專(zhuān)利名稱(chēng)：多元噴射電沉積加工多層膜的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電加工技術(shù)，尤其是一種電沉積加工技 術(shù)，具體地說(shuō)是一種多元噴射電沉積加工多層膜的方法及裝置。
背景技術(shù)：
多層膜是指由一種或幾種材料交替沉積而形成的組分或結(jié)構(gòu)交替變化的人工微結(jié)構(gòu)材料，且如果各層金屬或合金厚度均為納米級(jí)，則稱(chēng)為納米多層膜。多層膜材料具有整體材料和任何單一組分薄膜難以達(dá)到的各種特殊性能，能滿(mǎn)足各種特殊應(yīng)用需求，近年來(lái)對(duì)這種材料的研究引起了人們的極大關(guān)注，成為國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。目前，制備多層膜主要有物理、化學(xué)氣相沉積方法和電化學(xué)方法。目前商業(yè)化使用的材料幾乎都是用物理氣相沉積的方法制得，但這種方法工藝過(guò)程復(fù)雜，制備時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備昂貴，成本高。電化學(xué)方法具有方法簡(jiǎn)單、成本低且易于控制等優(yōu)點(diǎn)，不僅可制得子層、組分和界面密度可調(diào)的多層膜，而且還可以把兩種不同的材料在接近原子尺度上進(jìn)行堆垛，從而獲得具有獨(dú)特性能的新材料。目前制備多層膜的電化學(xué)方法可分為單槽法、雙槽法和液流法，這些技術(shù)普遍存在較大的缺陷，難以制備高質(zhì)量的多層膜。如單槽法對(duì)沉積金屬種類(lèi)、濃度和沉積電位有嚴(yán)格的限制，而雙槽法和液流法工作效率低下，并難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等等。這些因素均極大地限制了電化學(xué)方法制備多層膜技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的多層膜制造方法及裝置存在成本高或質(zhì)量差的問(wèn)題， 發(fā)明一種可以對(duì)多層膜的組分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密調(diào)控、能夠低成本、快速、有效地制備高質(zhì)量的多層膜的多元噴射電沉積加工多層膜的方法及裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種多元噴射電沉積加工多層膜的方法，其特征是它包括以下步驟 首先，使被沉積環(huán)形基體以設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)；
其次，在環(huán)形基體的周?chē)O(shè)置多個(gè)噴射加工單元，每個(gè)噴射加工單元之間通過(guò)隔板分
隔；
第三，在環(huán)形基體轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，使各噴射加工單元按設(shè)定的次序向環(huán)形基體的表面噴射電沉積液，在環(huán)形基體表面至少形成兩層組份相同或不相同的電沉積，形成所需層數(shù)的多層膜。所述的環(huán)形基體在傳動(dòng)裝置的帶動(dòng)下，連續(xù)經(jīng)過(guò)同時(shí)供電的多個(gè)噴射加工單元進(jìn)行交替電沉積，在環(huán)形基體旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，形成與加工單元數(shù)相應(yīng)的多層膜，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制噴射加工單元交替放電沉積，形成一種組分給定的膜層厚度后，再進(jìn)行下一組分的電沉積，由此可以實(shí)現(xiàn)任意子層組分、子層厚度的排列組合。所述的環(huán)形基體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)電沉積液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)使電沉積液經(jīng)加工單元的噴嘴噴射到環(huán)形基體表面形成掃描電沉積，然后回收、過(guò)濾，并通過(guò)溫控系統(tǒng)調(diào)控電沉積液的溫度。通過(guò)控制電源和改變噴嘴尺寸、電沉積液成分或陰極轉(zhuǎn)速，以獲得不同組分和組織結(jié)構(gòu)的多層膜，所述的多層膜的子層可以是純金屬或合金，子層的厚度不小于lOnm。在所述的加工噴射加工單元之間設(shè)置有放置硬質(zhì)粒子或摩擦件的工作腔，控制工作腔中的硬質(zhì)粒子或摩擦件與環(huán)形基體表面相接觸，以實(shí)時(shí)、有效地去除環(huán)形基體沉積表面的積瘤、毛刺缺陷，改善沉積層質(zhì)量，獲得子層均勻連續(xù)的多層膜。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是
一種多元噴射電沉積加工多層膜裝置，其特征是它包括
