納米複合塗層的開發—更小、更硬、更好

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在這個納米科技被認為是當今科學發展的重要里程的年代,當人們對細小裝置的需求愈來愈殷切、當儀器讓我們可以製備細小裝置,當設備讓我們可以分析及量度細小物件的結構和特性,更重要的是當納米粒子帶來更佳的特性,塗層技術的發展自然而然也會朝著這個方向邁進。 

加入開發納米科技的行列

為了解決傳統塗層的缺點,尋得更優良的特質,世界各地的科學家都致力開發新的超硬塗層—納米複合塗層。城大也不甘人後,利用大學的設備、技術和專業人才,加入開發納米複合塗層的行列。

城大的先進塗層應用研究實驗室(Advanced Coatings Applied Research Laboratory,ACARL)於2002年獲香港特區政府創新科技署撥款730萬港元,加上香港模具協會及香港金屬製造業協會等機構的贊助,展開了一項有關納米複合塗層的研究工作。參與是項研究的學者包括物理及材料科學系 程海東 講座教授、 朱劍豪 講座教授與製造工程及工程管理學系 張漢民 博士、 李國恩 博士、 沈耀根 博士和 周志烽 博士。「納米複合塗層是一個頗新的研究領域,我相信我們的研究是香港首項獲得創新科技署撥款的同類研究。」 程海東 講座教授說。

超硬塗層的需求

納米複合塗層的硬度高達40GPa(千兆帕),算是一種十分堅硬的材料,為向被視為地球上最堅硬的天然材料—天然金剛石(100GPa)—的40%,是氮化鈦(20GPa)的雙倍,高速鋼(5?GPa)的五倍。千兆帕是一個國際使用的量度壓強單位,一千兆帕相等於109牛頓/每平方米。

如果在一些經常受到摩擦及磨損的工件表面加上硬質塗層如氮化鈦(TiN)或類金剛石(DLC),工件將更加耐磨及耐用。雖然塗層的硬度很重要,但附著力、抗氧化能力及低摩擦系數亦不能忽略。

氮化鈦及類金剛石塗層的硬度高而且用途廣泛,是目前較普遍的塗層,但仍然存在著一些缺陷。類金剛石塗層的硬度高而摩擦系數低,用於切割塑膠及玻璃物料時可延長工件的使用壽命,但由於類金剛石塗層的主要成份是碳,所以並不適用於含有鐵的材料,因為鐵會把碳溶解。此外,類金剛石塗層亦不適宜應用於高速切削,在超過400℃至500℃的高溫下類金剛石塗層便會失效。氮化鈦是一種硬質材料,硬度達20~30GPa,已經採用了20年。周博士說,氮化鈦在裝飾及切削方面的的用途廣泛,接近一半的硬質塗層採用氮化鈦,可是氮化鈦的抗氧化度很低,在500℃以上的高溫便會氧化。

組成和微結構決定超硬度

納米複合塗層的超硬度及新特性可以為解決上述問題帶來希望。利用城大現有的沉積設備及技術,如物理氣相沉積磁控濺射技N、真空陰極電弧沉積技術、等離子體浸末式離子注入技術及離子束沉積技術,研究小組正集中發展四類納米複合塗層,分別是氮化鈦/氮化鋁(nc-TiN/nc-AIN)、氮化鎢/氮化硅(nc-W2N/a-Si3N4)、氮化鈦/氮化硼(nc-TiN/nc-BN)及氮化鈦/氮化碳(nc-TiN/a-CNx)。

研究小組的研究之一是把硅加進氮化鈦以增加其硬度。數年前德國已有學者利用物理氣相沉積磁控濺射式技術進行上述測試。研究小組以同樣的方法在城大作進一步的研究,發現加入7-10%的硅有助提高硬度。

