薄膜在机械领域的应用

薄膜技术在机械领域的应用李贵才08097014第一页，编辑于星期五：二十二点四十七分。超硬薄膜材料金刚石薄膜类金刚石薄膜（DLC）立方氮化硼(c-BN)薄膜碳氮薄膜智能薄膜材料形状记忆合金薄膜纳米薄膜材料第二页，编辑于星期五：二十二点四十七分。2手段和目的：采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能。方法：包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等);表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层(物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。作用：赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命。第三页，编辑于星期五：二十二点四十七分。3应用概况目的基材表面膜应用方法耐腐蚀高强度钢低碳钢不锈钢特殊钢磁性铁合金Al,CAnTiCrTa螺栓，一般结构件，飞机与航天器，船舶骑车等离子镀溅射镀膜离子注入等离子增强PVD（CVD）离子束混合电镀等耐热钢材Al及其合金Al,CW,Ta,Ti排气管，汽车航空发动机，高温喷气喷嘴同上耐磨各种钢材TiN，TiCTi-B，TiCr，Ta切削刀具，刃具成型工、模具轧辊轴套，轴承同上耐氧化各种钢材AlTiCr高温气体排气管成型工、模具轧辊同上光泽性不锈钢低碳钢黄铜Au，Ag，Al，TiNCrN首饰，装饰品，钟表眼镜架，汽车零部件，一般电镀件同上润滑性各种钢材黄铜TiCCMoS2WS2轴承，轴套，旋转套筒，转子同上第四页，编辑于星期五：二十二点四十七分。4超硬薄膜材料金刚石薄膜制备：采用高温高压方法人工合成的工业金刚石大都是粒度较小的粉末状的产品，只能做磨料和工具。采用化学气相沉积（CVD）方法制备的金刚石膜提供了利用金刚石所有优异物理化学性能的可能性。可以沉积在硬质合金刀片或回转式刀具上。性能：金刚石膜所具有的最高硬度、最高热导率、极低摩擦系数、很高的机械强度和良好化学稳定性，使其成为最理想的工具和工具涂层材料。

应用：金刚石薄膜在机械方面的应用是作刀具、模具及耐磨器件上的涂层。目前，金刚石薄膜涂层工具主要上市产品：金刚石膜涂层硬质合金车刀、铣刀、麻花钻头、端铣刀等等。从目前国内外市场的销售情况来看，销售量最大的是端铣刀、钻头和铣刀。第五页，编辑于星期五：二十二点四十七分。5金刚石钹形磨轮金刚石切磨片金刚石锯片金刚石钻头金刚石薄膜涂层硬质合金工具的一个问题是金刚石膜与硬质合金的结合力还需要进一步提高。第六页，编辑于星期五：二十二点四十七分。6类金刚石薄膜（DLC）制备：DLC是一种以碳或以碳和氢为主要成分的非晶碳基薄膜材料。制备方法包括CVD（离子束辅助，直流等离子体，射频等离子体和微波放电等）和PVD（阴极电弧沉积，溅射碳靶和脉冲激光熔融等）方法。性能：与金刚石膜的性质很相近，具有很多优良的力学、电学、光学、热学和声学等物理性质，如高硬度、耐磨损、表面光洁度高、低电阻率、高透光率，又有十分好的化学稳定性。极高的硬度(具有接近金刚石的高硬度)和优异的抗磨损性能，适于作切削刀具、轴承、齿轮及活塞等易磨损机件的镀层；耐腐蚀(防酸、防碱)性能好，可以防止酸、碱及有机试剂的侵蚀；摩擦系数低(0.005~0.002)，表面非常平滑，在装饰工业及生命科学等领域都具有很好的应用前景应用：作为功能薄膜和保护薄膜，其广泛应用于机械、电子、光学、医学、航天等领域中。机械领域如：DLC硬质合金刀具，DLC纤维砂轮，可以对各种难加工材料和硬脆材料进行精密加工和纳米加工。用作刀具涂层，能提高刀具寿命和刀具边缘的硬度，减少刃磨时间，节约成本。用作量具表面涂层，不致于使其改变尺寸和划伤表面。它良好的化学稳定，防止酸碱及有机溶液侵蚀，适用于化工机械部件和多种装饰件的镀层。第七页，编辑于星期五：二十二点四十七分。7

