真空陰極電弧離子鍍(Cathode Vacuum Arc Ion Plating，CVAIP)，也叫真空電弧沉積(Vacuum Arc Deposition，VAD)或者電弧離子鍍(Arc Ion Plating，AIP)等， 是在電弧放電技術的基礎之上發展起來的一種鍍膜技術，電弧在真空環境中在靶面進行放電產生等離子體，然后離子以一定的能量沉積到工件表面形成膜層，屬于物理氣相沉積(PVD)方法的一種。美國的Multi-Arc公司和Vac-Tec公司最早將該技術投入使用。電磁復合場的引入實現了對陰極斑點的可控，更是加快了真空陰極電弧離子鍍的發展，使其成為涂層制備領域的主要方法之一。 

       真空陰極電弧離子鍍具有離子能量高、離化率高、離子繞射性好、膜層致密、 膜基結合力高等一系列優點。陰極電弧離子源可以廣泛應用于各種離子注入設備，如金屬離子源全方位離子注入(Me PIII)；離子能量高則使得電弧離子鍍膜層的膜基結合力優于其它 PVD 工藝(如磁控濺射、蒸鍍等)。因此真空陰極弧成為制備一系列膜層的重要方法，例如類金剛石硬質膜層、復合成分硬質膜層、金屬化合物膜 層、多層納米結構膜層等。 

1、真空陰極電弧離子鍍原理 
       真空電弧是指從負電極上由于其特有的電子發射機理能通過大電流的自持放電現象。陰極電弧是真空電弧的一種，之所以被稱為陰極弧，是因為放電過程中陰極材料不斷被消耗，陰極材料放電形成大量離子。真空條件下電弧引燃后，由于收縮區的作用，在觸發電極離開的瞬間，導電的有效面積迅速縮小，局部電流密度迅速升高，導致陰極靶面局部區域溫度迅速升高，陰極材料內部的自由電子能量增大，從而克服表面勢壘逸出陰極表面，形成“熱電子發射”；電弧產生之后，陰極表面區域將產生大量的工作氣體離子和靶材離子，使得陰極表面附近氣壓增高，分子自由程縮短，在靶材表面形成等離子體正空間電荷層，該電荷層距陰極表面的距離很短(1μm)，將產生極強的電場(109~1010V/m)，在這個強電場作用下，陰極表面將 發生“場致電子發射”，因此真空陰極電弧是熱—場致電子發射機制。 

       目前人們提出了許多模型來解釋陰極弧斑的放電機理，被廣泛使用的一種模型如圖1所示，電弧通過短路引燃后，陰極弧斑迅速在陰極靶材表面產生，陰極材料離化形成的大量離子在距弧斑很短的距離內堆積形成正離子云，產生極強的電場，在陰陽極之間形成自持弧光放電。在放電過程中，電弧放電的大電流集中于陰極材料表面，將產生多個直徑數微米的陰極弧斑。每個陰極斑點尺寸與陰極材料有關，大約在5~10μm，流經的電流 20~40A。由于弧斑面積很小，所以陰極斑點處電流密度可以達到105～108A/m2，該電流密度會導致弧斑區的功率密度很大(可達1013W/m2的數量級)，弧斑微小區域的靶材固相材料在如此大的功率密度作用下將發生氣化并幾乎全部電離。真空陰極電弧的電弧電流正比于陰極弧斑的數量，即電弧電流的增加只是增加了陰極弧斑的數量，流經弧斑的電流并沒有改變。

       （1）被吸引到陰極表面的金屬離子形成空間電荷層，由此產生強電場，使陰極表面上功函數小的點(晶界或微裂紋)開始發射電子，見圖1 (a)；
       （2）個別發射電子密度高的點，電流密度高。焦耳熱使其溫度上升又產生了熱電子，進一步增加了發射電子，這種正反饋作用使電流局部集中，見圖1 (b)；
       （3）由于電流局部集中產生的焦耳熱使陰極材料局部地、爆發性地等離子化而發射電子和離子，然后留下放電痕，這時也放出熔融的陰極材料粒子，見圖 1 (c)；
       （4）發射的離子中的一部分被吸引回陰極材料表面，形成了空間電荷層，產生了強電場，又使新的功函數小的點開始發射電子，見圖1 (d)。 

