Nhóm 7 - Lắng đọng hơi vật lý PVD (Physical Vapor Deposition).pptx

Lắng đọng hơi vật lý PVD

1. CHỦ ĐỀ : : CÔNG NGHỆ LẮNG ĐỌNG HƠI VẬT LÝ (PVD)

2. Nội Dung : I. Tổng quát về công nghệ lắng đọng hơi vật lý (PVD) II. Các kĩ thuật phủ PVD thông dụng III. Ưu nhược điểm và ứng dụng IV. So sánh PVD với các phương pháp phủ khác

3. I . Tổng quát về công nghệ lắng đọng hơi vật lý 1. Giới thiệu về lắng đọng hơi vật lý (PVD) PVD (Physical Vapor Deposition) là một phương pháp lắng đọng lớp màng mỏng trên bề mặt vật liệu bằng cách biến đổi vật liệu rắn thành hơi (pha khí) thông qua quá trình vật lý (không phải hóa học), sau đó hơi này ngưng tụ lên bề mặt cần phủ, tạo thành lớp phủ mỏng. Phương pháp này thường được thực hiện trong môi trường chân không hoặc khí trơ, giúp kiểm soát tốt quá trình lắng đọng và đảm bảo độ tinh khiết cao cho lớp phủ. Trong quy trình xi mạ chân không PVD, một dòng điện cường độ cao bắn phá trên bề mặt vật liệu nguồn làm bay hơi nhanh chóng các ion kim loại. Những ion kim loại sẽ di chuyển đến bề mặt sản phẩm trong môi trường chân không và hòa trộn với các loại khí phản ứng để hình thành một lớp màng mỏng trên bề mặt mẫu. Quá trình lắng đọng ảnh hưởng đáng kể lên tính chất của lớp phủ nó tương quan tới độ bám dính của vật liệu nền.

4. 2. Nguyên lý của PVD Lắng đọng hơi vật lý là một phương pháp tăng trưởng phản ứng pha hơi vật lý. Quá trình lắng đọng được thực hiện trong điều kiện chân không hoặc phóng khí áp suất thấp, tức là trong vật thể đẳng hướng nhiệt độ thấp. Nguồn vật liệu của lớp phủ là một vật liệu rắn được bốc hơi hoặc phún xạ để tạo ra một lớp phủ vật liệu mới trên bề mặt chất nền với các đặc tính hoàn toàn khác với chất nền. PVD sử dụng các nguyên tắc nhiệt động bằng cách tập trung các dạng năng lượng tập trung vào vật liệu tiền chất rắn. Vật liệu tiền chất rắn này trở nên phấn khích thông qua bắn phá năng lượng; Phương pháp phun xạ từ, laser, bay hơi Arc. Năng lượng làm cho các liên kết bị phá vỡ trong cấu trúc mạng tinh thể và các nguyên tử bị ion hóa khi chúng rời khỏi vật liệu tiền chất. Vật liệu bị ion hóa được giải phóng và được chuyển bằng Gradient áp lực đến nơi nó được lắng đọng dưới dạng một màng mỏng trên vật liệu nền.

5. 3. Quá trình tạo màng bằng PVD Quá trình này bao gồm bốn giai đoạn chính: bốc hơi, vận chuyển, phản ứng và lắng đọng. Bốc hơi kim loại Trong giai đoạn này, kim loại được bốc hơi từ nguồn rãnh bằng các phương pháp vật lý. Bằng cách cung cấp năng lượng cho các nguyên tử kim loại, liên kết tinh thể bị phá vỡ, tan chảy và chuyển sang dạng khí. Các nguyên tử kim loại như Ti (Titanium), Zr (Zirconium), Cr (Chromium), và các kim loại khác sẽ tách rời khỏi điện cực và va chạm với các hạt ion và điện tử trong môi trường plasma. Vận chuyển Sau khi các ion kim loại được tạo thành trong quá trình bốc hơi, chúng sẽ được vận chuyển đến bề mặt sản phẩm gia công dưới tác động của điện trường. Quá trình vận chuyển này giúp định vị các ion kim loại và khí đến đúng vị trí trên bề mặt sản phẩm. Phản ứng Khi các ion kim loại và khí đến gần bề mặt sản phẩm, các phản ứng sẽ xảy ra để tạo thành các hợp chất khác nhau. Các ion kim loại và khí phản ứng với nhau tạo ra các hợp chất có màu sắc và tính chất đặc trưng. Quá trình phản ứng này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các lớp phủ PVD có màu sắc và tính chất đa dạng. Lắng đọng Trong giai đoạn này, các hợp chất kim loại và khí được lắng đọng trên bề mặt sản phẩm gia công. Các hợp chất này chắc chắn và bám chặt lên bề mặt kim loại, tạo ra một lớp phủ mỏng có độ cứng cao. Quá trình lắng đọng này giúp bảo vệ và tăng cường tính bền của các chi tiết và bề mặt sản phẩm.

