PVD (eðlisfræðileg gufuútfelling), einnig þekkt sem þunnfilmuhúðun, er tækni sem felur í sér að gufa upp fast efni í lofttæmi og setja það á yfirborð vöru. Þessar húðanir eru þó ekki bara málmlög. Í staðinn eru flókin efni sett atóm fyrir atóm, sem leiðir til þunns, bundins málm- eða málm-keramik yfirborðslags sem bætir útlit, endingu og/eða virkni vörunnar til muna.
Þessi aðferð er mikið notuð í flug-, bíla- og læknisfræðiiðnaði, meðal annars, til að veita langvarandi skartgripalíkt útlit, betri langtímaafköst og þægindi við þrif.
En, hvernig er ferlið við PVD-húðun? Hvernig er hún sett á yfirborð vörunnar? Þessi bloggfærsla nægir til að skoða þetta í smáatriðum. Byrjum því.
PVD húðunarferli
PVD aðferðir geta verið notaðar til að setja upp einlaga, marglaga og margstigaða húðunarkerfi, sem og málmblöndur og uppbyggingar. Þessar aðferðir eru stöðugt að breytast og þær halda áfram að vera innblástur fyrir fjölmargar rannsóknir.
Þunnfilmutækni PVD felur í sér fjölbreytt úrval af útfellingaraðferðum eins og rafeindageisla- eða heitbátauppgufun, hvarfgjörn uppgufun og jónahúðun. Ferli sem byggjast á spútrun, hvort sem er með plasma eða jóngeisla, eru einnig hluti af PVD-tækni.
PVD er einnig notað til að lýsa útfellingu ljósbogagjafa, sem getur verið síað eða ekki. Algengustu PVD-aðferðirnar fyrir þunnfilmuútfellingu eru spútrun (eða kaþóðísk úðun) og uppgufun. Uppgufun er ferlið þar sem þunnt lag af atómum er sett á með því að nota hita í ferlinu. Atómin eða sameindirnar losna frá föstu skotmarkinu vegna áhrifa loftkenndra jóna í spútrun (plasma). Báðar aðferðirnar hafa verið fínstilltar í fjölda aðskildra aðferða.
Varmauppgufun
Varmauppgufun er vel þekkt aðferð til að húða þunnt lag þar sem upprunaefnið gufar upp í lofttæmisklefa undir 1 × 10⁻⁶ torr (1.3 × 10⁻⁴ Pa) vegna mikils hita, sem gerir gufuögnunum kleift að fara auðveldlegar og beint á undirlagið þar sem þær storkna aftur. Lofttæmisútfelling er hefðbundið heiti á varmauppgufunarferlinu.
Í þessari aðferð er notaður hleðsluhaldandi bátur eða viðnámsspóla í formi dufts eða fasts stangar. Viðnámsspólan er útsett fyrir miklum jafnstraumi (DC) til að ná háum bræðslumarki sem krafist er fyrir málma, þar sem hátt lofttæmi (undir 10⁻⁴ Pa ) hjálpar til við uppgufun málmsins og síðari flutning hans til undirlagsins. Þessi aðferð er sérstaklega gagnleg fyrir efni með lágt bræðslumark. Myndin hér að neðan sýnir tvær gerðir af varmauppgufunarferlum.
Varmauppgufunarferli
Við útfellingu þunnra filma er oftast notuð viðnámshitun. Viðnámshitaður þráður eða bátur, venjulega úr eldföstum málmum eins og W, Mo eða Ta með eða án keramikhúðunar, gufar upp upprunaefnin. Rafeindageislaútfelling er notuð til að gufa upp eldföst málma þar sem einföld viðnámshitun er ekki fær um að gufa upp efni með hátt bræðslumark.
Sprautunarútfelling
Sprautun er PVD-ferli þar sem sprengingar, orkumiklar og atómstærðar agnir valda efnislegri uppgufun atóma af yfirborði. Sprautun gerir kleift að stjórna samsetningu fjölþátta filmu sem og fjölbreyttari efnum sem hægt er að setja á.