       這個過程反復地進行，弧光輝點在陰極表面上激烈地、無規則地運動?；」廨x點通過后，在陰極表面上留下了分散的放電痕。 
       由于每個弧斑的壽命只有幾納秒和其快速連續的發生，所以給人以電弧連續運動的印象，但實際上，真空陰極弧是一系列的弧斑產生-熄滅-產生事件。陰極弧斑區可產生 3~6×1026m-3的等離子體密度，只比固態陰極材料低1~2數量級，產生的等離子體以極快的速度擴散進入真空環境，擴散速度約為1~2×104m/s，而且離子速度與陰極材料的種類及離子的電離態關系很小。從陰極表面出來的離子會帶有一部分能量，大小在20~100eV 之間。其它PVD方法例如磁控濺射產生的離子從陰極表面出來后不會具有這么高的能量，這是陰極弧沉積的膜層性能比較優異的根本原因。陰極弧斑不但會在靶材表面產生高密度的等離子體，而且還會噴射出尺寸0.1~10μm的大顆粒，大顆粒會降低膜層性能。 

2、真空陰極弧離子鍍特點及應用 
       真空陰極弧離子鍍的設備構造相對簡單，向靶材供電的電源由直流焊機提供即可，具有以下特點: 
       （1）陰極弧不斷旋轉運動，不產生固定熔池，可以于真空室適當位置任意設置，多個陰極弧源可以同時設置利用，提高弧運動穩定性，增大真空室內等離子體密度，改善膜層厚度均勻性。 
       （2）陰極材料離化率高，離化率可達80%以上。離子從陰極表面出來后會帶有大小在 20~100eV之間的能量，等離子體離化率和平均能量很高，使得等離子體化學活性很高，容易將工作氣體和反應氣體激發和電離?；w附件等離子體密度大，膜層沉積速率高，利于提高膜基結合強度和改善膜層性能。 
       （3）一個電弧源可以有多種用途，陰極弧既可以用來鍍膜作為蒸發源和離化源，又可以用作加熱源和爐內高壓清洗的離子源。 
       （4）入射離子能量高，膜層的致密度高，強度和耐磨性好，基體和膜界面有原子擴散，因而膜基結合力高。由于沉積到基體表面的是帶有一定能量的離子，所以這些離子在基體表面有較高的遷移率，能夠消除基體表面的孔洞結構，得到高度均勻致密的無缺陷薄膜。 

       真空陰極弧離子鍍也有一定缺點，靶材在高電流密度下爆炸離化時會產生大顆粒，尺寸在0.1~10μm不等，大顆粒的存在會降低膜層微觀成分的均勻性，膜 層性能會因為大顆粒的存在而下降。 

       近十幾年來，真空陰極弧離子鍍技術逐漸完善，已廣泛應用于裝飾、航天航空、機械加工等領域，許多系列的膜層都可以采用真空陰極電弧離子鍍方法來沉積，例如金屬薄膜、金屬氧化物膜、合金膜、氮化物膜、非晶硅膜，非晶碳膜等。高速鋼刀具涂層是真空陰極弧成功的應用之一，例如經過TiN涂層的高速鋼刀具比沒有涂層的高速鋼刀具硬度提高 2~3倍，耐磨性大大提高，服役壽命延長1~5倍。真空陰極電弧離子鍍膜技術在鉆頭、齒輪刀具、銑刀等大多數抗磨損高速鋼刀具中都有大范圍應用。在汽車零部件上應用也十分廣泛，例如在活塞頂部、活塞環、汽缸套等直接與燃氣接觸的發動機零件上鍍制一層耐氣蝕、耐磨損、隔熱的復合膜，可以提高這些零部件的抗高溫性能，降低其冷卻要求并且對降低噪聲有很大幫助。真空陰極電弧離子鍍制備的黑色氮鈦膜層可以用于提高航天用球軸承表面的耐磨性，中國第一代特殊用途衛星測量照相機的鏡片托架、鏡筒、支撐框架、焦面框架等件采用的都是鈦合金材料，其表面處理采用的是真空陰極電弧離子鍍黑色氮鈦 膜層。采用真空陰極電弧離子鍍工藝鍍制的NiCrAlY熱障涂層已成功地應用于航空發動機渦輪葉片的表面處理，真空陰極電弧離子鍍還被廣泛應用于沉積類金剛石膜層，其制備的ta-C膜層硬度最高可達80GPa，摩擦系數低于0.1。目前為止，采用真空陰極電弧方法沉積的類金剛石膜層與天然金剛石性能是非常接近的。