Технология вакуумной металлизации
Понятие и основные этапы вакуумной металлизации как процесса формирования покрытий путем испарения металлов в вакууме и конденсации их на поверхности полимеров. Главные условия эффективного применения данной методики. Свойства полимерных материалов.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.03.2016 |
| Размер файла | 178,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
В настоящее время металлизированные полимерные материалы используют не только в декоративных целях. Их начинают применять также и в качестве функциональных элементов при производстве различной электронной аппаратуры, авиационных двигателей и многих других изделий. Развитие технологии металлизации позволило эффективно решать, такие до недавнего времени трудно разрешимые технические задачи, как изготовление устройств частотной модуляции телевизионных антенн, прозрачных для видимой области инфракрасных экранов, надувных спутников, используемых в качестве радиолокационных отражателей.
Рост производства металлизированных полимеров и расширение областей их применения обусловлены, прежде всего, возможностью методом металлизации получать материалы, сочетающие высокие эксплуатационные свойства металлов и полимеров.
Основными способами, позволяющими формировать металлические покрытия на поверхности полимерных материалов, являются химическая, гальваническая, вакуумная металлизация, металлизация распылением и некоторые другие.
Целью курсового проекта является:
- изучение процессов, протекающих при вакуумной металлизации;
- технология вакуумной металлизации;
- изучение свойств покрытий;
- изучение оборудования;
- разработка технологического процесса;
- охрана труда и техника безопасности.
1. Процесс вакуумной металлизации
Вакуумная металлизация заключается в формировании покрытий путем испарения металлов в вакууме и конденсации их на поверхности полимеров. Достаточно эффективный и универсальный метод. В ближайшее время следует ожидать более широкое применение вакуумной технологии при металлизации полимерных материалов. Это связано, с одной стороны, с развитием технической оснащенности, с разработкой и внедрением в технологический процесс высокопроизводительных автоматических установок вакуумного напыления и, с другой, - с существенным улучшением технологии металлизации, которое обусловлено достижениями в области материаловедения и успехами в изучении механизма формирования металлических пленок на поверхности полимерных тел.
Процесс нанесения металлических покрытий в вакууме является достаточно сложным и в значительной степени зависит от условий реализации отдельных его стадий. Материал покрытия в течение всего технологического цикла претерпевает ряд фазовых и структурных превращений, основными из которых являются испарение, адсорбция, конденсация и кристаллизация. При взаимодействии единичного атома металла из газовой фазы с поверхностью твердого тела имеют место следующие относительно элементарные и протекающие последовательно процессы: аккомодация (энергообмен), адсорбция, поверхностная диффузия, присоединение к атомным кластерам, конденсация. Данные процессы взаимодействия проявляются на всех стадиях формирования покрытия, однако характер их протекания существенно зависит от условий осаждения и состояния поверхности.
На поверхности подложки в результате коллективного взаимодействия с ней атомов металла и в зависимости от условий и режима процесса возможны следующие основные состояния: адсорбционной фазы, ассоциатов атомов металла, устойчивых зародышей конденсированной фазы, островковой пленки, сплошной пленки металла. В ряде случаев на поверхности, особенно неоднородной, может одновременно наблюдаться несколько состояний. При этом основными процессами, определяющими фазовое и структурное состояние металлической пленки, являются диффузия атомов, ассоциатов и зародышей и их коалесценция.
На процесс взаимодействия атомов металла с поверхностью, на формирование металлической пленки, ее структуру и свойства металлизированных систем существенное влияние оказывает целый ряд технологических факторов, важнейшими из которых являются физико-химическое состояние поверхности, условия металлизации и параметры потока атомов металла.
При относительно простой технологической схеме вакуумной металлизации физико-химические процессы довольно сложны. Поэтому среди большого числа процессов следует выделять основные, протекание которых в значительной степени определяет особенности нанесения металлических покрытий на твердые тела (в том числе и полимеры) и свойства сформированных систем. Такую основополагающую роль выполняют процессы переноса массы и энергии, в изучении и направленном активизирующем воздействии на которые и заключается основной подход к совершенствованию технологии вакуумной металлизации.
Протекающие при формировании на поверхности твердых тел металлических покрытий переносные процессы можно условно разделить на две основные группы: 1) процессы переноса массы и энергии от источника (испарителя, распыляемой мишени) на поверхность подложки, а также процессы реиспарения, т.е. процессы переноса массы с подложки в вакуум; 2) процессы переноса массы и энергии по поверхности и при определенных условиях в объем материала подложки. При непрерывном росте металлической фазы эти процессы взаимосвязаны и протекают параллельно.
В первой группе процессов массоперенос с поверхности в вакуум зависит в основном от свойств поверхности. Вторая же группа процессов полностью определяется физико-химическим состоянием поверхностных слоев, и поэтому особенности их протекания, характерные для вакуумной металлизации полимерных материалов, требуют отдельного рассмотрения.
