物理氣相沉積( PVD )指的是利用某種物理的過程,如物質的熱蒸發(fā)或在受到粒子束轟擊時物質表面原子的濺射等現象,實現物質從源物質到薄膜的可控的原子轉移過程。

　　PVD技術出現于二十世紀七十年代末,制備的薄膜具有高硬度、低摩擦系數、很好的耐磨性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點。最初在高速鋼刀具領域的成功應用引起了世界各國制造業(yè)的高度重視，人們在開發(fā)高性能、高可靠性涂層設備的同時,也在硬質合金、陶瓷類刀具中進行了更加深入的涂層應用研究。

　　PVD技術的特點

　　相對于氣相沉積(CVD)來說, PVD有如下特點:

　　1、需要使用固態(tài)的或者熔化態(tài)的物質作為沉積過程的源物;

　　2、源物質要經過物理過程進入氣相;

　　3、需要相對較低的氣體壓力環(huán)境;

　　4、在氣相中及襯底表面并不發(fā)生化學反應。

　　PVD技術的優(yōu)點及缺點

　　優(yōu)點:

　　1、沉積溫度低，一般在600°C以下,對刀具材料的抗彎強度影響很小;

　　2、涂層內部的應力狀態(tài)是壓應力，更適應于硬質合金精密復雜刀具的涂層;

　　3、對環(huán)境不造成污染,符合目前綠工藝、綠色制造的發(fā)展動向;

　　4、隨著納米涂層的出現，涂層刀具質量顯著提高,不僅具有結合強度高、硬度高和抗氧化性能好等優(yōu)點，還能有效地控制精密刀具刃口形狀及精度。

　　缺點:

　　1、涂層設備復雜、工藝要求高、涂層時間長,使得刀具的成本增加;

　　2、生產的刀具抗沖擊性能、硬度和均勻性比技術生產的刀具差,使用壽命也比技術生產的刀具短;

　　3、涂層的產品幾何形狀單一，使用領域受限;

　　4、易產生內應力和微裂紋,原因是涂層與基體在冷卻時收縮率不同。

　　PVD技術分類

　　按照沉積時物理機制的差別,物理氣相沉積一般分為真空蒸發(fā)鍍膜技術、真空濺射鍍膜、離子鍍膜和分子束外延等。近年來，薄膜技術和薄膜材料的發(fā)展突飛猛進，成果顯著，在原有基礎上，相繼出現了離子束增強沉積技術、電火花沉積技術、電子束物理氣相沉積技術和多層噴射沉積技術等。

　　1、離子束增強沉積技術(IBED) .

　　離子束增強沉積技術是一種將離子注入與薄膜沉積融為一體的材料表面改性新技術。它是指在氣相沉積鍍膜的同時,采用一定能量的離子束進行轟擊混合，從而形成單質或化合物膜層。它除了保留離子注入的優(yōu)點外,還可在較低的轟擊能量下連續(xù)生長任意厚度的膜層,并能在室溫或近室溫下合成具有理想化學配比的化合物膜層(包括常溫常壓無法獲得的新型膜層)。該技術具有工藝溫度低(< 200°C) ,對所有襯底結合力強,可在室溫得到高溫相、亞穩(wěn)相及非晶態(tài)合金，化學組成便于控制，方便控制生長過程等優(yōu)點。主要缺點是離子束具有直射性，因此處理形狀復雜的表面比較困難。

　　2、電火花沉積技術(ESD)

　　電火花沉積技術是將電源存儲的高能量電能,在金屬電極(陽極)與金屬母材(陰極)間瞬時高頻釋放,通過電極材料與母材間的空氣電離,形成通道,使母材表面產生瞬時高溫、高壓微區(qū)。同時離子態(tài)的電極材料在微電場的作用下融滲到母材基體,形成冶金結合。電火花沉積工藝是介于焊接與噴濺或元素滲入之間的工藝,經過電火花沉積技術處理的金屬沉積層具有較高硬度及較好的耐高溫性、耐腐蝕性和耐磨性，而且設備簡單、用途廣泛、沉積層與基體的結合非常牢固，一般不會發(fā)生脫落,處理后工件不會退火或變形, 沉積層厚度容易控制，操作方法容易掌握。主要缺點是缺少理論支持,操作尚未實現機械化和自動化。