Sprautunarhúðun er aðferð sem notuð er til að húða undirlag með mjög þunnu, virku lagi. Aðferðin hefst með því að rafhleðsla er sett á sprautunarkatoðu, sem býr til plasma sem veldur því að efnið er rekið út af yfirborði skotmarksins. Jónasprengjuárás á upprunaefnið, eða skotmarkið, er grunnurinn að ferlinu.
Myndskreyting á spúttunarferli
En hvernig fer spúttunarútfelling fram? Spúttunarútfelling er hægt að nota til að setja út frumefnisfilmur sem og málmblöndufilmur og viðhalda samsetningu efnisins. Þetta er mögulegt vegna þess að efnið er fjarlægt lag fyrir lag af efninu, sem er einn af helstu kostum ferlisins. Þetta gerir kleift að setja út flóknari málmblöndur eins og Al-Si-Cu fyrir málmhúðun hálfleiðara og Cr-A-lY málmblöndur fyrir húðun á túrbínum flugvéla.
Skref PVD húðunar
PVD (eðlisfræðileg gufuútfelling) er uppgufunarferli sem felur í sér flutning efnis á frumeindastigi. Eftirfarandi skrefaröð má nota til að lýsa ferlinu.
(1) Efnið sem á að setja niður er umbreytt í gufu með eðlisfræðilegum aðferðum (háhitalofttæmi eða gaskennt plasma),
(2) gufan er flutt frá upptökum sínum á lágþrýstingsstað, og
(3) gufan þéttist á undirlaginu og myndar þunna filmu.
PVD-aðferðir eru venjulega notaðar til að setja þunnar filmur með þykkt frá nokkrum nanómetrum upp í þúsundir nanómetra. Hægt er að búa til fjöllaga húðun, stigbundnar samsetningarútfellingar, mjög þykkar útfellingar og frístandandi mannvirki með þeim.
Undirlag fyrir PVD húðun
Mikilvægast er hvaða tegund undirlags er hægt að nota fyrir PVD-húðun? Flest málma er hægt að PVD-húða, en sum efni þurfa nikkel- og krómgrunnslag til að bæta tæringarþol. PVD-húðun er fjölhæf aðferð sem hægt er að nota á fjölbreytt efni, þar á meðal hitaplast. LTAVD-tæknin (Low-temperature arc vapour deposition), sem felur í sér að málmhúðun er sett á við lægra hitastig en PVD, er notuð í þessum efnum.
Sum grunnefni festast betur við málmútfellingu en önnur. Það er mikilvægt að velja rétta aðferðina til að fá sem endingarbesta og aðlaðandi málmáferð. Nikkel- eða krómhúðun gæti verið nauðsynleg til að fá bestu niðurstöður, allt eftir efninu. Sum efni taka í sig PVD-húðun betur en önnur.
- Títan, grafít og ryðfrítt stál eru dæmi um efni sem hægt er að húða án þess að nota undirlag.
- Stál, messing og kopar – Venjulega er nikkel/króm rafhúðað fyrir PVD-vinnslu til að bæta tæringarþol, en hægt er að bera það beint á.
- Plast-, ál- og sinksteypur – Notar venjulega lághita bogagufuútfellingaraðferðina (LTAVD) fyrir framúrskarandi tæringarþol.
Meirihluti undirlaganna var festur í lofttæmishólfinu í miðri lóðréttri stöðu, en sum voru staðsett í mismunandi hæð. Meirihluti undirlaganna var settur í miðja lóðrétta stöðu, og nokkur neðst og efst á undirlagshaldaranum.
PVD-húðun er að verða sífellt vinsælli fyrir málmfrágang þar sem hún má nota á fjölbreytt undirlag eða grunnefni. Hægt er að ná fram mismunandi litum eftir því hvaða lofttegundir koma inn í PVD-ferlið. Þegar þú notar PVD-húðun til að pússa málm þarftu ekki að halda þig við málmliti, sem eru vinsælir í mörgum atvinnugreinum.
