長辰技術干貨| PVD真空電鍍完整介紹
來源:長辰實業 日期:2021-12-03
真空鍍膜是不采用溶液或電能液而制備薄膜的一種干式鍍膜方法。
在應用中大體可分為:真空沉積、等離子體沉積、離子束沉積、離子束輔助沉積、等離子體噴涂等。以上所述各種方法統稱為物理氣相沉積。所不同的是把液體或固體成膜材料運輸在基材表面沉積或與其他活性氣體反應形成反應物在基體上沉積為固相薄膜的物理方式。真空鍍膜工藝除了對基材起到保護作用外還賦予基材不同的外觀效果以此來豐富人們的審美。真空電鍍作為真空鍍膜工藝之一被廣泛應用于諸多領域,而我們化妝品外包裝行業也是此工藝的應用和推廣者之一。如下圖所示,所采用的方式多為高溫蒸發真空沉積。
真空電鍍是在真空條件下用蒸發器加熱待蒸發物質,使其氣化并向基板運輸在基板上冷凝形成固態薄膜的過程。
真空電鍍與其他氣相沉積技術相比有許多優點:設備比較簡單、容易操作;制備的薄膜純度高、成膜速度快;薄膜生長機理簡單,易控制和模擬。
真空電鍍技術的不足:不易獲得結晶結構的薄膜;沉積的薄膜與基板的附著性較差;工藝重復性不夠好。
一般真空電鍍在民用工業的裝飾膜和包裝膜中應用較多。例如:汽車、燈具、玩具、交通工具、家用電器用具、工藝美術品、日用小商品、手機邊框、化妝品及其他一些包裝類產品上。
它是將鍍膜材料置于真空鍍膜室內,通過蒸發源使其加熱蒸發。當蒸發分子的平均自由程大于蒸發源與基片間的尺寸后,蒸發的粒子從蒸發源表面溢出,在飛向基片表面過程中很少碰到其他例子(主要是殘余氣體分子)的碰撞阻礙,直接到達基材表面上凝結而生成薄膜。
真空蒸發鍍膜原理
(1、基片加熱電源;2、真空室;3、基片架;4、基片;5、膜材;6、蒸發盤;7、加熱電源;8、排氣口;9、真空密封;10、擋板;11、蒸汽流)
從這一原理圖中不難看出,真空電鍍工藝過程是由膜材在蒸發源表面上的蒸發、蒸發后的粒子(主要是原子)在氣相中的遷移、到達基片表面上通過吸附作用在基片表面上凝結生成薄膜等三個過程所組成。這種工藝過程創造一個良好成膜條件是十分必要的。
真空電鍍工藝主要是通過加熱器把膜材蒸發、蒸發的膜材原子或分子遷移吸附到基體表面的成膜工藝,因此根據膜材的種類不同大體可分為金屬膜的真空電鍍、合金膜的真空電鍍及化合物的真空電鍍這三大類。
(1)蒸發速率對蒸鍍涂層的性能影響
蒸發速率的大小對沉積膜層的影響較大。由于低的沉積速率形成的膜層結構松散易產生大顆粒沉積,為保證涂層結構的致密性,選擇較高的蒸發速率是十分安全的。當真空室內殘余氣體的壓力一定時,則轟擊基片的轟擊速率即為定值。因此,選擇較高沉積速率后的沉積的膜內所含的殘余氣體會得到減小,從減小了殘余氣體分子與蒸鍍膜材的化學反應。故,沉積膜的純度即可提高。應當注意的是,沉積速率如果過大可能增加膜的內應力,致使膜層內缺陷增大,嚴重時可導致膜層破裂。特別是,在反應蒸鍍過程中,為了使反應氣體與鍍膜材料粒子能夠進行充分的反應,可選擇較低的沉積速率。當然,對不同的材料蒸鍍應當選用不同的蒸發速率。作為沉積速率低會影響膜的性能的實際例子,是反射膜的沉積。如膜厚為600*10-8cm,蒸鍍時間為3S時,其反射率為93%。但是,如果在同樣的膜厚條件下將蒸速率放慢,采用10min的時間來完成膜的沉積。這時膜的厚度雖然相同。但是,反射率已下降到68%。
(2)基片溫度對蒸發涂層的影響
基片溫度對蒸發涂層的影響很大。高的基片溫度吸附在基片表面上的殘余氣體分子易于排出。特別是水蒸氣分子的排除更為重要。而且,在較高的溫度下不但易于促進物理吸附向化學吸附的轉變,從而增加粒子之間的結合力。而且還可以減少蒸汽分子的再結晶溫度與基片溫度兩者之間的差異,從而減少或消除膜基界面的內應力。此外,由于基片溫度與膜的結晶狀態有關,在基片溫度低或不加熱的條件下,往往容易形成非結晶態涂層。相反在較高溫度時,則易于生成晶態涂層。提高基片溫度也有利于涂層的力學性能的提高。當然,基片溫度也不能過高,以防止蒸發涂層的再蒸發。
(3)真空室內殘余氣體壓力對膜層的影響
真空室內殘余氣體的壓力對膜性能的影響較大。壓力過高殘余氣體分子不但已與蒸發粒子碰撞使其入射到基片上的動能減小影響膜的附著力。而且,過高的殘余氣體壓力還會嚴重影響膜的純度,使涂層的性能降低。
(4)蒸發溫度對蒸發涂層的影響
蒸發溫度對膜性能的影響是通過蒸發速率隨溫度變化而表現出來。當蒸發溫度高時,汽化熱將減小。如果膜材在蒸發溫度以上進行蒸發時,即使是溫度稍有微小的變化,也可以引發膜材蒸發速率的急劇變化。因此,在薄膜的沉積過程中采取精確的控制蒸發溫度,避免在蒸發源加熱時產生大的溫度梯度,對于易于升華的膜材選用膜材本身為加熱器,進行蒸鍍等措施也是非常重要的。
(5)基體與鍍膜室的清潔狀態對涂層性能的影響
基體與鍍膜室的清潔程度對涂層的性能影響是不可忽略的。它不僅會嚴重影響沉積膜的純度,而且也會減小膜的附著力。因此對基體的凈化對真空鍍膜室及室內的有關構件(如基片架)進行清潔處理和表面去氣均是真空鍍膜工藝過程中不可缺少的過程。
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