Характерным для процесса вакуумной металлизации является и то, что процесс активационной обработки и осаждения металлической пленки поверхность материала подвергается радиационному тепловому излучению, а также воздействию со стороны потоков ионов и атомов, растущей конденсированной фазы металла и др. В результате такого комплексного воздействия в поверхностных слоях полимера происходят структурные и химические изменения, которые сказываются затем на эксплуатационных свойствах сформированных систем. На характер протекающих в поверхностных слоях изменений оказывает влияние интенсивность падающего потока атомов металла, их природа, структурное и зарядовое состояние поверхностных слоев, особенности их реологического поведения и характер изменения теплофизических свойств полимерных материалов.
Адгезионное взаимодействие на границе металл - полимер зависит от условий нанесения металла, его природы и, что особенно важно, от химического состава, молекулярного строения и надмолекулярной структуры полимерного материала.
В зависимости от молекулярного строения макромолекул, условий обработки полимера, температуры, условий эксплуатации возможна реализация большого набора морфологических форм и сборных структур.
Природа полимера, химический состав макромолекул и их структура определяют значение поверхностной энергии, наличие поверхностных заряженных областей.
Полимерные материалы в сравнении с неорганическими соединениями и металлами характеризуются более низкой поверхностной энергией и весьма высокой чувствительностью ее к изменениям физико-химического состояния поверхностного слоя. Поэтому практически любые примесные включения инородных атомов или групп атомов приводят к ее локальному увеличению, что повышает вероятность зародышеобразования конденсированной фазы. При металлизации материалов с низкой поверхностной энергией существенное влияние на кинетику и морфологию растущей фазы оказывает поверхностная диффузия адсорбированных атомов металла, характер которой определяется, в свою очередь, структурной и электрофизической неоднородностью поверхности, технологическими режимами осаждения. При оценке адсорбционных свойств полимеров необходимо иметь в виду, что наличие поверхностного электрического заряда приводит к уменьшению энергетического барьера зародышеобразования. Поэтому более высокую адсорбционную активность имеют полимеры, макромолекулы которых содержат полярные группы типа - ОН, =О,ЇNН. В изменении их концентрации и поверхностного распределения заключается один из наиболее эффективных приемов активационной подготовки поверхности перед вакуумной металлизацией,
Многочисленные экспериментальные исследования свидетельствуют, что структура реальных полимерных материалов неоднородна по объему; вблизи границы раздела фаз образуется граничный слой, состояние и свойства которого, как правило, существенно отличаются от состояния полимера в объеме.
На границе раздела полимер - воздух в поверхностных слоях вследствие довольно высокой подвижности макромолекул формируются сложные, достаточно упорядоченные структурные образования, размер которых зависит от условий протекания процесса и природы полимера. В слоях, контактирующих с поверхностью твердого тела, в результате адсорбционного взаимодействия с ней макромолекул полимера сегментальная подвижность последних уменьшается, и при определенных условиях наблюдается образование специфических структур, зависящих, прежде всего, от природы твердого тела. Однако поверхность подложки, с которой контактирует полимер, может оказывать существенно различное влияние на состояние граничного слоя. При этом достоверно установлено, что поверхность твердого тела, находящегося в адгезионном контакте с полимером, оказывает существенное влияние на физико-химическое состояние полимера и в процессе эксплуатации соединений. Известно, что поверхность металла при высоких температурах может вызвать катализ или ингибирование окислительных процессов в полимерах, а вследствие хемосорбции макромолекул и их высокой подвижности при определенных условиях происходит разрушение поверхностного слоя металла и диффузия продуктов в объем полимера.
Широко используемым технологическим приемом подготовки поверхности к вакуумной металлизации является нанесение тонких промежуточных полимерных слоев, которые, однако, также обладают в высокой степени неоднородной по толщине структурой и имеют свойства, отличающиеся от свойств полимеров в толстых слоях. Установлено, что для полимерных слоев характерен эффект «ориентированной кристаллизации», заключающийся в способности тонких слоев передавать структурную информацию металлической подложки, на которую нанесен слой. Механизм этого эффекта обычно связывают с возникновением в граничном слое полимера под действием поверхности металла электретной структуры.
При оценке температурного режима металлизации следует учитывать, что температура поверхности полимерных материалов в процессе осаждения металлического покрытия не остается постоянной. Под действием тепловых факторов, сопровождающих процесс осаждения атомов металла и образование конденсированной фазы, происходит весьма значительный разогрев поверхностных слоев полимерного материала, определяющийся теплоемкостью и теплопроводностью полимера. Для частично кристаллических полимеров из-за различия теплофизических свойств аморфных и кристаллических областей разогрев будет неодинаковым даже при строго однородном падающем на поверхность тепловом потоке. Поэтому учет теплофизических характеристик полимерных материалов и их возможного изменения является совершенно необходимым при определении оптимальных условий и режимов металлизации.
Важным и характерным для высокомолекулярных материалов моментом, который в значительной степени усложняет изучение влияния физико-химического состояния полимеров на протекание процесса металлизации, является и то, что при формировании межфазных связей происходит существенное и достаточно сложное изменение исходного состояния полимеров. Протекающие процессы перестройки надмолекулярной структуры полимеров, изменения химического состава и строения макромолекул, например в результате окисления, сшивки или термодеструкции, приводят, прежде всего, к изменению взаимодействия атомов металла и конденсированной фазы с поверхностью, а следовательно, и свойств системы.
