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表面處理的主要方法及原理黃志強(qiáng)2013.4.16有機(jī)涂層無(wú)機(jī)涂層轉(zhuǎn)化膜1.溶劑型涂料2.粉末涂料3.水性涂料1.電化學(xué)沉積2.氣相沉積3.表面涂覆1.氧化膜2.磷化膜3.鉻酸膜
材料保護(hù)層
有機(jī)涂層有機(jī)涂層涂料:以高分子材料為主體,以有機(jī)溶劑、水或空氣為分散介質(zhì)的多種物質(zhì)的混合物。涂裝:將涂料均勻地涂布在基體表面并使之形成連續(xù)、致密涂膜的操作工藝。定義:將有機(jī)涂料通過(guò)一定的方法涂敷于物體表面所形成的保護(hù)膜層。涂料涂層的防護(hù)作用原理有機(jī)涂層1.屏蔽作用:涂覆涂料可以使金屬表面與環(huán)境介質(zhì)機(jī)械地隔離開(kāi),從而保護(hù)基體。這種防護(hù)作用可以稱為屏蔽作用。2.緩蝕作用:涂料中的某些組分與基體金屬表面發(fā)生反應(yīng),使金屬表面鈍化或形成有保護(hù)性的薄膜,以阻止介質(zhì)的進(jìn)一步腐蝕。如用于黑色金屬的氧化鐵膜、用于有色金屬的鋅鉻黃(又稱鋅黃K2CrO4?3ZnCrO4?4Zn(OH)2?2H2O)。有機(jī)涂層涂料涂層的防護(hù)作用原理3.電化學(xué)作用金屬在腐蝕環(huán)境中主要進(jìn)行電化學(xué)腐蝕,涂料中的組分可以抑制微電池(大陰極小陽(yáng)極)的電極過(guò)程,起到防止或減緩腐蝕的作用。這類有機(jī)涂層采用高純度鋅粉作顏料(富鋅涂料、達(dá)克羅涂料),鋅粉對(duì)鋼鐵金屬材料表面能構(gòu)成犧牲性的陰極保護(hù),溶解下來(lái)的腐蝕產(chǎn)物(如碳酸鋅、氧化鋅等)沉淀并填充了膜的孔隙,增加了屏蔽的效果。涂料涂層的防護(hù)作用原理有機(jī)涂層4.轉(zhuǎn)化作用在某些涂料中除含一般的組分以外,還含有能與鐵銹反應(yīng)的轉(zhuǎn)化劑,使有害的鐵銹轉(zhuǎn)化為有害物質(zhì)且具有保護(hù)作用。如一些有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸等,它們可將鐵銹轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的絡(luò)合物或者螯合物即起到除銹又起到保護(hù)作用。這些轉(zhuǎn)化劑一般加入底漆中,轉(zhuǎn)化反應(yīng)發(fā)生于金屬基底材料表面,所以具有這種作用的涂料被稱為帶銹底漆或帶銹涂料。有機(jī)涂層1基體處理不干凈2環(huán)境中的水分和腐蝕介質(zhì)滲透3光照和溫度的破壞作用涂層破壞的原因涂裝工藝一般工序有機(jī)涂層涂前前處理工序前處理涂布干燥固化除油水洗酸洗水洗表調(diào)水洗干燥磷化表調(diào)有機(jī)涂層表面調(diào)整—表調(diào)的目的就是進(jìn)行表面活化處理。它是指采用機(jī)械或物理化學(xué)等手段,使金屬工件表面改變微觀狀態(tài),可使金屬基體產(chǎn)生數(shù)量極多的晶核,使磷化時(shí)生成的磷化膜均勻、細(xì)致。表調(diào)的方法:拋丸、噴砂、砂紙輕度擦拭等機(jī)械法也可以用酸洗增加有效表面積的化學(xué)方法,還可用物理化學(xué)吸附法。磷化有機(jī)涂層磷化處理—將金屬工件浸入含Zn2+、Na+、Mn2+、Fe2+等磷酸鹽溶液中進(jìn)行化學(xué)處理,在金屬表面得到由基底金屬自身轉(zhuǎn)化并形成的難溶于水的磷酸鹽膜或磷酸鹽和氧化物組成的表面膜的處理過(guò)程。磷化的目的:提高涂層的裝飾性、耐蝕性、附著力。溶劑型涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層1、刷涂例如防銹顏料的鉛丹(紅丹)Pb3O4有毒,為了減少施工反彈造成的污染,對(duì)這類防銹漆宜采用刷涂施工。溶劑型涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層2、浸涂主要用于烘烤型涂料的涂裝,涂料的利用率高,浪費(fèi)少。
