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细长管筒内壁自阳极磁控溅射电场反转离子加速新方法及高结合力膜层沉积研究

批准号:
12075071
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
田修波
依托单位:
学科分类:
低温等离子体
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
田修波

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
细长管道内壁物理气相沉积一直是真空镀膜行业的痛点。其核心问题是管壁自身作为阳极磁控放电、管壁无法施加偏压,使得膜基界面和镀膜过程缺乏离子轰击,结果膜基结合力太差、膜层结构疏松。能否不用偏压也获得离子轰击效应呢?结合美国贝尼特实验室身管磁控镀膜存在的问题,本课题提出了一种磁控电场反转离子加速等效偏压轰击的新方法,即在原有二极(靶为阴极、管壁为阳极)磁控溅射放电的基础上,引入可控高功率磁控脉冲放电解决高密度等离子体产生,随后电场立即反转、对等离子体中的离子进行加速,进而获得管壁膜层的离子轰击效应,实现了等效偏压。因此本项研究包括:新型电源电路结构设计、管壁自阳极高脉冲磁控溅射、电场反转离子加速规律等等。最终希望在近距离高功率脉冲放电规律和机制研究中有所突破,获得一种具有自主知识产权的内壁镀膜新技术,解决管内镀膜一直没有解决的结合力太低的瓶颈问题,进而推动等离子体镀膜技术和管道应用技术的发展。
英文摘要
Physical vapor deposition (PVD) on the inner wall of slender pipes has always been a pain point in the vacuum coating industry. Its core problem is that the tube wall itself acts as the anode for magnetron sputtering, which makes a bias not be applied on the wall and ion bombardment to the interface and films impossible, consequently the adhesion between the film and substrate is too weak and microstructure of deposited films is less dense. Can we also get the ion bombardment effect without bias? Combined with the problems existing in the magnetron sputtering of tube in The Bennet laboratory in the United States, we propose a new method of ion acceleration and bombardment with equivalent bias based on electric-field inverting of magnetron system. That is, on the basis of the original bipolar (target cathode, tube wall as anode) magnetron sputtering discharge, controlled pulsed high-power magnetron discharge is imposed to produce high-density plasma, and then the electric field immediately reverses to accelerate the ions in the plasmas, and ion bombardment of deposited film is achieved as an equivalent bias does. Therefore, this study includes: design of new power circuit structure, pulsed high power magnetron sputtering with small distance between the cathode and anode, ion acceleration by inverting of electric field and so on. Finally, we hope to make a breakthrough in the study of the law and mechanism of high-power pulse discharge with small gaps, and achieve a new technology with independent intellectual property. This will solve the bottleneck that the adhesion between the film and substrate is too low and promote the development of plasma coating technology and pipeline application technology.
针对在管道镀膜中,管筒内部无法放入地电极,引起无法施加负偏压获得离子轰击效应,最终导致膜层结构疏松,膜基结合力太差的问题。本项目提出了一种磁控过程中的电场反转进行离子加速来轰击膜层的新方法。即在原有二极(靶为阴极、管壁为阳极)磁控溅射放电的基础上,引入可控高功率磁控脉冲放电解决高密度等离子体产生,随后电场立即反转、对等离子体中的离子进行加速,进而获得管壁膜层的离子轰击效应,实现了等效偏压。.本课题的研究包括:新型电源电路结构设计、管壁自阳极高脉冲磁控溅射、电场反转离子加速规律等。在近距离高功率脉冲放电规律和机制研究中有所突破,获得一种具有自主知识产权的内壁镀膜新技术,解决管内镀膜一直没有解决的结合力太低的瓶颈问题。项目资助发表文章 22 篇,其中 SCI 论文 15篇,EI 论文 4 篇,中文核心期刊论文 3 篇。发明专利 26 项。举办 2024 大湾区高能脉冲 PVD 高峰论坛 1 次,参数人数250多人。大会报告及邀请报告 13 次。毕业博硕士8人。.在本项目的研究过程中,通过开发新型双极性高功率脉冲电源和超细柱状磁控溅射靶,实现了在二级放电环境下的等离子体能量较宽范围调控,同时设计了分段式等离子体清洗-沉积装置,进一步解决管内等离子体清洗过程中管-柱靶互相污染的问题,从而保证膜基界面质量。在40mm内径管内壁制备了TiN和Cr涂层制备,研究了气流量、延长管长度、偏压、沉积温度及工作气压对涂层组织结构、沉积速率和力学性能的影响规律。结果表明,双极性高功率脉冲磁控溅射过程中正脉冲可有效利用负脉冲放电所产生的高密度等离子体尾辉,推动离子向管壁方向移动,实现沉积粒子能量调控。当延长管长度达到60mm以上时,管内涂层的轴向均匀性得到明显改善,可以得到颜色均匀,组织结构与性能波动较小的涂层。通过对等离子体能量调控,可制备出沉积速率大于5μm/h,硬度达到20GPa,结合力超过80N的Cr涂层,且表现出良好的耐蚀和抗高温氧化性能。.通过我们提出的细长管筒内壁自阳极磁控溅射电场反转离子加速及高结合力膜层沉积新方法,实现了管内壁便捷、高效、高均匀、强结合的涂层制备,有助于推动等离子体镀膜技术和管道应用技术发展。
细长钢管内壁长寿命耐高温硬质涂层溅射沉积方法研究
  • 批准号:
    U2241233
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    259.00万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    田修波
  • 依托单位:
含碳气体超高电流脉冲碳弧增强辉光放电及DLC薄膜高速沉积研究
  • 批准号:
    11875119
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    田修波
  • 依托单位:
大面积工件自源自偏压空心阴极放电及用于高硬超厚DLC薄膜沉积研究
  • 批准号:
    11675047
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    78.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    田修波
  • 依托单位:
高离化率磁控溅射新方法及薄膜制备和形成机理研究
  • 批准号:
    U1330110
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    88.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    田修波
  • 依托单位:
国内基金
海外基金