การเคลือบสูญญากาศของแก้วเซรามิกเป็นกระบวนการที่เป้าหมายที่เป็นโลหะหรือสารประกอบถูกนำไปเคลือบบนพื้นผิวของตัวแก้วผ่านเทคโนโลยีการสะสมไอระเหยทางกายภาพ (PVD) ในสภาพแวดล้อมสูญญากาศ ก่อตัวเป็นชั้นฟิล์มตกแต่ง (เช่น ความมันวาวของโลหะ สีไล่ระดับ) หรือฟังก์ชัน (เช่น ทนต่อการสึกหรอ กันน้ำ) ส่วนใหญ่ใช้เพื่อเพิ่มพื้นผิวรูปลักษณ์และความทนทานของแก้ว กระบวนการทั่วไป ได้แก่ การสปัตเตอร์แมกนีตรอนและการเคลือบด้วยการระเหยสูญญากาศ
I. ข้อกำหนดเบื้องต้นหลัก: การเตรียมพื้นผิวของวัสดุเซรามิก
เซรามิกเป็นวัสดุที่ไม่ใช่โลหะที่มีพื้นผิวเรียบและมีความเสถียรทางเคมีสูง การเคลือบโดยตรงมีแนวโน้มที่จะเกิดการลอกของฟิล์ม ดังนั้นการเตรียมพื้นผิวจึงเป็นขั้นตอนสำคัญ
ทำความสะอาดและขจัดสิ่งสกปรก
ขั้นแรก ใช้การทำความสะอาดด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงเพื่อขจัดคราบน้ำมัน ฝุ่น และผงเซรามิกที่เหลืออยู่บนพื้นผิวของตัวแก้ว ล้างด้วยน้ำปราศจากไอออนอีกครั้ง ทำให้แห้ง แล้ววางในห้องสูญญากาศเพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งสกปรกที่ส่งผลต่อการยึดเกาะของชั้นฟิล์ม
การเปิดใช้งานพลาสมา
นำก๊าซอาร์กอนเข้าไปในห้องสูญญากาศและเปิดแหล่งไอออนเพื่อสร้างพลาสมา ไอออนอาร์กอนพลังงานสูงจะระเบิดพื้นผิวเซรามิก กัดหลุมเล็กๆ เพิ่มความหยาบของพื้นผิว (ก่อตัวเป็น "ผลกระทบการยึดเกาะ") และในเวลาเดียวกันจะขจัดชั้นออกไซด์บนพื้นผิว เปิดใช้งานพื้นผิวของวัสดุพิมพ์ และวางรากฐานสำหรับการเคลือบในภายหลัง
การสะสมชั้นเปลี่ยนผ่าน (ทางเลือก)
สำหรับสถานการณ์ที่ต้องการการยึดเกาะสูง จะมีการสะสมชั้นเปลี่ยนผ่านโลหะ (เช่น ไทเทเนียมหรือโครเมียม) ก่อน โดยใช้ประโยชน์จากพันธะเคมีระหว่างชั้นเปลี่ยนผ่านและเซรามิก จะมีการสร้าง "สะพาน" ระหว่างวัสดุพิมพ์เซรามิกและชั้นฟิล์มฟังก์ชันเพื่อป้องกันไม่ให้ชั้นฟิล์มหลุดออก
II. หลักการทำงานของกระบวนการเคลือบหลักสองแบบ
การชุบด้วยการระเหยสูญญากาศ (เหมาะสำหรับฟิล์มโลหะตกแต่ง มีต้นทุนค่อนข้างต่ำ)
กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่สารเป้าหมายเพื่อระเหยเป็นอะตอมก๊าซ ซึ่งจะควบแน่นเป็นฟิล์มบนพื้นผิวของเซรามิกที่มีอุณหภูมิต่ำ มักใช้เพื่อเตรียมชั้นฟิล์มมันวาวของโลหะ เช่น ทองและเงิน
- การทำสูญญากาศ:เริ่มระบบสูญญากาศและอพยพองศาสูญญากาศของโพรงให้อยู่ในระดับที่ต้องการ 10 −3 ถึง 10 −4 Pa ลดการรบกวนการชนกันของโมเลกุลก๊าซบนอะตอมที่ระเหยและรับประกันชั้นฟิล์มที่สม่ำเสมอและหนาแน่น
