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技术前沿:PVD工艺——电子功能变色龙

发布时间:2021-11-26浏览次数:载入中...
真空镀膜技术是气相物理沉积的方法之一,也叫真空电镀。是在真空条件下,用蒸发器加热镀膜材料使之升华,蒸发粒子流直接射向基体,在基体表面沉积形成固体薄膜。



真空镀膜的应用广泛,如真空镀铝,在塑料等基体上进行真空镀,再经过不同颜色的染色处理,可以应用于家具、工艺品、灯饰、钟表、玩具、汽车灯具、反光镜及柔软包装材料等产品制造中,装饰效果十分出色。



真空镀膜产品其膜面不仅亮度高,质感细腻逼真,同时制作成本较低,有利于环境保护,较少受到基材材质限制的优点,被越来越多的应用在化妆品外壳的表面处理。

一,真空镀膜技术基本原理



真空镀膜过程简单来说就是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,电离出大量的氩离子和电子,电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。



但在实际辉光放电直流溅射系统中,自持放电很难在低于1.3Pa的条件下维持,这是因为在这种条件下没有足够的离化碰撞。因此在低于1.3~2.7Pa压强下运行的溅射系统提高离化碰撞就显得尤为重要。提高离化碰撞的方法要么靠额外的电子源来提供,而不是靠阴极发射出来的二次电子;要么就是利用高频放电装置或者施加磁场的方式提高已有电子的离化效率。



事实上,真空镀膜中二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响,被束缚在靠近靶面的等离子体区域内,该区域内等离子体密度很高,二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动,该电子的运动路径很长,在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材,经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,远离靶材,Z终沉积在基片上。



真空镀膜就是以磁场束缚而延长电子的运动路径,改变电子的运动方向,提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅仅是基片,真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿,因为一般基片与真空室及阳极在同一电势。磁场与电场的交互作用(EXB drift)使单个电子轨迹呈三维螺旋状,而不是仅仅在靶面圆周运动。





二,真空镀膜技术的特点



镀覆材料广泛:可作为真空镀蒸发材料有几十种,包括金属、合金和非金属。真空镀膜加工还可以像多层电镀一样,加工出多层结构的复合膜,满足对涂层各种不同性能的需求。



真空镀膜技术可以实现不能通过电沉积方法形成镀层的涂覆:如铝、钛、锆等镀层,甚至陶瓷和金刚石涂层,这是十分难能可贵的。



真空镀膜性能优良:真空镀膜厚度远小于电镀层,但涂层的耐摩擦和耐腐蚀性能良好,孔隙率低,而且无氢脆现象,相对电镀加工而言可以节约大量金属材料。



环境效益优异:真空镀膜加工设备简单、占地面积小、生产环境优雅洁净,无污水排放,不会对环境和操作者造成危害。在注重环境保护和大力推行清洁生产的形势下,真空镀膜技术在许多方面可以取代电镀加工。





三,真空镀膜技术种类

1.真空蒸镀法



真空蒸镀是将装有基片的真空室抽成真空,然后加热被蒸发的镀料,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸气流,入射到基片表面,凝结形成固体薄膜的技术。

(补充:真空蒸镀是将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华,使之在工件或基材表面析出的过程。(真空蒸镀中的金属镀层通常为铝膜,但其他金属如铬也可通过蒸发沉淀;厚度在30um左右。))



是在真空室中加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸气流入射到固体(称为衬底或基片)表面凝结形成固态薄膜。






根据蒸发源的不同可以将真空蒸镀分为电阻加热蒸发源、电子束蒸发源、高频感应蒸发源及激光束蒸发源蒸镀法。






(1)电阻蒸发源是用低电压大电流加热灯丝和蒸发舟,利用电流的焦耳热是镀料熔化、蒸发或升华。这种方式结构简单,造价低廉,使用相当普遍。采用真空蒸镀法在纯棉织物表面制备负载TiO2织物,紫外线透过率都比未负载的纯棉织物的低,具有好的抗紫外线性能,制备TiO2薄膜时,膜层较均匀,当在玻璃表面蒸镀一层铬钛、镍钛合金等装饰薄膜,装饰效果,光学、耐磨、耐蚀性能良好。



(2)电子束蒸发源利用灯丝发射的热电子,经加速阳极加速,获得动能轰击处于阳极的蒸发材料,是蒸发材料加热气化,实现蒸发镀膜。这种技术相对于蒸发镀膜,可以制作高熔点和高纯的薄膜,是高真空镀钛膜技术中是一种新颖的蒸镀材料的热源。



(3)高频感应蒸发源是利用蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失,从而将镀料金属蒸发的蒸镀技术。这种技术比电子束蒸发源蒸发速率更大,且蒸发源的温度均匀稳定。



(4)激光束蒸发源蒸镀技术是一种比较理想的薄膜制备方法,利用激光器发出高能量的激光束,经聚焦照射到镀料上,使之受热气化。激光器可置于真空室外,避免了蒸发器对镀材的污染,使膜层更纯洁。同时聚焦后的激光束功率很高,可使镀料达到极高的温度,从而蒸发任何高熔点的材料,甚至可以使某些合金和化合物瞬时蒸发,从而获得成分均匀的薄膜。



主要工艺流程:






真空蒸镀有三层:底漆层(6~12um)+镀膜层(1~2um)+面漆层(10um)



装配前处理:

将基材表面杂质、灰尘等用布擦拭干净。



真空蒸镀法具有设备简单,节约金属原材料,沉积Ti金属及其氧化物、合金镀层等,表面附着均匀,生产周期短,对环境友好,可大规模生产等突出优点。



2.溅射镀膜



溅射镀膜是指在真空室中,利用荷能粒子轰击靶表面,使靶材的原子或分子从表面发射出来,进而在基片上沉积的技术。在溅射镀钛的实验中,电子、离子或中性粒子均可作为轰击靶的荷能粒子,而由于离子在电场下易于加速并获得较大动能,所以一般是用Ar+作为轰击粒子。



与传统的蒸发镀膜相比,溅射镀膜可以在低温、低损伤的条件下实现高速沉积、附着力较强、制取高熔点物质的薄膜,在大面积连续基板上可以制取均匀的膜层。溅射镀膜被称为可以在任何基板上沉积任何材料的薄膜技术,因此应用十分广泛。



溅射镀膜有很多种方式。按电极结构、电极相对位置以及溅射的过程,可以分为二极溅射、三极或四极溅射、磁控溅射、对向靶溅射、和ECR溅射。除此之外还根据制作各种薄膜的要求改进的溅射镀膜技术。比较常用的有:



(1)在Ar中混入反应气体如O2、N2、CH4、C2H2等,则可制得钛的氧化物、氮化物、碳化物等化合物薄膜的反应溅射。



(2)在成膜的基板上施加直到500V的负电压,使离子轰击膜层的同时成膜,由此改善膜层致密性的偏压溅射。



(3)在射频电压下,利用电子和离子运动特征的不同,在靶表面感应出负的直流脉冲,从而产生溅射的射频溅射。这种技术Z早由1965年IBM公司研制,对绝缘体也可以溅射镀膜。