6. II. Các kĩ thuật phủ PVD thông dụng 1. Lắng đọng bằng phương pháp phun Quy trình Trong quá trình phun, các hạt năng lượng, thường là các ion argon, va chạm với catốt mục tiêu. Do va chạm này, các nguyên tử tách ra khỏi bề mặt catốt. Các nguyên tử này sau đó di chuyển qua buồng chân không và tạo thành lớp phủ trên bề mặt chất nền. Ưu điểm Thông qua phương pháp linh hoạt này, bạn có thể lắng đọng hầu như bất kỳ vật liệu nào như vật liệu composite, hợp kim, chất cách điện và kim loại. So với các kỹ thuật khác, lắng đọng phun đạt được độ phủ bước tốt hơn và màng chất lượng cao hơn. Ngoài ra, nó còn cung cấp khả năng kiểm soát độ dày chính xác và có thể phủ đồng đều các chất nền lớn.

7. II. Các kĩ thuật phủ PVD thông dụng 2. Bốc hơi chùm electron Quy trình Trong quá trình bốc hơi chùm tia điện tử, chùm tia điện tử năng lượng cao (3-40 kV) được sử dụng để làm nóng vật liệu nguồn. Trong điều kiện chân không cao, vật liệu bốc hơi. Những hơi này bốc lên trên qua buồng chân không và lắng đọng trên chất nền, do đó tạo thành một lớp phủ mỏng. Ưu điểm Để làm bay hơi các vật liệu có điểm nóng chảy cực cao như niobi và vonfram, phương pháp này rất hiệu quả. Nó tạo ra kết quả phủ nhanh ở nhiệt độ nền thấp và cung cấp khả năng kiểm soát chính xác quá trình.

8. II. Các kĩ thuật phủ PVD thông dụng 3. Bốc hơi hồ quang catốt (Arc PVD) Quy trình Trong Arc PVD, hồ quang điện có dòng điện cao, điện áp thấp được sử dụng để đánh trực tiếp vào vật liệu mục tiêu. Điều này khiến bề mặt catốt nhanh chóng chuyển thành plasma ion hóa cao. Sau đó, plasma này di chuyển về phía chất nền và phủ lên nó. Ưu điểm Do tỷ lệ ion hóa cao, kỹ thuật này tạo ra lớp phủ mạnh và mật độ cao. Các lớp lắng đọng này có khả năng chống ăn mòn và độ cứng cao.

9. II. Các kĩ thuật phủ PVD thông dụng 4. Sự bốc hơi nhiệt Quy trình Bốc hơi nhiệt hoạt động bằng cách làm nóng vật liệu nguồn cho đến khi đạt đến điểm bốc hơi. Quá trình này tạo ra hơi đi qua buồng chân không. Sau đó, hơi này ngưng tụ trên chất nền để tạo thành lớp phủ. Ưu điểm Do điều kiện chân không cao, quá trình bốc hơi nhiệt tạo ra các màng mỏng cực kỳ đồng đều và tinh khiết. Nó ít tốn kém hơn so với các phương pháp PVD khác. Đối với sản xuất quy mô nhỏ, nó đặc biệt hữu ích do thiết kế đơn giản.

10. II. Các kĩ thuật phủ PVD thông dụng 5 . Lắng đọng bằng xung laser Quy trình Trong PLD, vật liệu mục tiêu bị phá hủy bằng cách đập vào nó bằng các xung laser công suất cao. Do sự phá hủy này, một luồng plasma được tạo ra. Luồng plasma này di chuyển về phía chất nền và lắng đọng trên đó. Ưu điểm Kỹ thuật này   bảo quản hiệu quả tỷ lệ vật liệu phức tạp. Nó có thể lắng đọng nhiều loại vật liệu bao gồm polyme và vật liệu sinh học. Nó đặc biệt hữu ích trong việc tạo ra các màng mỏng có thành phần hóa học cụ thể.