環(huán)形基體，該環(huán)形基體被安裝在處理室的中心并能在傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下以設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)；
多個(gè)噴射加工單元，所述的每個(gè)噴射加工單元由陽(yáng)板、陽(yáng)極腔和長(zhǎng)條形噴嘴組成，每個(gè)長(zhǎng)條形噴嘴位于處理室中對(duì)應(yīng)的工作腔中并與所述的環(huán)形基體的待沉積表面相對(duì)，每個(gè)長(zhǎng)條形噴嘴的出液口應(yīng)處于同一水平面內(nèi)，所述的工作腔由處理室中的隔板分隔形成，每個(gè)噴射加工單元均連接有獨(dú)立的電源、電沉積液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)。在未安裝長(zhǎng)條形噴嘴的工作腔中安裝有硬質(zhì)粒子或摩擦件，所述的硬質(zhì)粒子或摩擦件在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下與環(huán)形基體的表面相接觸。所述的驅(qū)動(dòng)裝置為促使粒子發(fā)生高頻振動(dòng)的機(jī)械式或電磁式裝置；或使摩擦件與沉積表面保持恒張力貼緊并可以沿回轉(zhuǎn)基體軸線方向上下抖動(dòng)的機(jī)械式或電磁式裝置。本發(fā)明的有益效果
1、本發(fā)明采用噴射電沉積技術(shù)，將電沉積液以高速射流的形式向陰極表面迅速補(bǔ)充金屬離子，可以使沉積速率提高幾十倍乃至上百倍，并有效地改善電沉積過(guò)程，獲得組織致密、晶粒細(xì)化多層膜。2、本發(fā)明通過(guò)使環(huán)形基體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，使各加工單元的沖擊射流區(qū)均勻掃描過(guò)基體表面，可以極大地改善陰極表面的電場(chǎng)分布，獲得子層均勻和平整的多層膜。同時(shí)，各噴射加工單元之間也不會(huì)相互影響。3、通過(guò)改變加工單元數(shù)目、電沉積液的組分、工藝參數(shù)等，能夠制備兩種或兩種以上子層交替的多層膜，其組分和結(jié)構(gòu)也可以千變?nèi)f化，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加工單元交替放電沉積，可以實(shí)現(xiàn)任意子層組分、子層厚度的排列組合，同時(shí)沉積過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控。4、可以利用硬質(zhì)粒子或摩擦件實(shí)時(shí)研磨沉積層表面，不僅能改善沉積層質(zhì)量，而且能夠獲得良好調(diào)制結(jié)構(gòu)的多層膜。當(dāng)使用硬質(zhì)粒子進(jìn)行研磨時(shí)，還可以附加振動(dòng)源，促使硬質(zhì)粒子高頻振動(dòng)，使研磨作用更加均勻、有效。5、電沉積液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，用于保證及時(shí)充足地向加工區(qū)供給電沉積液。由溫控裝置控制的加熱器，用于保持電沉積液的溫度恒定。6、本發(fā)明不僅能有效改善沉積過(guò)程，以較高的沉積速度制備出組織致密、均勻、調(diào)制結(jié)構(gòu)良好的多層膜，而且還可以對(duì)其組分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行方便地人為設(shè)計(jì)和精密調(diào)控。

7、采用本發(fā)明的加工方法及裝置，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)多層膜的組分、調(diào)制波長(zhǎng)、 微觀結(jié)構(gòu)等參數(shù)的精密調(diào)控，人為設(shè)計(jì)和制備所需特性的多層膜，制備兩種或兩種以上子層交替的多層膜，這些多層膜的子層可以是純金屬、合金等，晶體結(jié)構(gòu)也可以多種多樣，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)約成本、高效快捷、容易控制、加工過(guò)程足夠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的多元噴射電沉積加工多層膜裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的處理室的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的工作腔中添加硬質(zhì)顆粒和摩擦件研磨時(shí)處理室的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3 (a)為添加硬質(zhì)粒子后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3 (b)為添加摩擦件后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明添加多個(gè)噴射加工單元時(shí)處理室的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖4 (a)為添加3個(gè)加工單元后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4 (b)為添加4個(gè)加工單元后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、回轉(zhuǎn)基體；2、組分A加工單元；3、轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4、流量調(diào)節(jié)閥；5、過(guò)濾機(jī)； 6、攪拌器；7、磁力泵；8、組分A電沉積液；9、水浴槽；10、加熱器；11、溫控儀；12、加熱器； 13、水浴槽；14、組分B電沉積液；15、磁力泵；16、攪拌器；17、過(guò)濾機(jī)；18、流量調(diào)節(jié)閥；19、 轉(zhuǎn)子流量計(jì)；20、組分B加工單元；21、電源。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例一?！N多元噴射電沉積加工多層膜的方法，它包括以下步驟
(1)環(huán)形基體在傳動(dòng)裝置的帶動(dòng)下，連續(xù)經(jīng)過(guò)同時(shí)供電的多個(gè)噴射加工單元進(jìn)行交替電沉積，在環(huán)形基體旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，形成與加工單元數(shù)相應(yīng)的多層膜。也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加工單元交替放電沉積，形成一種組分給定的膜層厚度后，再進(jìn)行下一組分的電沉積，由此可以實(shí)現(xiàn)任意子層組分、子層厚度的排列組合。(2)使環(huán)形基體在計(jì)算機(jī)控制下的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)電沉積液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)使電沉積液經(jīng)加工單元的噴嘴噴射到環(huán)形基體表面形成掃描電沉積，然后回收、過(guò)濾。通過(guò)溫控系統(tǒng)調(diào)控電沉積液的溫度。(4)通過(guò)控制電源和改變噴嘴尺寸、電沉積液成分、陰極轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可以獲得不同組分和組織結(jié)構(gòu)的多層膜，人為設(shè)計(jì)和制備具有所需各種特殊性能的多層膜。這些多層膜的子層可以是純金屬、合金等，晶體結(jié)構(gòu)也可以多種多樣，其最小子層厚度可以達(dá)到10 nm左右。(5)通過(guò)在處理室的各工作腔中添加新的噴射加工單元，可以使子層組分、子層厚度的排列組合更趨于多樣化，由此形成的多層膜也千變?nèi)f化。(6)通過(guò)在處理室的工作腔中放置硬質(zhì)粒子或摩擦件，可以實(shí)時(shí)、有效地去除沉積表面的積瘤、毛刺等缺陷，改善沉積層質(zhì)量，獲得子層均勻連續(xù)的多層膜。實(shí)施例二。如圖1-4所示。一種多元噴射電沉積加工多層膜裝置，它包括環(huán)形回轉(zhuǎn)基體1 ；組分A加工單元2 ； 轉(zhuǎn)子流量計(jì)3 ；流量調(diào)節(jié)閥4 ；過(guò)濾機(jī)5 ；攪拌器6 ；磁力泵7 ；組分A電沉積液8 ；水浴槽9 ； 加熱器10 ；溫控儀11 ；加熱器12 ；水浴槽13 ；組分B電沉積液14 ；磁力泵15 ；攪拌器16 ；過(guò)濾機(jī)17 ；流量調(diào)節(jié)閥18 ；轉(zhuǎn)子流量計(jì)19 ；組分B加工單元20 ；電源21，如圖1所示，兩種組份的電沉積液分別存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)儲(chǔ)液箱8、14中，儲(chǔ)液箱8、14分別安裝在對(duì)應(yīng)的水浴槽9、13 中，水浴槽9、13中安裝有加熱器10和12以便對(duì)其中的水進(jìn)行加熱進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)液箱8、14中的不同組份的沉積液進(jìn)行加熱，儲(chǔ)液箱8、14中的溫度可通過(guò)對(duì)應(yīng)的溫控儀11加以控制，其中還安裝有使溫度均勻的攪拌器6、16。其中，儲(chǔ)液箱8中的沉積液在磁力泵7的作用下抽出，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器5過(guò)濾后送入組份A噴射加工單元2的長(zhǎng)條形噴嘴中，在長(zhǎng)條形噴嘴與過(guò)濾器5之間的管道上還可安裝流量計(jì)3以控制噴射速度，噴射后的沉積在工作腔中的沉積液再通過(guò)回流管回流至儲(chǔ)液箱8中，為了防止沉積液流量過(guò)大，在過(guò)濾器5的出口端連接有一個(gè)流量調(diào)節(jié)閥4，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥4可以將多余的沉積液直接回流至儲(chǔ)液箱8中。