專利名稱：表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，特別是一種應用于材料表面膜層制備行業(yè)中，利用多種離子源、等離子體源發(fā)生設備在特定環(huán)境中在各種材料的表面制備應用性能優(yōu)越的膜層，能夠滿足先進膜層制造要求的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置。
背景技術：
在眾多行業(yè)中，經(jīng)常需要對零部件、產(chǎn)成品的表面進行鍍膜處理，改變其表面的物理-化學性能，以期達到較佳的使用效果。例如，金屬切削刀具、模具內(nèi)腔表面、工裝夾具、醫(yī)用工具、人造器官、產(chǎn)品外殼等。各種材料制造的工具或產(chǎn)品通過在其表面制備具有特殊或優(yōu)異使用性能的膜層達到對其表面進行的改性處理，可以使其獲得諸如表面硬度提高或者光潔度提高或者增強其耐腐蝕性能以及其他如導電性、導熱性、耐磨性、裝飾性等。
目前，通常采用的等離子沉積技術都是在真空或有惰性氣體的環(huán)境中，利用離子束的濺射在材料表面沉積形成一層或多層具有特定性能的沉積膜層。制膜工業(yè)經(jīng)上百年的發(fā)展，形成了各種各樣的制膜技術和設備，能滿足大多數(shù)材料表面改性的需求，檢索結果表明，已有一些利用多種表面改性技術組合成一部設備的文獻報道，如多功能全方位增強沉積行離子注入機；離子注入復合鍍膜設備等。這些合成技術設備往往沒有涉及利用反應氣體進行增強處理的手段?？傮w來說，現(xiàn)有的制膜技術及設備還存在以下缺陷和不足1、每種制膜技術往往針對于一個有限的應用范圍，而很多應用領域還沒有合適的制膜技術和設備，各種制膜方法間缺乏有效的融合，無力解決不斷出現(xiàn)的新應用問題。
2.有一些應用場合的出現(xiàn)膜基結合問題和膜層質量問題，如在硬質合金材料上制備硬度較高的膜層，這些問題始終沒有得到良好的解決。
3在需要利用多種相關且不同的技術綜合運用進行復合制備膜層的情況下，各個工藝步驟在轉換之間需要使待處理物品多次反復進出真空室，從而破壞了真空環(huán)境，對膜層質量造成影響，也使生產(chǎn)效率低下。
20世紀80年代后期迅速發(fā)展起來了一種金屬蒸汽真空弧源離子束技術，該技術的特點是在不改變零件表面形狀和尺寸的基礎上，向零件表面引入各種金屬離子，使零件表面產(chǎn)生原子冶金過程。由于注入離子帶有高的能量，因此注入層和基體之間沒有明顯的分界面，是純粹的冶金結合。與此同時，該技術具有非熱力學平衡的特點，可以產(chǎn)生用傳統(tǒng)的冶金方法不能產(chǎn)生的新相和新合金，從而達到其他表面處理和冶金方法所不能達到的效果，為改善材料表面的物理、化學性能開辟了新途徑。金屬蒸汽真空弧源離子束區(qū)別于其他離子束技術的重要特點是它具有大束流、大束班，能快速進行大批量處理，特別適用于規(guī)模工業(yè)應用。然而，金屬蒸汽真空弧源技術本身還不是制膜技術，它是制膜過程中的輔助手段。
另外，作為制膜過程的輔助技術手段還包括氣體離子源和電子槍。單純的氣體離子源或電子槍不是制膜技術，是產(chǎn)生氣體元素的離子束和產(chǎn)生氣體物質的等離子體的有效手段，也是制備優(yōu)質金屬化合物薄膜及改善膜基結合和膜層質量的很好的輔助調(diào)控技術手段。
綜上所述，如何將先進的膜層制備技術進行綜合優(yōu)化，在有效的解決現(xiàn)有制膜技術和設備所存在的問題的前提下，制備性能更加優(yōu)越，應用更加廣泛的材料表面改性膜層，已經(jīng)成為一個在材料表面改性應用技術領域或行業(yè)中需要盡快解決的重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有制膜技術和設備所存在的缺陷和不足提供一種表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，該裝置將金屬蒸汽真空弧離子源、過濾陰極弧等離子體源、氣體離子源和電子槍技術有機地組合，能夠在不破壞真空的條件下，完成離子束清洗、形成過渡層、制備多元膜和納米多層膜等程序，實現(xiàn)膜層成分調(diào)整、梯度膜等功能，可以進行等離子體增強沉積、等離子體輔助沉積、離子束增強沉積、離子束輔助沉積等過程以適應不同特性需求的膜層的組裝制備。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用一種表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其包括一真空室，該真空室內(nèi)部設有工件放置平臺，表面設有用于放置或取出工件的可封閉的門以及進氣口和排氣口，所述真空室的外側設有與其內(nèi)部連通的金屬蒸汽真空弧離子源、氣體離子源和電子槍；所述真空室的外側還設有一個一端與該真空室內(nèi)部連通的磁過濾管道，該磁過濾管道的另一端連接有過濾陰極弧等離子體源；所述磁過濾管道的外側繞設有與電源連接的電磁感應線圈。
