从髋关节置换到大型强子对撞机，我们的新技术是如何改进这一切的-英国谢菲尔德哈勒姆大学

Arutiun Ehiasarian教授和Papken Hovsepian教授，来自国家HIPIMS技术中心

在过去的二十年里，我们的涂层技术已经推广到了全球，它改进了髋关节置换术、喷气发动机，甚至提高了太空卫星的性能。

我们长期以来一直在谢菲尔德哈勒姆大学研究材料和涂料。20年前，我们取得了突破。

我们的高功率脉冲磁控溅射（HIPIMS）技术可以用于制备高强度专业涂层，它彻底改变了从喷气发动机到髋关节置换术等一系列产品的性能。

作为这项技术的世界领导者，世界各地的公司都在争先与我们合作。我们已经与许多企业建立了伙伴关系，带来了数亿英镑的销售额并创造了许多就业机会。

从本质上说，开发这项技术是为了改善人们的生活。我们为开发出HIPIMS而感到自豪，我们也会继续努力将其推广到更多行业。

它是如何运作的？

HIPIMS的全称为高功率脉冲磁控溅射技术，它是等离子体气相沉积（PVD）技术的革命性更新，主要应用于表面处理和涂层领域。

PVD为成千上万的产品制备了重要的保护层，包括汽车发动机、生物医学植入物、喷气发动机和微电子行业的许多产品。

但多年来，这些涂层一直不可避免地受到生长缺陷和针孔的影响，这使他们的使用寿命大大降低。

最先进的磁控溅射（SOA）或电弧蒸发技术可以产生一种金属蒸汽，它在处理过的组件表面凝结形成涂层。通过向目标表面发射高能离子，你可以在任何物体（只要它是以固态形式存在）的表面分离出原子并形成一层金属膜，这一技术的应用前景是无限广阔的。

但这些SOA技术形成的图层通常密度较低，会产生一些空隙、大颗粒或针孔，这可能会导致图层内部被腐蚀或受到其他极端环境攻击，例如高温氧化等，从而缩短产品的寿命。

经过各种实验，我们决定将标准磁控等离子溅射装置的耗散功率提高一百倍。这会产生极高密度的等离子体，因此燃烧的沉积材料会被电离，并以更高的能量到达表面。这种助燃剂不含有大颗粒物质，允许原子和离子在表面上更自由地移动，从而形成无缺陷的涂层。

令我们高兴的是，我们发现由HIPIMS技术制备的涂层既高度致密，又具有强附着力。由于使用了离子金属助熔剂，并设法通过加速电场将涂层材料植入部件表面，因此图层与基体的粘接力非常强。该技术已经申请了专利并商业授权给全球许多大型涂料系统制造商和涂料终端用户。

为了让每个人都能接触到这项技术，我们必须使它具备商业用途。我们与波兰的Trumpf Hüttinger公司合作，设计并向市场推出了世界上第一个生产级HIPIMS等离子体发生器。

HIPIMS技术现在被广泛应用于专业领域，用以制造出更好的喷气发动机、卫星、汽车发动机、发电站、生物医学植入物、微电子和抗菌涂料等。

最成功的应用案例之一是骨科植入物，如用于髋关节和膝关节置换。

由于人类的寿命越来越长，许多人在年轻时就进行了髋关节置换手术，我们的目标是增加关节植入物的使用寿命，使其比使用者的寿命更长，从而避免他们再次进行手术。我们还希望能阻止植入物将金属离子泄露到人体内。

我们新涂层的原料是陶瓷，它可以在髋关节或膝关节植入物周围形成一层坚韧的膜，防止任何金属离子的泄露，增加产品的使用寿命。这种特殊的HIPIMS技术已授权给世界上最大的医疗设备公司之一——Zimmer Biomet公司，并转让给涂层供应商英国爱恩邦德公司，从而制备出英国最大的商用HIPIMS涂层设施。

我们还与欧洲核子研究中心（CERN）合作，该研究中心拥有世界上最大、能量最高的大型粒子对撞机。我们的铌涂层作为超导体，科学家们可以通过它传递高电流从而产生更强的电磁场。

利用HIPIMS技术，我们提高了粒子加速器的加速潜力，为世界上最先进的物理学研究提供了帮助，并加深了我们对宇宙的理解。

我们在谢菲尔德哈勒姆实验室开发并升级的HIPIMS技术现在已在世界各地得到广泛应用，下一阶段我们会对其进行数字化转型，使其仍然保持世界领先地位。

在研读我们发表的论文后，许多公司请求与我们合作，以求在自己的工艺流程中实施HIPIMS技术。这将创造出价值数亿英镑的销售额和大量的就业机会。

2014年，在劳斯莱斯和Zimmer Biomet等世界各地公司的帮助下，我们成立了国家HIPIMS技术中心。该中心使我们能够为企业提供更多项目，同时这些项目也会让我们进一步获得研究资金。

我们还与Fraunhofer IST联合举办了世界唯一一个专注HIPIMS技术的国际会议。每年，来自世界各地的150名学者和工程师来到谢菲尔德，了解最新研究进展并相互交流。

这里是许多研究和工业项目的发源地，新设备、新应用的研究计划——一切都在这里进行。

该会议得到了美国真空镀膜协会、表面工程协会、亨利•罗伊斯爵士先进材料研究所、英国国家先进制造中心的大力支持，同时也获得了许多工业公司的赞助，如Hauzer TechnoCoating、Ionbond、Trumpf Hüttinger和CemeCon等公司。

由于我们的研究成果，我们还获得了许多称号和荣誉。我们二人都成为了英国物理研究所研究员，并获得了著名的美国真空镀膜协会导师奖。Ehiasarian教授也是美国真空镀膜协会的研究员，以及欧洲物理学会2018年等离子体创新奖得主。

他还收到了来自各行各业的赞赏，包括英国爱恩邦德公司、波兰Trumpf Huettinger公司、和日本Oike公司等。

能获得这些荣誉，我感到非常荣幸。这说明了研究中心的每个人都在辛勤工作。

尽管我们在全球取得了成功，但是能促使我们早起的仍然是一些基础的科学问题——解决来自大自然的谜题。最后，我们可以用它来帮助社会，做一些对我们所有人都有用的事情。