Fysieke Dampafzetting (PVD): Geavanceerde coatingtechnologie voor verbeterde materiaaleigenschappen

De toepassing van coatings op materialen is een van de meest gebruikte strategieën in de industrie om hun eigenschappen te verbeteren. Door depositie van coatings kan een breed scala aan karakteristieken van een materiaal worden verbeterd, van een tribologisch oogpunt tot een esthetisch oogpunt.

In de blog van vandaag presenteren we een technologie die groot potentieel heeft in de toepassing van coatings. Deze technologie is fysieke dampafzetting (PVD).

Wat is fysieke dampafzetting of PVD?

De oorsprong van fysieke dampafzetting (PVD) ontstaat uit de combinatie van elektriciteit, magnetisme en kennis van de chemie in de gastoestand.

Het concept van fysieke dampafzetting ontstond toen coatings die in een vacuümatmosfeer werden toegepast, op de voorgrond kwamen. In die jaren werden verschillende ontwikkelingen in technologieën zoals sputteren of plasma uitgevoerd, waar chemische reacties in de dampfase, thermische verdamping en controle van energiebronnen betrokken waren.

De PVD-techniek is een proces waarbij een dunne film depositie plaatsvindt op het oppervlak van een materiaal, atoom voor atoom groeiend op het substraat. De fysieke depositie van damp bestaat uit een fysisch-thermisch botsingsproces dat het te depositeren materiaal, het doelwit genoemd, omzet in atoomsdeeltjes, die naar de substraten in een gasplasmatoestand worden gericht door een vacuümatmosfeer, een fysieke coating genererend door condensatie van geprojecteerde atomen.

Coatings gedeponeerd door PVD neigen ertoe dunne diktes te hebben, die kunnen variëren van atoomslagen (minder dan 10 angstrom (Å) tot 0,1 nanometer (nm)) tot coatings van enkele micron (dikte van een haardraad).

Wat zijn de meest gebruikte PVD-technologieën?

Ondanks dat het proces van verdamping en ionisatie van het doelwit, dat uiteindelijk de coating op het substraat zal vormen, altijd fysiek van aard zal zijn (vandaar de naam fysieke dampafzetting), zijn er verschillende technologieën die PVD gebruiken voor de toepassing van coatings.

De belangrijkste en meest gebruikte PVD-technologieën zijn:

• Kathodische depositie of sputteren

  In dit type PVD-technologie stelt de versnelling van ionen middels plasma het mogelijk dat de impact van deze met het oppervlak van het doelwit de vrijgave van deeltjes ervan produceert. De ionen overdragen hun kinetische energie aan het oppervlak van het doelwit en verdampen. Dit type PVD kenmerkt zich door het toestaan van de depositie van verbindingen die ontstaan wanneer het doelwit reageert met het gas dat in het plasma aanwezig is. Het meest karakteristieke voorbeeld is de depositie van titaniumnitride (TiN), waarin het aanwezige gas stikstof is en het doelwit titanium, beide reageren om een coating van TiN te geven.

• Thermische verdamping

  Deze type PVD-methodologie kenmerkt zich doordat het doelwit verdampt door een vacuümverhittingsproces en een dampstroom vormt, die het substraat in de proceskamer raakt, resulterend in heching van de coating. In dit proces speelt de vacuümatmosfeer een speciale rol omdat het de contaminatie van de gevormde coating voorkomt.

• Boogdepositie

  In deze PVD-technologie wordt een boog van hoge intensiteit en lage spanning toegepast, de temperatuur verhoogd tot de deeltjes van het doelwit sublimeren, hoog geïoniseerd in de vacuümkamer verdampen. De geïoniseerde deeltjes worden naar het substraat gericht door een potentiaal toe te passen. Bij boogdepositie kan het doelwit fungeren als kathode (kathodeboog) of anode (anodische boog), afhankelijk van zijn aard en de te verkrijgen coating. Net als bij sputterdepositie kunnen coatings met bepaalde samenstellingen behaald worden door de ionen van het doelwit te laten reageren met een reactief gas.