  

(4)为了在更高的真空范围内提高溅射沉积速率,不是利用导入是氩气,而是通过部分被溅射的原子(如Cu)自身变成离子,对靶产生溅射实现镀膜的自溅射镀膜技术。



(5)在高真空下,利用离子源发出的离子束对靶溅射,实现薄膜沉积的离子束溅射。



其中由二极溅射发展而来的磁控溅射技术,解决了二极溅射镀膜速度比蒸镀慢得多、等离子体的离化率低和基片的热效应等明显问题。磁控溅射是现在用于钛膜材料的制备Z为普遍的一种真空等离子体技术,实现了在低温、低损伤的条件下高速沉积。自2001年以来,广大的科技研究者致力于这方面的研究,成果显著。



在钢材、镍、铀、金刚石表面镀钛金属薄膜,大大提高了钢材、铀、金刚石等材料的耐腐蚀性能,使得使用领域更加广泛;而镁作为硬组织植入材料,在近年来投入临床使用,当在镁表面镀制一层钛金属薄膜,不仅加强了材料的耐蚀性,而且钛生物体相容性好,比重小、毒性低、更易为人体所接受;在云母、硅片、玻璃等材料上镀上钛金属薄膜,研究其对电磁波的反射、吸收、透射作用,对于高效太阳能吸收、电磁辐射、噪音屏蔽吸收和净化等领域具有重要意义。



除此之外,磁控溅射作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的钛薄膜沉积,可以获得大面积非常均匀的薄膜。包括欧姆接触Ti金属电极薄膜及可用于栅绝缘层或扩散势垒层的TiN、TiO2等介质薄膜沉积。



在现代机械加工工业中,溅镀包括Ti金属、TiAl6V4合金、TiN、TiAlN、TiC、TiCN、TiAlOX、TiB2、等超硬材料,能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能,从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命,应用越来越广泛。



3.离子镀



离子镀Z早是由D.M.Mattox在1963年提出的。在真空条件下,利用气体放电使气体或蒸发物质离化,在气体离子或蒸发物质离子轰击作用的同时,把蒸发物质或其反应物蒸镀在基片上。



离子镀是将辉光放电、等离子技术与真空蒸发镀膜技术相结合的一门新型镀膜技术。它兼具真空蒸镀和溅射镀膜的优点,由于荷能粒子对基体表面的轰击,可以使膜层附着力强,绕射性好,沉积速率高,对环境无污染等好处。



离子镀的种类多种多样,根据镀料的气化方式(电阻加热、电子束加热、等离子电子束加热、多弧加热、高频感应加热等)、气化分子或原子的离化和激发方式(辉光放电型、电子束型、热电子型、等离子电子束型等),以及不同的蒸发源与不同的电离方式、激发方式可以有很多种不同的组合方式。



总体来说比较常用的有:直流放电二极型、多阴极型、活性反应蒸镀(ARE)、空心阴极放电离子镀(HCD)、射频放电离子镀(RFIP)、增强的ARE型、低压等离子型离子镀(LP-PD)、电场蒸发、感应加热离子镀、多弧离子镀、电弧放电型高真空离子镀、离化团束镀等。



由于离子镀膜层具有非常优良的性能,所以越来越受到人们的重视,特别是离子镀TiN、TiC在工具、模具的超硬镀膜、装饰镀膜等领域的应用越来越广泛,并将占据越来越重要的地位。



在钟表行业,因为钛无毒无污染,与人体皮肤接触,不会引起过敏等不良反应,在表带上沉积一层钛膜还能起到表面装饰的作用,可以做成金黄、黑色、灰色、红棕色、橙色等很多种颜色,增加美观效果。



在机加工刀具方面,镀制的TiN、TiC以其硬度高、耐磨性好,不粘刀等特性,使得刀具的使用寿命可提高3~10倍,生产效率也大大提高。



在固体润滑膜方面,Z新研制的多相纳米复合膜TiN-MoS2/Ti及TiN-MoS2/WSe2,这类薄膜具有摩擦系数低,摩擦噪声小,抗潮湿氧化能力较高,高低温性能好,抗粉尘磨损能力较强及磨损寿命较长等特点,被广泛运用于车辆零部件上。



与此同时,离子镀钛也在航空航天,光学器件等领域应用广泛,收效显著。



4.分子束外延



分子束外延(MBE)是一中很特殊的真空镀膜工艺,是在10-8Pa的超高真空条件下,将薄膜的诸组分元素的分子束流,在严格的监控之下,直接喷射到衬底表面。



MBE的突出优点在于能生长极薄的单晶膜层,并且能精确地控制膜厚和组分与掺杂适于制作微波,光电和多层结构器件,从而为制作集成光学和超大规模集成电路提供了有力手段。利用反应分子束外延法制备TiO2薄膜时,不需要考虑中间的化学反应,又不受质量传输的影响,并且利用开闭挡板(快门)来实现对生长和中断的瞬时控制,因此膜的组分和掺杂浓度可随着源的变化而迅速调整。MBE的衬底温度Z低,因此有减少自掺杂的优点。



5.化学气相沉积



化学气相沉积是一种化学生长方法,简称CVD(Chemical Vapor Deposition)技术。这种方法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片,利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源,借助气相作用或在基片表面的化学反应(热分解或化学合成)生成要求的薄膜。



真空镀钛的CVD法中Z常用的就是等离子体化学气相沉积(PCVD)。利用低温等离子体作能量源,样品置于低气压下辉光放电的阴极上,利用辉光放电(或另加发热体)使样品升温到预定的温度,然后通入适量的反应气体,气体经一系列化学反应和等离子体反应,在样品表面形成固态薄膜。



在等离子化学气相沉积法中,等离子体中电子温度高达104K,电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程,生成活性很高的各种化学基团,产生大量反应活性物种而使整个反应体系却保持较低温度。



而普通的CVD法沉积温度高(一般为1100℃),当在钢材表面沉积氮化钛薄膜时,由于温度很高,致使膜层与基体间常有脆性相出现,致使刀具的切削寿命降低。利用直流等离子化学气相沉积法,在硬质台金上沉积TiN膜结构与性能均匀。








