Вакуумное напыление керамических кружек - это процесс, при котором мишени из металла или соединений осаждаются на поверхность корпуса кружки с помощью технологии физического осаждения из паровой фазы (PVD) в вакуумной среде, образуя декоративные (например, металлический блеск, градиентный цвет) или функциональные (например, износостойкие, гидрофобные) пленочные слои. В основном используется для улучшения внешнего вида и долговечности кружек. Распространенные процессы включают магнетронное распыление и вакуумное испарительное напыление.
I. Основное требование: предварительная обработка керамических подложек
Керамика - это неметаллические материалы с гладкими поверхностями и высокой химической стабильностью. Прямое нанесение покрытия склонно к отслаиванию пленки, поэтому предварительная обработка является ключевым этапом.
Очистка и удаление загрязнений
Сначала используйте ультразвуковую очистку для удаления масляных пятен, пыли и остатков керамического порошка с поверхности корпуса чашки. Снова промойте деионизированной водой, высушите, а затем поместите в вакуумную камеру, чтобы избежать попадания примесей, влияющих на адгезию пленочного слоя.
Плазменная активация
Ввести газ аргон в вакуумную камеру и включить источник ионов для генерации плазмы. Высокоэнергетические ионы аргона бомбардируют керамическую поверхность, вытравливая крошечные ямки, увеличивая шероховатость поверхности (образуя «эффект закрепления») и одновременно удаляя поверхностный слой оксида, активируя поверхность подложки и закладывая основу для последующего нанесения покрытия.
Осаждение переходного слоя (по желанию)
Для сценариев, требующих высокой адгезии, сначала осаждается металлический переходный слой (например, титан или хром). Используя химическую связь между переходным слоем и керамикой, создается «мостик» между керамической подложкой и функциональным пленочным слоем, чтобы предотвратить отслаивание пленочного слоя.
II. Принципы работы двух основных процессов нанесения покрытий
Вакуумное испарительное напыление (подходит для декоративных металлических пленок, относительно низкая стоимость)
Этот процесс включает нагрев целевого материала для его испарения в газообразные атомы, которые затем конденсируются в пленку на поверхности низкотемпературной керамики. Часто используется для получения металлических блестящих пленочных слоев, таких как золото и серебро.
- Вакуумирование: Запустите вакуумную систему и откачайте вакуум до требуемого уровня 10 −3 до 10 −4 Па, уменьшая столкновительные помехи молекул газа на испаренные атомы и обеспечивая равномерный и плотный пленочный слой.
- Нагрев целевого материала испарением: Металлические мишени, такие как алюминий, золото и медь, помещаются в источник испарения (источник резистивного испарения или источник испарения электронным лучом). Источник испарения электронным лучом может точно фокусировать тепло, быстро повышая температуру целевого материала до его точки кипения и испаряя его в пар атомов металла высокой чистоты.
- Осаждение пленки: Керамические кружки зажимаются на держателе заготовки, который вращается как на солнце, так и вокруг него. Пар атомов металла движется по прямой линии в вакуумной среде и, ударяясь о поверхность низкотемпературной кружки, конденсируется и постепенно накапливается, образуя непрерывный металлический пленочный слой. Толщину пленочного слоя можно регулировать (обычно от 0,1 до 1 мкм), контролируя время осаждения.
После завершения нанесения покрытия выключите источник испарения и поддерживайте вакуумную среду для охлаждения до комнатной температуры, чтобы предотвратить растрескивание покрытия из-за чрезмерной разницы температур. Наконец, введите инертный газ в полость, чтобы снизить давление и удалить заготовку.
2. Магнетронное распылительное напыление (подходит для высокоизносостойких и композитных функциональных пленок, с превосходными характеристиками)
Этот процесс использует плазму для бомбардировки целевого материала, в результате чего атомы целевого материала распыляются и осаждаются на поверхности чашки. Адгезия и износостойкость пленочного слоя намного превосходят адгезию и износостойкость испарительного напыления, и он может готовить композитные пленочные слои, такие как нитрид титана (золото) и карбид титана (черный).
- Вакуум и генерация плазмы: Откачать до давления от 10 −2 до 10 −3 Па, ввести газ аргон и приложить высоковольтное электрическое поле. Газ аргон ионизируется в ионы аргона и электроны, образуя плазму.
- Усиленное распыление с магнитным полем: Магнит устанавливается на задней стороне целевого материала для формирования магнитного поля. Магнитное поле будет удерживать электроны в спиральном движении, продлевать время их пребывания вблизи целевого материала, увеличивать вероятность столкновения с молекулами аргона, генерировать больше ионов аргона и значительно повышать эффективность распыления.