DLC膜在机械领域上的应用1.钻头、铣刀DLC膜可以应用于钻头和铣刀上,特别是掺杂金属的DLC膜,它不仅具有高的硬度,还具有低的摩擦系数、抗有色金属粘结。广州有色金属研究院进行了在铣刀上镀TiAlN+DLC膜,在加工有色金属时明显提高使用寿命及加工质量。2.光盘模具及其辅助模具光盘模具是生产CD、CDR、DVD的重要工具,为了减少它与母盘(镍盘)的摩擦,希望模具表面硬且摩擦系数小,目前,国外大多采用DLC膜层,大大提高了模具的寿命和盘片的质量。第八页，编辑于星期五：二十二点四十七分。83.芯轴DLC膜的耐磨减摩及耐腐蚀性,可显著提高齿轮、芯轴等运动部件的使用性能及寿命。图3为广州有色金属研究院制备的DLC膜层芯轴,其寿命延长了3倍以上,耐腐蚀性提高4倍以上。4.刀片上的应用现在DLC也在各种刀片如:剪刀、刮胡刀等上面得到应用。DLC膜减小了刀片与皮肤的摩擦,改善了刀片的性能,延长了使用寿命。第九页，编辑于星期五：二十二点四十七分。95.关键零部件上的应用DLC膜在许多关键零部件也能发挥其优良的性能,如在制冷机的活塞上的应用(见图5)利用其低的摩擦系数,降低摩擦力,提高耐磨性,达到无油润滑及使用寿命要求。在缝纫机配件-旋梭上镀DLC膜(见图6)替代原来的电镀硬铬处理,不但避免了污染环境的问题,而且,明显提高工件表面硬度及耐磨性,使用寿命提高了10倍以上,同时,也因表面膜层摩擦系数降低后,使机器运行过程中产生的噪音变小。第十页，编辑于星期五：二十二点四十七分。10目前，类金刚石膜在部分领域的应用已经达到了实用化阶段。人们对类金刚石膜在各个领域的应用研究工作还在进行中，还有许多问题需要解决，例如：在实现类金刚石膜的全方位、大面积、均匀沉积以及获得类金刚石膜良好的膜一基结合力等方面还有许多的工作要做。第十一页，编辑于星期五：二十二点四十七分。11立方氮化硼(c-BN)薄膜

c-BN的硬度仅次于金刚石，但却比金刚石具有更高的热稳定性和化学稳定性，因此作为切削工具材料比金刚石更为优越，金刚石不能用于加工钢铁材料，而立方氮化硼工具胜任包括钢铁材料在内的几乎任何材料的加工。采用溅射沉积、离子束辅助沉积、离子镀、等离子体辅助CVD等物理和化学气相沉积方法都可以制备立方氮化硼c-BN薄膜主要应用有刀具，涂层刀片和砂轮等，但是目前仍处于研究阶段，研究的焦点是寻求控制和降低c-BN薄膜内应力的技术途径和制备高质量晶态c-BN薄膜的方法。

第十二页，编辑于星期五：二十二点四十七分。12碳氮薄膜Cohen等人在20世纪90年代初预言在C-N体系中可能存在硬度可能超过金刚石的β-C3N4相以后,开始了CNx材料作为一种新型超硬材料的研究。但是，在绝大多数情况下，得到的都是一种非晶态的CNx薄膜。尽管没有得到Cohen等人所预测的β-C3N4晶体，但已有的研究表明CNx薄膜的硬度可达15GPa-50GPa，可与DLC相比拟。同时CNx薄膜具有十分奇特的摩擦磨损特性。在空气中，摩擦因数为0.2-0.4，但在N2，CO2和真空中的摩擦因数为0.01-0.1。因此，CNx薄膜有望在摩擦磨损领域获得实际应用。制备：