四,真空镀膜的优缺点

1.优点



表面有较好的金属质感且细腻。

颜色较水电镀可解决七彩色的问题如魔幻蓝、闪银灯;水电镀颜色较单调,一般只有亮银、亚银等少数几种。

基材材质选用范围广,如PC、ABS、PMMA,(水镀只能选择ABS、ABS+PC)。

通过镀铟锡可做成半透的效果,灯光可以从产品中发出来。

不污染环境。



2.缺点



蒸镀靶材受熔点限制,太高熔点的不易采用。

真空蒸镀不过UV油,其附着力较差,要保证真空蒸镀的附着力,均需后续进行特殊的喷涂处理。





五,真空镀膜涂料

1.底漆



目前除了PET等少数几种塑料材料不需要表面涂装外,大多数塑料尤其是块状工程塑料在真空镀膜之前均需进行底涂预处理。底涂预处理是真空镀膜前处理的一种,可有效提高镀层的附着力、平整度等性能,如等离子处理改善了镀层与基材的附着力。



底涂处于基材和真空镀层之间,其作用主要有:



(1)通过底涂封闭基材,防止真空镀膜时基材中的挥发性杂质逸出,影响镀膜质量;



(2)塑料表面较粗糙,底涂预处理后,可通过涂层获得光滑平整的镜面效果;



(3)在薄膜材料上预涂底漆可进一步加强薄膜的阻隔性;



(4)预涂底漆有利于获得更厚的真空镀层,展现出更高的反射效果和力学性能;



(5)某些表面极性较低的基材如PP等与镀层的附着力较差,通过底漆可获得较好的镀层附着性;



(6)对某些耐热性较差的塑料基材,底涂可以起到一定的热缓冲作用,保护基材免遭热致形变。



由于底漆位于基材和镀膜的中间,其性能应当满足基材和真空镀层两方面的要求,具体包括以下几个方面:



(1)与塑料基材、真空镀层均有较好的粘附性,这是作为真空镀膜底漆应具备的Z基本性能;

  

(2)应具有良好的流平性,这是决定真空镀层是否具有高光泽和镜面效果的关键;

  

(3)不应含有挥发性小分子,主要是指残留单体、挥发性添加剂、挥发性杂质和高沸点溶剂等,其在真空升温环境下会逐渐逸出,从多方面破坏镀膜质量和性能;

  

(4)应具有一定的耐热性,其热膨胀性要和真空镀层的热胀冷缩性能相适应,抗热形变和热分解性能应满足真空镀膜工艺的要求;

  

(5)对于柔性基材,底涂应具有足够的柔韧性,否则易造成镀层连带开裂,甚至崩脱。

  

2.面漆

  

真空镀层通常较薄(不超过0.2 μm),耐磨性等力学性能较差。面漆不仅起到保护镀层的作用,还可赋予真空镀膜制品良好的硬度、耐磨性等力学性能。面漆的主要性能要求包括:

  

(1)对镀层有较高的附着力,这是涂层起保护作用的基础;

  

(2)应具有足够的耐磨性,以保护极薄的真空镀层免受机械擦伤;

  

(3)具有较高的阻隔性,即本身要具有较好的耐水、耐腐蚀性及耐候性,阻止氧气等对镀膜有腐蚀性的物质直接接触真空镀层,保护镀层免受腐蚀;

  

(4)面漆组成本身不能含有可能腐蚀镀层的组分或杂质;

  

(5)对于需要突出光亮度的真空镀膜场合,面漆也应保证有较高的透明性和表面光泽。

  

某些真空镀膜工艺无需面漆,如镀膜材料为铬、不锈钢时,其镀层耐腐蚀性好、硬度高且耐划伤性强,因此对制品性能要求不高时,可不必涂装面漆。





六,蒸发镀膜稳定性与均匀性的控制

1、蒸镀工艺方式的选择



热电阻蒸镀与电子束蒸镀是Z为常见的蒸发镀膜方式,其中热电阻蒸镀的原理是通过电流加热蒸发蒸发舟上的原料,而电子束蒸镀的原理是通过电子束加热蒸发水冷坩埚上的原料。



热电阻蒸镀的优点在于设备简单、价格低、可靠性较高,对原料预热充分,不容易导致化合物原料分解,其缺点在于能达到的温度不高,加热器使用寿命不长。



电子束蒸镀的优点在于能达到的温度更高,蒸发速度快,但缺点是难以有效控制电流,容易导致低熔点材料快速蒸发,且电子束能量多被水冷系统带走,热效率低,电子束轰击还容易造成化合物原料的分解,坩埚存在污染原料的可能性,另外会产生对人体有害的X射线。



因此在具体的真空镀膜生产工作中,我们可以根据以上分析来选择适宜的蒸发镀设备和工艺方式,例如MgF2的熔点只有1261℃,考虑到熔点低如选用电子束蒸镀很难控制预蒸镀时间和电流,容易蒸镀不均匀且产生残留原料,原料也易受坩埚的污染。因而更适合使用热电阻蒸镀的方式,可以调节电流来充分预蒸镀,先消除原料中的杂质,避免直接蒸镀原料受热不均导致的喷溅,进而能够保证蒸镀的稳定性和均匀性。

  

2、蒸镀时间与温度的控制

  

蒸发镀的实际工作经验告诉我们,原料充足情况下镀膜厚度与蒸镀时间呈线性关系,这表明高真空情况下蒸镀速率比较均匀。而基片的温度,通常对镀膜厚度影响不大,其原因在于高真空环境下分子间碰撞很小,蒸发分子遇基片表面迅速凝结。因此如MgF2原料的蒸镀基片温度通常保持60℃即可。

  

3、原料状态的影响

  

不同的原料状态可能会对蒸镀过程造成较大的影响。实验研究成果表明:

  

在蒸镀条件一致的前提下,粉末状的原料状态结构松散,原料内的水与空气较多,实际蒸镀前应充分溶解原料,原料质量损失相对较大,光照度较差;多晶颗粒的原料状态由于生产过程已经除气脱水,结构均匀致密,实际蒸镀前原料质量损失相对较小,光照度较好。

  

实际蒸镀中我们发现,单晶原料蒸镀的薄膜组成形式为大分子团,冷却后形成大颗粒柱状结构,薄膜结构疏松,耐磨性差,而多晶原料薄膜为小分子沉积,更适宜于用作蒸镀原料。

  

4、蒸发源与基片间距的影响

  

蒸发源与基片间距会对薄膜均匀性等造成一定影响,根据实际镀膜经验,蒸发源与基片间距较小的情况下,薄膜厚度相对更大,均匀性也相对更好。因此在实际镀膜生产中,我们需要考虑如何合理调整蒸发源与基片的间距,确保各区域的基片与蒸发源间距Z佳。

  

综上所述,不同方式的蒸镀工艺,不同蒸镀时间,不同原料状态,以及蒸发源与基片间距,都会对蒸镀质量带来一定影响。因此需要在蒸镀过程中选取Z为适合的原料和工艺方式。



PVD工艺——电子功能变色龙

PVD (Physical Vapor Deposition)技术是制备薄膜材料的主要技术之一,在真空条件下采用物理方法,将某种材料气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基板材料表面沉积具有增透、反射、保护导电、导磁、绝缘、防腐蚀、抗氧化、防辐射、装饰等特殊功能的薄膜材料的技术。用于制备薄膜材料的物质被称为PVD镀膜材料。经过多年发展,PVD镀膜技术被广泛用于应用于电子、光学、机械、建筑、材料等领域,溅射镀膜和真空蒸发镀膜是最主流的两种PVD镀膜方式。