- การระเหยความร้อนของวัสดุเป้าหมาย:เป้าหมายโลหะ เช่น อะลูมิเนียม ทอง และทองแดง ถูกวางไว้ในแหล่งระเหย (แหล่งระเหยความต้านทานหรือแหล่งระเหยลำแสงอิเล็กตรอน) แหล่งระเหยลำแสงอิเล็กตรอนสามารถโฟกัสความร้อนได้อย่างแม่นยำ ทำให้เพิ่มอุณหภูมิของวัสดุเป้าหมายอย่างรวดเร็วถึงจุดเดือดและระเหยเป็นไออะตอมโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูง
- การสะสมฟิล์ม:แก้วเซรามิกถูกหนีบไว้บนที่ยึดชิ้นงานที่หมุนทั้งบนและรอบดวงอาทิตย์ ไออะตอมโลหะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในสภาพแวดล้อมสูญญากาศ และเมื่อกระทบพื้นผิวของแก้วที่มีอุณหภูมิต่ำ จะควบแน่นและค่อยๆ สะสมตัวเพื่อสร้างชั้นฟิล์มโลหะต่อเนื่อง ความหนาของชั้นฟิล์มสามารถปรับได้ (โดยปกติ 0.1 ถึง 1μm) โดยการควบคุมเวลาการสะสม
หลังจากเคลือบเสร็จแล้ว ให้ปิดแหล่งระเหยและรักษาสภาพแวดล้อมสูญญากาศให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้องเพื่อป้องกันการแตกร้าวของชั้นเคลือบเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากเกินไป สุดท้าย ให้นำก๊าซเฉื่อยเข้าไปในโพรงเพื่อลดแรงดันและนำชิ้นงานออก
2. การชุบด้วยการสปัตเตอร์แมกนีตรอน (เหมาะสำหรับฟิล์มฟังก์ชันที่ทนต่อการสึกหรอสูงและคอมโพสิต มีประสิทธิภาพเหนือกว่า)
กระบวนการนี้ใช้พลาสมาเพื่อระเบิดวัสดุเป้าหมาย ทำให้อะตอมของวัสดุเป้าหมายกระเด็นออกมาและสะสมบนพื้นผิวของแก้ว การยึดเกาะและความทนทานต่อการสึกหรอของชั้นฟิล์มนั้นเกินกว่าการชุบด้วยการระเหยมาก และสามารถเตรียมชั้นฟิล์มคอมโพสิต เช่น ไทเทเนียมไนไตรด์ (ทอง) และไทเทเนียมคาร์ไบด์ (ดำ)
- การสร้างสูญญากาศและพลาสมา:อพยพไปที่ความดัน 10 −2 ถึง 10 −3 Pa มีการนำก๊าซอาร์กอนเข้ามาและใช้สนามไฟฟ้าแรงสูง ก๊าซอาร์กอนจะแตกตัวเป็นไอออนอาร์กอนและอิเล็กตรอน ก่อตัวเป็นพลาสมา
- สนามแม่เหล็กจำกัดการสปัตเตอร์ที่เพิ่มขึ้น:มีการติดตั้งแม่เหล็กที่ด้านหลังของวัสดุเป้าหมายเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กจะจำกัดอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่เป็นเกลียว ยืดระยะเวลาการพำนักใกล้กับวัสดุเป้าหมาย เพิ่มโอกาสในการชนกับโมเลกุลอาร์กอน สร้างไอออนอาร์กอนมากขึ้น และเพิ่มประสิทธิภาพการสปัตเตอร์อย่างมีนัยสำคัญ