Кроме того, при анализе возможных механизмов влияния изменений свойств полимера на процессы формирования металлических пленок следует учитывать, что из-за функциональной связи изменение некоторого свойства вызывает изменение других физико-химических характеристик. Необходимо принимать во внимание и тот факт, что степень влияния на процессы металлизации тех или иных физико-химических характеристик полимера существенно зависит от условий металлизации, параметров потока атомов металла и т.п. Поэтому комплексность и многофакторность с учетом специфики протекания межфазных процессов являются необходимым условием изучения физико-химических аспектов вакуумной металлизации полимерных материалов, а грамотно и тщательно поставленный эксперимент служит основой для разработки соответствующей технологии.
2. Свойства полимерных материалов с вакуумными покрытиями
2.1 Физико-химические изменения в полимерных материалах при нанесении вакуумных покрытий
вакуумный металлизация полимер конденсация
В процессе подготовки поверхности полимеров к нанесению покрытия и при самом нанесении покрытия материал подвергается различным воздействиям, способным вызвать в поверхностных слоях и объеме сложные физико-химические процессы и, таким образом, существенно изменить свойства полимеров. Характер и интенсивность протекания процессов механической и термоокислительной деструкции, образования радикалов, низкомолекулярных соединений, надмолекулярных и поляризованных структур определяются способом активационного воздействия на полимер и условиями его проведения.
Интенсивность протекания этих процессов неоднозначно влияет на взаимодействие атомов металла с поверхностью полимера и эксплуатационные свойства сформированных систем. При определенных, относительно небольших изменениях в поверхностном слое полимера, вызванных активационной обработкой, происходит существенное повышение качества металлизации. Если же физико-химические воздействия вызывают существенную перестройку молекулярной и надмолекулярной структур и эти изменения распространяются на достаточно большой объем полимера, то практически всегда наблюдается формирование металлополимерных систем с низкими механическими свойствами, что обусловлено, главным образом, существенным понижением эксплуатационных характеристик полимера в граничных слоях. Поэтому в большинстве случаев влияние параметров обработки на эксплуатационные свойства систем имеет экстремальный характер, и при определении оптимальных режимов активации необходимо учитывать многофакторность протекающих процессов и особенности их проявления в реальных условиях обработки.
Комплексным энергетическим воздействиям поверхностные слои полимера подвергаются и в процессе непосредственного формирования металлической пленки. При термическом испарении металла такими воздействиями являются: разогрев поверхностных слоев в результате поглощения радиационного излучения испарителя и выделяющейся теплоты конденсации; механические напряжения, вызванные диссипацией упругой энергии растущего зародыша и различием коэффициентов теплового расширения полимера и металлической пленки. При высоких температурах определенные изменения в поверхностных слоях могут происходить в результате диффузии адатомов металла и их ассоциатов в объем полимера.
При высоких температурах формирования в результате диффузии адатомов металла в объем полимера и имеющего места при охлаждении металлизированных полимеров реологического скольжения поверхностных слоев относительно друг друга, обусловленного различным тепловым расширением, происходит изменение степени кристалличности полимера, микродисперсности кристаллических образований.
Значительные физико-химические изменения в полимерных подложках протекают при осаждении металлических из частично ионизированных потоков атомов, формируемых, например, при ионно-плазменном и электронно-лучевом распылениях металла. Связано это с более высоким энергетическим воздействием на поверхность полимера атомов металла. При взаимодействии высокоэнергетических частиц с поверхностью полимера одновременно с осаждением конденсированной фазы металла протекают: десорбция газов с поверхности, частичное распыление поверхности полимера, имплантация атомов и ионов в объем подложки, разогрев и активация поверхности вследствие протекания процессов термо- и фотодеструкции, структурные изменения, зарядка поверхности. Электронно-макроскопические исследования показали, что разрушение поверхностного слоя полимера в процессе такой металлизации весьма значительно и протекает на стадии образования диспергированной пленки.
Таким образом, в зависимости от режимов и способа вакуумной металлизации в поверхностных слоях полимера в процессе ее проведения протекают достаточно сложные физико-химические изменения, учет которых необходим при прогнозировании эксплуатационных свойств металлополимерных систем.
2.2 Физико-механические свойства полимеров с вакуумными покрытиями
Наличие тонкого вакуумного покрытия на поверхности полимера резко изменяет электрические, оптические, механические, химические и эксплуатационные свойства. Степень проявления этих свойств зависит от типа и толщины покрытия, а также способа нанесения, скорости конденсации или осаждения, давления и состава газов в вакуумной камере.
Очень сильное влияние на сопротивление пленок оказывает давление и состав остаточных газов (при термическом испарении). Остаточные газы, поступающие на подложку во время осаждения металла, приводят к окислению металла на границах зерен, причем этот процесс может продолжаться после окончания напыления. Сопротивление такой пленки будет нарастать во времени вплоть до полной потери проводимости. Естественно, что высокая скорость конденсации металла способствует уменьшению газовых включений в пленку металла. Поскольку электрическое сопротивление очень чувствительно к любым примесям, необходимо использовать для испарения самые чистые металлы и не допускать попадания в конденсат материала испарительного элемента. В этом Iплане магнетронные источники распыления имеют преимущество перед другими испарительными системами.