- Распыление и осаждение атомов целевого материала: Высокоэнергетические ионы аргона бомбардируют поверхность целевого материала, и атомы целевого материала «выбиваются» посредством передачи импульса (процесс распыления). Распыленные атомы летят к поверхности керамических кружек в вакуумной среде и осаждаются, образуя плотный пленочный слой. Если ввести реактивные газы, такие как азот и метан, они также могут реагировать с распыленными атомами с образованием функциональных пленочных слоев соединений, таких как нитрид титана и карбид титана.
- Последующая обработка (по желанию): Некоторые процессы подвергаются низкотемпературному отжигу после нанесения покрытия для дальнейшего повышения адгезии между пленочным слоем и подложкой и увеличения твердости пленочного слоя.
III. Характеристики процесса и преимущества применения
- Пленочный слой обладает отличными характеристиками: Пленочный слой, образованный вакуумным напылением, однороден и плотен, без дефектов, таких как провисание и апельсиновая корка. Износостойкость может достигать более 4H (твердость карандашом), и он устойчив к коррозии спиртом, кислотами и щелочами, что делает его пригодным для повседневного использования.
- Экологичность и отсутствие загрязнений: В течение всего процесса нет выбросов органических растворителей или тяжелых металлов. По сравнению с традиционными процессами распыления, он больше соответствует стандартам экологичного производства.
- Сильный декоративный эффект: Он может достигать различных эффектов внешнего вида, таких как металлический блеск, градиентный цвет и матовость, удовлетворяя потребности в персонализированной настройке. Широко используется при обработке поверхности керамических кружек высокого класса и культурных и креативных подарочных чашек.
Общие дефекты и решения вакуумного напыления на керамические кружки
1. Отслаивание/шелушение пленочного слоя
Типичные проявления: Пленочный слой отслаивается большими кусками во время испытания лентой после нанесения покрытия, или большие участки отслаиваются после ежедневных ударов и ударов. Основные причины
- Керамическая поверхность не была тщательно очищена, оставив после себя такие загрязнения, как масляные пятна и пыль.
- Без обработки плазменной активацией поверхностная энергия подложки низкая, что затрудняет адгезию пленочного слоя.
- Отсутствует осажденный переходный слой, и отсутствует связующий «мостик» между керамикой и функциональным пленочным слоем.
- Если скорость охлаждения после нанесения покрытия слишком высока, внутри пленочного слоя будет создано значительное напряжение, что приведет к растрескиванию и отслаиванию.
Целевые решения
- Увеличьте время ультразвуковой очистки до 15–20 минут. После очистки промойте деионизированной водой, а затем высушите кружку в духовке при температуре от 80 до 100 градусов Цельсия, чтобы тщательно удалить поверхностные загрязнения.
- Увеличьте время плазменной активации до 5–10 минут, соответствующим образом увеличьте мощность ионной бомбардировки и увеличьте шероховатость поверхности керамики посредством травления ионами высокой энергии для повышения активности поверхности.
- Добавьте процесс осаждения металлических переходных слоев, таких как титан и хром, и контролируйте толщину переходного слоя на уровне 50–100 нм. Используйте химическую связь для повышения адгезии между пленкой и подложкой.
- Применяется ступенчатый процесс охлаждения. После завершения нанесения покрытия его естественным образом охлаждают до комнатной температуры в вакуумной среде, а затем в полость вводят инертный газ, чтобы снизить давление и удалить его из печи, избегая температурного напряжения.
2. Разница в цвете/неравномерный блеск пленочного слоя
Типичные проявления: Глубина цвета кружек в одной партии варьируется, или на поверхности отдельных кружек имеются светлые пятна или полосы со значительными различиями в глянце. Основные причины
- Неравномерная скорость самовращения и вращения рамки заготовки приводит к значительным различиям в скорости осаждения пленочного слоя в различных частях корпуса чашки.
- Степень вакуума в вакуумной камере колеблется, и молекулы газа мешают процессу осаждения атомов целевого материала, влияя на однородность пленочного слоя.
- Окисление или появление «узелков» на поверхности целевого материала приводит к нестабильной скорости распыления/испарения и неравномерному составу и толщине пленочного слоя.
- Неправильное положение зажима корпуса чашки, наличие препятствий на горлышке чашки, ручке и других частях, образующих теневые области покрытия.
Целевые решения
- Откалибруйте параметры скорости вращения стойки заготовки, контролируя скорость самовращения на уровне от 10 до 20 об/мин и скорость вращения на уровне от 5 до 10 об/мин, чтобы обеспечить равномерное нанесение покрытия на все части корпуса чашки.
- Проверьте герметичность вакуумной системы и замените состарившиеся уплотнительные кольца. Перед нанесением покрытия тщательно откачайте воздух. Начинайте процесс нанесения покрытия только после стабилизации степени вакуума, чтобы избежать колебаний степени вакуума во время процесса.