儲(chǔ)液箱 14中的沉積液在磁力泵15的作用下抽出，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器17過(guò)濾后送入組份B噴射加工單元 20的長(zhǎng)條形噴嘴中，在長(zhǎng)條形噴嘴與過(guò)濾器17之間的管道上還可安裝流量計(jì)19以控制噴射速度，噴射后的沉積在工作腔中的沉積液再通過(guò)回流管回流至儲(chǔ)液箱14中，為了防止沉積液流量過(guò)大，在過(guò)濾器17的出口端連接有一個(gè)流量調(diào)節(jié)閥18，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥18可以將多余的沉積液直接回流至儲(chǔ)液箱14中。本實(shí)施例(圖1)中的每個(gè)噴射加工單元均連接有單獨(dú)的電源21上，兩個(gè)長(zhǎng)條形噴嘴的出口端應(yīng)位于同一水平面上。在一個(gè)處理室 中，計(jì)算機(jī)控制回轉(zhuǎn)基體1旋轉(zhuǎn)，連續(xù)經(jīng)過(guò)組分A加工單元2和組分B加工單元20，每一個(gè)加工單元的沖擊射流均可以同時(shí)對(duì)環(huán)形基體表面進(jìn)行快速的掃描電沉積。圖2為處理室的結(jié)構(gòu)示意圖，整個(gè)處理室可根據(jù)需要利用隔壁板22分為多個(gè)工作腔，并使隔壁板22與回轉(zhuǎn)基體1 之間具有很好的密封。圖3為添加實(shí)時(shí)研磨時(shí)處理室的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3 (a)為添加硬質(zhì)粒子后的結(jié)構(gòu)示意圖。硬質(zhì)粒子25堆放在單獨(dú)的工作腔中，并緊貼環(huán)形基體表面，在這個(gè)工作腔的底部可以添加振動(dòng)源，促使硬質(zhì)粒子高頻振動(dòng)，以更有效地研磨沉積表面。圖 3 (b)為添加摩擦件后的結(jié)構(gòu)示意圖，可以利用恒張力裝置將摩擦件26貼緊環(huán)形基體表面。 圖4為添加多個(gè)加工單元時(shí)處理室的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖4 (a)為添加3個(gè)加工單元后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4 (b)為添加4個(gè)加工單元后的結(jié)構(gòu)示意圖。這種結(jié)構(gòu)可以制備兩種以上組分的多層膜。圖4 (a)中，通過(guò)控制組分A加工單元2、組分B加工單元20、組分C加工單元25交替放電沉積，可以實(shí)現(xiàn)任意子層組分、子層厚度的排列組合，而圖4 (b)中，通過(guò)添加一個(gè)組分D加工單元25，可以使這種排列組合更趨于多樣化。本發(fā)明的原理和過(guò)程如下環(huán)形基體1采用可導(dǎo)電的材料，如石墨、不銹鋼、鋁合金等加工而成；由計(jì)算機(jī)控制環(huán)形基體連續(xù)經(jīng)過(guò)同時(shí)供電的組分A加工單元2和組分B加工單元20進(jìn)行交替電沉積，也可以通過(guò)控制電源21的通斷電，形成一種組分給定的膜層厚度后，再進(jìn)行下一組分的電沉積；可以采用硬質(zhì)粒子25或摩擦件26對(duì)沉積表面進(jìn)行實(shí)時(shí)研磨，有效去除沉積表面的積瘤、毛刺等缺陷，改善多層膜的質(zhì)量；不同組分的電沉積液通過(guò)各自獨(dú)立的溫控儀11保持溫度恒定，利用攪拌器6、16進(jìn)行攪拌，通過(guò)磁力泵7、15實(shí)現(xiàn)循環(huán)過(guò)濾。本發(fā)明未涉及部分如電噴射沉積的原理、電源等均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種多元噴射電沉積加工多層膜的方法，其特征是它包括以下步驟首先，使被沉積環(huán)形基體以設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)；其次，在環(huán)形基體的周?chē)O(shè)置多個(gè)噴射加工單元，每個(gè)噴射加工單元之間通過(guò)隔板分隔；第三，在環(huán)形基體轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，使各噴射加工單元按設(shè)定的次序向環(huán)形基體的表面噴射電沉積液，在環(huán)形基體表面至少形成兩層組份相同或不相同的電沉積，形成所需層數(shù)的多層膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元噴射電沉積加工多層膜的方法，其特征是所述的環(huán)形基體在傳動(dòng)裝置的帶動(dòng)下，連續(xù)經(jīng)過(guò)同時(shí)供電的多個(gè)噴射加工單元進(jìn