• Ionendepositie (e-beam)

  In deze PVD-techniek vindt de verdamping van het doelwit plaats met dezelfde processen als eerder gezien (sputteren, thermische verdamping of elektrische boog). Het verschil ligt in het gebruik van een bombardement met hoge-energie inerte ionen (vaak Argon) om de op het substraat verkregen coating te controleren en te wijzigen. De belangrijkste kenmerk van deze techniek is dat het toestaat zuivere metallische coatings te verkrijgen zonder atooms contaminatie.

Voordelen en nadelen van PVD

Tegenwoordig beschikken we over een breed scala aan technieken voor het depositeren van coatings. Elke van hen heeft specifieke toepassingen, met hun voordelen en nadelen.

Hieronder presenteren we de belangrijkste voordelen van fysieke dampafzetting.

• Het vereist geen gebruik van chemische reagenten of reinigingspostbehandelingen, dus heeft het een heel laag milieu-impact.
• PVD kan op elk type anorganisch materiaal toegepast worden.
• De door PVD verkregen coatings hebben grote hechtingssterkte, weerstand en duurzaamheid.
• De PVD-techniek stelt groot controle van de samenstelling en dikte van de coatings mogelijk.

De belangrijkste nadelen van PVD zijn:

• Het PVD-proces gebruikt complexe apparatuur, met een zeer hoge kosten
• De productiesnelheid van PVD-coatings is langzaam vergeleken met andere coatingdepositieprocessen.
• De PVD-techniek is beperkt in substraten met complexe geometrieën

PVD-toepassingen

Zoals we PVD aan het begin van deze blog introduceerden, is het de moeite waard de precisie en zuiverheid te benadrukken die fysieke dampafzetting biedt om coatings te verkrijgen. De belangrijkste PVD-toepassingen die momenteel in gebruik zijn, zijn als volgt:

• Metallische coatings om halfgeleider-eigenschappen te geven aan een substraat dat aanvankelijk geen zijn.
• Magnetische filmcoating.
• Coatings voor decoratieve doeleinden, breed gebruikt in de juwelierssector.
• Coatings voor zonnebrillen of spiegels, die optreden als optische interferentiebarrières of reflecterende barrières.
• Conductieve lagen van palladium of koolstof, voor elektronenmicroscopie-monsters.
• Hoge hardheidscoatings van composietmaterialen, slijtvaste en corrosievaste, breed gebruikt voor de verbetering van mechanische gereedschappen.

Projecten uitgevoerd met PVD-technologie door ATRIA

Hieronder tonen we je enkele van de projecten die door het ATRIA-team uitgevoerd zijn waar coatings verkregen met PVD werden gebruikt:

• Ontwikkeling van gouden kleuren met behulp van fysieke dampafzettingstechnologie. In dit project was het doel om verschillende tinten van gouden kleur op metallische substraten te verkrijgen. Hiervoor werd de optimalisatie van het PVD-proces van verschillende metallische doelwitten en reactieve gassen uitgevoerd. Zoals op de foto te zien is, werd verkregen van een intense goud tot een lichtere goud met roze tinten.

• Ontwikkeling van metallische films als barrières tegen corrosie. In dit project trad corrosie op op een metallisch substraat gecoat met verschillende metallische lagen wanneer blootgesteld aan bepaalde omgevingsomstandigheden. De voorgestelde oplossing door ATRIA was de ontwikkeling van een inerte metallische coating onder deze omgevingsomstandigheden en gedeponeerd middels PVD. Het doel van genoemde coating is om grote slijt- en corrosieweerstand te bieden.

Wil je coatings door fysieke dampafzetting toepassen in een van je projecten? Wil je de eigenschappen van je materialen verbeteren door PVD-technologie? Neem contact met ons op!