شود (مانند گرم کردن، اسپتر کردن) ، و سپس این ذرات میکروسکوپی به سمت سطح قطعه مورد پوشش پرواز می کنند و به تدریج به صورت یک فیلم نازک یکنواخت و متراکم جمع می شوند.

این فیلم های نازک معمولاً فقط چند نانومتر تا ده ها میکرومتر ضخامت دارند (ضخیم تر از قطر یک مو انسان) ، اما می توانند عملکرد بستر را به طور قابل توجهی افزایش دهند:

افزایش سختی، مقاومت در برابر فرسایش و مقاومت در برابر خوردگی

دارای خواص خاص نوری/برقی (مانند رسانایی، عایق گرما، ضد انعکاس)

در مقایسه با رسوب بخار شیمیایی (CVD) ، PVD عمدتاً به فرآیندهای فیزیکی متکی است ، سازگارتر با محیط زیست است و تأثیر حرارتی کمتری بر بستر دارد.خودرو، لوازم الکترونیکی، دستگاه های پزشکی، لوازم تزئینی و زمینه های دیگر.

"تبخیر خلاء" که معمولاً در فریم وسط تلفن های همراه استفاده می شود، یک نوع فناوری PVD است.قاب وسط پلاستیکی می تواند بافت فلزی داشته باشد و به راحتی مانند یک لایه رنگ آمیزی جدا نمی شوداجزای آلیاژ تیتانیوم در دستگاه های پزشکی، پس از پوشش با یک لایه از فیلم تیتانیوم نیترید، می تواند چسبندگی باکتری را کاهش دهد و عمر خدمت را افزایش دهد.

Ⅱ.طبقه بندی ماشین های پوشش PVD: فن آوری های متنوع، متناسب با نیازهای مختلف

بر اساس اصل کار و ویژگی های فرآیند، ماشین های پوشش PVD عمدتا به انواع زیر تقسیم می شوند.انواع مختلفی از تجهیزات از فناوری های مختلف در مرحله "تبخیر مواد هدف" استفاده می کنند و برای سناریوهای کاربردی مختلف مناسب هستند.:

نوع اصل اصلی درخواست ها

1.ماشین پوشش تخلیه خلاء

از طریق گرم کردن (گرم کردن با مقاومت، تبخیر پرتوی الکترون و غیره) برای تبخیر مواد پوشش و فشرده سازی آن بر روی سطح بستر قرار دادن فیلم های فلزی ساده (مانند فیلم های آلومینیومی) ، استفاده شده برای پوشش آینه، پوشش تزئینی

2.دستگاه پوشش اسپوتری

استفاده از ذرات پر انرژی (معمولا یون های گاز بی اثر، مانند یون های آرگون) برای بمباران سطح هدف،باعث می شود که اتم های هدف به بیرون "پاشیده" شوند و بر روی بستر قرار گیرند رسوب مواد دارای نقطه ذوب بالا یا مواد کامپوزیت، که برای تهیه فیلم نیمه هادی و نوری استفاده می شود

3.ماشین پوشش یون

معرفی پلاسما بر اساس تبخیر یا اسپتر کردن برای افزایش انرژی ذرات سپرده شدهبهبود چسبندگی و تراکم فیلم (اصول مشابه "پلاستی یون قوس") تهیه پوشش های مقاوم در برابر فرسایش یا فیلم های کاربردی با کیفیت بالا

4.انواع خاص دیگر

مانند تجهیزات سپرده گذاری قوس کاتودیک (ابودن مواد هدف از طریق یک قوس) ، تجهیزات سپرده گذاری لیزر پالس (احساس مواد هدف با لیزر) سناریوهای هدفمند، مانند آماده سازی پوشش های فوق سخت، فیلم های نوری دقیق، برای پاسخگویی به دقیق تر و الزامات عملکردی خاص

سه مرحله برای درک فرآیند کار و اجزای اصلی ماشین های پوشش PVD 

فرآیند کار یک ماشین پوشش PVD ممکن است پیچیده به نظر برسد، اما می توان آن را به سه مرحله اصلی تقسیم کرد،که همه در یک اتاق خلاء مهر و موم انجام می شود (برای جلوگیری از آلودگی های هوا که بر کیفیت پوشش تاثیر می گذارد). تحقق این فرآیند بر عملکرد هماهنگ اجزای کلیدی تجهیزات متکی است:

1- آماده سازی خلاء و پیش پردازش قطعات (مكون های کلیدی: اتاق خلاء، سیستم پمپ خلاء)

قبل از پوشش، دستگاه ابتدا اتاق خلاء را به سطح خلاء بسیار بالا (معمولا کمتر از 10 °C) تخلیه می کند.-۳Pa، معادل یک میلیونم خلاء در فضا) با استفاده از یک سیستم پمپ خلاء (مانند پمپ های مکانیکی، پمپ های مولکولی)کاهش تداخل مولکول های هوا بر روی ذرات مواد هدف و جلوگیری از تشکیل حباب ها یا ناخالصی ها در فیلم.

در عین حال، این دستگاه قطعه کار را تمیز می کند - با بمب گذاری سطح با یون ها برای حذف روغن، لایه های اکسید و غیره،اطمینان از سطح تمیز برای قطعه کار و اطمینان از اینکه فیلم بعدی به طور محکم چسبد.

2هدف "تبخیر": تبدیل جامد به ذرات میکروسکوپی (مكون های کلیدی: هدف / منبع تبخیر، سیستم تغذیه)

این مرحله اصلی پوشش PVD است. بسته به نوع تجهیزات، روش های مختلف "تبخیر" استفاده می شود: آیا تبخیر حرارتی (مقاومت / گرم کردن پرتو الکترون) ،اسپتر کردن ماگنترون (تفاعل میدان های الکتریکی و مغناطیسی)، یا پوشش یون قوس (افزایش قوس ولتاژ بالا) ، انرژی توسط سیستم تامین برق برای هدایت هدف یا منبع تبخیر برای تبدیل اهداف جامد به اتم های گازی یا یون های "پرنده" فراهم می شود.

3- رسوب فیلم و پس از درمان (مكون های کلیدی: حامل بستر، سیستم کنترل)

بعد از اينکه ذرات هدف وارد اتاق خلاء شدنآنها تحت هدایت یک میدان الکتریکی به سمت قطعه کاری که بر روی حامل بستر ثابت شده است حرکت می کنند (حامل بستر می تواند برای اطمینان از رسوب یکنواخت چرخش کند)، به تدریج در سطح قطعه کار جمع می شود.

سیستم کنترل پارامترهای فرآیند مانند درجه حرارت، فشار،و زمان رسوب در زمان واقعی برای اطمینان از اینکه ذرات به صورت منظم تنظیم شده و یک فیلم ساختاری پایدار تشکیل می دهند.

پس از پوشش، تجهیزات به آرامی به فشار عادی باز می گردند و قطعه کار برداشته می شود؛ در برخی موارد، پختن در دمای پایین برای افزایش بیشتر چسبندگی فیلم انجام می شود.

 Ⅳ.از صنعت به زندگی: "استفاده جهانی" از ماشین های پوشش PVD

امروزه، ماشین های پوشش PVD در تمام جنبه های زندگی نفوذ کرده اند و به دلیل قابلیت های متعدد و عملکرد بالا در زمینه های مختلف نقش مهمی ایفا می کنند:

1. صنعت تولیدی

ابزارها، قالب ها و قطعات مکانیکی به طور قابل توجهی مقاومت در برابر فرسایش و عمر خدمت خود را از طریق پوشش PVD (مانند نیتریت تیتانیوم، کاربید تیتانیوم) بهبود می بخشند.

دریچه ها و حلقه های پیستون موتورهای خودرو، پس از پوشش PVD، مقاومت لباس پوشیدن خود را 3-5 برابر افزایش می دهند و باعث کاهش لباس پوشیدن موتور می شوند.

در زمینه هوافضا، تیغه های توربین هواپیما که با فیلم های PVD سرامیکی پوشانده شده اند می توانند در دمای بالاتر از 1200 مقاومت کنند°ج: اطمینان از ایمنی پرواز

2حوزه الکترونیک و نوری

فیلم های رسانا و فیلم های عایق بر روی تراشه های نیمه هادی و صفحه نمایش همه به تکنولوژی PVD متکی هستند.

در زمینه نوری، آماده سازی فیلم های ضد انعکاس، فیلترها و آینه های با انعکاس بالا نمی تواند بدون فرآیندهای PVD انجام شود.

