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泰科诺热丝CVD—工业界的黑科技

2017-09-27 14:58:14 点击数:

项目来了丨iPhone X也用了这个技术,揭秘工业界的“盔甲”制造者

Phone 6s的深空灰配色又回来了,iPhone 4s的“三明治”双面玻璃加金属中框设计也回来了。苹果9月12日发布的iPhone 8/8p和十周年纪念版iPhone X充满了怀旧的味道。

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△ 图片来源:苹果官网

苹果官网在介绍iPhone X 深空灰外观的文字中提到了一项被称为“物理气相沉积”的工艺,运用它来确保不锈钢边框颜色与玻璃颜色精准一致。

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△ 图片来源:苹果官网

什么是物理气相沉积?它是如何给iPhone上色的?看完这篇文章,你心中的疑问也许就解开了。

iPhone X穿上“新衣”的秘密

在iPhoneX不锈框边框的加工过程中,它被放入一个真空腔室,里面即将进行一场激烈的“打斗”。

真空腔室里注入了氩气。在300~400伏特电压下,氩气被电离成氩离子(正电荷)和电子(负电荷),在电场作用下氩离子猛烈轰击深空灰靶材,深空灰色靶材原子在“重击”下脱离了靶材大本营,纷纷“投奔”iPhone边框,在不锈钢上沉积成一层深空灰色薄膜。于是,这层薄膜成为了iPhone边框的新“战衣”。

下面的动图生动地演绎了这场激烈的打斗。

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△ 带正电的氩离子撞向阴极靶材,“敲落”靶材原子。

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△ 若把这块面板比作手机不锈钢中框的平面,这些被轰击出来的靶材原子在不锈钢中框表面均匀堆积形成一层具有深空灰色的薄膜

给iPhone X不锈钢边框“上色”的技术是磁控溅射,它是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,以下简称“PVD”)的主要方法之一。

什么是PVD?

PVD是指在真空条件下,采用物理方法将材料源——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)在基体表面沉积形成具有某种特殊功能的薄膜的技术。

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PVD技术还可为刀具“定制盔甲”

制造业中的刀具主要用来切削金属,号称“工业的牙齿”。高速钢、硬质合金是目前切削刀具的主要材质。

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△削铁如泥的工业切削刀具。

中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称“先进院”)功能薄膜材料研究中心主任唐永炳研究员及其团队成员(杨杨副研究员、蒋春磊高级工程师)已经研发出仪器用来制备高性能刀具涂层,致力于PVD与CVD技术及其在切削工具、模具和零部件等领域的应用。

唐永炳研究员介绍,目前,超高强度钢、高温合金、钛合金、铝合金以及陶瓷、石墨等新材料在航空航天、汽车、轨道交通以及3C电子产业得到广泛应用,但却是难加工材料,普通高速钢和硬质合金刀具的硬度、耐磨性难以满足切削加工需求。

在刀具表面涂覆一层涂层可以有效提高刀具的表面硬度、耐磨性,延长使用寿命。蒋春磊团队正是利用了PVD技术中磁控溅射的方法制备出了高性能的刀具涂层材料。

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△这台仪器用来制备高性能刀具涂层。

经过磁控溅射后,刀具表面会沉积形成一层高性能硼化物薄膜。

现在再重温上面的动图,是否更清晰地感受到刀具表面的涂层是怎么形成的?

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这就像一场立体的桌球赛,被氩离子碰撞的靶材原子飞向刀具表面,这些原子均匀紧凑地沉积成涂层,给刀具穿上“盔甲”。

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△ 没涂层和有涂层的刀具对比 图片来源:深圳先进院

蒋春磊介绍,这种高性能硼化物涂层具有大于50 GPa的超高硬度,可用于高温合金、淬硬钢、铸铁等铁基难加工材料的切削加工,更为重要的是该涂层不易与有色金属材料产生化学反应,可以有效解决铝合、钛合金、镁合金等有色金属难加工材料的粘刀问题,提高表面加工质量,延长刀具使用寿命。

PVD还有个“兄弟”CVD

除了PVD技术能给刀具穿上“盔甲”,它的“兄弟”CVD也有方法为刀具定制“新战衣”。

功能薄膜材料研究中心的另一个重要领域是化学气相沉积技术(Chemical Vapor Deposition,以下简称“CVD”)。CVD技术可在刀具表面涂覆金刚石涂层。覆盖了金刚石涂层的刀具是纤维增强复合材料、石墨、高硅铝合金等难加工材料的理想刀具材料。

热丝法是CVD制备金刚石涂层的主要方法之一。

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△ 唐永炳团队设计研发的金刚石涂层制备设备。(此设备为北京泰科诺科技有限公司的热丝CVD设备)

热丝法

在设备中,放入需要涂层的刀具。热丝(一般为钽丝或钨丝)被加热到2400℃左右,含碳的气体,如甲烷、乙炔、丙酮以及氢气被高温离解,被离解的物质如下毛毛雨般落到刀具上,均匀地铺开,经过化学反应转变为金刚石结构,一层层沉积,在刀具表面形成金刚石涂层。

金刚石涂层刀具除了拥有超高硬度外,其化学性质极其稳定,不会与被加工材料产生化学反应。因此,在切削过程中,它不仅超耐磨、而且不粘刀,具有比普通涂层刀具更优异的切削性能及更长的使用寿命。

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△ 如图,披上金刚石涂层的硬质合金刀具非常犀利。

通过PVD和CVD为刀具制备涂层,针对不同的难加工材料,都能使机械加工厂家提高切削效率、产品质量和批次稳定性,同时提升刀具使用寿命可以节省换刀具时间,从而提高生产效率、降低生产成本。不过,这两种技术还是有差别的。

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△ 左边是未加上涂层的刀具,右边是镀了金刚石涂层的刀具。

用CVD技术制备的刀具涂层通常需要经历800度到1000度的沉积,这样的高温并不是所有材质的刀具都能承受的。而PVD技术要求的沉积在300度到500度之间,温度较低,多种材质的刀具都可以承受。PVD弥补了CVD技术的局限性,CVD也在某些领域有着PVD不可替代的优势。

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△ 杨杨研究小组制备的金刚石涂层切削刀具。

行业中已有不少企业、高校、研究院所在研究涂层,为什么团队还要在这方面发力呢?

唐永炳提到目前汽车、航空航天工业的切削加工需要高端刀具,但目前高端刀市场被国外企业垄断,国产刀具仍停留在中低端水平。团队研发刀具涂层工艺的初衷也是希望打破国外技术垄断的局面。

此外,团队还关注制备仪器的改造升级。实验室中的涂层制备仪器虽从国内采购,但都经过改造升级。如改造升级过后的热丝CVD设备具有更大范围和更均匀的温度场分布,可容纳更大量的刀具同时沉积金刚石涂层。

唐永炳介绍,团队一开始就从大设备入手,直接面向规模化生产进行工艺研发。目前先进院开发的涂层刀具已进入用户试用评估阶段,“据用户反馈来看,涂层将刀具的使用寿命提高至少30%以上,加工质量得到改善。”后续,团队将继续对设备和工艺进行系统优化。此外,杨杨及其研究小组利用CVD技术制备的金刚石涂层下一步将运用到处理有机废水上。

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△ 杨杨手中所拿的正是他们下一步想做的金刚石涂层电极,这种电极将用到高浓度难降解有机废水的处理上。

 

稿件转载自by读创记者 李旖露 严偲偲 编辑/月儿

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