专利名称：表面纳米组装膜的生产装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面纳米组装膜的生产装置，特别是一种应用于材料表面膜层制备行业中，利用多种离子源、等离子体源发生设备在特定环境中在各种材料的表面制备应用性能优越的膜层，能够满足先进膜层制造要求的表面纳米组装膜的生产装置。
背景技术：
在众多行业中，经常需要对零部件、产成品的表面进行镀膜处理，改变其表面的物理-化学性能，以期达到较佳的使用效果。例如，金属切削刀具、模具内腔表面、工装夹具、医用工具、人造器官、产品外壳等。各种材料制造的工具或产品通过在其表面制备具有特殊或优异使用性能的膜层达到对其表面进行的改性处理，可以使其获得诸如表面硬度提高或者光洁度提高或者增强其耐腐蚀性能以及其他如导电性、导热性、耐磨性、装饰性等。
目前，通常采用的等离子沉积技术都是在真空或有惰性气体的环境中，利用离子束的溅射在材料表面沉积形成一层或多层具有特定性能的沉积膜层。制膜工业经上百年的发展，形成了各种各样的制膜技术和设备，能满足大多数材料表面改性的需求，检索结果表明，已有一些利用多种表面改性技术组合成一部设备的文献报道，如多功能全方位增强沉积行离子注入机；离子注入复合镀膜设备等。这些合成技术设备往往没有涉及利用反应气体进行增强处理的手段。总体来说，现有的制膜技术及设备还存在以下缺陷和不足1、每种制膜技术往往针对于一个有限的应用范围，而很多应用领域还没有合适的制膜技术和设备，各种制膜方法间缺乏有效的融合，无力解决不断出现的新应用问题。
2.有一些应用场合的出现膜基结合问题和膜层质量问题，如在硬质合金材料上制备硬度较高的膜层，这些问题始终没有得到良好的解决。
3在需要利用多种相关且不同的技术综合运用进行复合制备膜层的情况下，各个工艺步骤在转换之间需要使待处理物品多次反复进出真空室，从而破坏了真空环境，对膜层质量造成影响，也使生产效率低下。
20世纪80年代后期迅速发展起来了一种金属蒸汽真空弧源离子束技术，该技术的特点是在不改变零件表面形状和尺寸的基础上，向零件表面引入各种金属离子，使零件表面产生原子冶金过程。由于注入离子带有高的能量，因此注入层和基体之间没有明显的分界面，是纯粹的冶金结合。与此同时，该技术具有非热力学平衡的特点，可以产生用传统的冶金方法不能产生的新相和新合金，从而达到其他表面处理和冶金方法所不能达到的效果，为改善材料表面的物理、化学性能开辟了新途径。金属蒸汽真空弧源离子束区别于其他离子束技术的重要特点是它具有大束流、大束班，能快速进行大批量处理，特别适用于规模工业应用。然而，金属蒸汽真空弧源技术本身还不是制膜技术，它是制膜过程中的辅助手段。
另外，作为制膜过程的辅助技术手段还包括气体离子源和电子枪。单纯的气体离子源或电子枪不是制膜技术，是产生气体元素的离子束和产生气体物质的等离子体的有效手段，也是制备优质金属化合物薄膜及改善膜基结合和膜层质量的很好的辅助调控技术手段。
综上所述，如何将先进的膜层制备技术进行综合优化，在有效的解决现有制膜技术和设备所存在的问题的前提下，制备性能更加优越，应用更加广泛的材料表面改性膜层，已经成为一个在材料表面改性应用技术领域或行业中需要尽快解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有制膜技术和设备所存在的缺陷和不足提供一种表面纳米组装膜的生产装置，该装置将金属蒸汽真空弧离子源、过滤阴极弧等离子体源、气体离子源和电子枪技术有机地组合，能够在不破坏真空的条件下，完成离子束清洗、形成过渡层、制备多元膜和纳米多层膜等程序，实现膜层成分调整、梯度膜等功能，可以进行等离子体增强沉积、等离子体辅助沉积、离子束增强沉积、离子束辅助沉积等过程以适应不同特性需求的膜层的组装制备。
为实现上述目的，本发明采用一种表面纳米组装膜的生产装置，其包括一真空室，该真空室内部设有工件放置平台，表面设有用于放置或取出工件的可封闭的门以及进气口和排气口，所述真空室的外侧设有与其内部连通的金属蒸汽真空弧离子源、气体离子源和电子枪；所述真空室的外侧还设有一个一端与该真空室内部连通的磁过滤管道，该磁过滤管道的另一端连接有过滤阴极弧等离子体源；所述磁过滤管道的外侧绕设有与电源连接的电磁感应线圈。
