纳米材料导论纳米薄膜材料PVD

PVD 法制备(Ti,Al)N 薄膜及其性能表征冷长志摘要：在PVD 阴极电弧系统中，本文镀膜条件分别采用基片偏压为100V 和电弧电流偏压为70a，在氮气压力为1、1.5 和2Pa的条件下，涂膜时间设定为1.30h。

结果表明，不同氮气压下沉积的薄膜的相结构、薄膜厚度和附着力没有显著差异。

然而，显微照片显示，用1.5Pa 的反应气体制备的薄膜比在另外两种压力下制备的薄膜表面光滑，液滴较少。

关键词：PVD 法；(Ti,Al)N 薄膜；性能表征1. PVD 法在(Ti,Al)N 制备中的应用物理气相沉积(PVD)耐磨涂层在金属切削和金属板材成形等领域得到了广泛的应用。

根据沉积参数，如偏置电压、氮气压力、电弧电流和温度，可以预期涂层性能的范围很广。

PVD 涂层含有较高的残余应力，可以有利于提高耐磨性和硬度，但另一方面可能降低附着力，需要更好地了解工艺参数对残余应力形成的重要性及其与涂层分层的关系[1-2]。

2. (Ti,Al)N 薄膜制备(Ti,Al)N 是一种表面改性材料，用于各种工程应用，如刀具和模具。

在物理气相沉积(PVD)涂层技术中，阴极电弧技术是一种附着力好、粒子能量高、等离子体密度很高的涂层技术，在耐磨涂层工艺中起着重要作用。

有研究学者研究了铝含量对Ti1-x Al x N 薄膜性能的影响。

结果表明，随着铝含量从0 增加到0.6，薄膜硬度从2000 提高到3200HV。

当铝含量大于0.7 时，硬度急剧下降。

结果表明，N2气体压力越高，(Ti,Al)N 的硬度越高。

以50at%Ti和50at%Al 为靶材，在不同N2压力下制备(Ti,Al)N 薄膜，并对薄膜的性能和形貌进行了研究。

3.实验流程3.1 基础实验以及形貌表征在本文的实验过程中，商用SKD11 改性冷作工具钢。

材料的平均硬度约为60HRC。

然后将样品切割成直径为32mm、厚度为5mm 的薄膜作为涂层基体。

在涂布前，用砂纸和金刚石粉对基体进行抛光。

纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法多种多样，具体选择的方法取决于所需纳米材料的性质、应用需求以及实验条件等因素。

以下是几种常见的纳米材料制备方法：1.化学合成法：-溶液法：将适当的化学物质在溶剂中混合反应，控制反应条件如温度、pH值等，通过溶液中原子、离子或分子的自组装形成纳米结构。

常见的溶液法包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、沉积法等。

-气相沉积法：将气态前驱物质通过化学反应沉积到基底表面，形成纳米结构。

气相沉积法包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等。

2.物理方法：-机械球磨法：通过机械力的作用使粉末颗粒在球磨罐中产生碰撞和摩擦，从而实现颗粒的细化和形态的改变，制备纳米颗粒或纳米结构。

-溅射法：利用高能粒子轰击靶材表面，使靶材表面原子或分子脱落并沉积到基底表面，形成纳米薄膜或纳米结构。

3.生物合成法：-利用生物体内的生物合成过程，通过调控生物体的生理条件或添加适当的试剂，使生物体产生纳米材料。

常见的生物合成法包括植物合成、微生物合成等。

4.模板法：-利用模板的空间排列结构和特定的化学性质，将原料物质定向沉积或填充到模板孔道中，通过模板的模板效应制备纳米结构。

常见的模板法包括硅模板法、自组装模板法等。

5.激光法：-利用激光束对物质进行光照，控制激光的能量和焦点位置，使材料在局部区域发生化学或物理变化，形成纳米结构。

常见的激光法包括激光烧蚀、激光诱导化学气相沉积等。

这些制备方法各有特点，可以根据纳米材料的具体要求选择适合的方法进行制备。

同时，纳米材料的制备过程中需要注意控制反应条件、纯度和结构等关键因素，以确保制备得到高质量的纳米材料。

金属材料中的纳米技术应用教程引言：纳米技术是指在纳米尺度（1纳米等于十亿分之一米）上进行材料制备、加工和操作的科学和技术领域。

在金属材料中，纳米技术的应用可以显著改变其特性和性能，对于提高材料的强度、硬度、导电性等方面具有重要作用。

本篇文章将重点介绍金属材料中的纳米技术应用，包括纳米材料制备方法、纳米颗粒增强金属材料、纳米涂层技术等方面的内容。

1. 纳米材料制备方法1.1 气相沉积法气相沉积法是一种常用的纳米材料制备方法，其中化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）是两种常见的技术路线。