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溅射镀膜工艺概念

所谓溅射镀膜是指在真空室中,利用荷能粒子(如正离子)轰击靶材,使靶材表面原子或原子团逸出,逸出的原子在工件的表面形成与靶材成分相同的薄膜,这种制备薄膜的方法称为溅射镀膜。目前,溅射法主要用于形成金属或合金薄膜,特别是用于制作电子元件的电极和玻璃表面红外线反射薄膜。另外,溅射还应用于制备功能薄膜,如液晶显示装置的In2O3 –SnO2透明导电陶瓷薄膜。



溅射镀膜有两种方式:一种称为离子束溅射,指真空状态下用离子束轰击靶表面,使溅射出的粒子在基体表面成膜,该工艺较为昂贵,主要用于制取特殊的薄膜;另一种称为阴极溅射,主要利用低压气体放电现象,使处于等离子状态下的离子轰击靶面,溅射出的粒子沉积在基体上。它采用平行板电极结构,膜料物质做成的大面积靶为阴极,支持基体的基板为阳极,安装于钟罩式真空容器内。为减少污染,先将钟罩内的压强抽到小于l0-3~ 10-4Pa,然后充入Ar,使压强维持在l~10 Pa。在两极之间加数千伏的电压进行溅射镀膜。

与蒸发镀膜相比,溅射镀膜时靶材(膜料)无相变,化合物成分稳定,合金不易分馏,因此适合制备的膜材非常广泛。由于溅射沉积到基体上的粒子能量比蒸发时酌能量高50倍,它们对基体有清洗和升温作用,所以形成的薄膜附着力大。特别是溅射镀膜容易控制膜的成分,通过直接溅射或者反应溅射,可以制备大面积均匀的各种合金膜、化合物膜、多层膜和复合膜。溅射镀膜易实现连续化、自动化作业和规模化生产。但是,由于溅射时要使用高电压和气体,所以装置比较复杂,薄膜易受溅射气氛的影响,薄膜沉积速率也较低。此外,溅射镀膜需要事先制备各种成分的靶,装卸靶不太方便,靶的利用率不太高等。

溅射镀膜工艺的应用领域广泛



P V D真空离子镀膜技术是在真空的环境中将钛、锆、铬、金、石墨等金属材料或非金属材料在各种气体的反应中利用溅射、蒸发或离子反应等技术,在基材上形成一种金属薄膜的表面处理工艺,相对比PVD真空镀膜有很多优点:该工艺对环境无污染,是绿色环保的工艺,对操作人员无伤害,金属膜层硬度高,结合力非常牢固、致密性很好,抗腐蚀性强,而且膜层厚度非常均匀。

真空镀膜的运作原理:物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)技术表示在真空条件下,采用物理方法,将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。

在高真空并且高温的炉内,加入不同的气体,结合散发的离子就能形成不同的颜色,然后发生变化的离子沉积在产品的表层,形成致密膜层。如加入N2,镀出来的颜色是金色;加入C?H? ,颜色就是黑色;加入O2,颜色就会是七彩和蓝色;如加入N2和C?H? ,颜色就会是玫瑰金色等等,所以颜色是各种气体与离子相互交叉产生的效果哦●!

常见的PVD装饰镀膜主要有以下几大色系:

1. N2 C?H?,玫瑰色(rose gold)是一种黄金和铜的合金,由于其具有非常时尚、靓丽的玫瑰红色彩,因而广泛用于首饰设计和加工。又称粉色金(pink gold)、红色金(red gold)。由于这种金属曾经在19世纪初期风行于俄罗斯,因而又称俄罗斯金(Russian gold),不过这一术语现在已经很少使用。

2. N2,金色,用离子镀膜的方式,让靶材上的黄金沉积到要镀的工件之上,一般由仿金层和表面金层两层,表面金层的颜色与24K黄金一样,厚度可以根据客户的要求镀不同的厚度。

3. 仿金系列(包括仿金色和仿玫瑰金),不含黄金,一般成份是由TiN TiCN ZrN ZrCN等陶瓷化合物组成,颜色与IP玫瑰金和IP金接近,但很难达到真金的亮度。

4. Ar,银色,一般是铬的化合物,颜色深浅可以调整,可分冷色系列和暖色系列,冷色系列带蓝调,金属光感好,暖色系列带黄调,接近不锈钢本色。

5. 灰色系列 ,一般成份是钛的化合物或铬的化合物也可以是几种靶材的混合物,颜色深浅可以调整,色调根据客户的要求也可以调整。

6. C?H?,黑色,一般是成份是金属的碳化物,颜色深浅可以调整,可亮可哑,色调根据客户的要求也可以调整,不同的金属碳化物具有不同的特性和色调,可以根据客户的需要选择不同的膜系。

7. O2蓝色,有天空蓝,冰蓝色,海洋蓝,深蓝等等,不同色系成份也有所不一样。

8. 紫色,咖啡色,O2七彩等不常用颜色。

物理气相沉淀(PVD)工艺
物理气相沉淀(PVD)是众多表面处理(金属镀膜)工艺中的其中一种,通过物理的方法在工件表面沉淀成一层薄膜的工艺,相对于电镀来说,PVD属于干法镀膜技术,它不是在溶液中进行,而是在真空条件下,是采用物理方法将材料源(固体或液体)表面气化成气态原子或分子,或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。



PVD的整个流程可以简化成如下:

物理气相沉淀(PVD),由于这种方法基本都是处于真空环境下进行,因此也称真空镀膜技术。PVD按镀料气化的方式可分为:真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空离子镀膜三大类,具体的细分见下图。




PVD为什么要在真空环境下进行?

