科學家越界合作提升塗層技術

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試想想以下的情景:一位香港廠商拿著模具到新加坡一家工廠為模具加上塗層,回港後不久,發現塗層不符合要求,又要再到新加坡去。廠商不但浪費時間和金錢,亦削弱了其產品的競爭力。數年前,當台灣、日本、韓國、新加坡、歐洲及美國等地都已有在本土投資的塗層技術,香港還遠遠落後,廠商仍要忍受這種不便。幸好,在科學家們的合作及政府和工業界的支持下,香港現已開始急起直追。 

物理學家與工程師攜手合作

物理及材料科學系主任 程海東 講座教授說:「塗層技術是很有用的技術,應用甚廣。」城大有很多學者對塗層技術素有研究,涉及的範圍廣泛,能夠配合塗層不同的用途。製造工程及工程管理學系的科學家專注研究塗層在滑動面間摩擦、磨損、潤滑的特性和工程上的應用;而物理及材料科學系的科學家則研究塗層在電機、光學、機械、化學和醫學上的應用。前者從工程學的角度研究沉積環境與塗層特性的關係並製備塗層;後者則由材料科學的角度去瞭解塗層合成的過程、微結構與特性的關係。先進塗層應用研究實驗室(Advanced Coatings Applied Research Laboratory,ACARL)的成立,見證了兩個學系在推進塗層技術上的合作。

ACARL的成立

城大於2000年獲香港特區政府創新科技署撥款1,000萬港元,並在工業界的贊助下,正式於2001年12月成立先進塗層應用研究實驗室,由製造工程及工程管理學系副教授 李國恩 博士出任實驗室主任。實驗室旨在向本地工業界推廣先進塗層的應用,引入先進塗層技術以改善各種材料的摩擦、硬度、抗磨損及刮擦質量,開發新塗層為工業界促進科技轉移。

李國恩 博士一向致力於潤滑、塗層、表面工程和摩擦的研究。他跟物理及材料科學系的合作源於1997年。在參與一個國際研討會後李博士對塗層技術產生了很大的興趣,遂向物理及材料科學系的李述湯講座教授取經,並與該系副教授IgorBello博士及李振聲博士合作進行一項有關類金剛石的研究,該項目獲城大資助27萬港元。先進塗層應用研究實驗室集中於兩類塗層:硬質塗層及固體潤滑塗層。硬質塗層如氮化鈦膜及氮化鋁鈦因為抗磨損度高,較適合應用於切割刀具、成形刀具、衝壓器及鑽嘴。固體潤滑塗層如摻鈦鑽石膜、摻鉻鑽石膜及摻金層二硫化膜,可改善物件的耐用度,其保護及潤滑層則可改良物件的表面質素。固體潤滑塗層的摩擦系數低,李博士舉例說,經過打磨的鋼的摩擦系數平均為0.2,加上塗層後,它的平均摩擦系數可降低10倍,至0.02。此外,固體潤滑塗層的潤滑特性可省卻使用液體潤滑劑,適用於塑膠模具及滑動表面。

實驗室首個由兩個學系合作的項目是有關鑽石塗層(DLCcoating)於香港製造業的應用。鑽石塗層是固體潤滑塗層的一種,在工業上的用途廣泛,可用於塑膠、玻璃、陶瓷及金屬,因其顏色黑澤,所以亦適合用作裝飾塗層。

實驗室於2000年展開是項計劃時,日本、新加坡、台灣、歐洲及美國等地在類金剛石技術的應用已有10年歷史,香港卻是剛剛起步。雖然工業界對塗層技術和服務有一定的需求,可是在業界、大學或研究機構的研究和服務郤非常有限。「當時我們便想到利用城大的技術和專門知識把薄膜製造技術從其他國家轉移到香港,配合不同工業的要求,提供塗層分析及質量控制等服務。」製造工程及工程管理學系研究員周志烽博士說。該項目希望透過在金屬、塑膠及玻璃等材料上引入鑽石塗層,以改善它們的硬度和抗磨損及刮擦特性。