В последнее время появился интерес к теплоотражающим и спектрально-селектиновым покрытиям на основе оксидов и нитридов различных металлов. Стало возможным получение прозрачных проводящих покрытий на ПЭТ-пленке с достаточно высокой отражательной способностью в ИК-диапазоне. Возможно также получение черных или монохромных тепловых зеркал на основе двухслойного покрытия, в котором первый слой-алюминий, а второй-оксид хрома или нитрид индий-олова. Установлено, что пленка нитрида титана обладает четко выраженным теплоотражающим эффектом. Естевственно, пропускание системы полимер-покрытие будет зависеть и от оптических свойств основы.
При нанесении покрытий на жесткие полимерные материалы оптические свойства зависят от наличия грунтовочного и защитного лака, способа нанесения покрытия, его толщины и ориентации подложки относительно испарительного устройства. Коэффициент отражения металлических пленок при электродуговом распылении ниже, чем при термическом испарении и магнетронном распылении вследствие присутствия капельной фазы. По данным коэффициент отражения покрытий на загрунтованных лаком пластмассовых изделиях состовляет: для алюминияЇ 74, дюралюминияЇ 72, меди и нержавеющей сталиЇ 60%. Коэффициент отражения алюминия на тойже подложке при термическом испарении достигает 86%. Это значительно ограничивает применение электродугового метода для оптических целей.
Известно, что металлизация резко снижает газопроницаемость полимерных пленок. Достигаемое с помощью модифицирования поверхности повышение адгезии приводит к значительному уменьшению газопроницаемости металлизированной пленки. Если металлизация некоторых неактивированных пленок снижает газопроницаемость в 1,1Ї 1,8 раза, то после модифицирования проницаемость уменьшается в 3,2Ї 5,8 раза. Металлизированные ПЭТ - пленки имеют низкую влагопроницаемость.
Вакуумные покрытия на полимерных пленках могут снижать не только влаго- и газопроницаемость, но и различные виды излучений, в том числе и радиоактивных. В этих случаях тип и толщину выбирают в зависимости от сечения взаимодействия излучения для каждого материала или коэффициента ослабления излучения.
2.3 Износостойкость и антикоррозионные свойства покрытий. Нанесение защитных слоев
Повышение износостойкости и антикоррозионных свойств покрытий может осуществляться разными путями: увеличением толщины покрытия, применением металлов, сплавов или соединений с высокими износо- и коррозионностойкими характеристиками, нанесением защитного слоя из другого материала, дублированием, нанесением защитного лакового слоя. В зависимости от условий эксплуатации применяют все перечисленные виды или их комбинации.
Обычно толщина покрытий, наносимых на полимерную подложку, ограничена термостойкостью подложки при отсутствии достаточно интенсивного теплоотвода и возникновением внутренних напряжеиий при осаждении покрытия большой толщины на холодную подложку, особенно плазменными методами.
Наиболее термостойким полимерным материалом является полиимидная пленка марок ПМ-1 и ПМ-4. На таких пленках при определенном температурном режиме возможно получение слоев меди толщиной несколько десятков микрометров.
При решении ряда задач представляется перспективным получение толстых покрытий на полимерных пленках осаждением подслоя вакуумными методами с последующим гальваническим наращиванием требуемого металла. Для обеспечения адгезии медного подслоя на ПЭТ-пленке перед нанесением слоя меди толщиной 0, 05 - 0,08 мкм целесообразно предварительно нанести подслой хрома толщиной 0,04 - 0,08 мкм. После этого гальванически наращивается медь толщиной до 15 мкм с хорошей адгезией к подслою. Осаждение осуществляется на пленку в динамическом режиме, а потенциал на ленту подается скользящим контактом непосредственно на вакуумный подслой. Следует отметить, что такой метод достаточно сложен и требует специального оборудования.
Применение плазменных методов осаждения покрытий, несмотря на увеличение энергии распыляемых частиц, позволяет при подборе специальных технологических режимов наносить покрытия на изделия из полимерных материалов толщиной 0,1 мкм и выше без заметного перегрева подложки.
Зарубежные фирмы в качестве износо- и коррозионностойких покрытий используют чаще всего хром, наносимый магнетронным методом, а также нержавеющую сталь.
Фирма «Сидрабе» отдает предпочтение использованию на полимерных материалах в качестве износо- и коррозионностойких покрытий нержавеющей стали, титана, нитрида, оксида и оксинитрида титана. Такие изделия могут эксплуатироваться без защитного лака в условиях повышенной влажности при отсутствии жестких требований по истиранию. Пластмассовые изделия с тонким покрытием из оксида титана выдерживают достаточно жесткие испытания на износо- и коррозионную стойкость без защитного слоя, но требуют хорошей подготовки поверхности и строгого соблюдения технологического режима. Кроме того, необходимо помнить, что износ твердых покрытий на пластмассах нередко определяется самой пластмассой и разрушение идет именно по основному материалу, а не по покрытию.