- การสปัตเตอร์และการสะสมอะตอมของวัสดุเป้าหมาย:ไอออนอาร์กอนพลังงานสูงจะระเบิดพื้นผิวของวัสดุเป้าหมาย และอะตอมของวัสดุเป้าหมายจะถูก "กระแทก" ออกผ่านการถ่ายโอนโมเมนตัม (กระบวนการสปัตเตอร์) อะตอมที่กระเด็นออกมาจะบินไปยังพื้นผิวของแก้วเซรามิกในสภาพแวดล้อมสูญญากาศและสะสมตัวเพื่อสร้างชั้นฟิล์มที่หนาแน่น หากมีการนำก๊าซทำปฏิกิริยา เช่น ไนโตรเจนและมีเทนเข้ามา ก็สามารถทำปฏิกิริยากับอะตอมที่กระเด็นออกมาเพื่อสร้างชั้นฟิล์มฟังก์ชันของสารประกอบ เช่น ไทเทเนียมไนไตรด์และไทเทเนียมคาร์ไบด์
- การบำบัดหลังการรักษา (ทางเลือก) :กระบวนการบางอย่างจะผ่านการอบอ่อนที่อุณหภูมิต่ำหลังจากการเคลือบเพื่อเพิ่มการยึดเกาะระหว่างชั้นฟิล์มและวัสดุพิมพ์ และเพิ่มความแข็งของชั้นฟิล์ม
III. ลักษณะกระบวนการและข้อดีของการใช้งาน
- ชั้นฟิล์มมีประสิทธิภาพดีเยี่ยม:ชั้นฟิล์มที่เกิดจากการเคลือบสูญญากาศมีความสม่ำเสมอและหนาแน่น ไม่มีข้อบกพร่อง เช่น การหย่อนคล้อยและผิวส้ม ความทนทานต่อการสึกหรอสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 4H (ความแข็งของดินสอ) และทนทานต่อการกัดกร่อนของแอลกอฮอล์ กรด และด่าง ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวัน
- เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและปราศจากมลพิษ:ไม่มีการปล่อยตัวทำละลายอินทรีย์หรือโลหะหนักตลอดกระบวนการ เมื่อเทียบกับกระบวนการพ่นแบบดั้งเดิม จะสอดคล้องกับมาตรฐานการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
- เอฟเฟกต์การตกแต่งที่แข็งแกร่ง:สามารถสร้างเอฟเฟกต์รูปลักษณ์ต่างๆ เช่น ความมันวาวของโลหะ สีไล่ระดับ และด้าน ตอบสนองความต้องการในการปรับแต่งส่วนบุคคล ใช้กันอย่างแพร่หลายในการบำบัดพื้นผิวของแก้วเซรามิกระดับไฮเอนด์ และถ้วยของขวัญเชิงวัฒนธรรมและความคิดสร้างสรรค์
ข้อบกพร่องทั่วไปและวิธีแก้ไขของการเคลือบสูญญากาศบนแก้วเซรามิก
1. การลอก/หลุดของชั้นฟิล์ม
อาการทั่วไป:ชั้นฟิล์มหลุดออกเป็นชิ้นใหญ่ระหว่างการทดสอบเทปหลังการเคลือบ หรือหลุดออกเป็นบริเวณกว้างหลังจากการกระแทกและเคาะในชีวิตประจำวัน สาเหตุหลัก
- พื้นผิวเซรามิกไม่ได้รับการทำความสะอาดอย่างทั่วถึง ทำให้สิ่งสกปรก เช่น คราบน้ำมันและฝุ่นละออง
- หากไม่มีการบำบัดด้วยการเปิดใช้งานพลาสมา พลังงานพื้นผิวของวัสดุพิมพ์จะต่ำ ทำให้ชั้นฟิล์มยึดเกาะได้ยาก
- ไม่มีการสะสมชั้นเปลี่ยนผ่าน และไม่มี "สะพาน" เชื่อมระหว่างเซรามิกและชั้นฟิล์มฟังก์ชัน
