Il rivestimento sottovuoto di tazze in ceramica è un processo in cui materiali target metallici o composti vengono depositati sulla superficie del corpo della tazza tramite la tecnologia di deposizione fisica da vapore (PVD) in un ambiente sottovuoto, formando strati di film decorativi (come lucentezza metallica, colore sfumato) o funzionali (come resistenti all'usura, idrofobici). Viene utilizzato principalmente per migliorare la consistenza dell'aspetto e la durata delle tazze. I processi comuni includono lo sputtering magnetron e il rivestimento per evaporazione sottovuoto.
I. Prerequisito fondamentale: pretrattamento dei substrati ceramici
Le ceramiche sono materiali non metallici con superfici lisce e forte stabilità chimica. Il rivestimento diretto è soggetto a distacco del film, quindi il pretrattamento è un passaggio fondamentale.
Pulizia e rimozione delle impurità
Innanzitutto, utilizzare la pulizia a ultrasuoni per rimuovere macchie di olio, polvere e residui di polvere di ceramica sulla superficie del corpo della tazza. Risciacquare di nuovo con acqua deionizzata, asciugare e quindi posizionare nella camera a vuoto per evitare che le impurità influenzino l'adesione dello strato di film.
Attivazione al plasma
Introdurre gas argon nella camera a vuoto e accendere la sorgente ionica per generare plasma. Gli ioni argon ad alta energia bombardano la superficie ceramica, incidono piccoli fori, aumentano la rugosità superficiale (formando un "effetto di ancoraggio") e rimuovono simultaneamente lo strato di ossido superficiale, attivando la superficie del substrato e ponendo le basi per il successivo rivestimento.
Deposizione dello strato di transizione (opzionale)
Per scenari che richiedono un'elevata adesione, viene prima depositato uno strato di transizione metallico (come titanio o cromo). Sfruttando il legame chimico tra lo strato di transizione e la ceramica, viene costruito un "ponte" tra il substrato ceramico e lo strato di film funzionale per impedire che lo strato di film si stacchi.
II. Principi di funzionamento dei due principali processi di rivestimento
Placcatura per evaporazione sottovuoto (adatta per film metallici decorativi, con costi relativamente bassi)
Questo processo prevede il riscaldamento del materiale target per evaporarlo in atomi gassosi, che poi si condensano in un film sulla superficie delle ceramiche a bassa temperatura. Viene spesso utilizzato per preparare strati di film a lucentezza metallica come oro e argento.
- Messa sotto vuoto: Avviare il sistema a vuoto ed evacuare il grado di vuoto della cavità al livello richiesto 10 −3 a 10 −4 Pa, riducendo l'interferenza di collisione delle molecole di gas sugli atomi evaporati e garantendo uno strato di film uniforme e denso.
- Evaporazione per riscaldamento del materiale target: Materiali target metallici come alluminio, oro e rame vengono posti in una sorgente di evaporazione (sorgente di evaporazione a resistenza o sorgente di evaporazione a fascio di elettroni). La sorgente di evaporazione a fascio di elettroni può focalizzare con precisione il calore, aumentando rapidamente la temperatura del materiale target fino al suo punto di ebollizione e vaporizzandolo in vapore di atomi metallici ad alta purezza.
- Deposizione del film: Le tazze in ceramica vengono bloccate su un supporto per il pezzo che ruota sia su che attorno al sole. Il vapore atomico metallico si muove in linea retta in un ambiente sottovuoto e, quando colpisce la superficie della tazza a bassa temperatura, si condensa e si accumula gradualmente per formare uno strato di film metallico continuo. Lo spessore dello strato di film può essere regolato (di solito da 0,1 a 1μm) controllando il tempo di deposizione.
Al termine del rivestimento, spegnere la sorgente di evaporazione e mantenere un ambiente sottovuoto per raffreddare a temperatura ambiente per evitare la rottura da stress dello strato di rivestimento a causa dell'eccessiva differenza di temperatura. Infine, introdurre gas inerte nella cavità per alleviare la pressione e rimuovere il pezzo.