Одним из распространенных способов защиты металлического покрытия на полимерной пленке от механических и коррозионных воздействий является дублирование этой пленки другой пленкой. Дублирование металлизированной ПЭТ-пленки чистой ПЭТ-пленкой осуществляется в два этапа. На первом этапе на непокрытую пленку наносят слой термопластичного клея с последующей его сушкой на специальных машинах. В качестве термопластичного клея применяют терефталевую смолу ТФ-60, растворенную в метиленхлориде. Пленку с нанесенным клеящим слоем и пленку с металлическим слоем пропускают через дублировочную машину при 100°С. Термопластичный клей размягчается, и обе пленки соединяются так, что слой металла оказывается между ними. Полученный материал имеет высокую гибкость, при этом металл защищен от атмосферных и механических воздействий.
Металлическое покрытие способно выдержать в 4Ї 7 раз больше перегибов, если ПЭТ-пленка прошла предварительную активацию в плазме электрического тлеющего разряда. В случае применения алюминиевого покрытия цвет пленки можно изменять в широких пределах цветным лакированием пленки до ее металлизации и окраской термопластичного клеящего слоя. С развитием новых методов нанесения покрытий и появлением возможности непосредственного получения цветных покрытий на пленке использование цветных лаков при дублировании не является необходимым. Обычно при дублировании используют пленки толщиной до 12Ї 20 мкм. Толщина клеящего слоя составляет 2Ї5 мкм. Таким образом толщина находится в пределах 26Ї45 мкм.
При нормальном режиме дублирования усилие расслаивания превышает предел прочности исходной пленки.
Защита металлического слоя на полимерной пленке может достигаться нанесением того же или другого полимера испарением в вакууме. Толщина защитной полимерной пленки может быть не более 1 мкм. При этом обеспечивается защита металлического слоя от коррозии и в значительно меньшей степени снижает коэффициент отражения. Такими защитными пленками могут быть ПЭТ, ПЭ, ПК, фенилон, ПМ, фторлоны.
При защите металлического слоя, нанесенного на изделия из твердых полимерных материалов, наиболее надежной является лаковая защита. Но так как многие лаки токсичны, и не могут применяться для изделий, контактирующих с пищей, а также для детских игрушек, их применение ограничено.
3. Технологические особенности вакуумной металлизации полимерных материалов
Процесс нанесения вакуумных покрытий на полимерные материалы связан с рядом особенностей, обусловленных природой полимерного материала и способом формирования покрытия. Так как большинство полимерных материалов характеризуется низкой теплостойкостью, они легко разрушаются под действием больших тепловых потоков, резко увеличивают газовыделение вследствие выхода паров воды, мономеров, растворителей и пластификаторов. Кроме того, толщина покрытия, наносимого на холодную подложку ограничена возникновением внутренних напряжений в формируемой плёнке.
При осаждении металлического покрытия на подложку при комнатной температуре получается мелкокристаллическая структура с высоким удельным сопротивлением и малой плотностью, особенно в тонких слоях. Структура покрытия зависит от давления остаточного газа, его состава и скорости конденсации металла. 0 статочные газы влияют на структуру покрытия, осаждаясь на подложку одновременно с атомами металла и после окончания напыления, когда они сорбируются на поверхности металлической пленки. Тонкие металлические пленки весьма чувствительны к примесям даже в небольшом количестве. Примеси могут входить в состав испаряемого металла или попадать на подложку в результате разрушения материала испарительного устройства (тигля, лодочки, спирали). Толщина металлического покрытия на полимерных материалах обычно составляет 0,02 - 0,5 мкм и в значительной степени определяется назначением покрытия.
3.1 Технологические особенности нанесения покрытий на пленочные полимерные материалы
Основной особенностью нанесения покрытий на тонкие полимерные подложки является необходимость теплоотвода от основы в процессе осаждения. Причем, чем ниже термостойкость полимерной пленки и выше требуемая толщина покрытия, тем жестче требования к теплосъему. Поэтому полимерные пленки в процессе нанесения покрытия должны находиться в хорошем контакте с охлаждаемым барабаном. В случае нанесение металла термическими методами осаждение идет с большой скоростью при скоростях транспортировки подложки до 400 м/мин.
Скорость конденсации во многом определяет структуру образующегося покрытия.
При магнетронных методах осаждения скорость транспортировки подложки на 1-2 порядка ниже, но тепловые потоки на подложку выше, что ужесточает требования к теплосъему.
В настоящее время во всем мире наибольшее распространение получили алюминированные ПЭТ-пленки. Это связано с хорошей адгезией металла к пленке даже без предварительной обработки, высокой прозрачностью ПЭТ-пленки, ее хорошими механическими свойствами, высоким классом чистоты поверхности и, как следствие, высокими оптическими характеристиками покрытия. В свою очередь алюминий имеет высокий коэффициент отражения в различных спектральных диапазонах, низкое электрическое сопротивление даже в тонких слоях, а также достаточно высокую стойкость вследствие образования на поверхности плотной и прочной оксидной пленки.
