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我公司与中国科学院金属研究所、东北大学合作

2017-04-27 点击量:

采用镀膜技术在工件表面做几十纳米到几十微米的涂层,以很小的消耗就可以很大程度的提高工件的耐热、润滑、耐磨损、抗电子侦查和电子干扰等机械性能和电子性能,提高战场生存能力,提高如手机部件等的美观和耐用性、提高汽车零部件如活塞环等的节能性能和寿命,提高各类模具的使用寿命,提高刀具和刃具的切削速度、进给速度和切削效率等等,在军事、工业生产等许多领域有很现实的应用。
目前国内开发和生产的此类设备,与国外高端的镀膜装备相比,无论在设备性能还是镀膜工艺上都存在很大的差距,销售价格也相差3到10倍,同时进口镀膜装备对我国军事领域的使用做了严格的限制。镀膜装备其主要差距是在镀膜核心技术上,如镀膜的靶和弧源等这些关键部件性能,因此研发用于提高靶和弧源的等离子体密度和离化率的相关等离子体加强技术,以获得镀膜装备更高的工作特性、沉积速率和沉积质量,是实现优质镀膜涂层的获得的技术核心和关键。这些工作我们与国外知名企业差距比较大,也是我们前一段时间和今后的工作重点。
        本项目就是要实现这样的进步目的。5年来我们在此领域已经做了很多工作,例如采用了复合磁场控制弧源的阴极弧离子镀装备,及磁控溅射镀膜装备,已经成功为美资控股亚洲第四大汽车零部件生产企业亚新科集团双环公司开发了汽车活塞环镀膜装备,为日本东京一步上市的荏原-JCU(现更名为JCU)公司开发了彩色镀膜设备,在此技术基础上,我们与中国科学院金属研究所和东北大学合作,通过参照国外高端镀膜装备而又不模仿其技术,而是在从技术原理出发通过技术开发手段,研发出获得高密度和高离化率的关键技术和部件,准备以专利等自主知识产权的方式,采用复合磁场控制弧源与磁控溅射技术,通过研制可以提高磁场强度和改善分布、大幅度提高电子产额、提高等离子体密度、大幅度提高膜材在等离子体区离化率、提高靶材利用率、增大弧源面积、使涂层表面的大颗粒显著减少,研制出自己的高密度和高离化率的等离子体增强型镀膜装备和相应的工艺,并且在项目执行的阶段里实现商业销售,获得2000万以上的销售额。
       高密度、高离化率等离子体增强镀膜技术是欧美知名公司的核心技术,彼此之间相互防范和竞争,对中国更是防范,因为从逐利角度,随着中国近些年的发展,已经是他们的最大新兴市场,而从政治角度,不希望用于军事目的。为此他们一方面向中国高价销售该类镀膜设备,并且签订严格的不得自我维修和仿制的合同约定(虽然设备的技术水平不是他们最高端和性能最好的),另一方面近年在中国开设镀膜厂,引导中国的市场,为他们持续占领中国市场进行布局。
       对于技术核心的部件,国外知名公司各自独立研发和使用,绝不会单独销售。清华大学摩擦学国家重点实验室承担2004年国家重大专项(数控机床和机床装备)中的镀膜相关课题,科友真空为其设计和制造镀膜工艺研究的装备,清华大学需要购置1个进口的弧源配套。清华项目负责人邵教授和渠洪波总经理一起参加在美国召开的2011国际镀膜大会,准备在大会期间与参展所有的国际知名公司洽谈来解决此问题,洽谈的国外厂家其中五家直接拒绝,另外一家讲:单独卖1个弧源要100万美金,但清华大学是中国知名大学,如果配合做示范展示的话,整台镀膜设备可以120万美金优惠卖给学校。这些刺激我们神经的例子还有很多,因此依据物理原理基础上的设备相关关键部件技术和整机的开发工作,接近和达到国外的技术水平,无论从市场角度,从国家发展角度,还是我们个人的心理感受角度,都需要真正的努力去做成,达到足以与之抗衡的水平。
前期沈阳科友真空与日本JCU公司合作,成功为该公司开发了磁控溅射彩色镀膜设备,自2011年开始该公司为日本卡西欧公司镀制手表的彩色涂层,JCU回馈我们说卡西欧在亚洲没有找到其它能够替代的镀膜。这几年日本和中国一些镀膜公司在模仿,但都没有成功。而为亚新科集团双环公司开发的阴极弧离子镀装备,今年五一前已经投产,而该设备旁边就有5年前从欧洲进口的HAUZER公司生产的同类设备,我们的镀膜效果已经达到该设备的镀膜水平,用户很满意我们的镀膜质量。该设备HAUZER公司采用了10厘米电磁多弧源,而科友真空采用了自主开发的10厘米电磁与永磁复合的多弧源。