2. Placcatura per sputtering magnetron (adatta per film funzionali compositi e altamente resistenti all'usura, con prestazioni superiori)
Questo processo utilizza il plasma per bombardare il materiale target, causando l'espulsione degli atomi del materiale target e la deposizione sulla superficie della tazza. L'adesione e la resistenza all'usura dello strato di film superano di gran lunga quelle della placcatura per evaporazione e può preparare strati di film compositi come nitruro di titanio (oro) e carburo di titanio (nero).
- Generazione di vuoto e plasma: Evacuare a una pressione di 10 −2 a 10 −3 Pa, viene introdotto gas argon e viene applicato un campo elettrico ad alta tensione. Il gas argon si ionizza in ioni argon ed elettroni, formando un plasma.
- Sputtering potenziato dalla confinata del campo magnetico: Una calamita è installata sul retro del materiale target per formare un campo magnetico. Il campo magnetico confinerà gli elettroni al moto a spirale, prolungando il loro tempo di permanenza vicino al materiale target, aumentando la probabilità di collisione con le molecole di argon, generando più ioni argon e migliorando significativamente l'efficienza di sputtering.
- Sputtering e deposizione di atomi di materiale target: Gli ioni argon ad alta energia bombardano la superficie del materiale target e gli atomi del materiale target vengono "colpiti" attraverso il trasferimento di quantità di moto (processo di sputtering). Gli atomi spruzzati volano verso la superficie delle tazze in ceramica in un ambiente sottovuoto e si depositano per formare uno strato di film denso. Se vengono introdotti gas reattivi come azoto e metano, possono anche reagire con gli atomi spruzzati per formare strati di film funzionali di composti come nitruro di titanio e carburo di titanio.
- Post-trattamento (opzionale): Alcuni processi subiranno una ricottura a bassa temperatura dopo il rivestimento per migliorare ulteriormente l'adesione tra lo strato di film e il substrato e aumentare la durezza dello strato di film.
III. Caratteristiche del processo e vantaggi applicativi
- Lo strato di film ha prestazioni eccellenti: Lo strato di film formato dal rivestimento sottovuoto è uniforme e denso, senza difetti come cedimenti e buccia d'arancia. La resistenza all'usura può raggiungere oltre 4H (durezza della matita) ed è resistente alla corrosione da alcol, acidi e alcali, rendendolo adatto all'uso quotidiano.
- Ecologico e privo di inquinamento: Non vi è alcuna emissione di solventi organici o metalli pesanti durante l'intero processo. Rispetto ai tradizionali processi di spruzzatura, è più in linea con gli standard di produzione ecologici.
- Forte effetto decorativo: Può ottenere vari effetti di aspetto come lucentezza metallica, colore sfumato e opaco, soddisfacendo le esigenze di personalizzazione personalizzate. È ampiamente utilizzato nel trattamento superficiale di tazze in ceramica di fascia alta e tazze regalo culturali e creative.
Difetti comuni e soluzioni del rivestimento sottovuoto su tazze in ceramica
1. Distacco/sfaldamento dello strato di film
Manifestazioni tipiche: Lo strato di film si stacca a pezzi durante il test del nastro dopo il rivestimento, oppure ampie aree si staccano dopo urti e colpi quotidiani. Cause principali
- La superficie ceramica non è stata pulita a fondo, lasciando impurità come macchie di olio e polvere.
- Senza trattamento di attivazione al plasma, l'energia superficiale del substrato è bassa, rendendo difficile l'adesione dello strato di film.
- Non è presente alcuno strato di transizione depositato e manca un "ponte" di collegamento tra la ceramica e lo strato di film funzionale.
- Se la velocità di raffreddamento dopo il rivestimento è troppo elevata, all'interno dello strato di rivestimento si genererà uno stress significativo, che porterà a crepe e distacchi.