1、防止气体“污染”,如:镀金属膜时可以防止氧化,

大气中的各种气体对镀膜来说是属于杂质气体,如果不抽真空在镀膜过程中会和膜材料发生反应影响膜材料的纯度,进而影响膜材料的各种理化性能。
2、镀的过程中不会受空气分子碰撞,有较大的动量到达待镀件表面

如果不抽真空,会导致分子自由程过短,对蒸发镀而言,会影响膜材料到达基片的能量,造成附着力低;对溅射镀而言,会影响离子的溅射能量进而影响膜材料到达基片的能量,而如果气体太少,气体分子不能成为离子,没有很多可以轰击靶材,所以也不行(对于蒸发镀,真空度:P ≤ 10-3 Pa,保证蒸发,粒子具分子流特征,以直线运动;对于溅射镀,充氩气后真空度:10-2<P<10Pa,利于辉光放电)。



3、在真空的条件下,镀膜材料的熔点较常压下低

金属或非金属材料的蒸发与在大气压条件下相比容易得多在真空(负压)状态下,镀膜材料的熔点较常压下低,易于融化蒸发(对于蒸发类型的镀膜),大大缩短蒸发时间,提高蒸发效率,以铝为例,在大气压下,铝要加热到2400℃才能大量蒸发,但在1.3MPa的大气压强下,只要加热到847℃就可以大量蒸发。
真空蒸发镀膜

原理:真空蒸发镀膜的原理极为简单,可以简单理解为,在真空室内通过加热使材料靶材蒸发,形成蒸汽流,同时保证待镀件较低的温度,使得靶材在待镀件表面凝固。



真空蒸发镀膜的基本工艺流程:

镀前准备→抽真空→离子轰击→烘烤→预熔→蒸发→取件→膜层表面处理→成品


图:真空蒸发镀膜主要工艺流程

真空蒸发镀膜工艺的优点和缺点:

优点:设备简单、容易操作;成膜的速率快(0.1-50um/min),效率高;制得薄膜纯度高;膜厚可控性好;用掩?梢曰竦们逦耐夹巍
缺点:薄膜的厚度均匀性不易控制;靶材对于镀件几乎没有冲击,薄膜与基片(待镀件)的集合不是十分紧密,附着力不高;此外其镀膜速度较低,绕射性差(对基片的背面以及侧面的沉积能力);蒸发容器有污染的隐患,工艺重复性不好;此方法只适合制备低熔点材料薄膜。

  磁控溅射镀膜

首先理解溅射现象:就像往平静的湖水里投入石头会溅起水花一样,用高速离子轰击固体表面使固体中近表面的原子或分子从固体表面逸出,这种现在称为溅射现象。

真空溅射镀膜工艺有分多种,其中磁控溅射镀膜应用最广,其原理基于高能离子轰击靶材的溅射效应,整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上,即溅射的离子都来源于气体放电(通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电),而放电的过程产生辉光,辉光的产生是因为大量的电子、原子碰撞导致原子中的核外电子受激跃到高能态,而后又衰变到基态并发射出光子,大量的光子就形成辉光。如下:



磁控溅射镀膜的过程如下:

两电极之间存在少量的游离的电子,在电场E的作用下,在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞,使其电离产生出Ar正离子和新的电子。
其中,Ar正离子因带正电荷,在电场作用下加速飞向阴极靶,并以高能量轰击靶表面,使靶材发生溅射,在溅射粒子中,中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。
而新的电子(二次电子)飞向基片,二次电子在加速飞向基片的过程中受到电场和磁场的作用,向产生E(电场)×B(磁场)所指的方向漂移,简称E×B漂移,其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场,则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动,它们的运动路径不仅很长,而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,该区域内等离子体密度很高,并且在该区域中电离出大量的Ar 离子来轰击靶材,从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加,二次电子的能量消耗殆尽,逐渐远离靶表面,并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低,传递给基片的能量很小,致使基片温升较低。


图:磁控溅射的原理

视频:磁控溅射的原理

磁控溅射主要工艺流程:

l)基片清洗,主要是用异丙醇蒸汽清洗,随后用乙醇、丙酮浸泡基片后快速烘干,以去除表面油污;
2)抽真空,真空须控制在2×104Pa以上,以保证薄膜的纯度;

3)加热,为了除去基片表面水分,提高膜与基片的结合力,需要对基片进行加热,温度一般选择在150℃~200℃之间;

4)氩气分压,一般选择在0.01~1Pa范围内,以满足辉光放电的气压条件;

5)预溅射,预溅射是通过离子轰击以除去靶材表面氧化膜,以免影响薄膜质量;

6)溅射,氩气电离后形成的正离子在正交的磁场和电场的作用下,高速轰击靶材,使溅射出的靶材粒子到达基片表面沉积成膜;

7)退火,薄膜与基片的热膨胀系数有差异,结合力小,退火时薄膜与基片原子相互扩散可以有效提高粘着力。



图:磁控溅射主要工艺流程

磁控溅射镀膜与其他镀膜工艺对比:

1、优点:工艺重复性好,薄膜纯度高,可以在大面积的基片上获得厚度均匀的薄膜,磁控溅射相比于蒸镀,磁控溅射能精准控制膜层厚度,沉积薄膜的致密度有所加强,附着力好;不受靶材熔点的限制,对于大部分材料,只要能制成靶材,就可以实现溅射,所以可以沉积金属膜层,也可以沉积非金属膜层、化合物膜层。
2、缺点:成膜速度较蒸镀慢(0.01-0.5um/min),设备结构复杂,溅射靶材一旦穿透就会导致整块靶材的报废,所以靶材的利用率低,成本比蒸镀高。
 真空离子镀膜

真空离子镀是一种结合了真空蒸发镀膜技术和辉光放电等离子体技术的PVD技术。

真空离子镀膜过程如下,分成两步:

1、蒸发源接阳极,工件接阴极(这里跟磁控溅镀相反),当通以三至五千伏高压直流电以后,蒸发源与工件之间产生辉光放电。由于真空罩内充有惰性氩气,在放电电场作用下部分氩气被电离,从而在阴极工件周围形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引,猛烈地轰击工件表面,致使工件表层粒子和脏物被轰溅抛出,从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗。
2、随后,接通蒸发源交流电源,蒸发料粒子熔化蒸发,进入辉光放电区并被电离。带正电荷的蒸发料离子,在阴极吸引下,随同氩离子一同冲向工件,当抛镀于工件表面上的蒸发料离子超过溅失离子的数量时,则逐渐堆积形成一层牢固粘附于工件表面的镀层。


离子镀的原理简图

视频:磁控溅射的原理

离子镀工艺综合了蒸发(高沉积速率)与溅射(良好的膜层附着力)工艺的特点,真空离子镀膜与其他镀膜工艺对比:

优点:
1)膜层的附着力强,不易脱落,这是离子镀膜的重要特性;
2)绕射性好,可镀基片的正反面甚至内孔、凹槽、狭缝等复杂结构;
3)镀层质量好,镀层致密,厚度均匀,针孔、气泡少;
4)成膜速度快,可达50um/min,可镀制厚达30um的镀层,是制备厚膜的重要手段。
5)清洗过程简化,离子镀工艺自身就有一种离子轰击清洗作用,并且这一作用还一直延续于整个镀膜过程,清洗效果极好。
缺点:由于电弧处的高温以及离化粒子的撞击,电弧离子镀极易产生一些大颗粒,这严重影响镀膜质量;镀膜时基板的温度会升高到摄氏几百度,膜与基体间存在较宽的过渡界面;会有气体分子吸附;上述的缺点使离子镀的应用受到很大的限制。

三种镀膜方式与薄膜性质的比较:



PVD的应用
PVD与水电镀一样,都属于表面处理的范畴,都是通过一定的方式使一种材料覆盖在另一种材料表面,获得一层或者多层具有装饰的作用或具有一定功能(耐磨、耐蚀、耐热、导电等)的膜层。