11. III. Ưu nhược điểm và ứng dụng 1. Ưu điểm: Màng mỏng phủ PVD có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với các lớp phủ được tạo ra bằng các quy trình phủ khác như mạ. Hầu hết các lớp phủ PVD đều có khả năng chống va đập và chống mài mòn rất tốt. Các lớp phủ này thường có thể chịu được nhiệt độ cao. Độ tinh khiết cao của màng mỏng lắng đọng và khả năng kiểm soát cấu trúc của các lớp Sử dụng phương pháp PVD, có thể lắng đọng hầu hết mọi loại vật liệu vô cơ và một số vật liệu hữu cơ trên nhiều loại bề mặt và chất nền khác nhau Khả năng tương thích môi trường cao Cung cấp nhiều kỹ thuật khác nhau để lắng đọng một loại vật liệu cụ thể 2. Nhược điểm: Chi phí thiết bị và lắp đặt cao Hạn chế về khả năng phủ các chi tiết có hình dạng hình học phức tạp. Một số phương pháp và kỹ thuật PVD đòi hỏi sự chú ý và độ chính xác cao từ người sử dụng do môi trường phủ có độ chân không cao và nhiệt độ cao. Hệ thống tuần hoàn nước làm mát là cần thiết để tản nhiệt sinh ra và ngăn ngừa hư hỏng cho các thành phần của hệ thống sơn phủ

12. 3. Ứng dụng: a. Lớp phủ PVD cho dụng cụ cắt và dụng cụ Lớp phủ PVD đã thay đổi đáng kể lĩnh vực gia công và chế tạo dụng cụ. Các nhà sản xuất áp dụng lớp phủ như Titanium Carbon Nitride (TiCN) hoặc Titanium Nitride (TiN) trực tiếp lên các dụng cụ cắt như dao phay, mũi khoan và miếng chèn. Những lớp phủ này làm tăng đáng kể độ cứng của dụng cụ. Kết quả là các dụng cụ cắt sẽ sắc bén trong thời gian dài hơn, ngay cả trong điều kiện vận hành khắc nghiệt. Điều này cải thiện tốc độ cắt và giảm tần suất thay thế dụng cụ. Do đó, năng suất và hiệu quả sản xuất được cải thiện đáng kể.

13. 3. Ứng dụng: b. Lớp phủ PVD trong linh kiện ô tô Trong ứng dụng ô tô, lớp phủ PVD được sử dụng cho hai mục đích chính: chức năng và trang trí. Theo quan điểm chức năng, các nhà sản xuất sử dụng lớp phủ PVD cho các bộ phận động cơ như trục cam, vòng piston và kim phun nhiên liệu để giảm ma sát và mài mòn. Nhờ các lớp phủ này, động cơ chạy hiệu quả bất chấp nhiệt độ và áp suất cao. Hơn nữa, các lớp phủ như crom nitride được sử dụng để đạt được khả năng chống ăn mòn vượt trội. Các lớp phủ này đặc biệt quan trọng đối với các bộ phận ô tô phải chịu điều kiện môi trường khắc nghiệt. Về mặt trang trí, lớp phủ PVD mang lại lớp hoàn thiện cao cấp và lâu dài cho các bộ phận ô tô như lưới tản nhiệt, vành bánh xe, huy hiệu và viền nội thất. Chúng mang lại vẻ ngoài giống như crôm với ít vấn đề về môi trường hơn so với mạ crôm truyền thống.

14. 3. Ứng dụng: c. Lớp phủ PVD trong thiết bị y tế và cấy ghép Trong lĩnh vực y tế, lớp phủ PVD được sử dụng để tăng chức năng và tuổi thọ của dụng cụ phẫu thuật và cấy ghép y tế. Ví dụ, kim và dao mổ thường được phủ TiAlN tối màu hoặc carbon giống kim cương. Nhờ lớp phủ này, độ cứng và khả năng giữ cạnh của dụng cụ phẫu thuật được cải thiện. Hơn nữa, chúng làm giảm sự mài mòn do khử trùng nhiều lần và giúp giảm thiểu độ chói trong các ca phẫu thuật y tế, giúp cải thiện khả năng hiển thị của bạn. Trong cấy ghép y tế, lớp phủ PVD được sử dụng để tạo ra bề mặt cứng, chống mài mòn. Chúng thường được áp dụng cho các thành phần như cấy ghép nha khoa, thay khớp và van tim. Điều này làm tăng khả năng tương thích sinh học của chúng và giảm sự giải phóng các ion kim loại.