Soluzioni mirate
- Prolungare il tempo di pulizia a ultrasuoni a 15-20 minuti. Dopo la pulizia, risciacquare con acqua deionizzata e quindi asciugare la tazza in un forno a 80-100 gradi Celsius per rimuovere a fondo le impurità superficiali.
- Prolungare il tempo di attivazione al plasma a 5-10 minuti, aumentare opportunamente la potenza di bombardamento ionico e aumentare la rugosità superficiale della ceramica attraverso l'incisione ionica ad alta energia per migliorare l'attività superficiale.
- Aggiungere il processo di deposizione di strati di transizione metallici come titanio e cromo e controllare lo spessore dello strato di transizione a 50-100 nm. Utilizzare il legame chimico per migliorare l'adesione tra il film e il substrato.
- Viene adottato il processo di raffreddamento a gradini. Al termine del rivestimento, viene raffreddato naturalmente a temperatura ambiente in un ambiente sottovuoto, quindi viene introdotto gas inerte nella cavità per alleviare la pressione e rimuoverlo dal forno, evitando lo stress da differenza di temperatura.
2. Differenza di colore/lucentezza irregolare dello strato di film
Manifestazioni tipiche: La profondità del colore delle tazze nello stesso lotto varia, oppure sono presenti macchie chiare o strisce sulla superficie delle singole tazze, con differenze significative di lucentezza. Cause principali
- Le velocità di autorotazione e rivoluzione irregolari del telaio del pezzo comportano differenze significative nei tassi di deposizione dello strato di film in varie parti del corpo della tazza.
- Il grado di vuoto nella camera a vuoto fluttua e le molecole di gas interferiscono con il processo di deposizione degli atomi del materiale target, influenzando l'uniformità dello strato di film.
- L'ossidazione o la comparsa di "noduli" sulla superficie del materiale target porta a tassi di sputtering/evaporazione instabili e composizione e spessore irregolari dello strato di film.
- La posizione di bloccaggio del corpo della tazza è errata e sono presenti ostruzioni sull'imboccatura della tazza, sul manico e su altre parti, formando aree d'ombra del rivestimento.
Soluzioni mirate
- Calibrare i parametri di velocità di rotazione del rack del pezzo, controllando la velocità di autorotazione a 10-20 giri/min e la velocità di rivoluzione a 5-10 giri/min per garantire che tutte le parti del corpo della tazza siano placcate in modo uniforme.
- Controllare le prestazioni di tenuta del sistema a vuoto e sostituire gli anelli di tenuta invecchiati. Prima del rivestimento, evacuare a fondo l'aria. Avviare il processo di rivestimento solo dopo che il grado di vuoto si è stabilizzato per evitare fluttuazioni del grado di vuoto durante il processo.
- Pre-sputterare il materiale target per 3-5 minuti prima dell'uso per rimuovere lo strato di ossido superficiale. Pulire regolarmente i "grumi" sulla superficie del materiale target e sostituire tempestivamente il materiale target gravemente usurato.
- Ottimizzare il metodo di bloccaggio del corpo della tazza, regolare l'angolo del dispositivo, evitare che l'imboccatura della tazza e il manico blocchino il percorso di rivestimento e garantire che il corpo della tazza sia rivestito senza angoli morti.
III. Fori stenopeici/pitting nello strato di film
Manifestazioni tipiche: Piccoli fori o fori sono distribuiti sulla superficie dello strato di film e i difetti sono particolarmente evidenti se osservati sotto la luce. Cause principali
- Le particelle di impurità residue nella camera a vuoto cadono sulla superficie della tazza durante il processo di rivestimento, formando fori stenopeici.
- Il substrato ceramico stesso presenta difetti come pori e crepe e, dopo il rivestimento, questi difetti si manifestano direttamente come pitting.