杜爾公司為上海大眾公司所提供的一種浸涂翻轉(zhuǎn)式涂裝工藝溶劑型涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層3、噴涂噴涂包括高壓空氣噴涂和無(wú)空氣噴涂。
高壓空氣噴涂由空壓機(jī)提供無(wú)水無(wú)油壓縮空氣作為動(dòng)力,利用空氣從噴嘴中噴出時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓將罐內(nèi)的涂料吸出,吸出的涂料迅速擴(kuò)散呈漆霧狀飛向工件表面形成連續(xù)的涂膜??諝鈬姌屓軇┬屯苛系耐垦b工藝方法有機(jī)涂層
高壓無(wú)氣噴涂利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)高壓泵,使涂料增壓到至11-25Mpa,獲得高壓的涂料以非常高的速度(瞬間高達(dá)100m/s從噴嘴中噴出的同時(shí)在一大氣中急劇減壓,使體積迅速膨脹而分散霧化成極細(xì)微粒高速地涂著在被涂物上的一種涂裝方法。溶劑型涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層4、靜電噴涂原理是以接地的被涂物作為陽(yáng)極,涂料霧化器(電噴槍)作為陰極,由高頻高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生6萬(wàn)~8萬(wàn)伏的高壓,在兩極間形成靜電場(chǎng),在陰極產(chǎn)生電暈放電,使噴出的漆滴帶電,并被進(jìn)一步霧化(帶電離子同性相斥造成),按照同性相斥異性相吸的原理,帶電漆滴受電場(chǎng)力的作用高效地吸附在被涂物上。溶劑型涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層4、靜電噴涂手動(dòng)靜電噴槍自動(dòng)靜電噴槍高壓靜電空氣噴槍
溶劑型涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層1.靜電噴涂特點(diǎn)涂料的利用率高,能節(jié)約材料40%一60%,改善勞動(dòng)衛(wèi)生條件;復(fù)雜工件不易涂覆均勻;對(duì)涂料溶劑的電學(xué)性能、溶劑的沸點(diǎn)和溶解性有一定要求;對(duì)基材具有選擇性,設(shè)備復(fù)雜;靜電涂裝作業(yè)場(chǎng)所講究六度,即溫度、濕度、空氣清潔度、照度、送風(fēng)均勻度、送風(fēng)速度。溶劑型涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層2.靜電噴涂設(shè)備靜電噴涂設(shè)備一般包括靜電噴涂漆室、高壓靜電發(fā)生器、靜電噴槍、供氣系統(tǒng)、工件懸掛裝置及安全裝置等部分。3.噴涂室結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)a、靜電噴漆室風(fēng)速不宜過(guò)大,否則會(huì)影響靜電場(chǎng)的作用。b、靜電噴漆室應(yīng)有足夠的空間。C、電氣元件應(yīng)采用防爆型。
溶劑型涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層水簾式噴漆室液力旋壓式噴漆室粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層粉末涂料時(shí)粉末狀的100%固體分涂料,用冷涂裝或熱涂裝等涂裝方法進(jìn)行涂裝.它不使用溶劑或水作為分散介質(zhì),而是在涂裝時(shí)借助經(jīng)除油除水后的壓縮空氣作為粉末分散介質(zhì).涂裝后,經(jīng)烘烤形成連續(xù)涂層.粉末涂料特性:
不連續(xù)性;
比表面積大;
粒子不規(guī)則;