- หากอัตราการระบายความร้อนหลังการเคลือบเร็วเกินไป จะเกิดความเครียดอย่างมากภายในชั้นเคลือบ ทำให้เกิดการแตกร้าวและการลอก
วิธีแก้ไขปัญหา
- ขยายเวลาการทำความสะอาดด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงเป็น 15 ถึง 20 นาที หลังทำความสะอาด ให้ล้างด้วยน้ำปราศจากไอออนแล้วทำให้แก้วแห้งในเตาอบที่อุณหภูมิ 80 ถึง 100 องศาเซลเซียส เพื่อขจัดสิ่งสกปรกบนพื้นผิวออกอย่างทั่วถึง
- ขยายเวลาการเปิดใช้งานพลาสมาเป็น 5 ถึง 10 นาที เพิ่มกำลังการระเบิดของไอออนอย่างเหมาะสม และเพิ่มความหยาบของพื้นผิวของเซรามิกผ่านการกัดด้วยไอออนพลังงานสูงเพื่อเพิ่มกิจกรรมบนพื้นผิว
- เพิ่มกระบวนการสะสมชั้นเปลี่ยนผ่านโลหะ เช่น ไทเทเนียมและโครเมียม และควบคุมความหนาของชั้นเปลี่ยนผ่านที่ 50 ถึง 100nm ใช้พันธะเคมีเพื่อเพิ่มการยึดเกาะระหว่างฟิล์มและวัสดุพิมพ์
- ใช้กระบวนการระบายความร้อนแบบขั้นบันได หลังจากเคลือบเสร็จแล้ว จะถูกทำให้เย็นลงตามธรรมชาติที่อุณหภูมิห้องในสภาพแวดล้อมสูญญากาศ จากนั้นจึงนำก๊าซเฉื่อยเข้าไปในโพรงเพื่อลดแรงดันและนำออกจากเตา หลีกเลี่ยงความเครียดจากความแตกต่างของอุณหภูมิ
2. ความแตกต่างของสี/ความมันวาวที่ไม่สม่ำเสมอของชั้นฟิล์ม
อาการทั่วไป:ความเข้มของสีของแก้วในชุดเดียวกันแตกต่างกัน หรือมีจุดแสงหรือลายเส้นบนพื้นผิวของแก้วแต่ละใบ โดยมีความแตกต่างอย่างมากในความมันวาว สาเหตุหลัก
- ความเร็วในการหมุนและการปฏิวัติของโครงชิ้นงานที่ไม่สม่ำเสมอส่งผลให้เกิดความแตกต่างอย่างมากในอัตราการสะสมของชั้นฟิล์มในส่วนต่างๆ ของตัวแก้ว
- องศาสูญญากาศในห้องสูญญากาศผันผวน และโมเลกุลก๊าซรบกวนกระบวนการสะสมของอะตอมวัสดุเป้าหมาย ส่งผลต่อความสม่ำเสมอของชั้นฟิล์ม
- การเกิดออกซิเดชันหรือการปรากฏตัวของ "ปม" บนพื้นผิวของวัสดุเป้าหมายนำไปสู่อัตราการสปัตเตอร์/การระเหยที่ไม่เสถียร และองค์ประกอบและความหนาของชั้นฟิล์มที่ไม่สม่ำเสมอ
- ตำแหน่งการหนีบของตัวแก้วไม่ถูกต้อง และมีสิ่งกีดขวางบนปากแก้ว ที่จับ และส่วนอื่นๆ ก่อตัวเป็นพื้นที่เงาของการเคลือบ
วิธีแก้ไขปัญหา
- ปรับเทียบพารามิเตอร์ความเร็วในการหมุนของชั้นวางชิ้นงาน ควบคุมความเร็วในการหมุนตัวเองที่ 10 ถึง 20r/min และความเร็วในการปฏิวัติที่ 5 ถึง 10r/min เพื่อให้แน่ใจว่าทุกส่วนของตัวแก้วถูกเคลือบอย่างสม่ำเสมอ
- ตรวจสอบประสิทธิภาพการซีลของระบบสูญญากาศและเปลี่ยนวงแหวนซีลที่เสื่อมสภาพ ก่อนการเคลือบ ให้ไล่อากาศออกอย่างทั่วถึง เริ่มกระบวนการเคลือบหลังจากองศาสูญญากาศคงที่เท่านั้น เพื่อหลีกเลี่ยงความผันผวนขององศาสูญญากาศในระหว่างกระบวนการ