采用反应磁控溅射、离子束沉积、双离子束溅射、激光束沉积(PLD)、等离子体辅助CVD和离子注人等方法都可以制备出CNx薄膜。第十三页，编辑于星期五：二十二点四十七分。13应用：目前，研究CN薄膜的困难一是含氮量的提高，二是实现膜的结晶。早期人们利用高温高压的方法试图合成β-C3N4，但是得到的产物往往贫氮或与β-C3N4结构想去甚远。尽管没有得到β-C3N4相，但是CN薄膜材料优越的力学性能，较好的热传导性、场发射性等使其有望作为切削工具的涂层，摩擦磨损件的涂层以及计算机硬盘的保护涂层，以延长这些部件的使用寿命。也可以作为固体润滑剂，应用到航天航空领域。第十四页，编辑于星期五：二十二点四十七分。14形状记忆合金薄膜形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy)是近几十年发展起来的一种新型功能材料，它是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。其特点是：将已在高温下定型的形状记忆合金置于低温或常温下使其产生变形，当环境温度升高到临界温度(相变点)时，合金的变形消失并可恢复到定型时的原始状态。智能薄膜材料第十五页，编辑于星期五：二十二点四十七分。15图中演示了形状记忆合金在复原过程中能释放出巨大能量，是名副其实的大力士。形状记忆合金(a)能撑起自重100倍以上的重量；马达(b)的驱动力可达自重的50倍；蚂蚁(C)和人(d)则分别是20倍和2倍。第十六页，编辑于星期五：二十二点四十七分。16迄今已经发现的具有形状记忆效应的合金主要有AgCd,CuZn,NiAl,TiNi,InTl,MnCu等，其中NiTi形状记忆合金由于其具有大的畸变量和大的恢复力等特点，在制造微驱动器等方面显示出强大的优势。微驱动元件为了实现集成化和自动化必须满足两个条件：1.要对周围的环境温度或激励条件的变化做出快速的响应。2.在做出响应变化的同时产生很大的工作能力。这样才能准确，及时地适应环境温度或其它激励条件的变化，才能有利于制作微驱动元件。第十七页，编辑于星期五：二十二点四十七分。17

形状记忆合金在试制集感知和驱动于一体的元器件过程中，发现在某些应用情况下会出现应变恢复响应速度低的问题，为了提高响应速度和满足微电子机械系统的发展，人们研究出了Ni-Ti形状记忆合金薄膜，其制备方法主要有溅射沉积，真空蒸发沉积，激光熔融等方法，可以制备厚度大于10um的NiTi薄膜，其中溅射方法是最主要的方法。

特点：它的响应速度相对块状材料有大幅度的提高有很大的做功输出能力。大大开拓了其在微驱动器材料方面的应用前景。由于其尺寸小输出功大，在微机械材料方面有很好的应用前景。第十八页，编辑于星期五：二十二点四十七分。18应用已经制造出微型驱动器，弹簧，双梁悬臂，镜面驱动器，隔膜，微夹具等。NiTi丝尺寸NiTi微弹簧第十九页，编辑于星期五：二十二点四十七分。19第二十页，编辑于星期五：二十二点四十七分。20NiTi记忆合金薄膜微型驱动器，悬臂厚10um，宽30um，长800um，当实验所加电流为35mA时，记忆合金悬臂产生的力呈线性增加到5.5N，悬臂驱动器的位移在100-300um范围内，产生了较大的力和位移第二十一页，编辑于星期五：二十二点四十七分。21第二十二页，编辑于星期五：二十二点四十七分。22纳米薄膜材料纳米薄膜具有纳米结构的特殊性质是一类具有广泛应用前景的新材料按用途可以分为两大类，即纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。前者主要是利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特性，通过复合使新材料具有基体所不具备的特殊功能。后者主要是通过纳米粒子复合．提高材料在机械方面的性能第二十三页，编辑于星期五：二十二点四十七分。23纳米薄膜的制备方法：物理方法:粒子束溅射沉积和磁空溅射沉积化学方