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.
Керамика - это неметаллические материалы с гладкими поверхностями и высокой химической стабильностью. Прямое нанесение покрытия склонно к отслаиванию пленки, поэтому предварительная обработка является ключевым этапом.
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.
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.
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.
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.
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.
- 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.
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.
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.
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.
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.
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.