- สปัตเตอร์ล่วงหน้าวัสดุเป้าหมายเป็นเวลา 3 ถึง 5 นาทีก่อนใช้งานเพื่อขจัดชั้นออกไซด์บนพื้นผิว ทำความสะอาด "ก้อน" บนพื้นผิวของวัสดุเป้าหมายเป็นประจำ และเปลี่ยนวัสดุเป้าหมายที่สึกหรออย่างรุนแรงในเวลาที่เหมาะสม
- ปรับวิธีการหนีบตัวแก้ว ปรับมุมของตัวยึด หลีกเลี่ยงปากแก้วและที่จับที่ขวางเส้นทางการเคลือบ และตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวแก้วถูกเคลือบโดยไม่มีมุมอับ
III. รูเข็ม/การเกิดหลุมในชั้นฟิล์ม
อาการทั่วไป:หลุมหรือรูเล็กๆ กระจายอยู่บนพื้นผิวของชั้นฟิล์ม และข้อบกพร่องจะเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษเมื่อสังเกตภายใต้แสง สาเหตุหลัก
- อนุภาคสิ่งสกปรกที่เหลืออยู่ในห้องสูญญากาศตกลงบนพื้นผิวของแก้วในระหว่างกระบวนการเคลือบ ก่อตัวเป็นรูเข็ม
- วัสดุพิมพ์เซรามิกมีข้อบกพร่อง เช่น รูพรุนและรอยแตก และหลังจากการเคลือบ ข้อบกพร่องเหล่านี้จะปรากฏโดยตรงเป็นการเกิดหลุม
- น้ำมันจากปั๊มน้ำมันสูญญากาศผ่านการระเหยย้อนกลับ และละอองน้ำมันเข้าไปในโพรง ปนเปื้อนชั้นฟิล์มและก่อตัวเป็นหลุม
วิธีแก้ไขปัญหา
- เช็ดผนังด้านในของห้องสูญญากาศด้วยผ้าที่ไม่เป็นขุยเป็นประจำ ก่อนการเคลือบ ให้เริ่มโปรแกรมการอบห้องเพื่อขจัดไอน้ำและสิ่งสกปรกที่ดูดซับบนผนังด้านใน ติดตั้งตัวกรองกันฝุ่นภายในโพรงเมื่อจำเป็น
- ควบคุมคุณภาพของวัสดุฐานเซรามิกอย่างเคร่งครัด และเลือกตัวแก้วที่ไม่มีรูพรุนและรอยแตก สำหรับวัสดุพิมพ์ที่มีข้อบกพร่องเล็กน้อย สามารถทำการเคลือบก่อนเพื่อเติมรูพรุนบนพื้นผิว จากนั้นจึงทำการเคลือบ
- เปลี่ยนน้ำมันสูญญากาศที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับปั๊มโมเลกุล และตรวจสอบว่าวาล์วกลับน้ำมันทำงานตามปกติหรือไม่ ติดตั้งตัวเก็บละอองน้ำมันเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำมันสูญญากาศระเหยย้อนกลับเข้าไปในโพรงและปนเปื้อนชั้นฟิล์ม
สี่. ความทนทานต่อการสึกหรอของชั้นฟิล์มไม่ดี
อาการทั่วไป:ผลการทดสอบความแข็งของดินสอต่ำกว่า 3H หรือรอยขีดข่วนที่เห็นได้ชัดเจนปรากฏบนพื้นผิวของชั้นฟิล์มหลังจากการเช็ดในชีวิตประจำวัน สาเหตุหลัก
- ชั้นฟิล์มบางเกินไป โดยปกติจะน้อยกว่า 0.3μm ทำให้ยากต่อการต้านทานแรงเสียดทานภายนอก
- กำลังสปัตเตอร์แมกนีตรอนต่ำเกินไป พลังงานการสปัตเตอร์ของอะตอมวัสดุเป้าหมายไม่เพียงพอ และความหนาแน่นของชั้นฟิล์มไม่ดี