- Предварительно распылите целевой материал в течение 3–5 минут перед использованием, чтобы удалить поверхностный слой оксида. Регулярно очищайте «комки» на поверхности целевого материала и своевременно заменяйте сильно изношенный целевой материал.
- Оптимизируйте метод зажима корпуса чашки, отрегулируйте угол крепления, избегайте горлышка чашки и ручки, блокирующих путь нанесения покрытия, и убедитесь, что корпус чашки покрыт без мертвых зон.
III. Поры/питтинг в пленочном слое
Типичные проявления: На поверхности пленочного слоя распределены мелкие ямки или отверстия, дефекты особенно заметны при наблюдении при свете. Основные причины
- Остаточные частицы примесей в вакуумной камере попадают на поверхность чашки во время процесса нанесения покрытия, образуя поры.
- Сама керамическая подложка имеет дефекты, такие как поры и трещины, и после нанесения покрытия эти дефекты непосредственно проявляются в виде питтинга.
- Масло из вакуумного масляного насоса подвергается обратному испарению, и масляный туман попадает в полость, загрязняя пленочный слой и образуя ямки.
Целевые решения
- Регулярно протирайте внутренние стенки вакуумной камеры безворсовой тканью. Перед нанесением покрытия запустите программу обжига камеры, чтобы удалить водяной пар и примеси, адсорбированные на внутренних стенках. При необходимости установите пылезащитные фильтры внутри полости.
- Строго контролируйте качество керамических базовых материалов и выбирайте корпуса чашек без пор и трещин. Для подложек с незначительными дефектами сначала можно провести глазурование для заполнения поверхностных пор, а затем можно нанести покрытие.
- Замените вакуумное масло, специально разработанное для молекулярных насосов, и проверьте, в норме ли обратный клапан масляного насоса. Установите маслоуловитель, чтобы предотвратить обратное испарение вакуумного масла в полость и загрязнение пленочного слоя.
Четыре. Плохая износостойкость пленочного слоя
Типичные проявления: Результат испытания твердости карандашом составляет менее 3H, или на поверхности пленочного слоя после ежедневного протирания появляются явные царапины. Основные причины
- Пленочный слой слишком тонкий, обычно менее 0,3 мкм, что затрудняет сопротивление внешнему трению.
- Мощность магнетронного распыления слишком низкая, энергия распыления атомов целевого материала недостаточна, а плотность пленочного слоя низкая.
- Неправильная пропорция реакционного газа приводит к низкой кристалличности композитного пленочного слоя (например, нитрида титана) и снижению износостойкости.
Целевые решения
- Увеличьте время осаждения покрытия и контролируйте толщину пленочного слоя в пределах 0,5–1 мкм, чтобы обеспечить достаточную износостойкую основу пленочного слоя.
- Отрегулируйте мощность распыления до 200–400 Вт в соответствии с материалом мишени, чтобы увеличить энергию распыления атомов и повысить плотность и твердость пленочного слоя.
- Посредством технологических экспериментов была оптимизирована скорость потока реакционных газов (например, азота и кислорода), чтобы повысить кристалличность композитного пленочного слоя и улучшить его износостойкость.
V. Обесцвечивание/окисление пленки
Типичные проявления: Пожелтение или почернение происходит в течение короткого периода времени после нанесения покрытия, или блеск пленочного слоя тускнеет, а металлическая текстура теряется после хранения в течение определенного периода времени. Основные причины
- Когда воздух вводится слишком быстро во время сброса давления после нанесения покрытия, высокотемпературный пленочный слой вступает в контакт с воздухом и подвергается реакции окисления.
- Верхний слой антиокислительной защитной пленки не осаждается, и пленочный слой непосредственно подвергается воздействию воздуха, что приводит к окислению и коррозии.
- Условия хранения готовой продукции влажные, и на поверхности пленочного слоя происходит электрохимическая коррозия.
Целевые решения
- При декомпрессии сначала следует ввести инертные газы, такие как аргон и азот, чтобы вытеснить камеру. Как только температура чашки упадет ниже 50 ℃, следует медленно вводить воздух, чтобы предотвратить высокотемпературное окисление.
- На поверхность функционального пленочного слоя осаждается антиоксидантный слой SiO₂ толщиной 50–100 нм, чтобы изолировать эрозию нижележащего пленочного слоя воздухом и водяным паром.
- Храните готовую продукцию в сухом и хорошо проветриваемом месте, избегая прямого контакта с коррозионными веществами, такими как вода, растворы кислот и щелочей. При упаковке можно добавить осушители для предотвращения влаги.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
