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pvd真空镀膜的具体原理是什么?

作者:admin 发布日期:2017-07-04 关注次数: 二维码分享

PVD(Physical Vapor Deposition)---物理气相沉积:指利用物理过程实现物质转移,将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。它的作用是可以使某些有特殊性能(强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等)的微粒喷涂在性能较低的母体上,使得母体具有更好的性能。


这就使得某些简单易得的材料通过PVD处理之后,具有材料改性难以达到的性能,从而在一定程度上满足了人们对美观、质感、耐候等的需求,下面介绍PVD的基本知识,希望对刚入行的朋友有所帮助:

手机镀膜

装饰件材料(底材)

1.金属:不锈钢、钢基合金、锌基合金等。


2.玻璃、陶瓷。


3.塑料:abs、pvc、pc、尼龙等。


4.柔性材料:涤纶膜、pc、纸张、布、泡沫塑料、钢带等。


装饰膜种类

1.金属基材装饰膜层:TiN、ZrN、TiC、CrNx、TiCN、CrCN、TiO2、Al等。


2.玻璃、陶瓷装饰膜层:TiO2、Cr2O3、MgF2、ZnS等。


3.塑料基材装饰膜层:Cu、Ni、SiO2、TiO2、MgF2。


4.柔性材料装饰膜层:Al、TiO2、ZnS等。


部分金属基材装饰膜颜色

金属基材装饰膜的种类和色调很多。表1为部分金属基材装饰膜的种类及颜色。


表1 部分金属基材装饰膜的种类及颜色膜层种类


装饰膜种类

色调

TiNx

浅黄、金黄、棕黄、黑色

TiC

浅灰色、深灰色

TiCxNy

赤金黄色、玫瑰金色、棕色、紫色

TiN+ Au

金色

ZrN

金黄色

ZrCxNy

金色、银色

TiO2

紫青蓝、绿、黄、橙红色

CrNx

紫青蓝、绿、黄、橙红色

TixAl-Nx

金黄色、棕色、黑色

TixZrAl-Nx

金黄色

真空镀膜

图:真空离子镀制土豪金膜层,来源于黄金屋科技


装饰膜的镀制工艺

1.金属件装饰膜镀制工艺


比较成熟的镀膜技术有电弧离子镀、磁控溅射离子镀和复合离子镀。下面分别从各类镀膜技术中选取一种具有代表性的典型镀制工艺进行介绍。


1.1用电弧离子镀的方法为黄铜电镀亮铬或镍手表壳镀制ticn膜。


采用小弧源镀膜机和脉冲偏压电源;


(1)工件清洗、上架、入炉


工件在入炉之前要经过超声波清洗、酸洗和漂洗三道工序。


首先是在超声波清洗槽中放入按使用要求配制的金属清洗剂,利用超声波进行脱脂、清洗。清洗之后,进行酸洗,它可以中和超声波清洗时残余的碱液,还能起到活化处理的作用。然后进行漂洗以彻底除去酸液,漂洗时必须采用去离子纯净水或蒸馏水。经过三洗后,即时进行烘干,温度一般控制在100℃左右,时间为1h左右。也可以风吹干后马上人炉。


(2)镀膜前的准备工作


①清洁真空镀膜室。用吸尘器将真空镀膜室清洁一遍。当经过多次镀膜时,真空镀膜室的内衬板还需作定期清洗,一般是半个月清洗一次。


②检查电弧蒸发源。工作前,要确保电弧蒸发源发源安装正确,绝缘良好,引弧针控制灵活,程合适,恰好能触及阴极表面。


③检查工件架的绝缘情况。工件架与地之间的绝缘必须须良好,负偏压电源与工件架的接触点点必须接触良好。


以上几项工作确保没有问题后,才可以关闭真空镀膜室的门,进行抽气和镀膜。


(3)抽真空


真空抽至6.6 x 10-3pa。开始是粗抽,从大气抽至5pa左右,用油扩散泵进行细抽。在粗抽时,可以烘烤加热至150℃。伴随镀膜室温度的升高,器壁放气会使真空度降低,然后又回升,等到温度回升到6.6 x 10-3pa时方可进行镀膜工作。


(4)轰击清洗


①氩离子轰击清洗


真空度:通人高纯度氩气(99.999%)真空度保持在2~3pa。轰击电压:800~1000v。轰击时间:10min.


此刻在真空镀膜室内发生辉光放电,放电产生的氩离子以较高的能量撞击工件表面,将工件表面吸附的气体、杂质和工件表面层原子溅射下来,露出材料的新鲜表面。


②钛轰击


真空度:通人高纯度氩气使真空度保持在2 x 10-2pa。脉冲偏压:400~500v,占空比20%。电弧电流:60~80a,轮换引燃电弧蒸发源,每个电弧蒸发源引燃1~2min。


(5)镀膜


①镀钛


真空度:通人高纯度氩气,真空度保持在2 x 10-2pa。脉冲偏压:200~300v,占空比50 %。电弧电流:60~80a,引燃全部弧源,时间2~3min.