CVD通过在高温下使金属原子气体发生化学反应，将其沉积在基底表面形成纳米结构。

PVD则是通过蒸发或溅射技术将金属原子蒸发或溅射到基底上，形成纳米颗粒或纳米薄膜。

1.2 溶液法溶液法包括溶胶-凝胶法、电化学沉积法等。

溶胶-凝胶法是一种将溶胶通过溶剂的蒸发和凝胶反应形成固态纳米颗粒的方法。

电化学沉积法是利用电化学反应在电极表面上生成纳米结构的方法。

1.3 机械法机械法包括球磨法、挤压法等。

球磨法通过高能球磨机将金属粉末与球磨介质一起磨细，形成纳米颗粒。

挤压法则是将金属坯料通过特定的挤压装置施加高压，使其显微结构发生变化，形成纳米结构。

1.4 其他方法除了上述方法，还有电弧放电、激光烧结、化学还原法等各种纳米制备方法，具体的选择和应用取决于所需纳米材料的性质和用途。

2. 纳米颗粒增强金属材料2.1 纳米颗粒强化纳米颗粒强化是将纳米颗粒加入金属矩阵中，通过强化效应来提高材料的力学性能。

纳米颗粒可以通过溶液法、气相沉积法等方法制备，并与金属相互作用形成强化效应。

由于纳米颗粒的尺寸小，具有大比表面积和较高的位错密度，可以引导位错运动，增加材料的强度和硬度。

2.2 纳米晶材料纳米晶材料是指具有纳米级晶粒尺寸的单晶或多晶材料。

通过纳米材料制备方法，可以得到具有高密度位错和快速原子扩散的纳米晶材料。

纳米晶材料具有高强度、高硬度、较强形变能力等特点，广泛用于航空航天、汽车、电子等领域。

气相沉积法制备纳米材料气相沉积法主要包括化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）和物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition，PVD）两种类型。

其中，CVD主要利用化学反应来产生纳米材料，而PVD主要利用物理方式，如蒸发和溅射等，将材料直接沉积在基底上。

气相沉积法具有以下特点：1.高纯度制备。

气相沉积法在高真空条件下进行，可以避免杂质的污染，从而得到高纯度的纳米材料。

2.可控性好。

通过控制反应温度、气体流量、反应时间等参数，可以精确控制纳米材料的成分、尺寸、形貌等，实现所需功能。

3.薄膜均匀性好。

气相沉积法通过在基底上均匀沉积材料，可以得到均一的纳米材料薄膜，其性能也相对一致。

4.生长速度快。

气相沉积法可以在较短的时间内生长大量纳米材料，提高制备效率。

气相沉积法在制备纳米材料方面有广泛的应用。

例如，在纳米纤维制备中，可以利用电纺丝技术制备纳米纤维薄膜。

电纺丝技术中，通过电场作用将高分子溶液快速拉伸成纳米级细纤维，然后经过气相沉积法，将纳米颗粒或纳米结构材料沉积到纳米纤维上，从而得到具有特殊功能的纳米复合材料。

此外，气相沉积法还可以制备纳米粉体。

利用热化学反应，在气相中将金属盐溶液或金属有机化合物热解分解，生成纳米金属颗粒。

这些纳米金属颗粒可以用于催化剂、传感器、磁性材料等领域。

总的来说，气相沉积法是一种重要的纳米材料制备方法，具有制备纳米材料纯度高、生长速度快、可控性好等优点。

随着科技的发展，气相沉积法在纳米材料领域的应用将会更加广泛。

大面积纳米级薄膜成膜技术方案
大面积纳米级薄膜成膜技术方案可以采用物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）技术或化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）技术。

1. 物理气相沉积（PVD）：PVD技术是通过在真空环境下将材料以固体的形式蒸发或溅射，形成纳米级薄膜。

典型的PVD技术包括磁控溅射、电子束蒸发和激光脉冲沉积。

这些技术在大面积成膜方面具有较高的可扩展性和成膜速度，并且不需要复杂的化学反应。

2. 化学气相沉积（CVD）：CVD技术是通过在适当气氛中将材料的前驱体分解反应生成纳米级薄膜。

常见的CVD技术包括热CVD、低压CVD和气相原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）。

这些技术在大面积成膜方面具有较好的可控性和均匀性，适用于复杂多层结构的制备。

以上两种技术可以根据不同的薄膜材料和应用需求选择合适的工艺参数和设备配置。

同时，为了实现大面积成膜，可以使用旋涂、喷雾、滚涂等辅助技术结合PVD或CVD技术，实现连续、均匀的薄膜沉积。

同时，合适的基底处理和薄膜后处理技术也是确保大面积纳米级薄膜质量的重要环节。

高性能纳米薄膜的制备与表征技术研究引言高性能纳米薄膜的制备与表征技术是当前材料科学领域的重要研究方向之一。

纳米薄膜的制备技术已经在许多领域得到广泛应用，例如光电子学、催化剂、生物传感器等。

本文将介绍一些常见的高性能纳米薄膜制备与表征技术，并探讨其在不同领域的应用前景。

纳米薄膜的制备技术1. 物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition, PVD）PVD是一种常见的纳米薄膜制备技术，主要包括激发源、蒸发源和沉积源三个部分。