　　3、電子束物理氣相沉積技術(EB-PVD)

　　電子束物理氣相沉積技術是以高能密度的電子束直接加熱蒸發(fā)材料,蒸發(fā)材料在較低溫度下沉積在基體表面的技術。該技術具有沉積速率高(10kg/h~ 15kg/h的蒸發(fā)速率)、涂層致密、化學成分易于精確控制、可得到柱狀晶組織、無污染以及熱效率高等優(yōu)點。該技術的缺點是設備昂貴,加工成本高。目前，該技術已經成為各國研究的熱點。

　　4、多層噴射沉積技術(MLSD)

　　與傳統(tǒng)的噴射沉積技術相比,多層噴射沉積的一個重要特點是可調節(jié)接收器系統(tǒng)和坩堝系統(tǒng)的運動,使沉積過程為勻速且軌跡不重復,從而得到平整的沉積表面。其主要特點是:沉積過程中的冷卻速度比傳統(tǒng)噴射沉積要高,冷卻效果較好;可制備大尺寸工件，且冷卻速度不受影響;工藝操作簡單，易于制備尺寸精度較高、表面均勻平整的工件;液滴沉積率高;材料顯微組織均勻細小,無明顯界面反應，材料性能較好。但是該技術還處于研究、開發(fā)和完善階段,因此對其沉積到工件表面的軌跡的規(guī)律性研究還缺少理論依據。

　　PVD技術的應用

　　1、在刀具、模具中的應用最早應用于模具和刀具中。通過沉積TiC鍍層，可以有效延長模具的壽

　　命;在高速鋼刀具中沉積鍍膜，可提高刀具的抗磨損性、抗粘屑性和刀具的切削速度，同時經鍍膜的刀具還具有高硬度、高化學穩(wěn)定性、高韌性、低摩擦系數等特點。

　　2、在建筑裝飾中的應用

　　因物理氣相沉積技術具有沉積過程易于操作，膜層的成分易于控制,不存在廢水、廢氣、廢渣的污染等特點，目前,這一技術在建筑裝飾中得到廣泛應用。

　　3、在特殊薄膜材料制備中的應用

　　霧化沉積技術可以顯著地擴大合金元素固溶度,獲得細小均勻的等軸晶組織,減小合金元素的宏觀偏析,增加第二相的體積分數,細化第二相粒子，從而避免了傳統(tǒng)冶金工藝中由于冷卻速度低而導致的化學成分宏觀偏析以及組織粗大等諸多弊端,可實現大尺寸快速凝固材料的一次成型,目前多應用于顆粒增強金屬基復合材料的制備,如用霧化沉積技術制備MMCs等。另外,利用脈沖激光弧沉積技術制備類金剛石薄膜的方法國內已經開展了研究。

　　4、在電學及醫(yī)學等領域里的應用

　　具有鐵電性且厚度尺寸在數十納米到數微米的鐵電薄膜具有良好的介電、電光、聲光、光折變、非線性光學和壓電性能,主要被應用于隨機存儲器、電容器、紅外探測器等領域，其制備方法主要有濺射法、脈沖激光沉積法等。羥基磷灰石(HA)屬于磷酸鹽無機非金屬材料，它的化學成分和晶體結構與脊椎動物的骨及牙齒的礦物成分非常相近，且與生物組織有良好的相容性，目前在種植牙和人工骨等方面有著廣泛的應用,羥基磷灰石薄膜同樣可以采用物理氣相沉積技術制備。

　　5、在耐腐蝕涂層中的應用

　　通過PVD技術使腐蝕介質很難穿透涂層到達基底，使腐蝕介質與基底材料有效隔絕,達到抗腐蝕保護基底的目的。