②镀ticn


真空度:通人高纯度氮气使真空度保持在(3~8) x 10-1pa,然后再逐渐加大c2h2气体,随着c2h2气体量增大,色泽由金黄一赤金黄一玫瑰金一黑色变化。控制n2与c2h2两种气体的比例可以达到预定的色度。


电弧电流:50~70a。脉冲偏压:100~150v,占空比60 %~80 %。沉积温度:200℃左右。镀膜时间:10~20min,膜层厚度0.2~0.5μm。


(6)冷却


镀膜工序结束后,首先关闭电弧电源和偏压电源,然后关闭气源、停转架。工件在真空镀膜室内冷却至80~100℃时,向镀膜室内充大气,取出工件。



图:手机五金件PVD镀膜,来源于黄金屋科技


1.2用磁控溅射离子镀技术为黄铜电镀亮铬的卫生洁具镀制zrn膜。采用基材为锆的非平衡磁控溅射靶和中频电源,以及脉冲偏压电源。


(1)抽真空


5 x 10-3~6.6 x 10-13pa本底真空。加热温度应在真空室器壁放气后又回升到100~150℃。


2)轰击清洗


真空度:通人氩气真空度保持在2~3pa。轰击电压:800~1000v,脉冲占空比20%。轰击时间:10min。


(3)镀膜


①沉积锆底层


真空度:通入氩气,真空度保持在s x lo-1pa。靶电压:400—550v,靶功率15 n 30w/crrr2。脉冲偏压:450~500v,占空比20 %。镀膜时间:5~10min。


②镀zrn膜


真空度:通入氮气,真空度保持在(3~5) x 10-1pa。靶电压:400~550v,靶电流随靶的面积增大而加大。脉冲偏压:150~200v,占空比80 %。镀膜时间:20~30min。


由于磁控溅射技术中金属离化率低,不容易进行反应沉积,获得化合物膜层的工艺范围比较窄。可采用气体离子源将反应气体离化,扩大反应沉积的工艺范围。也可以采用柱状弧源产生的弧等离子体作为离化源,柱状弧源还是辅助镀膜源。


(4)冷却


镀膜结束后,首先关闭磁控溅射靶电源、偏压电源,然后关闭气源、停转架。工伫件在真空镀膜室中冷却到100℃时,向镀膜室充大气,取出工件。


1.3用复合涂层离子镀方法为黄铜电镀亮镍的手表壳镀制tin十au+ si02膜。


采用电弧、磁控溅射、中频或射频溅射离子镀多功能镀膜机,在真空镀膜室壁上安装6个小平面弧源钛靶镀tin,中心安装柱状磁控溅射黄金靶镀金,壁上安装2个矩形平面磁控溅射si02靶或si靶镀si02。采用直流偏压电源。


(1)工件清洗、上架、入炉。方法同前。


(2)抽真空:本底真空最好达到6.6 x 10-3pa,烘烤加热温度为150℃左右。


(3)轰击清洗。方法同前,包括氩轰击和钛轰击两种方法。


(4)镀膜


①沉积钛底层


真空度:通入高纯氩气,真空度保持在5 x 10-2pa。电弧电流:50~70a,引燃全部弧源,时间为2~3min。偏压:400~500v。


②沉积tin膜


真空度:通入高纯氮气,真空度保持在s x lo-1pa。偏压:100~200vo电弧电流:60~80a。沉积时间:10~20min,膜层厚度0.1~0.5μm。


③掺金镀


真空度:通入高纯氮气,真空度保持在5 x 10-2pa。偏压:100~150v。电弧电流:60a(真空镀膜室上、中、下各点燃1个源)。磁控溅射金靶电压:400—500v,电流3~5a;时间:1min。


④镀金


真空度:通入氩气,真空度保持在3 x 10-1pa。偏压:100~150v。溅射靶电压:400~550v。时间:5-10min。


⑤沉积si02


真空度:通入高纯氩气,真空度8 x 10-2pa或5x 10-1pa。中频(射频)电源功率:200~500w。时间:10~20min。


4)冷却:首先关闭中频(或射频)电源,然后关气源,停转架。工件在真空室内冷却到80-100℃时,向真空室充空气,取出工件。该工艺也叫掺金镀或ipg,最后一层si02是透明的,是保持金膜的,它可以延长金膜的磨损时间,根据客户的要求可有可无。