其中，常用的激发源有弧光、电子束和离子束等，通过激发源加热蒸发源，使其产生蒸汽，在沉积源上形成纳米薄膜。

2. 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）CVD是另一种广泛使用的纳米薄膜制备技术，通过气相化学反应在基底表面形成纳米薄膜。

CVD又可分为热CVD和等离子体增强CVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）两种，前者主要通过加热反应气体，在基底表面形成纳米薄膜，后者通过气体的等离子体化，在基底表面形成纳米薄膜。

纳米薄膜的表征技术1. 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）SEM是一种常见的表征纳米薄膜形貌的技术。

其原理是利用电子束与样品表面相互作用，通过表面反射电子的信号来获得样品表面的形貌信息。

SEM可以提供高分辨率的表面成像，并能够观察纳米薄膜的表面形貌、颗粒尺寸和分布。

2. 原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）AFM是一种用于表征纳米薄膜表面形貌和力学性质的技术。

其原理是在探针与样品之间施加微小的力，通过测量反馈的力来获得样品表面的拓扑图像。

AFM可以提供亚纳米级别的表面拓扑图像，同时还可以测量样品的力学性质，如硬度、弹性模量等。

纳米薄膜的应用前景1. 光电子学由于纳米薄膜具有较好的导电性和透明性，因此在光电子学领域具有广泛的应用前景。

材料科学1、纳米材料导论（选修课）绪论0.1纳米科技的兴起1959年，美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授(R．P．Feynman)曾指出：“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹?”今天，这个美好的愿望已经开始走向现实。

目前，人类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体，创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特性能。

这就是面向21世纪的纳米科学技术。

0．2纳米材料的研究历史人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。

宏观是指研究的对象尺寸很大，并且下限有限，上限无限(肉眼可见的是最小宏观，而上限是天体、星系)。

到目前为止，人类对宏观物质结构及运动规律已经有相当的了解，一些学科领域都已建立，如力学、地球物理学、天体物理学、空间科学等。

微观指原子、分子，以及原子内部的原子核和电子，微观有上限而无法定义下限。

19世纪末到20世纪初，人类对微观世界的认识已延伸到一定层次，时间上达到纳秒、皮秒和飞秒数量级。

建立了相应的理论，例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。

相对而言，在原子、分子与宏观物质的中间领域，人类的认识还相当肤浅，被誉为有待开拓的“处女地”。

近20年以来，人类已经发现，在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质，也不同于微观体系的奇异现象。

下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。

1 000年以前。

当时，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料。

中国古代的铜镜表面防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜，遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。

1861年，随着胶体化学(colloidchemistry)的建立，科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。

但限于当时的科学技术水平，化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。

PVD工艺培训MEMS PVD工艺薄膜制备工艺与设备◆薄膜制备概述◆PVD原理与工艺◆现有设备介绍薄膜制备概述01PVD 原理与工艺02现有设备介绍03主要内容PVD 工艺培训发展历程二次大战期间，德国为了适应当时战争的需求，在镜片和反光镜上镀制铝膜，真空蒸发镀膜开始进入实际应用。

20世纪80年代以来，以真空技术为基础利用物理化学方法等方面，并且吸收了等离子体、电子束、分子束、离子束等系列新技术，把原始单一的真空镀膜技术发展到包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜、化学气相沉积、分子束外延、离子束流沉积以及薄膜厚度的测量和监控，薄膜的结构、形态、成分、特性等诸多技术在内，被称为“薄膜科学与技术”的新学科领域。

目前，随着高新技术的发展，作为新技术革命的光导、能源、材料和信息科学等领域所要求的具有特殊形态材料的薄膜，已经成为光学、微电子、传感器、信息、能源等一系列先进技术的基础，并已广泛渗透到当代科学技术的各个领域中，而且，开发和应用这些具有特殊用途的薄膜材料本身就是高新技术的重要组成部分。

薄膜应用20世纪60年代，随着高真空、超高真空技术的发展，真空镀膜进入高速发展时期，各种功能薄膜的应用已经扩展到工业生产各个领域，归纳起来，主要有以下几个方面：●电子工业用薄膜●光学工业用薄膜●机械、化工、石油等工业用薄膜●民用与食品工业用薄膜薄膜应用●电子工业用薄膜半导体电子元件中的电极、绝缘层等方面，传感器中的压电材料等方面，太阳能电池中的薄膜材料等诸多方面的应用。

●光学工业用薄膜照相机、望远镜、放映机等光学设备需要的减反射膜、反射膜，分光镜与滤光片的薄膜涂层，照明光源中的冷光镜膜，集成光学元件中的半导体膜等方面的应用。

●机械、化工、石油等工业用薄膜刀具、模具上的硬质薄膜，化学容器表面的耐腐蚀薄膜，涡轮发动机表面的耐高温薄膜以及其他极端特殊场合需要的特质薄膜等方面的应用。

●民用与食品工业用薄膜汽车、玩具、家电、钟表、工艺美术品等需要的装饰与保护用薄膜，药品、化妆品、食品行业包装需要的薄膜等方面的应用。