采用改进型多弧离子镀膜设备镀制装饰膜层的研究

　　针对目前国内多弧离子镀膜领域存在的智能化水平不高和大颗粒污染问题，我们通过设备改进，增加了可编程逻辑控制器和磁过滤器。以装饰镀膜中常用的二氧化钛膜为研究对象，对比了设备改进前后膜层的性能。X 射线衍射测试表明所制备的二氧化钛膜层为金红石相。改进后的设备制备的膜层基本看不到大颗粒的存在，且膜层的绿色更加鲜艳。同时，由于设备的智能化水平提高，使得产品的性能非常稳定，随机抽取的5 个样品不论从外观看还是通过反射率测试，性能几乎一样。镀膜技术已经在国民经济的各个部门，尤其是装饰领域，得到广泛的应用，通过在装饰板材上镀膜可以提高装饰的效果和品位，增加附加值，延长使用寿命，具有很大的经济效益。另外，优美的装饰外观能满足人们对舒适生活的追求，具有良好的社会效益。随着社会的发展，对膜层也提出越来越高的要求，例如：膜层要具有更为丰富的颜色，以提高装饰效果;生产过程更加智能等。

　　多弧离子镀膜是20 世纪70 年代发展起来的新技术。要实现多弧离子镀膜，首先需要把蒸发源的镀膜材料蒸发成蒸气，然后再把镀膜材料蒸气和反应气体电离成镀膜材料离子和反应气体离子。这种电离作用是依靠镀膜真空室中的等离子体放电来实现的。在镀膜真空室中通过电子枪放电、空心阴极放电以及真空电弧放电等方法使蒸发源的镀膜材料蒸发成金属蒸气，并在蒸发源与工件之间的周围空间产生等离子体放电，形成等离子体放电区，使金属蒸气和反应气体电离，产生金属离子和反应气体离子。这些金属离子和反应气体离子受到加速电场的作用而被加速到工件表面上，在工件表面上化合，使工件表面沉积一层化合物镀膜层。由于多弧离子镀膜具有成膜速度快，膜层和基底结合力好的优点，因此被国内许多装饰领域的镀膜厂家所采用。

　　但是，目前国内装饰领域的镀膜厂家所采用的镀膜设备多为手动控制模式，通过开关按钮+继电器/ 接触器实现真空机组泵阀门的启闭，以及各种工艺参数的人工监控和设置，工艺数据只能人工记录或无法保存，完全依赖操作技术员的经验，人为因素严重影响生产工艺的稳定性与安全性;系统功能简单粗糙，技术含量低，只能适用一些要求不高的场合。另外，真空技术网(http://www.cvacuum.om/)认为多弧离子镀存在着“大颗粒”污染问题。大颗粒的存在会降低薄膜性能，使得多弧离子镀很难制作出高质量的功能薄膜，严重限制了多弧离子镀技术在生产中的应用。在本文中，我们采用了较为先进的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)作为时序自动控制。利用PLC 的开关量控制真空机组泵阀门的启闭和互锁保护，利用PLC 的模拟量实现部分工艺参数的监控与设置控制，由触摸屏或工控机提供组态式的用户接口界面。系统能实现自动化控制，并能实现生产工艺的存储。另外，在设备中增加了磁过滤器。带电离子在磁场中受到洛伦兹力的约束发生偏转，而大颗粒由于质量大，几乎不带电，因此不受磁场的影响而打在器壁上，实现了大颗粒的分离。

　　本论文以装饰镀膜中常用的二氧化钛膜为研究对象，对比了设备改进前后膜层的性能。结果表明利用改进后的设备来镀制膜层，所得到的膜层基本消除了大颗粒的影响，薄膜变得更加致密，同时采用智能化的控制系统以后，产品的重复性得到提高。此设备非常适合在生产上使用。

1、试验

1.1、样品制备条件

　　以纯钛( 纯度≥99. 9% ) 为靶材, 以纯度≥99%的氧气、和氩气为反应气体, 在普通不锈钢基片上镀制TiO2 薄膜。基片尺寸为: 30 cm×30 cm。基片清洗过程如下: 先将基片浸入丙酮液体, 对其进行去污、清洁处理, 然后用蒸馏水清洗，用无水乙醇对其进行脱水处理。制备TiO2 薄膜过程如下:真空度抽至2.0×10^{- 2} Pa 后, 向真空室通入反应气体; 待真空室气体压强稳定后, 对基片加负偏压前进行氩离子辉光溅射清洗10 min, 然后开始镀膜, 镀膜时间为10 min。实验中工作压强由压强自动控制仪控制, 气体流量由质量流量计控制。镀膜时的工作气体为氩气和氧气混合气体，其总压强为0.6 Pa，氧氩分压比为2:1。本公司成熟的TiO2 薄膜制备工艺为:偏压110 V、靶基距离150 mm、工作电流35 A 、镀膜时间10 min。

