El recubrimiento al vacío de tazas de cerámica es un proceso en el que se depositan objetivos de metal o compuestos sobre la superficie del cuerpo de la taza mediante la tecnología de deposición física de vapor (PVD) en un entorno de vacío, formando capas de película decorativas (como brillo metálico, color degradado) o funcionales (como resistentes al desgaste, hidrofóbicas). Se utiliza principalmente para mejorar la textura de la apariencia y la durabilidad de las tazas. Los procesos comunes incluyen el sputtering con magnetrón y el recubrimiento por evaporación al vacío.
I. Requisito previo fundamental: Pretratamiento de sustratos cerámicos
Las cerámicas son materiales no metálicos con superficies lisas y fuerte estabilidad química. El recubrimiento directo es propenso a desprenderse la película, por lo que el pretratamiento es un paso clave.
Limpiar y eliminar impurezas
Primero, use limpieza ultrasónica para eliminar manchas de aceite, polvo y polvo cerámico residual en la superficie del cuerpo de la taza. Enjuague con agua desionizada nuevamente, seque y luego coloque en la cámara de vacío para evitar que las impurezas afecten la adhesión de la capa de película.
Activación por plasma
Introduzca gas argón en la cámara de vacío y encienda la fuente de iones para generar plasma. Los iones de argón de alta energía bombardean la superficie cerámica, graban pequeños hoyos, aumentan la rugosidad de la superficie (formando un "efecto de anclaje") y, simultáneamente, eliminan la capa de óxido de la superficie, activando la superficie del sustrato y sentando las bases para el recubrimiento posterior.
Deposición de la capa de transición (opcional)
Para escenarios que requieren alta adhesión, primero se deposita una capa de transición metálica (como titanio o cromo). Aprovechando el enlace químico entre la capa de transición y la cerámica, se construye un "puente" entre el sustrato cerámico y la capa de película funcional para evitar que la capa de película se caiga.
II. Principios de funcionamiento de los dos procesos de recubrimiento principales
Recubrimiento por evaporación al vacío (adecuado para películas metálicas decorativas, con un costo relativamente bajo)
Este proceso implica calentar el material objetivo para evaporarlo en átomos gaseosos, que luego se condensan en una película sobre la superficie de cerámicas de baja temperatura. A menudo se utiliza para preparar capas de película con brillo metálico como oro y plata.
- Hacer vacío: Inicie el sistema de vacío y evacue el grado de vacío de la cavidad al nivel requerido 10 −3 a 10 −4 Pa, reduciendo la interferencia de colisión de las moléculas de gas en los átomos evaporados y asegurando una capa de película uniforme y densa.
- Evaporación por calentamiento del material objetivo: Los objetivos metálicos como aluminio, oro y cobre se colocan en una fuente de evaporación (fuente de evaporación por resistencia o fuente de evaporación por haz de electrones). La fuente de evaporación por haz de electrones puede enfocar con precisión el calor, elevando rápidamente la temperatura del material objetivo a su punto de ebullición y vaporizándolo en vapor de átomos metálicos de alta pureza.
- Deposición de la película: Las tazas de cerámica se sujetan en un soporte de pieza de trabajo que gira tanto sobre el sol como alrededor de él. El vapor atómico metálico se mueve en línea recta en un entorno de vacío y, al golpear la superficie de la taza de baja temperatura, se condensa y se acumula gradualmente para formar una capa de película metálica continua. El grosor de la capa de película se puede ajustar (generalmente de 0,1 a 1μm) controlando el tiempo de deposición.
Una vez completado el recubrimiento, apague la fuente de evaporación y mantenga un entorno de vacío para enfriar a temperatura ambiente para evitar el agrietamiento por tensión de la capa de recubrimiento debido a una diferencia de temperatura excesiva. Finalmente, introduzca gas inerte en la cavidad para aliviar la presión y retire la pieza de trabajo.
2. Recubrimiento por sputtering con magnetrón (adecuado para películas funcionales compuestas y altamente resistentes al desgaste, con un rendimiento superior)
Este proceso utiliza plasma para bombardear el material objetivo, lo que hace que los átomos del material objetivo se dispersen y se depositen en la superficie de la taza. La adhesión y la resistencia al desgaste de la capa de película superan con creces las del recubrimiento por evaporación, y puede preparar capas de película compuestas como nitruro de titanio (oro) y carburo de titanio (negro).
- Generación de vacío y plasma: Evacuar a una presión de 10 −2 a 10 −3 Pa, se introduce gas argón y se aplica un campo eléctrico de alto voltaje. El gas argón se ioniza en iones de argón y electrones, formando un plasma.
- Confinamiento del campo magnético para mejorar el sputtering: Se instala un imán en la parte posterior del material objetivo para formar un campo magnético. El campo magnético confinará los electrones al movimiento en espiral, prolongará su tiempo de residencia cerca del material objetivo, aumentará la probabilidad de colisión con las moléculas de argón, generará más iones de argón y mejorará significativamente la eficiencia del sputtering.
