真空镀膜“点石成金”:从手机屏到航天器,看不见的薄膜如何改变世界?
一、机械性能强化类
1. 耐磨耐蚀型
①耐磨损涂层技术:
在众多行业如机械制造、汽车零部件制造、模具制造等中,通过PVD、CVD等技术在金属表面镀制氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)等硬质薄膜,可显著提高零件的耐磨性,延长使用寿命。例如在汽车发动机的活塞、气缸套,以及模具制造中的模具表面镀制这些薄膜,能减少磨损,降低更换频率,提高生产效率和产品质量。
②耐摩擦涂层技术:
在机械传动部件制造、重型机械制造等行业,对轴承、齿轮等部件进行真空镀膜处理,如采用磁控溅射技术镀制类金刚石膜(DLC),可以增强部件的抗摩擦性能,降低摩擦系数,减少能量损耗,提高传动系统的效率和可靠性。
③超硬质涂层技术:
在工具制造、矿业开采设备制造等领域,利用PVD、CVD等技术在刀具、钻头等表面镀制超硬质材料薄膜,如立方氮化硼(CBN)薄膜,可使工具在高速切削、高硬度材料加工等苛刻条件下保持良好的切削性能,提高加工效率和质量。
④耐腐蚀涂层技术:
在化工、海洋工程、食品机械等行业,采用真空镀膜技术在设备和零部件表面镀制耐腐蚀性金属或合金薄膜,如不锈钢薄膜、镍合金薄膜等,可有效抵御酸、碱、盐等腐蚀性介质的侵蚀,延长设备的使用寿命,确保生产过程的安全性和稳定性。例如在化工管道、海洋养殖设备、食品加工机械等表面镀制耐腐蚀涂层,能防止设备被腐蚀损坏,减少维护成本。
2. 润滑减阻型
①减摩擦涂层技术:
在航空航天、汽车制造、机械制造等行业,对运动部件如飞机发动机的叶片、汽车的活塞环、机械的导轨等进行真空镀膜处理,如采用等离子体增强磁控溅射技术镀制钼硫化物等减摩擦涂层,可以在部件表面形成一层润滑膜,降低摩擦系数,减少磨损,提高部件的运行效率和可靠性,同时还能降低能耗。
②自润滑涂层技术:
在一些难以频繁润滑的设备和部件上,如航天器的机械部件、高温环境下的机械零件等,利用真空镀膜技术制备自润滑涂层,如在表面镀制聚四氟乙烯(PTFE)等具有自润滑性能的材料薄膜,可在无需外部润滑剂的情况下,使部件在各种工况下保持良好的润滑状态,确保设备的正常运行。
二、光学性能调控类
1. 光透射优化
①增透薄膜技术:
在光学镜片制造、显示行业、眼镜制造、光学仪器制造、汽车灯具制造等众多行业,通过真空镀膜技术在光学元件表面镀制增透膜,如采用磁控溅射法镀制二氧化硅(SiO )、氧化镁(MgF )等薄膜,可以有效降低光线在光学元件表面的反射损失,提高透光率,使光学元件具有更高的成像质量和光传输效率。例如在相机镜头、望远镜镜片、眼镜镜片、显示器屏幕、汽车前照灯透镜等表面镀制增透膜,能够使光线更清晰地透过,提高光学性能。
②减反射薄膜技术:
在太阳能光伏产业、光纤行业、光电子器件行业等,通过在硅太阳能电池表面、光纤端面、光电子器件的光学窗口等位置镀制减反射薄膜,如采用化学气相沉积(CVD)技术镀制纳米结构的减反射膜,可以减少光线的反射,提高光的吸收和传输效率,从而提高太阳能电池的光电转换效率、光纤的光传输性能以及光电子器件的光信号处理能力。
③干涉薄膜技术:
在光学仪器制造、光通信行业等,利用干涉原理设计和制备干涉薄膜,如通过电子束蒸发技术在光学元件表面镀制多层薄膜结构,可实现特定波长的光的滤光、分光、合光等功能,用于制造各种光学滤光片、分光棱镜等光学元件,满足不同的光学测量、光通信和光信息处理需求。
2. 光反射增强
①高反射薄膜技术:
在光学仪器制造、照明行业、光通信行业等,通过真空镀膜技术在反射镜、反光板等光学元件表面镀制高反射薄膜,如采用磁控溅射法镀制铝、银、金等金属薄膜或介质多层膜,可显著提高元件的反射率,实现对光线的有效控制和高效利用。例如在高精度光学仪器的反射镜、汽车后视镜、照明灯具的反光罩、光纤通信中的反射器件等表面镀制高反射薄膜,能够增强光的反射效果,提高光学系统的性能和效率。
3. 光功能处理
①偏振薄膜技术:
在光学仪器制造、显示行业、光通信行业等,通过在光学元件表面镀制偏振薄膜,如采用光学镀膜技术制备偏振片、偏振分束器等,可以实现对光的偏振态的控制和处理,用于偏光显微镜、偏光显示器、光通信中的偏振控制器件等,满足不同领域对偏振光的需求。
②分光薄膜技术:
在光学仪器制造、光谱分析行业、光通信行业等,利用真空镀膜技术制备分光薄膜,如在棱镜、平板分束器等光学元件表面镀制多层介质膜,可实现对不同波长光线的分光功能,用于光谱仪、光通信中的波分复用器件等,对光信号进行分离、合成和处理,为光学测量、光谱分析和光通信提供关键技术支持。
③滤光薄膜技术:
在光学仪器制造、光通信行业、环境监测行业、生物医学工程行业等,通过设计和镀制不同类型的滤光薄膜,如带通滤光片、截止滤光片、反射滤光片等,可以实现对特定波长范围光线的选择性透过或反射,用于光学仪器的光谱选择、光通信中的波长选择、环境监测中的光谱分析以及生物医学领域的荧光检测等,提高光学系统的性能和应用范围。
三、电学性能实现类
1. 导电相关
①导电薄膜技术:
在电子元器件制造、集成电路封装、半导体制造、显示行业、太阳能光伏产业、锂电池行业、MEMS行业、5G通信行业等众多行业,通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)等技术在基板或芯片表面镀制金属导电薄膜,如铝、铜、金等,可实现良好的导电性能,用于制造各种导电线路、电极、接触点等,满足电子设备的电气互连和信号传输需求。例如在印刷电路板(PCB)制造中,通过真空镀膜技术制备导电层,实现芯片与外部电路的连接;在太阳能电池制造中,通过镀膜技术制备金属电极,收集和传输光电流。
②透明导电薄膜技术:
在显示行业、光电子器件行业、电子产品制造等,对玻璃、塑料等透明基板进行真空镀膜,制备透明导电薄膜,如氧化铟锡(ITO)、氧化锌铝(AZO)等,这种薄膜既具有良好的导电性,又能够保持较高的透光率,可用于制造液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示屏、触摸屏、太阳能电池的透明电极等,实现显示、触控和光电转换等功能。
2. 绝缘及特殊电学性能
①绝缘涂层技术:
在电子元器件制造、集成电路封装、电力行业、新能源汽车充电桩行业等,通过真空镀膜技术在基板、芯片、导电部件等表面镀制绝缘涂层,如二氧化硅(SiO )、氮化硅(Si N )等薄膜,可以有效防止电流泄漏、短路等问题,提高电子元件的绝缘性能和可靠性。例如在集成电路芯片表面镀制绝缘膜,隔离不同导电层之间的电气连接;在电力设备的高压部件表面镀制绝缘涂层,提高设备的绝缘强度和安全性。
②超导薄膜技术:
在超导行业、电子元器件制造、电力行业等,利用真空镀膜技术制备超导薄膜,如钇钡铜氧(YBCO)、铋锶钙铜氧(BSCCO)等高温超导材料薄膜,当温度降低到超导转变温度以下时,这些薄膜的电阻会急剧下降至零,可实现无损耗的电流传导,用于制造超导量子干涉器件(SQUID)、超导磁体、超导输电线路等,提高电子设备和电力系统的性能和效率。