Следующими по распространенности идут ПП-, ПМ-, ПК-, ПС - пленки также с алюминиевым, покрытием. Толщина полимерных пленок, применяемых для металлизации, составляет, как правило, 3 - 50 мкм, хотя в последние годы появились сообщения о металлизации пленок толщиной 0,9 мкм. Разработка эффективных методов активации поверхности пленок позволила использовать для алюминирования ПВХ, ПА и ПЭ. С другой стороны, совершенствование методов испарения и разработка новых методов распыления дала возможность наносить на полимерные пленки ряд других материалов, таких, как тугоплавкие металлы, сплавы, оксиды и нитриды металлов, оксиды кремния, алмазоподобные и полимерные покрытия, что резко расширило область применения пленочных материалов с покрытиями.
3.2 Выбор оптимальных режимов вакуумной металлизации полимерных пленок
При вакуумной металлизации алюминия на лавсановую пленку выбирают оптимальные режимы нанесения покрытия. Температура пленки не должна превышать 50 0С. Процесс металлизации проводится при давлении равным 10-2 Па, если давление в вакуумной камере будет выше, то качество покрытия будет хуже. Скорость осаждения покрытия базируется от 0,25 до 0,3 мкр/мин. Процесс металлизации составляет от 5Ї10 минут.
Выбранные режимы нанесения металлического покрытия позволяют получить очень хорошие по качеству покрытия.
3.3 Технологический процесс вакуумной металлизации полимерных пленок
Технология вакуумной металлизации полимерных пленок включает в себя следующие стадии:
1. Конструкторская подготовка пленки;
2. Сушка и обезгаживание полимерных пленок. Пленки предварительно сушат при температуре 80Ї100 0С в течение 2Ї3 часов.
3. Активационная обработка в плазме тлеющего разряда, при напряжении до 5кВ и давлении до 5 Па;
4. Установка пленки в металлизатор;
5. Откачка воздуха до давления от 10-2 до 10-3Па;
6. Нанесение металлического покрытия резестивным испарением. Данным методом наносят алюминий на лавсановую пленку;
7. Напуск воздуха в вакуумную камеру до давления равного атмосферному;
8. Предварительный контроль качества покрытия;
9. Окончательный контроль качества покрытия;
10. Упаковка и складирование материала.
4. Описание оборудования для нанесения покрытий на полимерные материалы
Оборудование для нанесения покрытий на полимерные материалы существенно различается в зависимости от типа подложки и способа нанесения покрытия.
Установки для нанесения покрытий на полимерные пленки состоят из четырех основных систем:
1. Система обеспечения рабочего давления;
2. Испарительное (распылительное) устройство;
3. Система транспортировки подложки;
4. Система управления и контроля процессом нанесения покрытия и параметров осаждающейся пленки.
В современных вакуумных установках сохранился классический принцип разделения камеры на отсеки размотки-намотки и нанесения покрытия с индивидуальной откачкой. Изменился подход к оценке размеров отсеков, выбору откачных средств и места их размещения. Учитывая существенное газовыделение с поверхности пленочного материала в процессе размотки рулона, фирма Галилео, например, уменьшает объем камеры металлизации, оснащая его мощной откачкой. Поскольку в составе выделяющихся газов основную роль играют пары воды, установки зачастую оснащаются криопанелями, вымораживающими воду. Серьезной проблемой при получении покрытий высокого качества, учитывая газовыделение полимерной основы, является выбор оптимального соотношения между скоростями откачки отсека нанесения покрытия, испарения материала и перемотки пленки. Необходимо учитывать изменение количества выделяемых газов и паров из пленки в зависимости от ее типа и, температуры нагрева поверхности в процессе осаждения покрытия.
Система транспортировки пленки определяется ее толщиной и механическими свойствами. Серьезное внимание должно уделяться диаметру, конструкции и расположению каждого ролика во избежание образования морщин и деформации, обусловленных нагревом подложки в процессе нанесения покрытия. Качество перемотки должно сохраняться при изменении диаметра рулона, скорости перемотки и испарения. При перемотке тонких пленок привод состоит из двигателей постоянного тока, приводящих в действие в отдельности ролик размотки, охлаждаемый барабан и ролик намотки. Скорость перемотки контролируется с помощью регулятора с жесткими характеристиками. Скорость может изменяться в широком диапазоне, а точность регулирования в пределах 1% обеспечивается за счет сигнала обратной связи от тахогенератора. Предусмотрено управление намоткой в режиме нормальной и замедленной подачи.
Фирма «Оfficine Galileo» применяет для перемотки пленок средней толщины четырехмоторный привод, а для тонких - пятимоторный. У всех современных установок управление приводом автоматизировано на базе микропроцессоров.
Одним из способов улучшения физических характеристик покрытия является поддержание невысокой температуры пленки в процессе нанесения покрытия. Это достигается охлаждением барабана, с которым контактирует пленка во время нанесения покрытия, до температуры минус 20 - 38°С.