上述技术方案中，真空室为工件的表面改性处理提供了一个操作环境，金属蒸汽真空弧源离子源提供了较高能量的导体物质的大束流、大束斑离子束；过滤阴极弧等离子体源提供了膜层沉积物质的无大颗粒、大通量的等离子体射流；气体离子源提供了高能量的气体元素的大束流、大束斑离子束；电子枪提供了具有一定能量的、能对气体予以电离的电子。这4种技术通过组合，形成一个整体设备，通过发挥它们各自的优势，特别是通过加入电子枪来增强反应气体成膜粒子，可以组装纳米多层膜、超硬膜。
上述4种技术可形成下列组合金属蒸汽真空弧离子源+过滤阴极弧等离子体源+气体离子源；金属蒸汽真空弧离子源+过滤阴极弧等离子体源；金属蒸汽真空弧离子源+气体离子源；过滤阴极弧等离子体源+气体离子源+电子枪；过滤阴极弧等离子体源+气体离子源；
过滤阴极弧等离子体源+电子枪；气体离子源+电子枪。
本发明利用上述4种技术的组合，可以应用于众多应用领域中，为不断出现的新的应用问题提供了有效的技术解决手段，克服了过去制膜技术往往只能针对有限应用范围的缺陷。4种技术的组合，可以有效解决一些应用场合的出现膜基结合问题和膜层质量问题。在4种技术进行组合加工过程中，各个工艺步骤在转换之间不需要使待处理物品多次反复进出真空室，从而保护了真空环境，提供了膜层质量，使生产效率大大提高。
以下，通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
图1为发明的第一个实施例的结构主视图。
图2为发明的第一个实施例的结构俯视图。
图3为发明的第二个实施例的结构主视图。
图4为发明的第二个实施例的结构俯视图。
图中标号说明1.金属蒸汽真空弧离子源，2.过滤阴极弧等离子体源，3.气体离子源，4.电子枪，5.工件放置平台，51.可自转平台，6.真空室门，7.真空室，8.驱动机构，81.提供转动的传动部件，82.提供移动的传动部件，具体实施方式
图1所示为本发明所提供的第一个实施例的结构主视图。它包括内部设有工件放置平台5，且具有进气口和排气口的真空室7，该真空室7上设有用于放置或取出工件的可封闭的门6。真空室7的外壁上设有与该真空室7内部连通的金属蒸汽真空弧离子源1、气体离子源3和电子枪4。真空室7的外壁上还设有一个一端与该真空室7内部连通的磁过滤管道21，该磁过滤管道21的另一端连接有过滤阴极弧等离子体源2。磁过滤管道21的外侧绕设有电磁感应线圈(图中未示出)，该电磁感应线圈与设置在外部的电源连接。
真空室7为一个立式筒形，工件放置平台5设置在该真空室7的底部并通过提供转动的传动部件81与设置在真空室7外部下方的驱动机构8连接。
参考图2，本实施例中，金属蒸汽真空弧离子源1为两个，其加速引出电压可以在1--60千伏范围内调整、其平均离子束流在1--100毫安内可调。过滤阴极弧等离子体源2为两个，其工作模式可以采用直流方式或脉冲方式，且输出平均离子束流为0.01-20安培范围内可调。磁过滤管道21为弯曲的管道。气体离子源3为一个，该气体离子源3可以采用考夫曼源或宽束射频离子源，也可以采用弗里曼源，其加速电压可在0--80千伏范围内调整，其离子束流为0--100毫安内可调。电子枪4为两个，并设置在真空室7的顶部，该电子枪4可以采用空心阴极源或者采用热灯丝源，其输出电子电流为0--8安培范围内可调。
本实施例在生产中，将工件放置在工件放置平台5上，关闭门6，抽真空后，可以通过金属蒸汽真空弧离子源1、过滤阴极弧等离子体源2、气体离子源3、电子枪4的组合工作，在工件表面组装形成各种具有特定性能要求的纳米多层梯度膜层。驱动机构8通过提供转动的传动部件81使工件放置平台5转动，从而使工件表面形成的膜层均匀。
图3、图4所示为本发明所提供的第二个实施例的结构主视图和俯视图。本实施例与上述第一个实施例的区别主要在于真空室7为卧式筒形；工件放置平台5通过提供移动的传动部件82与设置在真空室7外部的驱动机构8连接；工件放置平台5上还设有两个放置工件的可自转平台51。另外的功能部件的区别在于真空室7的外壁上设置的金属蒸汽真空弧离子源1为一个；气体离子源3为两个。