流動(dòng)性.粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層粉末涂裝方法分為熱涂裝法和冷涂裝法。熱涂裝工藝的基本原理:首先必須使被涂件獲得的熱量要保證能熔粘足夠的粉末涂料。另一方面要求粉末涂料在受熱后,必須具有一定的流動(dòng)特性,使粉末涂料能夠熔融流平成連續(xù)的涂膜。例如粉末流化床涂裝、粉末火焰噴涂。冷涂裝工藝的基本原理:在常溫下依靠靜電庫(kù)侖力將粉末涂料均勻涂布到工件表面,再通過(guò)哦加熱使附著于工件表面的粉層熔融流平成光滑連續(xù)的涂膜。粉末靜電涂裝為此類。粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層一.粉末流化床浸涂法流化床浸涂法俗稱浸塑.通過(guò)壓縮空氣或惰性氣體的作用使粉末在容器內(nèi)流動(dòng)浮游,粉末涂料翻動(dòng)達(dá)到“流化狀態(tài)”空氣通過(guò)均壓板、多孔透氣隔板,成為均勻分布的細(xì)散氣流使粉末翻動(dòng)。預(yù)熱工件(溫度高于粉末涂料的熔點(diǎn)10-20℃)浸沉流化床中,被漂浮粉末所包圍,流態(tài)化的粉末均勻地熔融附著于工件表面,通過(guò)加熱使其熔融流平,從而得到光滑連續(xù)的涂膜。粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層振動(dòng)流化床結(jié)構(gòu)示意圖粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層流化床浸涂法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1.一次涂裝可以得到幾百微米以上的厚膜2.涂裝設(shè)備比較簡(jiǎn)單,投資少3.涂裝時(shí)粉末涂料的損失很少缺點(diǎn):1.涂膜不易薄涂,涂膜的均勻性差2.對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的被涂物和大型被涂物的涂裝比較困難3.被涂物必須預(yù)熱,而且溫度比較高,熱能消耗比較大,對(duì)被涂物的材質(zhì)有選擇性粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層流化床浸涂法工藝流程前處理預(yù)熱浸涂加熱固化冷卻缺陷補(bǔ)救入庫(kù)粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層粉末流化床涂覆工藝流程示意圖粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層二.粉末火焰噴涂法工作原理:用壓縮空氣將粉末涂料從火焰噴嘴槍嘴中心吹出,并以高速通過(guò)從噴嘴外圍噴出的乙炔或丙烷火焰區(qū)域,使其成為熔融狀態(tài)噴射粘附到經(jīng)預(yù)熱的工件上。a.設(shè)備簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,可以在生產(chǎn)工作現(xiàn)場(chǎng)施工,無(wú)需烘烤設(shè)備。b.一次噴涂可得到較厚的涂層。c.可以以涂裝大型工件。特點(diǎn)粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層火焰噴涂設(shè)備粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層三.粉末靜電噴涂法1.特點(diǎn)噴涂素質(zhì)環(huán)境保護(hù)效益經(jīng)濟(jì)性能可靠粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層2.粉末靜電涂裝原理1、工件2、噴槍3、高壓電纜4、電源粉末靜電噴涂原理圖1324粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層電暈充電過(guò)程粉末粒子在通過(guò)噴槍與工件之間時(shí),電暈放電產(chǎn)生的靜電場(chǎng)使其帶上電荷。粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層涂層的形成被排斥的負(fù)電荷粉體1、均勻吸附2、粉末層增厚3、粉末吸附終止粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層3.粉末靜電噴涂工藝固化下件粉末供粉桶噴槍噴室粉末回收過(guò)篩靜電發(fā)生器干燥前處理上件粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層粉末靜電噴涂線流程圖粉末噴涂流程圖粉末涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層4.