در زمینه انرژی جدید، فیلم های ضد انعکاس سلول های فتوولتائیک و پوشش های محافظ الکترود های باتری لیتیوم نیز از طریق فناوری PVD در عملکرد افزایش می یابد.

3مصرف کننده و حوزه پزشکی

زمینه مصرف کننده: پوشش های رنگارنگ روی غلاف های تلفن همراه، ساعت ها و جواهرات معمولاً از طریق فناوری PVD به دست می آیند که زیبایی شناسی و دوام را ترکیب می کند.پوشش های ضد نور آبی روی لنزهای عینک و پوشش های مقاوم به لباس روی قطعات ضد چسب نیز شامل ماشین های پوشش PVD است.;

زمینه پزشکی: پوشش PVD می تواند سازگاری زیستی و مقاومت در برابر خوردگی ایمپلنت ها و ابزارهای جراحی را افزایش دهد و ایمنی پزشکی را تضمین کند.

Ⅴ. مزایا، محدودیت ها و روند آینده پوشش PVD

(1) مزایایی مهم

1.کیفیت فیلم بالا: فیلم های آماده شده توسط PVD دارای چسبندگی قوی، تراکم یکنواخت و عملکرد پایدار هستند.

2.دوستانه بودن محیط زیست: در مقایسه با CVD، معمولاً شامل مواد شیمیایی مضر نیست، که فرآیند را سبزتر می کند و نیازهای مدرن حفاظت از محیط زیست صنعتی را برآورده می کند.

3. تنوع مواد: می تواند مواد مختلفی مانند فلزات، آلیاژ ها، سرامیک ها و ترکیبات را ذخیره کند و نیازهای عملکرد سناریوهای مختلف را برآورده کند.

4فرآیند دمای پایین: برای زیربناهای حساس به دمای مانند پلاستیک مناسب است و طیف وسیعی از زیربناهای پوشش را گسترش می دهد.

(2) محدودیت های موجود

1.هزینه تجهیزات بالا: ماشین های پوشش PVD گران هستند و فرآیند نگهداری پیچیده است، که منجر به سرمایه گذاری اولیه بالا و هزینه های عملیاتی و نگهداری بعدی می شود.

2.نرخ سپرده گذاری محدود: نرخ رسوب برخی از فرآیندهای PVD نسبتاً کند است که ممکن است بر بهره وری تولید در سناریوهای تولید انبوه در مقیاس بزرگ تأثیر بگذارد.

3.محدودیت های شکل بستر: رسوب یکنواخت روی زیربناهای پیچیده دشوار است و چالش های فنی خاصی را به همراه دارد.

(3) روند آینده

با پیشرفت تکنولوژی، تکنولوژی پوشش PVD همچنان در حال تکامل است:

استفاده از فن آوری های جدید پلاسما و فن آوری های کنترل در مقیاس نانو عملکرد فیلم های PVD را افزایش می دهد.

با ترکیب هوش مصنوعی و فن آوری های اتوماسیون، عملکرد ماشین های پوشش PVD هوشمندانه تر و کارآمدتر خواهد شد.دستیابی به کنترل دقیق تر فرآیند و بهره وری تولید بالاتر.

در آینده انتظار می رود که فناوری PVD نقش بیشتری در انرژی جدید (مانند سلول های خورشیدی و دستگاه های ذخیره سازی انرژی) ، الکترونیک انعطاف پذیر (مانند دستگاه های پوشیدنی) ،و زیست پزشکی (مانند ایمپلنت های جدید پزشکی) و سایر زمینه ها، ترویج پیشرفت مداوم در علم مواد و تولید.

نتیجه گیری

به عنوان یک دستگاه اصلی از تکنولوژی مدرن درمان سطح،ماشین های پوشش PVD پشتیبانی قوی از توسعه صنعتی و تکنولوژیکی را با اصل کار منحصر به فرد خود از "رساندن سطح اتمی" ارائه می دهنداز پوشش های مقاوم در برابر فرسایش بر روی ابزار برش تا پوسته های رنگارنگ تلفن های همراه، از قطعات موتور هواپیما تا ایمپلنت های پزشکی،تکنولوژی PVD همه جا هستبا بهینه سازی مداوم عملکرد تجهیزات و شکستن محدودیت های فرآیند،ماشین های پوشش PVD به طور مداوم نوآوری در فناوری اصلاح سطح مواد را هدایت می کنند و امکانات بیشتری را به زندگی ما اضافه می کنند.