上述技術方案中，真空室為工件的表面改性處理提供了一個操作環(huán)境，金屬蒸汽真空弧源離子源提供了較高能量的導體物質的大束流、大束斑離子束；過濾陰極弧等離子體源提供了膜層沉積物質的無大顆粒、大通量的等離子體射流；氣體離子源提供了高能量的氣體元素的大束流、大束斑離子束；電子槍提供了具有一定能量的、能對氣體予以電離的電子。這4種技術通過組合，形成一個整體設備，通過發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，特別是通過加入電子槍來增強反應氣體成膜粒子，可以組裝納米多層膜、超硬膜。
上述4種技術可形成下列組合金屬蒸汽真空弧離子源+過濾陰極弧等離子體源+氣體離子源；金屬蒸汽真空弧離子源+過濾陰極弧等離子體源；金屬蒸汽真空弧離子源+氣體離子源；過濾陰極弧等離子體源+氣體離子源+電子槍；過濾陰極弧等離子體源+氣體離子源；
過濾陰極弧等離子體源+電子槍；氣體離子源+電子槍。
本發(fā)明利用上述4種技術的組合，可以應用于眾多應用領域中，為不斷出現(xiàn)的新的應用問題提供了有效的技術解決手段，克服了過去制膜技術往往只能針對有限應用范圍的缺陷。4種技術的組合，可以有效解決一些應用場合的出現(xiàn)膜基結合問題和膜層質量問題。在4種技術進行組合加工過程中，各個工藝步驟在轉換之間不需要使待處理物品多次反復進出真空室，從而保護了真空環(huán)境，提供了膜層質量，使生產(chǎn)效率大大提高。
以下，通過具體實施例并結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述。


圖1為發(fā)明的第一個實施例的結構主視圖。
圖2為發(fā)明的第一個實施例的結構俯視圖。
圖3為發(fā)明的第二個實施例的結構主視圖。
圖4為發(fā)明的第二個實施例的結構俯視圖。
圖中標號說明1.金屬蒸汽真空弧離子源，2.過濾陰極弧等離子體源，3.氣體離子源，4.電子槍，5.工件放置平臺，51.可自轉平臺，6.真空室門，7.真空室，8.驅動機構，81.提供轉動的傳動部件，82.提供移動的傳動部件，具體實施方式
圖1所示為本發(fā)明所提供的第一個實施例的結構主視圖。它包括內(nèi)部設有工件放置平臺5，且具有進氣口和排氣口的真空室7，該真空室7上設有用于放置或取出工件的可封閉的門6。真空室7的外壁上設有與該真空室7內(nèi)部連通的金屬蒸汽真空弧離子源1、氣體離子源3和電子槍4。真空室7的外壁上還設有一個一端與該真空室7內(nèi)部連通的磁過濾管道21，該磁過濾管道21的另一端連接有過濾陰極弧等離子體源2。磁過濾管道21的外側繞設有電磁感應線圈(圖中未示出)，該電磁感應線圈與設置在外部的電源連接。
真空室7為一個立式筒形，工件放置平臺5設置在該真空室7的底部并通過提供轉動的傳動部件81與設置在真空室7外部下方的驅動機構8連接。
參考圖2，本實施例中，金屬蒸汽真空弧離子源1為兩個，其加速引出電壓可以在1--60千伏范圍內(nèi)調(diào)整、其平均離子束流在1--100毫安內(nèi)可調(diào)。過濾陰極弧等離子體源2為兩個，其工作模式可以采用直流方式或脈沖方式，且輸出平均離子束流為0.01-20安培范圍內(nèi)可調(diào)。磁過濾管道21為彎曲的管道。氣體離子源3為一個，該氣體離子源3可以采用考夫曼源或寬束射頻離子源，也可以采用弗里曼源，其加速電壓可在0--80千伏范圍內(nèi)調(diào)整，其離子束流為0--100毫安內(nèi)可調(diào)。電子槍4為兩個，并設置在真空室7的頂部，該電子槍4可以采用空心陰極源或者采用熱燈絲源，其輸出電子電流為0--8安培范圍內(nèi)可調(diào)。
本實施例在生產(chǎn)中，將工件放置在工件放置平臺5上，關閉門6，抽真空后，可以通過金屬蒸汽真空弧離子源1、過濾陰極弧等離子體源2、氣體離子源3、電子槍4的組合工作，在工件表面組裝形成各種具有特定性能要求的納米多層梯度膜層。驅動機構8通過提供轉動的傳動部件81使工件放置平臺5轉動，從而使工件表面形成的膜層均勻。
圖3、圖4所示為本發(fā)明所提供的第二個實施例的結構主視圖和俯視圖。本實施例與上述第一個實施例的區(qū)別主要在于真空室7為臥式筒形；工件放置平臺5通過提供移動的傳動部件82與設置在真空室7外部的驅動機構8連接；工件放置平臺5上還設有兩個放置工件的可自轉平臺51。另外的功能部件的區(qū)別在于真空室7的外壁上設置的金屬蒸汽真空弧離子源1為一個；氣體離子源3為兩個。
本實施例在工作中，驅動機構8通過提供移動的傳動部件82，使工件放置平臺5能夠在真空室7內(nèi)底部根據(jù)工藝要求進行平移或傾斜，并且工件放置平臺5上的兩個可自轉平臺51同時自轉，使放置在可自轉平臺51上的工件表面能夠獲得更加均勻，制備納米梯度膜等高性能的表面膜層。
在上述兩個實施例中，金屬蒸汽真空弧源離子源1、過濾陰極弧等離子體源2、氣體離子源3和電子槍4還可以根據(jù)需要，將它們的中心線設置成與水平面平行或與水平面之間具有夾角，以充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)異性能。