納米複合塗層的超硬度亦受到微結構的影響。塗層的粒子大小必須要達到納米等級,即10-9米(一納米等於10億分之一米),才可以形成超硬度。「粒子的大小若細至納米等級,物理、化學及電子特性就會出現變化。」周博士說。他以銅作為例子,銅是導電體,但若結構變成納米結構就會變為不導電。「納米複合塗層有趣的地方不僅在於粒子縮小至納米等級,而且其納米結構亦帶來了新特性和效果。」程教授說。納米複合塗層一般包含兩相,可以是納米晶和非晶物質的結合,例如氮化鈦和氮化硅,或納米晶和納米晶的結合,如氮化鈦和氮化鈦。當兩相通過熱力學驅動力產生兩相分離,形成的穩定界面將防止晶粒邊界的滑動。以氮化鈦/氮化硅為例,沉積時達到某個溫度,氮化硅就會組成晶粒界面,阻礙氮化鈦晶粒擴大。「氮化硅就如一堵牆。」周博士說。「正如用石頭建築一般,氮化鈦是石頭而在晶粒邊界的氮化硅就是水泥,它把氮化鈦牢牢鎖著,氮化鈦的粒子就不會擴大。」周博士說,細小的粒子會變得更硬、更能抵抗外力。

令人鼓舞的開始

除了硬度較高和耐磨,納米複合塗層的抗氧化能力亦較高,不會如氮化鈦般在高溫下氧化。由於納米複合塗層具有熱的穩定性,即加熱時結構不會變化和分解,避免了類金剛石塗層中碳會被鐵溶解的問題。納米複合塗層的沉積溫度可以低過400℃至500℃,所以適用於不同的材料,例如鋼這一類在溫度達800℃時會變軟的材料亦適用。此外,納米複合塗層的沉積過程簡單,所以適合工業應用。

是項由製造工程及工程管理學系和物理及材料科學系共同合作的項目於2002年4月展開,為期三年。其他合作夥伴包括英國TeersCoatingsLtd、美國的通用汽車公司及伊利諾州大學、澳洲的悉尼大學、日本的東京大學及台灣的SurfTek公司。「我們的首要目標是製備超硬度達

40GPa的納米複合塗層。」周博士說。「事實上我們已經很接近這個目標。」研究小組亦曾經用一個加上了納米複合塗層的鑽嘴進行測試,結果令人鼓舞。在苛刻的環境中,沒有加上納米複合塗層的鑽嘴只能鑽出很小量的鑽孔,甚至是鑽不出孔來,但若加上塗層則可鑽約200個孔。「不過這還是在實驗室測試的階段,要正式應用到工業上還需要進行更多的測試。」先進塗層應用研究實驗室主任兼製造工程及工程管理學系副教授李國恩博士說。

應用在高速切削的可行性

高速切削是製造業未來的發展方向,也是納米複合塗層可以大派用場的一個領域。高速切削的環境十分苛刻,不但溫度高而且要求工件能抵受強烈的摩擦,所以對切削工具的質素要求甚高。除了可保護鑽嘴並增加其使用壽命,納米複合塗層還可省卻使用既昂貴又污染環境的冷卻液,在歐洲及美國已經開始有人呼籲工業界採用乾高速切削。當研究小組完成他們定下的超硬度目標,便會進一步研究納米複合塗層的附著力,因為無論塗層如何堅硬和優良,其附著力也不容忽視。之後,小組將研究它的抗磨損度及在高速切削上的應用。

不同情況選用不同塗層

至於納米複合塗層是否較傳統塗層優勝,甚至可以取代傳統塗層,李博士和程教授均認為要視乎應用範圍。「納米複合塗層可能在某些情況有更佳效能,但不代表它適用於所有情況,所以不能一概而論。」李博士說。「不同的用途需要不同的塗層,絕不能說某一種勝過另一種。」程教授說。應用在摩擦工序時,廠商需要硬度及耐磨的塗層,鐘錶製造商可能講求顏色,太陽電池的廠商需要的是透明度及導電功能。「如果塗層是應用在相同的環境和範圍,我們還可以作比較,否則就不宜作出比較。」程教授說。「我們怎可以拿橘子跟蘋果相比!」

納米複合塗層是一個頗新的領域,世界各地的研究都是在起步階段。目前大部分的研究都集中在瞭解塗層的硬度和結構上,有關它在工業上的應用還是很有限。周博士說:「我們希望從了解塗層的組成著手,最終把它發展至高速切削及在其他苛刻環境上應用。」不論在基礎研究或是應用研究,納米複合塗層的研究都是值得開拓的。

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