Sýnin voru fituhreinsuð og hreinsuð í sjálfvirkri iðnaðarstærðar ómskoðunarhreinsunarlínu áður en þau voru sett í plast.
Undirbúningur sýnis fyrir PVD húðun
Undirbúningur sýnis fyrir PVD-húðun er mjög mikilvægur. En hvernig á að undirbúa sýni fyrir PVD-húðun og hvaða skref ætti að taka?
Í fjöldaframleiðslu er undirlagið hreinsað með ómskoðun áður en PVD-húðun er sett á. Þrifið er ferli í mörgum skrefum sem fylgt er eftir með skolun og þurrkun.
Kvörnin voru undirbúin fyrir PVD með ómskoðunarhreinsunartækni. Fjarlægja þarf olíur, smurefni, kæliefni og agnir af hlutunum eins mikið og mögulegt er áður en húðun fer fram.
Fyrsta skrefið var ómskoðunarhreinsun með fituhreinsiefni ( pH ~ 11 ) í afjónuðu vatni til að fjarlægja óhreinindi á yfirborðinu (hreinsunartími 15 mínútur), síðan skolun með ómskoðun í afjónuðu vatni og þurrkun í hreinum heitum lofti.
Kostir PVD húðunar
PVD húðun er notuð vegna margra kosta hennar , þar á meðal:
(i) húðun sem mynduð er með PVD getur haft betri eiginleika en undirlagsefnið;
(ii) hægt er að nota allar gerðir ólífrænna efna og sumar gerðir lífrænna efna;
(iii) ferlið er umhverfisvænna en margar aðrar aðferðir, svo sem rafhúðun.
En hvernig eykur PVD húðun vélræna eiginleika vörunnar? Við skulum ræða þetta nánar.
Auka endingu
Lækninga- eða skurðlækningatæki sem hefur verið PVD-húðað endist tífalt lengur en tæki sem ekki hefur verið það. PVD-húðun bætir við þunnu en sterku lagi af efni sem tekur lengri tíma að ryðjast.
Afköst og styrkur
Aukin húðun gerir efnið sterkara, þess vegna stuðlar PVD-húðun lækningavara að endingu. Þar sem minni hætta er á beyglum eða flísum, mun sterkara skurðtæki bæta virkni tækisins.
PVD-húðun á lækningatækjum bætir smurningu og gerir þau vatnsheldari. PVD-húðun á lækningatækjum skapar lífsamhæfari tæki sem hvarfast ekki við bein, líffræðilega vökva eða vefi, allt eftir því hvaða efni er húðað á tækinu.
Skerpa
PVD húðun getur hjálpað skurðaðgerðartóli að halda blaðinu eða egginni beittari lengur með því að auka brúngeymslu.
Tilbrigði
Hægt er að nota PVD húðunarefni í ýmsum litum til að húða lækningatæki. Þetta er hægt að nota til að greina á milli svipaðra verkfæra eða til að flokka tilteknar birgðir.
Smurning á hlutum í vélrænum íhlutum í hreyfingu er áhyggjuefni í bílaiðnaðinum. Gírar, stimplar, kambar og legur eru dæmi um þessa hluti. PVD-húðun hefur veitt frábæra lausn á þessari áskorun. Hún breytir yfirborðseiginleikum meðhöndluðu hlutanna, lækkar núningstuðla og eykur slitþol.
.
PVD hefur hins vegar nokkra galla, þar á meðal
(i) vandamál við húðun flókinna form;
(ii) hár vinnslukostnaður og lítil framleiðsla; og
(iii) flækjustig ferlisins.
Iðnaðarnotkun PVD húðunar
PVD aðferðir eru notaðar til að húða efni í ýmsum iðnaði, þar á meðal
- Skurðarverkfæri, fræsingarverkfæri, borunarverkfæri, mótunarverkfæri, vélarhlutir og legur.