- Sputtering y deposición de átomos del material objetivo: Los iones de argón de alta energía bombardean la superficie del material objetivo, y los átomos del material objetivo se "golpean" mediante la transferencia de momento (proceso de sputtering). Los átomos dispersados vuelan hacia la superficie de las tazas de cerámica en un entorno de vacío y se depositan para formar una capa de película densa. Si se introducen gases reactivos como nitrógeno y metano, también pueden reaccionar con los átomos dispersados para formar capas de película funcionales de compuestos como nitruro de titanio y carburo de titanio.
- Postratamiento (opcional): Algunos procesos se someterán a un recocido a baja temperatura después del recubrimiento para mejorar aún más la adhesión entre la capa de película y el sustrato y aumentar la dureza de la capa de película.
III. Características del proceso y ventajas de la aplicación
- La capa de película tiene un rendimiento excelente: La capa de película formada por recubrimiento al vacío es uniforme y densa, sin defectos como hundimiento y piel de naranja. La resistencia al desgaste puede alcanzar más de 4H (dureza del lápiz), y es resistente a la corrosión por alcohol, ácidos y álcalis, lo que lo hace adecuado para el uso diario.
- Respetuoso con el medio ambiente y libre de contaminación: No hay emisión de disolventes orgánicos ni metales pesados durante todo el proceso. En comparación con los procesos de pulverización tradicionales, está más en línea con los estándares de producción ecológica.
- Fuerte efecto decorativo: Puede lograr varios efectos de apariencia, como brillo metálico, color degradado y mate, satisfaciendo las necesidades de personalización personalizada. Se utiliza ampliamente en el tratamiento de superficies de tazas de cerámica de alta gama y tazas de regalo culturales y creativas.
Defectos comunes y soluciones del recubrimiento al vacío en tazas de cerámica
1. Desprendimiento/descascarillado de la capa de película
Manifestaciones típicas: La capa de película se cae en pedazos grandes durante la prueba de cinta después del recubrimiento, o grandes áreas se desprenden después de golpes y golpes diarios. Causas principales
- La superficie cerámica no se limpió a fondo, dejando impurezas como manchas de aceite y polvo.
- Sin tratamiento de activación por plasma, la energía superficial del sustrato es baja, lo que dificulta la adhesión de la capa de película.
- No hay una capa de transición depositada, y hay una falta de un "puente" de unión entre la cerámica y la capa de película funcional.
- Si la velocidad de enfriamiento después del recubrimiento es demasiado rápida, se generará una tensión significativa dentro de la capa de recubrimiento, lo que provocará grietas y descamación.
Soluciones específicas
- Extienda el tiempo de limpieza ultrasónica a 15 a 20 minutos. Después de la limpieza, enjuague con agua desionizada y luego seque la taza en un horno a 80 a 100 grados Celsius para eliminar a fondo las impurezas de la superficie.
- Extienda el tiempo de activación por plasma a 5 a 10 minutos, aumente apropiadamente la potencia de bombardeo de iones y aumente la rugosidad de la superficie de la cerámica a través del grabado con iones de alta energía para mejorar la actividad de la superficie.
- Agregue el proceso de deposición de capas de transición metálicas como titanio y cromo, y controle el grosor de la capa de transición en 50 a 100 nm. Utilice la unión química para mejorar la adhesión entre la película y el sustrato.
- Se adopta el proceso de enfriamiento escalonado. Una vez completado el recubrimiento, se enfría naturalmente a temperatura ambiente en un entorno de vacío, y luego se introduce gas inerte en la cavidad para aliviar la presión y retirarlo del horno, evitando la tensión por diferencia de temperatura.
2. Diferencia de color/brillo desigual de la capa de película
Manifestaciones típicas: La profundidad del color de las tazas en el mismo lote varía, o hay puntos claros o rayas en la superficie de las tazas individuales, con diferencias significativas en el brillo. Causas principales
- Las velocidades de autorrotación y revolución desiguales del marco de la pieza de trabajo dan como resultado diferencias significativas en las tasas de deposición de la capa de película en varias partes del cuerpo de la taza.
- El grado de vacío en la cámara de vacío fluctúa, y las moléculas de gas interfieren con el proceso de deposición de los átomos del material objetivo, lo que afecta la uniformidad de la capa de película.
- La oxidación o la aparición de "nódulos" en la superficie del material objetivo conducen a tasas de sputtering/evaporación inestables y a una composición y grosor desiguales de la capa de película.
- La posición de sujeción del cuerpo de la taza es incorrecta, y hay obstrucciones en la boca de la taza, el asa y otras partes, formando áreas de sombra del recubrimiento.
Soluciones específicas
- Calibre los parámetros de velocidad de rotación del bastidor de la pieza de trabajo, controlando la velocidad de autorrotación a 10 a 20 r/min y la velocidad de revolución a 5 a 10 r/min para garantizar que todas las partes del cuerpo de la taza estén chapadas de manera uniforme.
- Verifique el rendimiento de sellado del sistema de vacío y reemplace los anillos de sellado envejecidos. Antes del recubrimiento, evacue completamente el aire. Solo inicie el proceso de recubrimiento después de que el grado de vacío se estabilice para evitar fluctuaciones en el grado de vacío durante el proceso.