- การแบ่งสัดส่วนก๊าซทำปฏิกิริยาที่ไม่เหมาะสมนำไปสู่การตกผลึกต่ำของชั้นฟิล์มสารประกอบ (เช่น ไทเทเนียมไนไตรด์) และการลดลงของความทนทานต่อการสึกหรอ
วิธีแก้ไขปัญหา
- ขยายเวลาการสะสมของการเคลือบและควบคุมความหนาของชั้นฟิล์มให้อยู่ในช่วง 0.5 ถึง 1μm เพื่อให้แน่ใจว่าชั้นฟิล์มมีรากฐานที่ทนต่อการสึกหรอเพียงพอ
- ปรับกำลังสปัตเตอร์เป็น 200-400W ตามวัสดุของเป้าหมายเพื่อเพิ่มพลังงานการสปัตเตอร์ของอะตอมและเพิ่มความหนาแน่นและความแข็งของชั้นฟิล์ม
- ผ่านการทดลองกระบวนการ อัตราการไหลของก๊าซทำปฏิกิริยา (เช่น ไนโตรเจนและออกซิเจน) ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อเพิ่มการตกผลึกของชั้นฟิล์มสารประกอบและปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอ
V. การเปลี่ยนสี/ออกซิเดชันของฟิล์ม
อาการทั่วไป:การเปลี่ยนเป็นสีเหลืองหรือสีดำเกิดขึ้นในระยะเวลาสั้นๆ หลังจากการเคลือบ หรือความมันวาวของชั้นเคลือบลดลงและสูญเสียพื้นผิวโลหะหลังจากเก็บไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง สาเหตุหลัก
- เมื่อมีการนำอากาศเข้ามาเร็วเกินไปในระหว่างการลดแรงดันหลังการเคลือบ ชั้นฟิล์มที่มีอุณหภูมิสูงสัมผัสกับอากาศและเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน
- ไม่มีการสะสมชั้นป้องกันการเกิดออกซิเดชันชั้นบนสุด และชั้นฟิล์มสัมผัสกับอากาศโดยตรง ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อน
- สภาพแวดล้อมในการจัดเก็บผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปมีความชื้น และเกิดการกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมีบนพื้นผิวของชั้นฟิล์ม
วิธีแก้ไขปัญหา
- เมื่อลดแรงดัน ควรนำก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอนและไนโตรเจนเข้ามาแทนที่ห้องก่อน เมื่ออุณหภูมิของแก้วลดลงต่ำกว่า 50℃ ควรนำอากาศเข้ามาอย่างช้าๆ เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง
- มีการสะสมชั้นป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระ SiO₂ ขนาด 50-100nm บนพื้นผิวของชั้นฟิล์มฟังก์ชันเพื่อแยกการกัดเซาะของชั้นฟิล์มที่อยู่ด้านล่างด้วยอากาศและไอน้ำ
- เก็บแก้วสำเร็จรูปไว้ในสภาพแวดล้อมที่แห้งและมีการระบายอากาศที่ดี หลีกเลี่ยงการสัมผัสโดยตรงกับสารกัดกร่อน เช่น น้ำ กรด และสารละลายด่าง เมื่อบรรจุภัณฑ์ สามารถเพิ่มสารดูดความชื้นเพื่อป้องกันความชื้น
>
>
