第三章 功能薄膜材料应用

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1、陶瓷薄膜功能材料薄膜材料的定义当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时薄膜固体薄膜液体薄膜厚膜(>1u)薄膜(<1u)纳米薄膜本课程关注的仅是沉积在固体表面上的固态陶瓷薄膜薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛，制备薄膜材料的技术发展也十分迅速。制膜的方法----分为物理和化学两大类具体方式上，又分干法，湿法和喷涂，而每种方式又可分为多种方法。薄膜材料的分类（按材质分）1.金属薄膜材料（结构性，功能性）2.无机、陶瓷薄膜材料（结构性，功能性）3.有机、聚合物薄膜材料4.半导体薄膜材料薄膜材料的分类（按功能分）力功能薄膜材料(超硬薄膜材料超润

2、滑薄膜材料)磁功能薄膜材料(高透磁率薄膜材料巨磁阻薄膜材料)光功能薄膜材料(红外反射薄膜材料隐身薄膜材料)电功能薄膜材料(超导薄膜材料)薄膜材料的应用一、表面改性二、耐磨及表面防护涂层三、能量变换薄膜与器件四、传感器五、集成光学器件六、磁记录薄膜和光存储薄膜一、表面改性1、表面改性的定义就是在保护块状材料固有特性的优点基上，仅对表面进行加工处理使其产生新的物理、化学特性以及所需要的功能的各种方法，统称表面改性。表面改性不仅可以提高经济效益，而且对于节省资源、能源、开发材料新功能，提高可靠性，实现轻薄短小化等都具有十分重要的意义。2、表面改性的手段（1

3、）表面处理技术（形成表面改性层）通过物理的或化学的手段，在物质表面层中引入反应成分，形成混合相或合成相，从而产生新的功能和材料特性。（2）膜沉积技术（形成复合多层膜）在基体材料表面析出或沉积有别于基体材料的膜层，从而显示新的功能和材料特性。3、用于表面改性的主要方法3.1用于表面改性的处理技术离子注入、等离子体表面处理、激光表面处理3.2利于薄膜沉积的技术PVD法、CVD法二、耐磨及表面防护涂层1、硬质涂层主要用途：各种切削刀具、模具、工具和摩擦零件，比如TiN和TiC涂层。主要组成：基底（合金）+涂层（陶瓷）主要制备方法：CVD和PVD（蒸发、溅射

4、、离子镀）切削刀具、模具以TiN镀层对各种刀具为例(1)齿轮切削刀具，主要是滚齿刀和插齿刀据统计，国外汽车制造业所用的滚刀至少有30%-40%是已镀TiN膜的。Barber-Colman公司使用Balzers的活性反应离子镀装置，滚刀寿命8：1或10：1。Fellows举例：生产70个齿的汽车内啮合齿轮，用斜插齿刀每磨刃一次，可生产300件，磨损量为0.254mm;没有镀的齿刀每磨刃一次生产75件,磨损量为0.925mmFellows举例：生产20齿的卡车变速齿轮，TiN镀层刀具每把可生产5600个齿轮，未镀的只生产700个。近几年内，TiN镀层刀具

5、至少将占齿轮加工刀具市场的70%（2）钻头①首先应考虑的因素是被加工材料的特殊性，Guhring公司利用德国制作的麻花钻头，进行TiN镀层处理，结果表明镀膜钻头钻孔数目的平均增加范围从142%到923%，前者是普通钢、低合金钢；后者是不锈钢、耐热钢。②可以提高机床的效率。使用镀膜刀具可以允许使用更高的切削用量和更大尺寸的刃具，同规格刀具相比，镀膜的生产效率可提高40%以上。③钻头经重磨也保留着许多好处。像齿轮加工刀具一样，镀膜钻头在用传统方法对其刀头重磨后，仍保留有大部分最初获得的好处。④在某些合适的切削参数下效果更显著。VermontTop&Die

6、公司提供的刀具寿命与切速的关系表明，钻头使用的切速越高，它与标准刀具相比就显得越优越。举例：用的普通钻头，对硬度为HRC=32的4340钢进行切削时，中等切削速度17.1m/min时，TiN镀膜打孔数量增加228%；提高到28.3m/min,未镀的钻头不能用了,加工能力下降了86%,TiN镀膜与中等速度时一样。提高到46m/min，未镀已完全不能使用，而镀膜则经受住了进一步的考验。（3）其他刀具包括端铣刀、丝锥、拉刀等。DOALL公司的端铣刀，在一定的主刀磨损标准下，在切削速度为22.2m/min时，镀的切削长度是未镀的2.6倍,而当提高到31.3m

7、/min时,这一比例增加9:1.2、热防护涂层喷气发动机的叶片（Ni，Co，Fe）CrAlY+氧化锆涡轮发动机，200μmZrO2,100℃等离子喷涂，使用温度1300℃凸轮轴气缸气门350℃600℃～800℃高温高压发动机驱动零部件的工作环境极其恶劣高温高压频繁冲击对零部件的表面特性提出了极高的要求在发动机中的运用3、防腐涂层优点：耐腐蚀性好、耐磨性好、耐热性好种类：氧化锆、氧化铝、氧化铬制备方法：热喷涂三、能量变换薄膜与器件一次能量经过各种现象、效应、作用、反应等，变为二次能量的形式。机械、热、电、磁、光、放射线、化学太阳能利用最普遍的形式是太阳

8、能热水器和太阳能电池。主要种类1、光电变换薄膜材料2、光热变换薄膜材料3、热电变换薄膜材料4、热电子发身薄膜