)行交替電沉積，在環(huán)形基體旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，形成與加工單元數(shù)相應(yīng)的多層膜，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制噴射加工單元交替放電沉積，形成一種組分給定的膜層厚度后，再進(jìn)行下一組分的電沉積，由此可以實(shí)現(xiàn)任意子層組分、子層厚度的排列組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元噴射電沉積加工多層膜的方法，其特征是所述的環(huán)形基體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)電沉積液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)使電沉積液經(jīng)加工單元的噴嘴噴射到環(huán)形基體表面形成掃描電沉積，然后回收、過(guò)濾，并通過(guò)溫控系統(tǒng)調(diào)控電沉積液的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元噴射電沉積加工多層膜的方法，其特征是通過(guò)控制電源和改變噴嘴尺寸、電沉積液成分或陰極轉(zhuǎn)速，以獲得不同組分和組織結(jié)構(gòu)的多層膜，所述的多層膜的子層可以是純金屬或合金，子層的厚度不小于lOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元噴射電沉積加工多層膜的方法，其特征是在所述的加工噴射加工單元之間設(shè)置有放置硬質(zhì)粒子或摩擦件的工作腔，控制工作腔中的硬質(zhì)粒子或摩擦件與環(huán)形基體表面相接觸，以實(shí)時(shí)、有效地去除環(huán)形基體沉積表面的積瘤、毛刺缺陷，改善沉積層質(zhì)量，獲得子層均勻連續(xù)的多層膜。
6.一種多元噴射電沉積加工多層膜裝置，其特征是它包括環(huán)形基體，該環(huán)形基體被安裝在處理室的中心并能在傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下以設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)；多個(gè)噴射加工單元，所述的每個(gè)噴射加工單元由陽(yáng)板、陽(yáng)極腔和長(zhǎng)條形噴嘴組成，每個(gè)長(zhǎng)條形噴嘴位于處理室中對(duì)應(yīng)的工作腔中并與所述的環(huán)形基體的待沉積表面相對(duì)，每個(gè)長(zhǎng)條形噴嘴的出液口應(yīng)處于同一水平面內(nèi)，所述的工作腔由處理室中的隔板分隔形成，每個(gè)噴射加工單元均連接有獨(dú)立的電源、電沉積液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多元噴射電沉積加工多層膜裝置，其特征是在未安裝長(zhǎng)條形噴嘴的工作腔中安裝有硬質(zhì)粒子或摩擦件，所述的硬質(zhì)粒子或摩擦件在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下與環(huán)形基體的表面相接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多元噴射電沉積加工多層膜裝置，其特征是所述的驅(qū)動(dòng)裝置為促使粒子發(fā)生高頻振動(dòng)的機(jī)械式或電磁式裝置；或使摩擦件與沉積表面保持恒張力貼緊并可以沿回轉(zhuǎn)基體軸線方向上下抖動(dòng)的機(jī)械式或電磁式裝置。
全文摘要
一種多元噴射電沉積加工多層膜的方法及裝置，其特征是在回轉(zhuǎn)基體周?chē)謩e安裝著兩個(gè)或多個(gè)噴射加工單元，使上述回轉(zhuǎn)基體保持旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多種組分的同步噴射電沉積。本發(fā)明可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)多層膜的組分、調(diào)制波長(zhǎng)、微觀結(jié)構(gòu)等參數(shù)的精密調(diào)控，人為設(shè)計(jì)和制備所需特性的多層膜，制備兩種或兩種以上子層交替的多層膜，這些多層膜的子層可以是純金屬、合金等，晶體結(jié)構(gòu)也可以多種多樣，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)約成本、高效快捷、容易控制、加工過(guò)程足夠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C25D5/10GK102330126SQ20111026933
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者劉志東, 沈理達(dá), 王桂峰, 田宗軍, 高雪松, 黃因慧 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)