一、由于PVD与水电镀在工艺上的不同,PVD与水电镀对比,特点如下:
1、环保,真空镀膜是在真空炉里进行,不会产生有毒或有污染的物质和气体,对环境无不利影响;而水电镀是在含镀层金属溶液里进行,会带来严重的环境污染。

2、成本,水电镀因工艺较简单,从设备到环境的要求均没有PVD苛刻,水电镀在成本上有优势。

3、镀层性能,同样的膜厚下,PVD镀膜膜层与工件表面的附着力更大,可以折弯90度以上不发生裂化或者剥落,膜层的硬度更高,耐磨性和耐腐蚀性更好,膜层的性能也更稳定;但通常情况下,水电镀的膜厚比真空镀的厚,水电镀膜厚一般为15~20um,真空电镀的膜厚一般为0.3μm~5μm,其中装饰镀膜膜层的厚度一般为0.3μm~1μm,因此,为保证真空镀膜的附着力,均需后续进行特殊的喷涂处理,比如过一层UV油。

4、膜层的种类与颜色, 水电镀可以镀的膜层的种类只有镀金属和合金,颜色较单调,常用一般只有亚银色、灰银,枪色,金色,黑铬色,半光铬等几种;PVD镀膜可以镀的膜层的种类更为广泛(包括金属和非金属),可以镀出的各种膜层的颜色也更多,甚至可以镀闪银、魔幻蓝、裂纹、水滴银等五花八门的颜色或七彩色;

5、材料适应范围,对于塑胶材料,水电镀通常只能对ABS塑胶和少量的ABS+PC塑胶材料上进行电镀加工,具有一定的局限性,而真空电镀工艺可以适用的塑胶材料范围相当广,除了ABS、ABS+PC塑胶之外,真空电镀还可以在PC、PP、PMMA、PA、PS、PET等常见工程塑胶表面加工出金属镀膜效果,随着技术的发展成熟,目前甚至可以在软性塑胶表面进行真空镀膜加工了,比如TPU、TPE、PVC软胶、硅胶、橡胶制品等;

6、镀层的单面性;PVD可以单独对工件的外表面、或者单独对工件的内表面进行真空镀,另一表面可以保留塑胶原有的外观和功能,水电镀由于采用的是浸泡式的电镀方式,工件的内外表面都被电镀,如需局部不被电镀,可以通过涂绝缘油或贴特殊的胶纸进行遮盖。

7、镀层的导电性,PVD可以精确控制镀层厚度,可以进行导电和不导电真空电镀(NCVM),而水电镀的镀层本身较厚,无法实现不导电。

8、镀层的膜形差异



                传统电镀工艺示意图                                      PVD镀膜涂层工艺示意图
一般湿式镀层所制作之镀膜会在表面覆盖成一个薄膜层 ,不论底材之原先形状为何,表面所呈现出来的薄膜层都会趋于平坦。PVD 镀层会依底材形状平均在上方形成一个镀膜层,依底材高低形状有所不同,经镀膜后的高低形状也是依照原先底材之态样。

二、PVD的应用

1、装饰膜

主要是为了改善工件的外观装饰性能和色泽,同时使工件更耐磨耐腐蚀延长其使用寿命;其能得到光亮、华贵的表面,在颜色上,成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色,能够满足装饰性的各种需要。
PVD装饰镀层颜色:

一般的金属靶材在可见光的范围内(380-780nm显示出高的反射率,呈现银白色,但有些有色金属,例如,金和铜,在特定的波长范围内具有选择性的吸收,这样就出现特殊的色彩。金在波长470nm附近的光线下,由于电子跃迁而产生选择性的吸收,因而呈现出特有的金黄色。
在离子镀膜中,常常用靶材加气体(氮气、氧气、乙炔、甲烷、氩气等),形成金属化合物的方法来调试各种颜色,甚至通过调整气体比例、用量、溅射功率、溅射时间、基材处理温度、溅射温度、溅射时间等工艺参数,可以控制镀出的颜色深浅变化;镀膜结束后可以用相关的仪器对颜色进行测量,使颜色得以量化,以确定镀出的颜色是否满足要求。
各种金属化合物对于光谱的反射率曲线形式不一样,如下图有金、银、铝、铁和TiN的反射率曲线,由图可见,TiN的反射率曲线和黄金的较为相似,因而它们颜色与比较相近。黑色系列如TiC和CrC由于具有低的反射率,膜层吸收了大部波长的可见光,所以我们看上去是黑色的。


PVD镀膜涂层常用置配:

锆+氮气:黄绿调金黄色
锆+甲烷:深浅黑色

锆+氧气:白色、透明膜

锆+氮气+甲烷:金色、仿玫瑰金

铬+甲烷:深浅黑色

铬+氮气:浅黑色

铬+氮气+甲烷:银灰色

铬+氧气:轻黄色、紫色、绿色

SUS+氧气:紫色

SUS+氮气:蓝色

SUS+甲烷:亮黑色

SUS+甲烷+氮气:蓝黑色

硅+氮气:黑色

硅+氧气:混浊白、透明膜

硅+甲烷:黄色、绿色、蓝色、黑色(靶材纯度高于99%仅能调黑色)

钛+氧气:光学膜七彩色。

钛+甲烷:深浅黑色( DLC制备不能达标)

钛+氮气:仿金色、黄铜色、紫色、红色

钛+氮气+甲烷:仿玫瑰金、黑绿色、复古黄、棕色、紫色

钨+氮气:棕黄色

钨+甲烷:深浅黑色

钨+氧气:紫色,鲜黄色,棕色,蓝色

以上仅装饰薄膜常用材料及其常用气体,通常甲烷和乙炔都可互替,但涉及部分颜色甲烷效果更好。除以上常用材料外,
金属靶材还有镍、铝、钽、铪、锰、铜、锌、铟、锡、等,均有在镀膜中使用。多质靶材如钛铝、铬铝、钛锆、铜锰、镍铬、硅铝、钒铼、钨钼等等。
另外在装饰膜中我们还常常利用到光的另外一种特性:干涉性。如蓝色,紫色,,都涉及到这方面的特性,当氧气量达到一定程度后,膜层的颜色随着膜层厚度变化而发生变化,大致如下表:



真空镀膜可生产颜色种类常用的有:

1.金色  2.锆金色  3.香槟金色  4.玫瑰金色  5.古铜色  6.红铜色  7.咖啡色  8.钛色  9.银色  10.灰色  11.枪黑色  12.黑色  13.紫红色  14.宝石蓝色  15.翠绿色  16.彩虹色
2、功能膜

主要是为了提高工件的表面硬度和耐磨性,降低表面的摩擦系数,提高工件的使用寿命;这方面主要应用在各种零部件(齿轮、轴承、曲轴、活塞等)、刀具(如车刀、刨刀、铣刀、钻头等)、模具(注塑●!⒊逖鼓●!⒀怪5龋┑炔分校梢允故倜杀短岣撸虾玫厥迪至说统杀尽⒏呤找娴男Ч