1.2、样品测试设备

　　X- 射线衍射仪的型号为X’Pert Pro MPD,测试条件是0.02° 2θ s^{- 1}。膜层的形貌通过S- 4800 场发射扫描电镜(FESEM, Hitachi, Japan)观测。反射光谱通过Lambda 750 紫外/ 可见/ 近红外分光光度计测试, 通过测试样品的漫反射得到反射率。

2、结果与讨论

　　二氧化钛本身廉价无毒，而且膜层的颜色可以通过厚度来进行调节，同时这种材料还具有自清洁作用，因此二氧化钛镀膜被广泛的应用在装饰镀膜领域。在本部分，我们重点研究用新设备制备的二氧化钛膜的性质。图1 为在最佳试验条件下制备的二氧化钛膜的XRD 图(图1b)和没有镀膜的不锈钢基底的XRD 图(图1a)。通过对比曲线a 可以知道，在曲线b 中，40°以后的峰为不锈钢基底的峰。镀膜以后只有在27.5°出现了一个新峰，对应于二氧化钛金红石相的(110)面。XRD 的结果说明所沉积的薄膜很少结晶。从热力学角度看，薄膜的晶化需要克服一定的势垒，由于本实验薄膜沉积是在无加热的条件下进行的，镀膜过程中薄膜的温度不能达到TiO2 晶态转变温度，这和文献报道是一致的。

图1 镀膜前(a)后(b)样品的XRD 图

　　众所周知，多弧离子镀膜过程中，由于电弧阴极斑在靶材表面滚动燃烧时不断产生中性团簇，这些团簇与等离子体一道喷发出来，沉积到膜层表面，形成大颗粒，造成表面的污染，进而影响膜层的性能。在本试验中，我们采用磁过滤器来减少大颗粒对膜层的影响。图2a 是没有过滤的样品扫描电镜图，可以清晰的看到大颗粒的存在，这些大颗粒的尺寸为50 nm~100 nm。而增加了磁过滤装置以后，从图2b 可以看出，大颗粒基本消失，表面非常致密和光滑。

(a)不加磁过滤器;(b)加磁过滤器

图2 样品的扫描电镜图

　　表面的形貌对装饰涂层的性能有直接的影响，我们测试了这两个膜层的反射光谱，如图3所示。所制备的膜层在450 nm~600 nm 有反射峰，对应的是绿光，这和我们用肉眼观察到的颜色是一致的。在图3 中，曲线b 为没有加磁过滤制备的样品的反射光谱，其反射中心为498 nm，反射中心的强度为50%。加了磁过滤装置以后，由于膜层中去除了大颗粒，膜层变得细腻和光滑，使得样品的最大反射峰红移至514 nm，且强度增加到80%。这解释了为什么样品a 为鲜艳光亮的绿色，而样品b 为暗绿色，见图4。图4 中，样品的尺寸为30 cm×30 cm。

(a) 加磁过滤器;(b) 不加磁过滤器

图3 样品的反射光谱

(a) 加磁过滤器;(b) 不加磁过滤器

图4 样品的照片

　　由于设备采用了更智能化的控制系统，样品的重复性有了很大的提高，从外观上看，每批产品的颜色几乎相同。进一步用紫外可见分光光度计测试了随机抽取的5 个样品的反射光谱，发现这些样品的反射峰位置和反射强度变化很小，具有很好的重复性，见图5。

图5 随机抽取的5 个样品的反射光谱

3、结论

　　本论文通过对设备进行改进，提高了设备的自动化水平，并解决了大颗粒的污染问题。以装饰镀膜生产中常用的二氧化钛膜为研究对象，对比了设备改进前后膜层的性能。结果表明利用改进后的设备来镀制膜层，所得到的膜层基本消除了大颗粒的影响，薄膜变得更加致密。在消除了大颗粒的影响以后制备的绿色膜层更加鲜艳和光亮。同时采用智能化的控制系统以后，膜层的重复性得到提高。此设备非常适合在生产上使用。