15. 3. Ứng dụng: d . Lớp phủ PVD trong linh kiện điện tử Ngành công nghiệp điện tử áp dụng lớp phủ PVD để bảo vệ các thành phần khỏi bị mài mòn, ăn mòn và hao mòn. Nhờ lớp bảo vệ này, các bộ phận điện tử vẫn được bảo vệ khỏi các yếu tố môi trường, do đó tăng tuổi thọ cho thiết bị. Hơn nữa, lớp phủ PVD làm tăng độ dẫn nhiệt và điện của các linh kiện điện tử. Do đó, thiết bị điện tử cung cấp hiệu suất đáng tin cậy, đặc biệt là trong các ứng dụng quan trọng.

16. 3. Ứng dụng: e. Lớp phủ PVD trong Hàng không vũ trụ và Hàng không Trong ngành hàng không vũ trụ, lớp phủ PVD thường được sử dụng cho các bộ phận phải chịu môi trường khắc nghiệt. Ví dụ, các thành phần như ốc vít hàng không vũ trụ và cánh tua bin được xử lý bằng lớp phủ có khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn. Các lớp phủ như vậy có thể chịu được nhiệt độ và áp suất cao tạo ra trong động cơ máy bay. Điều quan trọng là các lớp phủ này cũng duy trì hiệu suất và độ an toàn của máy bay do tác động tối thiểu đến trọng lượng

17. IV. So sánh PVD với các phương pháp phủ khác 1 . So sánh phương pháp PVD và CVD

18. IV. So sánh PVD với các phương pháp phủ khác 2 . Phủ PVD so với mạ điện thông thường Mạ điện là quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên vật thể. Phương pháp này hiện được ứng dụng khá rộng rãi nhờ quá trình tương đối đơn giản. Các yêu cầu về trang thiết bị và môi trường xử lý thấp hơn nhiều so với phủ PVD. Tuy nhiên, vật liệu mạ tổng hợp sử dụng trong quá trình mạ điện chứa Crom-6, một kim loại nặng có khả năng gây ra nhiều vấn đề sức khỏe.  Trong khi đó, lớp phủ PVD và bề mặt phôi (chất nền) có sự kết nối cực cao. Điều này giúp tăng độ cứng cho bề mặt, nâng cao khả năng kháng nhiệt, chống mài mòn và ăn mòn. Lớp phủ bảo vệ bề mặt PVD cũng có thể được tạo ra từ nhiều vật liệu kim loại khác nhau với màu sắc đa dạng và đẹp mắt hơn, đồng thời không chứa chất độc hại tới sức khỏe con người hoặc phát thải gây ô nhiễm môi trường. Phủ PVD  có bề mặt sáng mịn, khả năng chịu nhiệt và va đập tốt hơn nhiều lần so với mạ Nikel-Crom thông thường

19. IV. So sánh PVD với các phương pháp phủ khác 3 . Phủ PVD so với phủ tĩnh điện Sơn tĩnh điện là công nghệ sơn phổ biến hiện nay, sử dụng nguyên lý điện từ để màng sơn bám dính tốt hơn lên bề mặt kim loại được sơn. Công nghệ phủ tĩnh điện thích hợp ứng dụng trên các vật liệu kim loại có tính dẫn điện như sắt, thép.  Công nghệ phủ PVD so với phủ tĩnh điện có nhiều ưu điểm nổi trội hơn về:  Độ cứng:  Mạ PVD có độ cứng gấp nhiều lần so với phủ tĩnh điện  Độ chống ăn mòn:  Khi đặt vào thử nghiệm ăn mòn - Cass test, lớp phủ PVD đạt trên 24 tiếng không bị ăn mòn, trong khi phủ tĩnh điện chỉ đạt chưa tới 6 tiếng.  Khả năng bền màu:  Phủ tĩnh điện truyền thống thường tạo ra lớp phủ có màu sắc bắt mắt và chi phí thấp nhưng dễ bị xỉn màu. Phủ PVD tạo ra lớp phủ sáng bóng, tinh khiết và có tuổi thọ cao.  Khả năng chịu nhiệt:  Phủ PVD chịu nhiệt lên đến 300 độ C, so với phủ tĩnh điện chỉ chịu được nhiệt dưới 200 độ C. Lớp phủ PVD  đẹp và bền màu theo thời gian hơn so với phủ tĩnh điện

20. Thank you for listening !