Для охлаждения используются фреоновые холодильные машины с теплообменниками. С помощью теплообменника обеспечивается нагрев барабана перед напуском воздуха с целью исключения конденсации паров воды при открывании камеры. Конструктивное решение системы охлаждения должно учитывать увеличение жесткости уплотняющих манжет вводов вращения, через которые подается хладоагент, что может вызвать изменение начального момента при включении привода транспортировки пленки.
На рис. 3 представлено изменение температуры при охлаждении и нагреве хладоагента, роликов, контактирующих с пленкой во время нанесения покрытия и манжет. Первоначальное охлаждение теплоносителя до минус 20°С продолжается 140 - 150 мин. Повторное охлаждение до той же температуры не превышает 25 мин. При охлаждении ролика наблюдается понижение температуры манжет на вводах вращения.
Изменение температуры при охлаждении и нагреве системы охлаждения ролика: 1 Ї хладоагент; 2 - ролики; 3 - манжеты
Зависимость коэффициента теплопередачи от натяжения для полимерной пленки толщиной 3,5 мкм: 1 - очищенная наружная поверхность охлаждаемого барабана при температуре минус 15°С; 2 - очищенная поверхность охлаждаемого барабана при температуре 15°С; 3 Ї неочищенная поверхность охлаждаемого барабана при температуре 15 0С.
На рис. 4 представлена зависимость коэффициента теплопередачи от натяжения пленки ПЭТ толщиной 3,5 мкм при различных температуре ролика и качестве его поверхности. Видно, что коэффициент теплопередачи существенная меняется от увеличения натяжения.
Более 90% зарубежных рулонных установок предназначено для нанесения алюминия, причем более 80% установок используют металлокерамические лодочки. Установки для специальных покрытий (не алюминирование) составляют не более 1,5%.
Из 80% установок для металлизации рулонных материалов выпущенных фирмой «Оfficine Galileo» 35% сделаны на ширину 1,25 м, 46 - на ширину 1,625 м и 22% Їна ширину 2,0 м и более (имеются установки на ширину 3, О м). Для ширины в диапазоне 1,625 - 2,10 м установки имеют два барабана и два источника испарения для увеличения скорости осаждения. Для материалов с большой влажностью (5 - 6%) применяется многокамерная система с различными значениями давления между камерами размотки и нанесения покрытия. При одном испарителе скорость перемотки - 5 Ї 8 м/с, при двух она возрастает до 6 м/с, при этом поверхностное сопротивление алюминиевого слоя достигает 0,5.
В данном курсовом проекте используется установка фирмы «Оfficine Galileo» для нанесения покрытия на пленку.
В настоящее время прогнозируются перспективы в развитии вакуумного оборудования для рулонных материалов. Это замена лодочек на ЭЛИУ, увеличение ширины пленки и скорости ее транспортировки.
Установки для нанесения покрытий на плоские и объёмные изделия из полимерных материалов используют главным образом для внесения защитно-декоративных покрытий. Конструктивные различия установок связаны в основном с выбранным методом нанесения покрытия и габаритами покрываемых изделий. Как и в установках для нанесения покрытий на рулонные материалы, в течение многих лет единственным материалом для получения декоративного эффекта пластмассах был алюминий, испаряемый из вольфрамовых жгутов или спиралей. В ряде стран оптимальным признан определенный тип установок, представляющих собой, цилиндрическую вакуумную камеру с горизонтальной осью, по которой расположено испарительное устройство. Детали крепятся на барабане или кассетах, совершающих планетарное вращение.
С появлением электродуговых и магнетронных систем распыления значительно расширилась номенклатура наносимых покрытий, а особенности работы таких устройств послужили основой для создания качественно новых конструкций.
Установки для нанесения защитно-декоративных покрытий состоят из следующих основных узлов:
1. Вакуумная камера с системой обеспечения рабочего давления;
2. Устройство для активации подложек;
3. Испарительное (распылительное) устройство;
4. Система напуска газов;
5. Система транспортировки подложек.
Современные установки могут быть периодического или непрерывного действия благодаря большому ресурсу распылительных устройств. Установки периодического действия, как правило, являются однокамерными с двумя режимами работы откачных средств: для активации и нанесения покрытий. Установки непрерывного действия имеют несколько камер. Часть из них выполняет вспомогательную функцию, обеспечивая плавный период от атмосферного к рабочему давлению и снова к атмосферному. В этих случаях активацию проводят в одной из вспомогательных камер, давление в которой поддерживают но уровне 1 - 10 Па напуском воздуха или какого-либо другого газа. Такие установки имеют несколько каналов автономной откачки, а камеры разделены шлюзами и затворами. Поскольку плазменные источники весьма чуствительны к примесям активных газов, к шлюзам предъявляются жесткие требования по герметичности.
Фирма «Вариант» ООО (г. Рига) выпускает небольшими сериями малогабаритные установки для нанесения защитно-декоративных покрытий «Колибри» и «Lokа». Установки по согласованию с заказчиком оснащаются термическим, электродуговым или магнетронными источниками, расположенными по центру камеры. Диаметр камеры - от 0,4 до 0,7 м. На установках можно наносить металлы, сплавы, соединения титана на подложки из стекла, керамики, металла, пластмасс.