有了这些技术基础,科友真空已经在与中科院金属所和东北大学进行合作,合作的目的是瞄准国外去年和今年的技术水平,开发出国内新一代的具有自主知识产权的高密度、高离化率等离子体镀膜的关键部件和装备,并开发一些相应的镀膜工艺。
      沈阳科友真空渠洪波博士一直从事真空技术和装备的开发设计制造和生产组织工作,以他为主的技术开发队伍有很好的真空技术基础和设备研发能力,自成立经20年的发展和筛选,汇聚成一支充满激情不满足现状和对国外企业不服输的实干队伍,这支队伍已经做出很多有益的工作,而且可以在今后做出更多有更大的意义的工作。
中科院金属所雷浩博士的科研组笃志真空等离子体镀膜技术和工艺研发,他本人归国后很快建立起相关设备和团队,在努力做相关研究,而且已经有很好的科研成果,需要进行技术转化变为生产力,在产业得到应用。
东北大学蔺増博士所带领的课题组一直在从事真空等离子体技术的理论和理论验证的实验研究,对真空等离子体理论和技术有很深的造诣,一些实际应用技术和部件的开发需要理论的指导,而理论又需要通过技术实践由实际应用进行检验和验证,在产业领域进行实际使用,以提升中国自己的相关设备水平,蔺増博士的工作符合这些特点。
渠洪波、雷浩和蔺増博士本来就是很好的朋友,都有对国外高端设备占据国内市场的不服气和想改变这种局面的坚定信念,而且具备合作精神和吃苦耐劳的品质,以及企业生产组织管理水平和科研水平,以三人为主的合作是典型的产学研合作,优势互补,自去年起开始合作,已经取得收获。为了能够投入更多的精力和工作时间,今年年中相继通过协议方式进行规范,相信通过优势互补,产学研结合,能够取得更大的成绩,解决一些国家需求。
       本项目是以产学研合作方式,从真空等离子体理论和应用技术出发,以国外最新相关部件和装备的实际效果为目标,进行自我创新而不是单纯仿制,在已有技术积累和技术队伍基础上,发展高密度、高离化率等离子体增强镀膜技术的部件和装备,并且开发一些相应镀膜工艺,一个是解决国内产学研合作以往的革命不彻底性;二是通过自主研发,以专利和技术诀窍的方式,动摇和打破西方国家的技术壁垒,为国产高端镀膜技术和装备寻觅新的发展道路;三是通过为国内企业提供高端镀膜设备,降低这些企业或行业的装备采购和生产成本,与国外竞争时获得更大的竞争能力。四是解决部分涉及军事目的的使用目的,例如科友真空现在与美国西南研究院(SWRI)合作在国内推广等离子体增强磁控溅射(PEMS)技术,并且在国内已经实现销售,但因为美国商务部批准的限制,不能够用于中国的军事目的,中航工业北京航空制造工程研究所(北京625所)的老用户拟购买用于飞机发动机部件的镀膜,SWRI的律师组给予否决。五是通过高密度、高离化率等离子体增强镀膜技术的部件和装备的研发,实现高端镀膜技术和装备的中国化,从国家角度,先进的技术和装备靠别人是靠不住的。自力更生、艰苦奋斗,有骨气和有志气,在不远的将来赶上和超过世界先进水平,不仅利国,对我们三个合作方和整个团队的个人角度,除了利益外,更主要的也是获得一种心理愉悦、快乐满足和人生的意义。
       这些关键部件和装备应用广泛,可应用于手机、数控机床、机械加工、航空航天、汽车制造、医疗器械、电子产品等行业,使加工效率更高、生产成本更低、产品性能更优,更加节能、更加环保。例如科友真空与国内有色金属领域知名上市公司在签约中等离子加强型磁控溅射真空镀膜机,该装备镀膜的应用领域就是电子抗干扰目的,涉及国防应用领域,事关产品性能的水平。再如电镀镀铬,因为有毒有害在世界各地包括国内在逐步进行限制,而真空镀铬,在提高等离子体密度和离化率,镀膜质量和速度都会提高,生产成本可以控制在与现有水电镀接近,可以达到取代目的。
       太阳城申博从事真空设备的研制与制造已有十多年的历史了,有丰富的真空镀膜设备的设计制造经验,产品在国内外都有很好的声誉。与日本荏原优吉莱特株式会社合作开发的回旋式磁控溅射镀膜设备获得2012年国家科技型中小企业技术创新基金支持,已批量生产,并成功销往辽宁科技大学、江西科技师范大学、香港纳米及先进材料研发院有限公司、印尼CV.EL SHADDAI、北京恒佳永勤科技发展有限公司、深圳市金瑞凯利生物科技有限公司、北京鑫瑞新材料有限公司、杰希优(深圳)科技有限公司(日本JCU)等国内外多家院校和企业,设备稳定性高,镀膜均匀,用户非常满意。