本發(fā)明綜合幾種有效的表面技術，實現(xiàn)對制膜全過程(清洗、過渡層、膜層成分和質量、納米多層、梯度漸變)的全面調(diào)控，同時考慮(1)增強處理待處理物品表面層；(2)增強處理反應氣體及其他成膜的氣相粒子。從這樣的先進理念出發(fā)，形成了功能齊全、結構合理、技術先進的設備，能夠制備高性能的結構膜層和功能膜層，解決一些關鍵應用場合的膜基結合問題和膜層質量問題，可廣泛應用于機械、航空航天、醫(yī)學器械、材料等行業(yè)。
權利要求
1.一種表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其包括一真空室，該真空室內(nèi)部設有工件放置平臺，表面設有用于放置或取出工件的可封閉的門以及進氣口和排氣口，其特征在于所述真空室的外側設有與其內(nèi)部連通的金屬蒸汽真空弧離子源、氣體離子源和電子槍；所述真空室的外側還設有一個一端與該真空室內(nèi)部連通的磁過濾管道，該磁過濾管道的另一端連接有過濾陰極弧等離子體源；所述磁過濾管道的外側繞設有與電源連接的電磁感應線圈。
2.根據(jù)權利要求1所述的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述真空室為立式筒形，所述工件放置平臺設置在該真空室的底部并通過提供轉動的傳動部件與設置在所述真空室外部的驅動機構連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述真空室為臥式筒形，所述工件放置平臺設置在該真空室的底部并通過提供移動的傳動部件與設置在所述真空室外部的驅動機構連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述金屬蒸汽真空弧離子源為1-4個，其加速引出電壓的調(diào)整范圍為1--60千伏，其平均離子束流的調(diào)整范圍為1--100毫安。
5.根據(jù)權利要求1所述的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述過濾陰極弧等離子體源為1-8個，其工作模式為直流方式或脈沖方式，其輸出平均離子束流的調(diào)整范圍為0.01-20安培。
6.根據(jù)權利要求1所述的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述磁過濾管道為彎曲的外側繞設電磁感應線圈的管道。
7.根據(jù)權利要求1所述的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述氣體離子源為1--4個，該氣體離子源是考夫曼源或寬束射頻離子源或弗里曼源，所述氣體離子源的加速電壓的調(diào)整范圍為0--80千伏，其離子束流的調(diào)整范圍為0--100毫安。
8.根據(jù)權利要求1所述的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述電子槍為1-8個，該電子槍是空心陰極源或熱燈絲源，其輸出電子電流的調(diào)整范圍為0--8安培。
9.根據(jù)權利要求1-8任一所述的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述工件放置平臺的表面還設有一個或多個用于放置所述工件的可自轉平臺。
10.根據(jù)權利要求1-8任一所述的表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述金屬蒸汽真空弧源離子源、過濾陰極弧等離子體源、氣體離子源和所述的電子槍的中心線與水平面平行或與水平面之間具有夾角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面納米組裝膜的生產(chǎn)裝置，其包括一真空室，該真空室內(nèi)部設有工件放置平臺，表面設有用于放置或取出工件的可封閉的門以及進氣口和排氣口，其特征在于所述真空室的外側設有與其內(nèi)部連通的金屬蒸汽真空弧離子源、氣體離子源和電子槍；所述真空室的外側還設有一個一端與該真空室內(nèi)部連通的磁過濾管道，該磁過濾管道的另一端連接有過濾陰極弧等離子體源；所述磁過濾管道的外側繞設有與電源連接的電磁感應線圈。本發(fā)明利用技術組合，為眾多應用領域中不斷出現(xiàn)的新的應用問題提供了有效的技術解決手段，克服了過去制膜技術往往只能針對有限應用范圍的缺陷，使生產(chǎn)效率大大提高。
文檔編號C23C28/00GK1796603SQ20041010344
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月27日 優(yōu)先權日2004年12月27日
發(fā)明者周鳳生, 張濤, 田云峰 申請人:北京中天恒瑞科技股份有限公司