開發超硬塗層

先進塗層應用研究實驗室於2002年再度獲創新科技署撥款730萬元資助開發超硬納米複合塗層(見55頁),是項計劃同樣由兩個學系合作。兩個學系之前有關鑽石塗層於香港製造業的應用研究,是把已發展的技術從外地轉移到香港,而這一次納米複合塗層的研究計劃則見證城大正走向塗層技術發展科技的前沿。 程海東 教授說:「我們將合作在香港開發硬度超逾40GPa(千兆帕)的納米複合塗層。」物理及材料科學系的學者負責進行各種表面分析,藉以瞭解塗層結構、密度、形態與合成過程的關係;而製造工程及工程管理學系則研究塗層的沉積和合成,並測試其摩擦性能及在切削上的應用。「兩個學系各展所長,是一次真真正正的合作。」程教授說。

工業界表示歡迎

除了製備塗層及開發新塗層,實驗室亦為工業界提供塗層分析及測試服務。製造商為工件製備塗層之前需要測試塗層薄膜的功能及適用程度。周博士說,由於這些服務需要在設備上注入龐大的投資,對工業界來說並不符合經濟效益,所以他們非常歡迎實驗室提供此項服務。實驗室設置了不同類型的測試設備,如劃痕和磨損試驗機、表面光潔度及輪廓測定儀及原子力顯微鏡等,評估薄膜的機械及結構特性。「商業機構很難有這麼齊備的設備,那是不符合商業原則的。」李博士說。

自成立以來,實驗室已為逾100家公司提供有關服務。「我們的研究成果和研究基礎深得工業界的青睞與信心。」李博士說。有些製造商把實驗室的塗層應用到其產品上並作大量生產,例如一家美國製造商把實驗室提供的類金剛石薄膜應用到所生產的髮剪上,大大提高了髮剪的耐用程度及功能,該公司將於今年在歐洲及美國推出有關產品。一般用鋼製造的髮剪的摩擦系數偏高,使用時會出現過熱和氧化的情況,又需要加入液體潤滑劑。類金剛石塗層可解決過熱的問題並省卻液體潤滑劑的使用,令髮剪更合衛生要求。

未來發展

「實驗室向工業界展示所長和可以提供的服務範圍,可以為工業界建立指標。」李博士說。除了集中開發硬質及超硬塗層,實驗室亦不忘改良現有塗層的質素,例如提高塗層的附著力等。

李博士亦計劃開設一家公司以加強與業界的聯繫。「大學的實驗室有大學作為後盾,較易取得工業界的信心,可是他們也認為我們只提供研究和教育,對業界的需要並不瞭解。」李博士表示成立公司的模式在美國十分普遍,透過成立公司,既可令業界視他們為行內人,又能獲得大學的研究支持,可謂相得益彰。

與工業界保持密切聯繫有助學者了解塗層在實際環境應用時的問題和需要。李博士舉例說,如果只在實驗室內進行研究及測試,是不會瞭解到實際在工件上製備塗層時要先進行的處理過程,如清洗油污等亦可能影響塗層的功能。因此學者在進行應用研究時,一方面要透過成立公司、提供顧問服務,甚至協助生產,與工業界建立夥伴關係;另一方面亦要領導工業界開發新的技術。倘若兩者能夠配合,研究工作的應用價值便可大大提高。「如果我們只顧提供顧問服務及生產而沒有進行研究,知識很快便會乾涸;但若只談研究而不談應用,人們又不會瞭解我們的研究意義,所以兩者必須平衡發展並互補不足。」

香港與內地對塗層服務的需求都有上升的趨勢。程教授說:「香港需要塗層服務的工業製品數以噸計,如模具、鑽飾、手錶、金屬製品、電池及電子產品等。」李博士亦指出,中國現正被視為世界主要製造業中心,所以也是開拓這個市場的時候了。李博士相信塗層的研究正在邁進一個新階段,具有很大的發展潛力。城大的製造工程及工程管理學系和物理及材料科學系的專門知識亦使得城大在塗層技術的發展上具有優勢。他說:「物理學家與工程師研究的角度雖然不同,但如果找到合作的目標和途徑,一定可以有所突破,帶來深遠的影響。」

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