- L'olio della pompa per vuoto subisce un'evaporazione inversa e la nebbia d'olio entra nella cavità, contaminando lo strato di film e formando fori.
Soluzioni mirate
- Pulire regolarmente le pareti interne della camera a vuoto con un panno privo di lanugine. Prima del rivestimento, avviare il programma di cottura della camera per rimuovere il vapore acqueo e le impurità adsorbite sulle pareti interne. Installare filtri antipolvere all'interno della cavità quando necessario.
- Controllare rigorosamente la qualità dei materiali di base ceramici e selezionare corpi di tazza privi di pori e crepe. Per i substrati con difetti minori, è possibile eseguire prima un trattamento di vetratura per riempire i pori superficiali, quindi è possibile applicare il rivestimento.
- Sostituire l'olio per vuoto appositamente progettato per le pompe molecolari e verificare se la valvola di ritorno della pompa dell'olio è normale. Installare un collettore di nebbia d'olio per impedire all'olio per vuoto di evaporare all'indietro nella cavità e contaminare lo strato di film.
IV. Scarsa resistenza all'usura dello strato di film
Manifestazioni tipiche: Il risultato del test di durezza della matita è inferiore a 3H o compaiono graffi evidenti sulla superficie dello strato di film dopo la pulizia quotidiana. Cause principali
- Lo strato di film è troppo sottile, di solito inferiore a 0,3μm, rendendo difficile resistere all'attrito esterno.
- La potenza di sputtering del magnetron è troppo bassa, l'energia di sputtering degli atomi del materiale target è insufficiente e la densità dello strato di film è scarsa.
- Un'errata proporzione del gas di reazione porta a una bassa cristallinità dello strato di film composto (come il nitruro di titanio) e a un calo della resistenza all'usura.
Soluzioni mirate
- Prolungare il tempo di deposizione del rivestimento e controllare lo spessore dello strato di film entro 0,5-1μm per garantire che lo strato di film abbia una base sufficiente resistente all'usura.
- Regolare la potenza di sputtering a 200-400 W in base al materiale del target per aumentare l'energia di sputtering atomica e migliorare la densità e la durezza dello strato di film.
- Attraverso esperimenti di processo, è stato ottimizzato il rapporto di portata dei gas di reazione (come azoto e ossigeno) per migliorare la cristallinità dello strato di film composto e migliorarne la resistenza all'usura.
V. Scolorimento/ossidazione del film
Manifestazioni tipiche: L'ingiallimento o l'annerimento si verificano entro un breve periodo dopo il rivestimento, oppure la lucentezza dello strato di rivestimento si scurisce e la trama metallica si perde dopo essere stata conservata per un periodo di tempo. Cause principali
- Quando l'aria viene introdotta troppo rapidamente durante la riduzione della pressione dopo il rivestimento, lo strato di film ad alta temperatura entra in contatto con l'aria e subisce una reazione di ossidazione.
- Lo strato superiore di film protettivo antiossidante non viene depositato e lo strato di film è direttamente esposto all'aria, che è soggetto a ossidazione e corrosione.
- L'ambiente di stoccaggio del prodotto finito è umido e si verifica la corrosione elettrochimica sulla superficie dello strato di film.
Soluzioni mirate
- Durante la depressurizzazione, è necessario introdurre prima gas inerti come argon e azoto per spostare la camera. Una volta che la temperatura della tazza scende al di sotto di 50℃, l'aria deve essere introdotta lentamente per prevenire l'ossidazione ad alta temperatura.
- Uno strato antiossidante di SiO₂ da 50-100 nm viene depositato sulla superficie dello strato di film funzionale per isolare l'erosione dello strato di film sottostante da aria e vapore acqueo.
- Conservare le tazze finite in un ambiente asciutto e ben ventilato, evitando il contatto diretto con sostanze corrosive come acqua, soluzioni acide e alcaline. Durante l'imballaggio, è possibile aggiungere essiccanti per prevenire l'umidità.
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