- Í bílaiðnaði, heimilistækjum, skriftækjum, rafeindatækni og leikfangaiðnaði,
- Skreytingahúðunin skapar málmkennda áferð á plasti.
- Linsur, sjóntæki, gleraugu, snertiskjáir og speglar eru öll húðuð með sjónhúð.
- Lækningatæki, svo sem ígræðslur, gangráðar og skurðtæki, eru húðuð með slitþolinni húðun.
- Slitþolin húðun og málmhúðun úr sólarsellum úr kristallaðri kísil.
- Umbúðaefni með málmhúðunarlagi.
Þunnar PVD-húðanir (Physical Vapour Deposition) hafa orðið sífellt algengari fyrir allar gerðir skurðarverkfæra á undanförnum árum. Þessar tækni eru nú mikið notaðar í framleiðslu á borum, fræsum og skurðarbitum, svo eitthvað sé nefnt.
TiN PVD húðun var viðurkennd sem framför fyrir málmvinnslu með hástyrk og slípandi stáli sem og málmlausum málmum eftir tíu ára farsæla notkun í skurði, götun, kaltmótun, sprautusteypu plasts og pressusteypu sumra málmblanda. Mikil hitastöðugleiki TiAlN húðunarinnar (allt að 700°C ) virtist vera úrslitaþátturinn, sem benti til þess að þessi húðun ætti að nota þegar krafist er framúrskarandi oxunarþols.
Mynd eftir Chris Yates á Unsplash
CrN (PVD) húðanir eru að finna sér leið í sífellt stækkandi en samt sem áður sértækt úrval fjöldaframleiddra vara. Þær geta verið framleiddar sem stakar CrN húðanir við meðalhita og hátt hitastig, sem og tvöfaldar TiN+CrN húðanir. Við hátt hitastig var lágspennu-thermionic bogi í BAI 730M tæki notaður til að setja CrN út, en við lágt hitastig (undir 250°C) var notuð plasmageislaspúttunaraðferð í SPUTRON tæki.
Skilyrðin fyrir vel heppnaðri liðskiptaaðgerð eru mjög ströng; vel jafnvægð blanda af vélrænum eiginleikum og góðri lífsamhæfni er nauðsynleg. Vegna tiltölulega óvirkni þeirra, framúrskarandi burðarþols og framúrskarandi slitþols hafa Co-Cr-byggðar málmblöndur verið notaðar í mörg ár.
Hins vegar er hætta á að hægfara uppsöfnun málmjóna eins og kóbalts og króms geti leitt til neikvæðra klínískra afleiðinga. Því vaknar spurningin; hver ætti að vera möguleg lausn á þessu?
Að því loknu var þunnt lag af TiN sett á með því að nota eðlisfræðilega gufuútfellingu til að draga úr losun hugsanlega hættulegra málmjóna úr skurðaðgerðarígræðslum sem byggjast á Co-Cr-Mo (PVD). Rafefnafræðilegar aðferðir og atómgleypnigreining voru notaðar til að kanna tæringargetu in vitro.
Niðurstaða
PVD húðun er einnig þekkt sem þunnfilmuhúðun. Þetta er tækni til að setja ein- og marglaga húðun á sýni. Það eru margar aðferðir til að setja PVD húðun á en algengustu aðferðirnar eru uppgufun og spútrun. Í þessum aðferðum er hægt að nota efni með lágt og hátt bræðslumark. PVD húðun er hægt að nota á fjölbreytt efni, þar á meðal hitaplast. Sýnið ætti að undirbúa og hreinsa í ómskoðunarhreinsi áður en PVD húðun er notuð. Það er fjölbreytt úrval af iðnaði, þar á meðal bílaiðnaður, læknisfræðileg ígræðslur, flug- og geimferðir o.s.frv. Hefur þú samt einhverjar spurningar um PVD húðun? Ekki hika við að láta okkur vita með því að skrifa athugasemd hér að neðan.