       为亚新科集团仪征双环活塞环有限公司生产的多弧离子镀设备也已经交付用户使用,设备运转状况良好。与美国西南研究院合作的刀具硬质镀膜技术也完成了样机的设计,并被中国地质大学(北京)预订。这些都为本项目的设计和生产提供了经验并奠定了良好的基础。在这些技术和制造基础上,针对高密度、高离化率等离子体增强镀膜技术和装备的研发工作已于2015年的3月份开始,公司已为本项目的前期研发工作投入了110万元的资金,用于样机的设计,原材料、配套件的采购及加工。同时,与金属所雷浩课题组的合作也于3月份开始,与东北大学蔺増课题组的合作于5月份开始,并且与蔺増老师积极组织国内的表面工程装备联盟,拟担任联盟副主席,为团结国内同行共同奋斗做积极准备。
       技术指标:本项目所采用的主要(关键)技术及应达到的技术性能指标为
(1)在原来的10厘米弧源基础上,开发新型的16厘米电磁和永磁磁场控制弧源,使得其使用寿命达到4000Ah;靶材利用率达到50%;
(2)开发的新型高密度、高离化率等离子体镀膜技术装备,极限真空达到1.0×10-4Pa,抽气速率1小时达到1.33×10-3 Pa,加热温度500℃,沉积速率达到2.5微米/小时,装炉量达到600件以上;
(3)新型膜系能够提高工具切削距离达到25米以上,耐指纹膜疏水性达到110°,硬度达到7H;1000g力指定橡皮在镀膜面反复擦拭2500次,没有划痕或剥落,划擦后接触角达到100°;光学透过率损失低于5%;
(4)制备的薄膜的粗糙度控制在0.2微米以内。
        主要研究内容:
(1)关键技术及核心部件研制。包括磁场模拟及控制技术、大尺寸磁场控制弧源以及高离化率磁控靶设计技术。
(2)真空系统设计/制造技术。包括流体力学分析、系统优化设计技术以及制造技术。
(3)镀膜装备/工艺一体化研究。包括等离子体诊断、闭环控制技术以及先进膜系的开发工艺。
(4)产品的外观工业设计和内部布置的国际化,使得设备从外观到内在部件符合国际审美观念和质量标准,包括电气设计的标准化。
        创新内容“
(1)理论技术创新:
将具有高离化率和较快沉积速率的阴极电弧离子镀技术和成膜均匀性好可大面积镀膜的磁控溅射技术相结合并采用磁场控制等方法,有效提高离化率和等离子体的密度,减少大颗粒液滴对涂层的影响,开展有关类金刚石碳膜(DLC)等硬质涂层薄膜的研究。同时在实验研究过程中通过对DLC等涂层结构的试验方案包括控制薄膜生长过程中的粒子能量、掺杂和制备梯度结构等方法进行性能优化,以达到对于沉积薄膜涂层结构的精确控制,为其后的项目大规模工业生产应用的实施打下坚实的基础。
(2)关键部件技术创新:
在结合电弧技术和磁控溅射技术的基础上,采用类似空心阴极或离子源等工作原理产生大束流的电子或电子云,在电场和磁场作用下,延长运动轨迹,碰撞轨迹上的等离子体中的原子和分子,提高工作气体和镀膜物质的离化率和等离子体密度,以提高涂层的质量和沉积速率。
(3)整机装备技术创新:
结合电弧技术和磁控溅射技术,在结构设计上优化,使得装备更利于高密度、高离化率等离子体的产生和维持,以获得优质的硬质涂层。
(4)复合镀膜工艺创新:
在自主知识产权的制备高密度、高离化率等离子体增强镀膜装备的上,研发独立的避开国外工艺专利的稳定可靠有效的涂层工艺,并进一步指导装备改进和拓展拓宽该镀膜技术和装备的应用空间。
(5)实际应用创新:
涂层应用市场的创新也是我们的目的。如据eMarketer最新研究报告称2016年全球智能手机数量将达到21.6亿台,而到2018年,将有50%的手机为智能手机。如今的智能手机在手指滑动屏幕中会产生指纹印,同时手机框容易磨损且框色彩较单一,一定程度上影响了手机的屏幕阅读效果和美观程度。在如此庞大智能手机市场里,通过复合工艺镀膜提高触摸屏耐指纹特性、中框(边框)的耐磨性及色彩的多样性,延长手机使用寿命和提供装饰多样性将具有极其重要的实际应用价值。