物理气相沉积（PVD）中使用的主要气体是氩气。 这是因为氩气是一种惰性气体，这意味着它在过程中不会与涂层材料发生化学反应。然而，也会有意引入其他“活性”气体，如氮气或氧气，以制造特定的、高度耐用的复合涂层。
气体的选择是PVD工艺的基础。它决定了您是在表面沉积纯材料，还是主动创建一种全新的、高性能的化合物作为涂层本身。
气体在PVD工艺中的作用
尽管PVD在高度真空的腔室中进行，但气体是一个关键的功能性元素。它不仅仅是填充物；它是使整个过程成为可能介质。
惰性主力：氩气
氩气是大多数PVD应用的首选，特别是在一种称为溅射的方法中。
它的主要作用是产生等离子体。当在低压氩气环境中施加高电压时，氩原子被电离，产生带正电的氩离子（Ar+）。
这些离子随后被电场加速，撞击源材料（“靶材”），例如一块纯钛。这种高能轰击会物理性地将原子从靶材上撞击下来，这些原子随后穿过真空并沉积到您的基材上，形成一层薄而纯的薄膜。
活性成分：活性气体
有时，目标不是沉积纯金属，而是在表面形成更坚硬的陶瓷化合物。
这通过反应性PVD实现。在此过程中，活性气体如氮气、氧气或乙炔（碳的来源）与氩气一起被引入真空腔室。
当金属原子从靶材溅射出来时，它们在到达基材的途中与气体发生化学反应。例如，钛原子会与氮气结合形成金色的氮化钛（TiN）涂层，它比纯钛坚硬得多。
关键气体选择及其结果
引入的特定气体决定了涂层的最终性能。这是一个高度受控的过程，其中气体混合物根据所需结果进行调整。
氩气 (Ar)
当目标是沉积靶材的纯薄膜时，单独使用氩气。例如，仅用氩气溅射铝靶材将产生纯铝涂层。
氮气 (N₂)
氮气是最常见的活性气体。它用于形成坚硬、耐磨的氮化物涂层。常见的例子包括氮化钛（TiN）和氮化铬（CrN），它们以其耐用性和低摩擦性而闻名。
氧气 (O₂)
引入氧气以创建氧化物涂层。这些薄膜，如氧化钛（TiO₂）或氧化铝（Al₂O₃），通常因其优异的耐腐蚀性、介电性能或特定光学特性而使用。
理解权衡
选择气体是基于最终目标的深思熟虑的决定，它涉及工艺控制和最终性能方面的关键权衡。
纯度与性能
仅使用氩气可确保沉积薄膜的最高纯度，与源材料完全一致。引入活性气体则牺牲了这种纯度，以创建具有增强性能（如卓越的硬度或耐腐蚀性）的新化合物。
工艺简单性与复杂性
纯氩气工艺相对简单。然而，反应性PVD需要精确控制气体流量和分压。轻微的不平衡可能导致涂层化学成分不正确，性能不佳。
材料兼容性
气体和工艺的选择也与基材材料有关。某些材料，如锌或未镀锌的黄铜，不适合高真空工艺，因为它们会“放气”，释放出蒸汽，污染腔室并干扰所需的气体反应。
为您的目标做出正确选择
您选择的气体与涂层部件的最终功能直接相关。
- 如果您的主要关注点是纯粹的装饰性或导电性金属表面： 您将使用惰性气体（如氩气）来沉积靶材，而不发生任何化学变化。
- 如果您的主要关注点是最大硬度和耐磨性： 您将使用活性气体（如氮气）来形成坚硬的陶瓷化合物，例如氮化钛。
- 如果您的主要关注点是卓越的耐腐蚀性或耐化学性： 您很可能会使用活性气体（如氧气）来形成稳定的、非反应性的氧化层。
最终，理解每种气体的作用将PVD工艺从简单的涂层方法转变为表面工程的精确工具。
总结表：
| 气体类型 | 常见示例 | 在PVD中的主要作用 | 所得涂层示例 |
|---|---|---|---|
| 惰性气体 | 氩气 (Ar) | 产生等离子体以溅射纯金属原子 | 纯钛 (Ti) |
| 活性气体 | 氮气 (N₂) | 与金属反应形成坚硬的氮化物 | 氮化钛 (TiN) |
| 活性气体 | 氧气 (O₂) | 与金属反应形成耐腐蚀氧化物 | 氧化钛 (TiO₂) |
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