在生活中,我们会看到金黄色的、钴铜色的、黑色的等七杂八色的钻头、铣刀、模具等,这些就是经过镀膜技术加工后的涂层工具。
3、光学膜

1)增透膜/减反膜(AR膜):
增透膜/减反膜是利用薄膜反射光与基底反射光发生干涉来调节反射率从而影响透过率,当膜层为光波波长的四分之一时,两组反射光发生干涉,从而相互抵消,达到减反效果,因为根据能量守恒,在吸收率基本不变的情况下透过率会增加,从而达到增透效果。
应用:在我们生活中会常常接触到增透膜/减反膜,例如:摄像头镜片经常会镀有增透膜来增强拍摄效果;电脑显示器、手机屏幕经常会镀有增透膜使图像更清晰,还可以减少反光造成的晃眼、看不清等情况,大大降低用眼疲劳。

2)反射膜/截止膜:

反射膜/截止膜是通过设计调节膜层结构及厚度,使其对特定波段的光呈现高反的薄膜。
应用:目前我们生活也可以时常见到镀有截止膜的产品,例如:防蓝光手机屏就镀有蓝光截止膜,(蓝光,是指波长在400~500纳米的光线。蓝光是一种可见光,蓝光波短、能量高,能够直接穿透晶状体直达眼底视网膜上),手机屏或屏保护屏镀上防蓝光膜对蓝光波段的光呈现高反效果,对其他可见光波段呈现较高透射效果。




3)颜色膜:

颜色膜是通过设计调节膜层结构及厚度,使其对不同波段的可见光呈现不同的反射率和透过率,从而调节其呈现出的颜色。
应用:在我们生活中会常常接触到颜色膜,例如:某些产品的防伪标识镀有颜色膜,利用不同角度入射光对应的相对膜厚不同的原理,使其防伪标识从不同角度看呈现不同颜色。
手机后盖渐变色也是颜色膜的一种:



4、防水膜:

也叫抗指纹膜(AF膜)
原理:AF防污防指纹玻璃是根据荷叶原理,在玻璃外表面涂制一层纳米化学材料,将玻璃表面张力降至最低,灰尘与玻璃表面接触面积减少90%,使其具有较强的疏水、抗油污、抗指纹能力;使视屏玻璃面板长期保持着光洁亮丽的效果。
防水膜是在产品镀一层具有抗油污和抗水性能的顶膜,使水、尘等脏污与产品的接触面积变小呈110度角,与使其不易粘附于产品表面,所以其表面会更加光洁、爽滑,增加了防水、防雾、防尘、防指纹等防污染的功能。
防水膜已经广泛用在我们生活中,例如,现在大部分的手机屏幕及其钢化膜都镀有防水膜,使其表面会更加光洁、爽滑、有手感,并增强其防水。

5、PVD在塑胶件上的应用

由于塑胶具有易成型、成本低、质量轻、耐腐蚀等特点,在现代工业中应用十分广泛,但因其塑胶本身存在的一些缺点制约了塑胶的扩大应用。近些年伴随着塑胶表面真空镀膜技术的诞生和日趋成熟的应用,使塑胶部件在保留原有优质特性的同时具有了金属的质感,将有机材料和无机材料结合起来,提高了它的物理、化学性能,大大提升了塑胶材料在现代工业方面的应用范围。
塑胶真空镀膜技术优点主要表现在以下几个方面:
1.使塑胶表面具有金属质感;因为相对于铝、铜、铁、不锈钢等金属部件来讲,塑胶部件的制造工艺具有得天独厚的大批量低成本易加工等优势,经过表面真空镀膜加工的塑胶部件在工业品的外观方面已经或正在越来越广泛的取代金属部件,从而大大降低工业及消费电子类产品的制造成本,提升和巩固了产品在同行业竞争中的价格优势。
2.赋予塑胶产品导电性能;相对于单纯的塑胶部件,真空镀膜加工后的塑胶产品可以根据使用场合的需要赋予产品良好的导电性能,比如大多数电子消费品加工制造过程强调的电磁屏蔽性能(EMI)即可通过在塑胶件内壁进行导电性真空镀膜加工的方式而获得,在相同的功效下,相对于原来采用铜箔或铝箔的制造工艺,真空镀膜EMI工艺具有无可比拟的成本优势。
3.可以进行不导电真空电镀(NCVM);对于工作过程中需要对外发射无线信号的电子消费品外观装饰件而言,需要塑胶件具有金属光泽的同时,还要保证塑胶表面的金属电镀层不会屏蔽或者衰减设备的无线电信号(比如蓝牙信号、射频信号等),不导电真空镀膜(NCVM)技术就应运而生了,这种真空镀膜技术既保证了塑胶表面的金属质感,又不会影响到设备对外的信号发射;相对于水电镀的镀层导电影响电子信号,不导电真空电镀(NCVM)工艺为广大的设计研发工程师提供了一种鱼和熊掌兼得的完美选择。
4. 可以进行单层电镀;通俗的讲,可以单独对塑胶产品的外表面、或者单独对塑胶产品的内表面进行真空电镀加工,而另一表面可以保留塑胶原有的外观和功能,这一点相对于浸泡式作业的水电镀工艺而言又是一道无法跨越的坎。
5. 真空镀颜色多样化,真空电镀因其工艺的便利性,可以在红、黄、蓝三基色的基础上调整配方和比例从而形成千变万化的电镀颜色效果(比如粉色、红色、绿色等),而水电镀则只能制作光铬、哑铬、黑铬、白铬等寥寥可数的少数几种颜色效果,与真空电镀的颜色丰富程度不可同日而语。
6. 材料适应范围广;水电镀通常只能对ABS塑胶和少量的ABS+PC塑胶材料上进行电镀加工,具有一定的局限性,而真空电镀工艺可以适用的塑胶材料范围相当广,除了ABS、ABS+PC塑胶之外,真空电镀还可以在PC、PP、PMMA、PA、PS、PET等常见工程塑胶表面加工出金属镀膜效果,随着技术的发展成熟,目前甚至可以在软性塑胶表面进行真空镀膜加工了,比如TPU、TPE、PVC软胶、硅胶、橡胶制品等。
7. 可以进行半透明真空电镀;针对现代消费电子类产品越来越新潮的外形设计,现在前端的电子产品的隐藏式显示屏,即采用了半透明真空电镀技术,其原理是,在LED显示屏的外面配置一层经过半透明真空镀加工的透明塑胶视窗,在设备未开启的状态下,其LED显示面板是隐藏看不见的,当设备通电开启后,显示面板上的LED发光字体可以透过电镀塑胶视窗被消费者或者用户看到,从而大大提高产品的科技感和时尚感。
8. 环保无毒;真空电镀技术是一种通过物理的方式将融化的金属离子附着于塑胶产品的表面形成镀膜层的工艺,整个加工过程无需添加任何化学品或化学制剂,是一种 无毒环保的加工工艺,随着全球对绿色环保的重视力度加大,通过化学方式进行水电镀加工工艺由于存在三价铬、六价伤等非环保的原因已渐渐淡出高端电子消费品、食物相关用品、玩具品及相关行业了。
9. 优良的环境耐候性能;真空电镀工艺可以赋予产品更加优良的耐极端使用环境的性能,比如耐高温高湿、耐低温、耐热烫、高盐份(耐盐雾)、耐紫外线照射老化、耐化妆品、耐汗液、耐酸碱等性能;一般的喷油工艺或水电镀工艺是无法满足这些性能要求的。
塑胶件真空镀层的结构:



1、在真空镀膜前要先在塑胶基材表面进行底漆UV涂装的主要原因:

1)增加镀层与塑胶基材表面的附着力
底漆UV涂料中的活性稀释剂对塑胶基材具有较强的侵蚀能力,活性稀释剂将塑胶基材轻微溶胀或软化,这样涂料固化后在底漆UV与基材介面之间形成了互穿网络,可以提高整个镀膜层的附着力。
如果直接在塑胶基材表面进行真空镀膜,而不做底漆UV喷涂的话,因金属镀膜层缺少对塑胶基材的侵蚀力,会导致镀膜层与塑胶基材附着不良的现象。
2)封闭基材内的残留物,确保镀膜质量
通过UV涂层来封闭基材内的塑化剂残留物、腐蚀性气体残留及脱模剂润滑剂等油脂性分子残留,防止真空镀膜时或工件使用过程中基材中的这些挥发性杂质溢出,影响镀膜质量。
基材中如有挥发性杂质释放会使镀铝膜层发彩、变色、氧化、发黑等,影响真空电镀的金属质感和外观效果。
3)提高基材表面平整度,确保镜面镀膜效果
一般来说,塑料表面本身具有0.51nm左右的粗糙度,真空镀膜的厚度不超过0.2μm,无法填平基材表面的凹凸不平,得不到理想的镜面反射效果。而底漆UV涂层的厚度一般达到10-20μm,表面平整度在0.1μm以下,涂装UV底漆后可填平塑胶基材表面的缺陷并得到理想的真空镀膜金属光泽效果。
4)降低金属镀层和塑胶直接接触的热膨胀系数,减少膜层破裂的概率
塑料基材与真空镀层通常为金属)两者热膨胀系数相差很大,在真空镀膜升温、降温过程中膜层容易破裂,膜层越厚,破裂的可能性越大,因此选用合适的涂层作为过渡层,可以减少内应力的积累和破裂的发生。
2、在真空镀膜后再进行面漆UV涂装的主要原因:

主要是为了增加塑胶表面的硬度,塑胶材料易成型的特性决定了其表面不具备良好的耐刮伤性能,真空镀的镀层一般较薄,真空镀在镀膜完成后,还在镀膜层表面加罩了一层光固化UV涂料,大大提升了产品表面的硬度,提升了产品的耐刮花、耐划伤、耐磨性能, 可以达到4H级别的硬度,远远超出水电镀工艺的抗刮伤耐磨级别。
PVD用于汽车模具

随着汽车行业的飞速发展及工艺水平的提高,尤其是高强度板在汽车钣金上的广泛应用,冷作模具易发生变形、磨损、疲劳和断裂等失效形式,严重影响了模具的使用寿命。在汽车模具领域,表面处理技术主要是解决冲压件的拉伤问题,以及提高模具使用寿命。单传统的TD、电镀、熔射由于受变形量、镀膜次数以及镀膜均匀性的限制已不能满足高速发展的需要。

决此类问题,在冲压领域引进了一种新型表面处理工艺——PVD。PVD(Physical VaporDeposition)——物理气相沉积,是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。

 PVD技术工作原理 

PVD表面处理工艺的工作原理为:将要镀膜处理的工件2置于真空容器1的电弧蒸发源3中,在高真空条件下,通过电弧蒸发源加热使其蒸发,当蒸发分子的平均自由程大于真空室的线性尺寸以后,蒸汽的原子和分子从蒸发源表面溢出后,很少受到其他分子或原子的冲击与阻碍,可直接到达工件基体表面上,遇有基体温度较低,便凝结其上而成膜。


 PVD表面处理技术要求 

为了保证处理后的工件硬度和使用寿命,PVD处理技术对原材料有一定的要求。

(1)材质要求:高速钢、预硬钢、热作模具钢、工具钢、冷作模具钢。比如:T10A钢、7SiCrMnMoV钢、CrWMn钢或Cr12Mo1V1等。

(2)热处理要求:工具钢、冷作模具钢材经过三次500℃以上的高温回火。

(3)尺寸要求:最大尺寸600mm×400mm×280 mm?拙/孔深比或槽宽/槽深比应大于1。

(4)其他要求:模具上必须有可供上挂夹持用的孔、螺纹孔、台阶等,以供后续包绑、上挂用。

 具体实施方式 

(1)对镶块进行补焊及抛光处理,补焊后必须进行回火去应力处理。冲压模具Ra<0.5μm,而成形面需Ra<0.2μm,便于提高PVD 处理后效果。

(2)脱脂处理。包含4个步骤:①去油;分三个超声波清洗槽,每个槽里面的清洗剂含量逐渐降低,每个槽清洗时间为5~10min。②清水去污;分三个清水清洗槽,第一个槽清水喷淋,时间为3min,第二和第三个槽用超声波清洗,时间均为3min。③去离子水清洗;分为三个槽,第一、第二槽为去离子水超声槽,时间3min,第三个槽为去离子水浸泡清洗,时间3min。④脱水;用热风吹8~10min,保证工件干燥。

(3)喷砂处理。所选喷料为铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂或海南砂中的一种。喷砂步骤能够使工件表面或形状发生变化,由于磨料对工件表面的冲击和切削作用,使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度,使工件表面的机械性能得到改善,因此提高了工件的抗疲劳性,增加了它和涂层之间的附着力,延长了涂膜的耐久性,也有利于涂料的流平和装饰。

(4)对镶块进行PVD处理。①氮化处理;将PVD 炉抽真空,通入液氨,加热使氨气蒸发对冷冲压模具表面进行处理。②涂层沉积;具体选用TiN、CrN、TiCN、TiAlN或CrAlN中的一种,根据工件不同的要求,选用涂层种类。

(5)对PVD后的工件进行抛光,冲压模具Ra<0.5μm,而成形面需Ra<0.2μm。

(6)对PVD后的工件进行检测,结果如表1所示。



(7)复合涂层的相关技术指标的检验方法与标准如表2所示。



镶块通过PVD处理,表面光洁度得到很
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