本实施例在工作中，驱动机构8通过提供移动的传动部件82，使工件放置平台5能够在真空室7内底部根据工艺要求进行平移或倾斜，并且工件放置平台5上的两个可自转平台51同时自转，使放置在可自转平台51上的工件表面能够获得更加均匀，制备纳米梯度膜等高性能的表面膜层。
在上述两个实施例中，金属蒸汽真空弧源离子源1、过滤阴极弧等离子体源2、气体离子源3和电子枪4还可以根据需要，将它们的中心线设置成与水平面平行或与水平面之间具有夹角，以充分发挥它们各自的优异性能。
本发明综合几种有效的表面技术，实现对制膜全过程(清洗、过渡层、膜层成分和质量、纳米多层、梯度渐变)的全面调控，同时考虑(1)增强处理待处理物品表面层；(2)增强处理反应气体及其他成膜的气相粒子。从这样的先进理念出发，形成了功能齐全、结构合理、技术先进的设备，能够制备高性能的结构膜层和功能膜层，解决一些关键应用场合的膜基结合问题和膜层质量问题，可广泛应用于机械、航空航天、医学器械、材料等行业。
权利要求
1.一种表面纳米组装膜的生产装置，其包括一真空室，该真空室内部设有工件放置平台，表面设有用于放置或取出工件的可封闭的门以及进气口和排气口，其特征在于所述真空室的外侧设有与其内部连通的金属蒸汽真空弧离子源、气体离子源和电子枪；所述真空室的外侧还设有一个一端与该真空室内部连通的磁过滤管道，该磁过滤管道的另一端连接有过滤阴极弧等离子体源；所述磁过滤管道的外侧绕设有与电源连接的电磁感应线圈。
2.根据权利要求1所述的表面纳米组装膜的生产装置，其特征在于所述真空室为立式筒形，所述工件放置平台设置在该真空室的底部并通过提供转动的传动部件与设置在所述真空室外部的驱动机构连接。
3.根据权利要求1所述的表面纳米组装膜的生产装置，其特征在于所述真空室为卧式筒形，所述工件放置平台设置在该真空室的底部并通过提供移动的传动部件与设置在所述真空室外部的驱动机构连接。
4.根据权利要求1所述的表面纳米组装膜的生产装置，其特征在于所述金属蒸汽真空弧离子源为1-4个，其加速引出电压的调整范围为1--60千伏，其平均离子束流的调整范围为1--100毫安。
5.根据权利要求1所述的表面纳米组装膜的生产装置，其特征在于所述过滤阴极弧等离子体源为1-8个，其工作模式为直流方式或脉冲方式，其输出平均离子束流的调整范围为0.01-20安培。
6.根据权利要求1所述的表面纳米组装膜的生产装置，其特征在于所述磁过滤管道为弯曲的外侧绕设电磁感应线圈的管道。
7.根据权利要求1所述的表面纳米组装膜的生产装置，其特征在于所述气体离子源为1--4个，该气体离子源是考夫曼源或宽束射频离子源或弗里曼源，所述气体离子源的加速电压的调整范围为0--80千伏，其离子束流的调整范围为0--100毫安。
8.根据权利要求1所述的表面纳米组装膜的生产装置，其特征在于所述电子枪为1-8个，该电子枪是空心阴极源或热灯丝源，其输出电子电流的调整范围为0--8安培。
9.根据权利要求1-8任一所述的表面纳米组装膜的生产装置，其特征在于所述工件放置平台的表面还设有一个或多个用于放置所述工件的可自转平台。
10.根据权利要求1-8任一所述的表面纳米组装膜的生产装置，其特征在于所述金属蒸汽真空弧源离子源、过滤阴极弧等离子体源、气体离子源和所述的电子枪的中心线与水平面平行或与水平面之间具有夹角。
全文摘要
本发明涉及一种表面纳米组装膜的生产装置，其包括一真空室，该真空室内部设有工件放置平台，表面设有用于放置或取出工件的可封闭的门以及进气口和排气口，其特征在于所述真空室的外侧设有与其内部连通的金属蒸汽真空弧离子源、气体离子源和电子枪；所述真空室的外侧还设有一个一端与该真空室内部连通的磁过滤管道，该磁过滤管道的另一端连接有过滤阴极弧等离子体源；所述磁过滤管道的外侧绕设有与电源连接的电磁感应线圈。本发明利用技术组合，为众多应用领域中不断出现的新的应用问题提供了有效的技术解决手段，克服了过去制膜技术往往只能针对有限应用范围的缺陷，使生产效率大大提高。
文档编号C23C28/00GK1796603SQ20041010344
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月27日 优先权日2004年12月27日
发明者周凤生, 张涛, 田云峰 申请人:北京中天恒瑞科技股份有限公司