- Pre-sputter el material objetivo durante 3 a 5 minutos antes de usarlo para eliminar la capa de óxido de la superficie. Limpie regularmente los "bultos" en la superficie del material objetivo y reemplace el material objetivo severamente desgastado de manera oportuna.
- Optimice el método de sujeción del cuerpo de la taza, ajuste el ángulo del accesorio, evite que la boca de la taza y el asa bloqueen la ruta de recubrimiento y asegúrese de que el cuerpo de la taza esté recubierto sin rincones muertos.
III. Agujeros/picaduras en la capa de película
Manifestaciones típicas: Se distribuyen pequeños hoyos o agujeros en la superficie de la capa de película, y los defectos son particularmente obvios cuando se observan bajo la luz. Causas principales
- Las partículas de impurezas residuales en la cámara de vacío caen sobre la superficie de la taza durante el proceso de recubrimiento, formando agujeros.
- El sustrato cerámico en sí tiene defectos como poros y grietas, y después del recubrimiento, estos defectos se manifiestan directamente como picaduras.
- El aceite de la bomba de aceite de vacío se somete a evaporación inversa, y la niebla de aceite entra en la cavidad, contaminando la capa de película y formando picaduras.
Soluciones específicas
- Limpie regularmente las paredes internas de la cámara de vacío con un paño sin pelusa. Antes del recubrimiento, inicie el programa de horneado de la cámara para eliminar el vapor de agua y las impurezas adsorbidas en las paredes internas. Instale filtros a prueba de polvo dentro de la cavidad cuando sea necesario.
- Controle estrictamente la calidad de los materiales base cerámicos y seleccione cuerpos de taza libres de poros y grietas. Para sustratos con defectos menores, primero se puede llevar a cabo un tratamiento de acristalamiento para llenar los poros de la superficie, y luego se puede aplicar el recubrimiento.
- Reemplace el aceite de vacío especialmente diseñado para bombas moleculares y verifique si la válvula de retorno de la bomba de aceite es normal. Instale un colector de niebla de aceite para evitar que el aceite de vacío se evapore a la inversa en la cavidad y contamine la capa de película.
Cuatro. Pobre resistencia al desgaste de la capa de película
Manifestaciones típicas: El resultado de la prueba de dureza del lápiz es inferior a 3H, o aparecen arañazos obvios en la superficie de la capa de película después de la limpieza diaria. Causas principales
- La capa de película es demasiado delgada, generalmente menos de 0,3μm, lo que dificulta la resistencia a la fricción externa.
- La potencia de sputtering del magnetrón es demasiado baja, la energía de sputtering de los átomos del material objetivo es insuficiente y la densidad de la capa de película es pobre.
- La proporción incorrecta del gas de reacción conduce a una baja cristalinidad de la capa de película compuesta (como el nitruro de titanio) y una disminución de la resistencia al desgaste.
Soluciones específicas
- Extienda el tiempo de deposición del recubrimiento y controle el grosor de la capa de película dentro de 0,5 a 1μm para garantizar que la capa de película tenga una base resistente al desgaste suficiente.
- Ajuste la potencia de sputtering a 200-400W de acuerdo con el material del objetivo para aumentar la energía de sputtering atómico y mejorar la densidad y dureza de la capa de película.
- A través de experimentos de proceso, se optimizó la relación de flujo de los gases de reacción (como nitrógeno y oxígeno) para mejorar la cristalinidad de la capa de película compuesta y mejorar su resistencia al desgaste.
V. Decoloración/oxidación de la película
Manifestaciones típicas: El amarilleo o ennegrecimiento se produce en un corto período de tiempo después del recubrimiento, o el brillo de la capa de recubrimiento se oscurece y se pierde la textura metálica después de almacenarse durante un período de tiempo. Causas principales
- Cuando el aire se introduce demasiado rápido durante el alivio de la presión después del recubrimiento, la capa de película de alta temperatura entra en contacto con el aire y se somete a una reacción de oxidación.
- La capa superior de película protectora antioxidante no se deposita, y la capa de película está directamente expuesta al aire, lo que es propenso a la oxidación y la corrosión.
- El entorno de almacenamiento del producto terminado es húmedo, y se produce corrosión electroquímica en la superficie de la capa de película.
Soluciones específicas
- Al despresurizar, primero se deben introducir gases inertes como argón y nitrógeno para desplazar la cámara. Una vez que la temperatura de la taza desciende por debajo de 50℃, se debe introducir aire lentamente para evitar la oxidación a alta temperatura.
- Se deposita una capa antioxidante de SiO₂ de 50-100 nm en la superficie de la capa de película funcional para aislar la erosión de la capa de película subyacente por el aire y el vapor de agua.
- Guarde las tazas terminadas en un ambiente seco y bien ventilado, evitando el contacto directo con sustancias corrosivas como agua, soluciones ácidas y alcalinas. Al empacar, se pueden agregar desecantes para evitar la humedad.
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