③压电薄膜技术:
在传感器制造、电子元器件制造、汽车电子行业、生物医学工程行业等,通过真空镀膜技术制备压电薄膜,如锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)等,这种薄膜在受到机械压力或电场作用时会产生电荷或形变,可用于制造压力传感器、加速度传感器、声表面波器件、能量收集器等,实现对物理量的检测和转换,以及能量的收集和利用。
④电致变色薄膜技术:
在建筑玻璃行业、汽车玻璃行业、显示行业等,通过真空镀膜技术在玻璃、塑料等基板表面镀制电致变色薄膜,如氧化钨(WO )、氧化铱(IrO )等,这种薄膜在施加电压时会发生可逆的光学吸收变化,从而实现对光线的调制。可用于制造电致变色智能窗、后视镜、显示器等,实现自动调节室内光线、防止眩光、显示信息等功能,提高建筑和汽车的节能效果和使用舒适性。
四、特殊功能型
1. 环境适应
①防结冰薄膜技术:
在航空航天行业、电力行业、交通运输行业等,通过真空镀膜技术在飞机机翼、风力发电机叶片、输电线路、汽车风挡等表面镀制防结冰薄膜,如采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备含氟聚合物薄膜,可以降低表面能,减少冰晶的附着力,同时通过材料的特殊性质抑制冰的生长,防止结冰对设备和交通工具的安全运行造成威胁,减少因结冰导致的停机时间和维护成本。
②防雾薄膜技术:
在光学镜片制造、汽车玻璃行业、医疗器械行业、显示行业等,对眼镜镜片、汽车挡风玻璃、医疗器械的光学窗、显示器屏幕等进行真空镀膜处理,制备防雾薄膜,如采用化学气相沉积(CVD)技术在表面形成亲水性或疏水性的薄膜,能够改变水滴在表面的接触角和铺展行为,防止水汽在表面凝结成雾,保持光学元件的清晰度和透光率,提高使用安全性。例如在眼镜镜片表面镀制防雾膜,即使在温差较大的环境下也能保持视线清晰;在汽车挡风玻璃上应用防雾技术,确保驾驶安全。
③防污垢薄膜技术:
在建筑行业、玻璃行业、光学行业、电子电气行业等,采用真空镀膜技术在玻璃幕墙、光学镜片、电子产品外壳等表面镀制防污垢薄膜,如通过磁控溅射法镀制二氧化钛(TiO )等具有自清洁功能的薄膜,利用其光催化作用或特殊的表面结构,使污垢难以附着在表面,同时能够分解有机污染物,保持表面的清洁和美观,减少清洁维护工作量和成本。
④阻氧薄膜技术:
在食品包装行业、药品包装行业、电子元器件制造等,通过真空镀膜技术在包装材料表面镀制阻氧薄膜,如在塑料薄膜表面镀制一层薄的铝膜或氧化硅(SiO )等无机阻隔层,可以有效阻止氧气透过包装材料,延长食品、药品、电子元件等的保质期和使用寿命,防止氧化变质、受潮失效等问题,保障产品质量和安全性。
⑤防水薄膜技术:
在纺织行业、皮革制品行业、电子电气行业、建筑行业等,对纺织面料、皮革、电子产品外壳、建筑材料等进行真空镀膜处理,制备防水薄膜,如采用化学气相沉积(CVD)技术在表面形成烷基硅烷等疏水性薄膜,能够使水珠在表面形成球状并滚落,防止水分渗透,保持材料的干燥和性能稳定。例如在户外服装、鞋类、背包等纺织品表面镀制防水膜,使其在雨天或潮湿环境中保持干爽舒适;在电子设备外壳上应用防水技术,防止水汽进入内部损坏电路。
2. 智能响应
①光致变色薄膜技术:
在眼镜行业、显示行业、建筑玻璃行业等,通过真空镀膜技术制备光致变色薄膜,如氧化钨(WO )/钼氧化物(MoO )复合薄膜等,这种薄膜在受到光照时会发生颜色变化,可用于制造光致变色眼镜、智能窗、显示器等,实现自动调节透光率和颜色的功能,满足不同光照条件下的使用需求,提高使用的舒适性和便捷性。例如光致变色眼镜在强光环境下自动变暗,遮挡强光;在弱光环境下恢复透明,提供良好的视觉效果。
②热致变色薄膜技术:
在温度指示、智能包装、建筑节能等领域,利用真空镀膜技术制备热致变色薄膜,如液晶材料薄膜、金属氧化物薄膜等,这种薄膜的光学吸收和颜色会随着温度的变化而发生可逆的变化,可用于制造温度指示标签、智能包装材料、热敏智能窗等,实现对温度的可视化监测和自动调节功能。例如在食品包装上应用热致变色薄膜,当食品温度超过安全范围时,包装颜色发生变化,提醒消费者注意食品质量安全;在建筑玻璃上应用热致变色技术,使玻璃在不同温度下自动调节透光率,实现节能效果。
③光记忆薄膜技术:
在数据存储、光学信息处理、防伪等领域,通过真空镀膜技术制备光记忆薄膜,如铁电体薄膜、光致异构化材料薄膜等,这种薄膜能够在光的作用下记录和存储信息,并且在一定条件下可以读取和擦除信息,具有高密度存储、快速读写、非易失性等优点,可用于制造光存储器件、光学防伪标签等,提高信息存储和防伪技术的安全性和可靠性。
④光热磁记录薄膜技术:
在高密度数据存储、信息加密等领域,利用真空镀膜技术制备光热磁记录薄膜,如稀土铁硼(RFB)薄膜、铁氧体薄膜等,这种薄膜在光热磁协同作用下实现信息的记录和读取,具有记录密度高、稳定性好、安全性高等特点,可用于制造先进的数据存储设备和加密存储介质,满足大数据时代对信息存储和安全的高要求。
3. 磁学性能
①磁性薄膜技术:
在电子元器件制造、数据存储、磁性传感器制造等领域,通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)等技术制备磁性薄膜,如铁、钴、镍等软磁金属及其合金薄膜,以及铁氧体薄膜、稀土永磁薄膜等,这些磁性薄膜具有不同的磁学性能,可用于制造磁性存储介质、磁性传感器、磁性随机存取存储器(MRAM)等电子器件,实现数据存储、信号传感、信息处理等功能,推动电子信息产业的发展。
②磁性记录薄膜技术:
在硬盘制造、磁带存储等领域,采用真空镀膜技术在基片表面镀制磁性记录薄膜,如钴铬铂(CoCrPt)、铁氧体薄膜等,通过控制薄膜的磁晶各向异性、矫顽力等磁学性能,实现高密度、高稳定性的磁性数据记录,提高存储设备的存储容量和读写速度,满足日益增长的数据存储需求。
五、表面处理技术类
1. 表面处理工艺
①等离子清洗技术:
在电子元器件制造、半导体制造、光学行业、医疗器械行业等,通过真空等离子清洗技术对材料表面进行处理,能够去除表面的油污、灰尘、氧化层等杂质,提高表面的清洁度和活性,改善材料的附着力、润湿性等表面性能。例如在芯片制造中,对硅片表面进行等离子清洗,去除表面的有机污染物和微小颗粒,提高光刻胶的涂覆质量和光刻精度;在医疗器械制造中,对植入物表面进行等离子清洗,增加表面的生物相容性和细胞附着能力。
②等离子刻蚀技术:
在半导体制造、微电子机械系统(MEMS)行业、光电子器件行业等,利用真空等离子刻蚀技术对材料表面进行微纳尺度的图形加工,通过控制等离子体的化学反应和物理轰击作用,去除材料表面特定区域的物质,实现高精度的图案转移和微结构制造。例如在芯片制造中,采用等离子刻蚀技术刻蚀出微米级的晶体管沟道、通孔等结构;在MEMS制造中,刻蚀出悬臂梁、齿轮等微机械结构,满足微纳器件的复杂结构需求。
③离子氮化技术:
在机械制造、模具制造、汽车零部件制造等,对金属材料进行真空离子氮化处理,使氮离子在金属表面形成一层氮化层,提高材料的硬度、耐磨性、耐疲劳性和抗腐蚀性。与传统的气体氮化相比,真空离子氮化具有处理温度低、变形小、环保无污染等优点,可用于处理各种形状复杂的零件,如模具、齿轮、曲轴等,延长零件的使用寿命,提高生产效率和产品质量。
2. 其他处理
①真空渗碳技术:
在机械制造、汽车零部件制造、模具制造等行业,对钢铁材料进行真空渗碳处理,能够在材料表面形成一层高碳浓度的渗碳层,提高材料的硬度、耐磨性和疲劳强度。与传统渗碳工艺相比,真空渗碳具有渗碳速度快、渗层均匀、变形小、环保等优点,可用于制造高精度、高性能的机械零件和模具,满足航空航天、汽车、机械等领域对材料性能的严格要求。
②真空消泡技术:
在电子元器件制造、化工、食品、制药等行业,通过真空消泡技术去除液体中的气泡,如在电子封装胶、化工原料、食品溶液、药液等中应用真空消泡,确保产品的性能和质量。例如在集成电路封装中,去除封装胶中的气泡,提高封装的可靠性和稳定性;在食品加工中,去除饮料、酱料等中的气泡,改善产品的外观和口感。
③真空干燥技术:
在食品行业、制药行业、化工、电子电气行业等,对食品、药品、化工原料、电子元件等进行真空干燥处理,能够快速去除物料中的水分和溶剂,提高产品的干燥效率和质量。与常规干燥方法相比,真空干燥具有干燥温度低、干燥速度快、产品品质好等优点,可用于热敏性物料的干燥,如食品中的活性成分、药品中的生物制剂等,保持其活性和稳定性。
④真空封装技术:
在食品包装、药品包装、电子元器件制造、量子计算行业等,通过真空封装技术将产品封装在真空或惰性气体环境中,防止产品受到外界环境的氧化、腐蚀、污染等影响,延长产品的保质期和使用寿命。例如在食品包装中,采用真空封装去除包装内的空气,抑制微生物生长,保持食品的新鲜度和口感;在量子计算领域,对量子芯片进行真空封装,隔绝外界环境的干扰,确保量子计算的稳定性和可靠性。
⑤真空密封技术:
在航空航天、汽车制造、机械制造、电力行业等,对设备的腔体、管道、接头等部位进行真空密封处理,确保设备在运行过程中的气密性和液密性。通过采用特殊的真空密封材料和工艺,如真空焊接、真空胶封等,防止气体或液体泄漏,保证设备的正常运行和安全性。例如在航空航天发动机的燃烧室、汽车的制动系统、机械的液压系统、电力设备的变压器等中应用真空密封技术,提高设备的可靠性和性能。
⑥真空退火技术:
在金属加工、半导体制造、电子元器件制造等,对金属材料、半导体材料、陶瓷材料等进行真空退火处理,能够在无氧、无杂质的环境下消除材料的内应力、改善晶体结构、提高材料的韧性和延展性。例如在金属加工中,对冷轧钢板进行真空退火,消除加工硬化,恢复材料的塑性;在半导体制造中,对硅片进行真空退火,消除晶格缺陷,提高硅片的电学性能。
⑦真空回火技术:
在机械制造、模具制造、工具制造等行业,对经过淬火处理的金属零件进行真空回火处理,能够在降低硬度的同时提高材料的韧性、消除内应力,改善材料的综合机械性能。与常规回火相比,真空回火具有无氧化、无脱碳、表面质量好等优点,可用于处理高精度、高性能的金属零件,如模具、刀具、轴承等,延长零件的使用寿命。
⑧真空淬火技术:
在机械制造、模具制造、工具制造等行业,对金属材料进行真空淬火处理,通过快速冷却使材料获得马氏体组织,提高材料的硬度和强度。真空淬火能够在无氧化、无脱碳的环境下进行,使零件表面光洁度高、变形小,适用于处理形状复杂、精度要求高的零件,如模具、齿轮、轴类零件等,提高零件的使用性能和可靠性。
0人