Установки западных фирм предусматривают нанесение покрытий в основном магнетронным методом, и лишь в последние годы появилось оборудование для электродугового распыления. Однако такие установки не предусматривают нанесение покрытий из сложных соединений на изделия из пластмасс. Установка ВАК-2000 фирмы «Ваlcers», совмещающая термическое испарение алюминия с нанесением защитного слоя, что позволяет отказаться от защитного лака. Установку используют для крупномасштабного производства декоративных, функциональных и защитных пленок на пластмассах, металлах, стекле. Декоративная металлизация предназначена для украшений и деталей автомобилей из самых различных материалов. Функциональные пленки наносят на зеркала и рефлекторы. Защитные пленки необходимы во всех случаях, когда требуется защитить детали от механических, химических и климатических воздействий. Установка ВАК-2000 оснащена устройством Рlasil для нанесения на металлизированную поверхность полимерного покрытия методом плазменной полимеризации вводимого в камеру силиконового соединения. Кроме того, имеемся термический испаритель оксида кремния, слой которого также используется в качестве защиты. Но полимерное покрытие и покрытие из оксида кремния наносится только на алюминированную поверхность металлических рефлекторов для автомобилей. Для пластмасс защитное покрытие не используется.
Можно отметить следующие тенденции в развитии оборудования для нанесения защитно-декоративных покрытий на изделия из полимерных материалов: повышение производительности установок, отказ от применения термических испарительных устройств, использующих вольфрам и молибден, уменьшение энергоемкости оборудования, внедрение новых технологических процессов, расширяющих гамму декоративных эффектов и обеспечивающих нанесение покрытий, обладающих высокими механическими и антикоррозионными свойствами, без применения защитных лаков.
5. Основные области применения вакуумных покрытий на полимерных материалах
Уникальные свойства металлизированных полимерных материалов обусловливают их широкое применение в различных отраслях промышленности. Причем первое место с существенным отрывом занимает АБС-пластик. Это связано с большим объемом его потребления в автомобилестроении. Доля применения металлизированных полимерных материалов в этой отрасли составляла к 1990 г. 34%. В остальных отраслях потребление распределяется следующим образом: электроника - 24, приборостроение - 21, судостроение и другие отрасли - 21%.
Подобные документы
Классификация методов металлизации железорудного сырья: на конвейерных машинах и комбинированных установках. Схема процесса при работе на руде или сырых окатышах. Реторта для металлизации по способу "Охалата и Ламина". Очистка природного газа от серы.
курсовая работа [619,6 K], добавлен 06.05.2014Определение оптимальных режимов резания для технологической обработки металлов. Расчет времени для технического нормирования операции. Сущность и применение процесса высокочастотной металлизации. Характеристика применяемого оборудования для металлизации.
контрольная работа [154,8 K], добавлен 06.01.2011Сущность и назначение диффузионной металлизации. Виды диффузионной металлизации. Температура рекристаллизации меди и свинца. Явление наклепа металлов. Схема резания при зенкеровании. Превращения в твердом состоянии. Обработка давлением чистых металлов.
контрольная работа [242,6 K], добавлен 08.04.2014Многослойные и комбинированные пленочные материалы. Адгезионная прочность композиционного материала. Характеристика и общее описание полимеров, их свойства и отличительные признаки от большинства материалов. Методы и этапы испытаний полимерных пленок.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 21.11.2010Изучение основных функций активации (пороговой, линейный, сигмоидный) элементов нейронных сетей и правил их обучения (Больцман, Хебб) сетей с целью разработки метода автоматизации процесса металлизации на базе адаптивного нейросетевого подхода.
дипломная работа [305,8 K], добавлен 31.05.2010Выбор высоковакуумного и механического насосов. Выбор манометров и их расстановка на вакуумной арматуре и вакуумной камере. Расчет натеканий в вакуумной системе в различных режимах течения газов. Принцип работы течеискателя и технологии течеискания.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 14.12.2012Восстановления железа газовыми восстановителями. Характеристика сырья, используемого в процессе ХИЛ III. Технология получения восстановительного газа. Методы расчета баланса твердых веществ в процессе металлизации. Тепловое излучение и организм человека.
дипломная работа [130,9 K], добавлен 06.05.2015Общая характеристика и классификация полимеров и полимерных материалов. Технологические особенности переработки полимеров, необходимые процессы для создания нужной структуры материала. Технологии переработки полимеров, находящихся в твердом состоянии.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 01.10.2010Характеристики и область применения теплоизоляционных материалов, их структура и свойства. Эффективность и недостатки вакуумной многослойно-порошковой теплоизоляции. Технология изоляции в аппаратах установок низкотемпературного разделения газовых смесей.
доклад [219,4 K], добавлен 24.11.2010Проектирование и расчет вакуумной системы для отжига деталей в условиях вакуума среднего давления. Расчет стационарного газового потока. Определение конструктивных размеров трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы. Расчет времени откачки.
контрольная работа [690,1 K], добавлен 24.08.2012