2.塑料件装饰膜的镀制工艺


塑料制品镀金属膜的工艺也称塑料金属化。为了填充塑料制品毛坯上的缺陷,提高表面光亮度和塑料与金属膜的结合力,在镀膜之前需要上底漆。为保护膜层还需上面漆。底漆、面漆由溶剂、树脂、助剂组成,按比例、顺序加入,混合搅拌。底漆、面漆一般采用溶剂型涂料,近几年出现了紫外线硬化涂料,它可以扩展塑料制品的应用领域。


塑料制品装饰膜的pvd技术有两种:真空蒸发镀和磁控溅射镀。真空蒸发镀设备结构简单、操作简便并且生产效率高,是目前广泛采用的塑料件的镀膜技术。

图:塑料门牌金色PVD镀膜

2.1塑料制品装饰膜的真空蒸发镀工艺


一般塑料制品的真空蒸发镀膜机有卧式和立式双室(蚌形)两种。镀膜的工艺流程是:清洗脱脂——上架——涂底漆一固化——蒸发镀膜一涂面漆一固化——下架一染色——检验。


下面具体介绍镀膜的流程。


(1)来料检验。


(2)干燥。待镀件来料时含较多水分,需进行干燥处理3~5h,温度为50~60℃。


3)上架。一般注塑时基本按真空镀膜要求生产,因此待镀件表面一般油污较少,经过一般的擦拭就可上架,但是来料油污多时需进行去污处理。方法是用市售洗洁剂逐件刷洗、漂洗、烘干。油污严重时还需用清洗剂在50~60℃,浸泡15~20min进行脱脂处理。


(4)除尘。这道工序是保证镀膜质量的关键之一,方法有两种:一种是用吸尘器对准上好架的待镀件仔细地除尘,能取得较理想的效果;另一种是用高压气“吹尘”的方法,这种方法必须装有油水分离器,但在实际工作中这种方法并不是很理想;还有一种方法是用静电除尘的方法,对质量要求较高时采用。


(5)涂底漆。涂底漆是保证镀膜质量的关键之二,涂底漆的目的是提高镀件表面的光洁度和光亮度;提高膜层结合力。


(6)烘干。涂漆流平后需进行干固处理,方法有红外线加热法、电热加热法及紫外线(uv)固化法等。固化温度为60~70℃,固化时间为1.5~2.5h。


(7)镀膜。镀膜是保证镀膜质量的关键。


镀膜前的准备工作:①钨丝的处理:一般采用φ0.75mm的3根绞合钨丝,用金属清洗剂将钨丝浸泡20~30min,60~90℃进行脱脂之后,彻底地漂洗烘干备用;②铝丝的处理:用纯度为99.9%~99.99%的铝丝或铝箔制成的蒸发舟进行碱处理,将铝丝浸泡在10%~15%的naoh溶液中2~3min,进行水汝洗3-5次,烘干2h备用。


镀膜操作:待镀件上架,并装上钨丝,然后入炉,检查接触是否良好,转动正常,关真空室。抽真空:油扩散泵已预热1h;开机械泵,开粗抽阀、进行粗抽3—5min;开罗茨泵,开真空计测量真空达2~2.5pa;关粗抽阀,开前置阀,开高阀,进行细抽至(1~2) x 10-2pa即可蒸镀。真空度越高,膜层质量越好。


蒸镀:预熔的目的是除去铝丝、钨丝上的残余气体。此时,从真空计上可以看见真空度是下跌的,当真空由下跌转为上升,并回到本底真空时,可进行蒸发。蒸铝:作为装饰膜蒸铝时的真空控制在(1~2) x 10-2pa,蒸发采用快速蒸发可减少氧化概率,又不会使膜层的组织结构变粗;因而,可减少散射损失,提高反射率。


冷却充气:蒸铝以后,即可充气出炉。


(8)涂面漆。保护金属膜层,为着色工序做准备。


(9)着色。面漆彻底固化后可进行染色处理。根据客户要求,将不同颜色按按一定的比例进行配制,常用的配制24k金可用黄粉、金粉和红粉;配制黑色用黑粉、绿粉和蓝粉。为加强镀件的湿润性可加入1 %的冰乙酸,变色温度控制在60~70℃,不要超过80℃。


图:塑料镀膜,金色


2.2塑料件装饰膜的磁控溅射镀膜工艺:


塑料制品磁控溅射镀工艺流程及镀前、镀后处理与蒸发镀相同。


(1)前处理。工件去油污,烘干去水。


(2)上底漆。烘干固化,固化温度为60—65℃。


(3)镀铝,也叫塑料表面金属化。采用柱状磁控溅射工艺镀铝。


(4)上面漆。


(5)着色——冷染或热染。


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