粉末靜電噴涂設(shè)備水性涂料的涂裝工藝方法有機(jī)涂層水性涂料:成膜物質(zhì)完全或主要以水為分散介質(zhì)的涂料。特點(diǎn):a在0℃結(jié)冰,水性涂料應(yīng)保存在凝固點(diǎn)以上;b水在100℃沸騰,單一的水揮發(fā)時(shí)其揮發(fā)性比溶劑低得多;c使用水性涂料時(shí)基材前處理要求更加嚴(yán)格;d水性涂料固化時(shí)消耗的能量相應(yīng)地增加;e水是不燃的,使用安全性提高;f水性涂料采用靜電噴涂靜電隔離技術(shù)的難度加大;g涂裝的工具可用水進(jìn)行清洗。有機(jī)涂層水性涂料的涂裝工藝方法一.水溶性涂料水溶性樹(shù)脂是在高分子化合物的分子上引入親水性基團(tuán),如-COOH、-NH2這些極性基團(tuán),通過(guò)酸堿中和成鹽,獲得水溶性的樹(shù)脂。帶有氨基(—NH2)的聚合物以羧酸中和成鹽,中和劑可以是無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸(陰極電泳)
堿性聚合物中和劑水溶性陽(yáng)離子樹(shù)脂帶有羧基的聚合物以胺中和成鹽,作為中和劑的物質(zhì)可以是氨水、無(wú)機(jī)堿貨或有機(jī)胺等(陽(yáng)極電泳)。有機(jī)涂層水性涂料的涂裝工藝方法1.電泳涂裝的基本原理電泳涂裝是以水溶性涂料和純水(電導(dǎo)率≤10μs/cm)為稀釋溶劑,調(diào)配成槽液,將導(dǎo)電的被涂物浸漬在槽液中作為陽(yáng)極(或陰極),另在槽液中設(shè)置與其相對(duì)應(yīng)的陰極(或陽(yáng)極),在兩極間通以一定時(shí)間的直流電,通過(guò)電泳、電解、電沉積和電滲等物理化學(xué)作用,在被涂物表面上沉積一定厚度、均一、不溶于水的涂膜的一種涂裝方法。有機(jī)涂層水性涂料的涂裝工藝方法
電泳在直流電場(chǎng)的作用下,分散在水中的帶電膠體粒子,向自身所帶電荷電性相反的電極發(fā)生定向移動(dòng),這種膠體粒子移動(dòng)現(xiàn)象稱為電泳。樹(shù)脂在泳動(dòng)時(shí),要夾帶著或吸附著顏料、填料等一起泳動(dòng)。所以,電泳過(guò)程實(shí)際上就是正、負(fù)離子分別向兩極移動(dòng)的過(guò)程,如下圖所示。有機(jī)涂層水性涂料的涂裝工藝方法
電沉積帶電的樹(shù)脂粒子在電場(chǎng)作用下,移動(dòng)到相反電性的電極上時(shí),發(fā)生電化學(xué)的反應(yīng),形成不溶于水的漆膜而沉積在電極表面,這個(gè)過(guò)程稱為電沉積。它是電泳涂裝過(guò)程中的主要反應(yīng)。有機(jī)涂層水性涂料的涂裝工藝方法a電沉積開(kāi)始時(shí)的電場(chǎng)和涂料沉積b電沉積后期的電場(chǎng)和涂料沉積有機(jī)涂層水性涂料的涂裝工藝方法
電解a水發(fā)生電解H2O≒OH-+H+,在陰極和陽(yáng)極上分別有氫和氧析出,成為氣泡放出。b以可溶性金屬作陽(yáng)極時(shí),會(huì)有少量金屬離子溶出,因此,陽(yáng)極電泳漆很少有淺色。c控制電解反應(yīng),電泳時(shí)應(yīng)盡量不用過(guò)高電壓,在保證質(zhì)量前提下,縮短電泳時(shí)間。同時(shí),嚴(yán)防槽液中其它雜質(zhì)離子含量升高,所以工件入槽前水洗要徹底。
有機(jī)涂層水性涂料的涂裝工藝方法
電滲a電滲的作用使將涂膜脫水,是涂膜由疏松變致密。b電滲作用的好壞會(huì)影響到漆膜外觀。有機(jī)涂層水性涂料的涂裝工藝方法無(wú)機(jī)涂層無(wú)機(jī)涂層金屬電沉積金屬電沉積:通過(guò)電解方法在固體表面上獲取金屬沉積層的過(guò)程。電解:目的改變固體材料的表面特征。制取特定成分和性能的金屬覆層或材料。電能化學(xué)能外加電源無(wú)機(jī)涂層金屬電沉積金屬電沉積B電冶煉電精煉電鑄BDCA電鍍電解質(zhì)是“熔鹽”例如制備鋁提純無(wú)機(jī)涂層金屬電沉積電沉積步驟液相傳質(zhì)步驟表面轉(zhuǎn)化步驟電化學(xué)步驟新相生成步驟簡(jiǎn)單金屬離子水化數(shù)的降低或重排絡(luò)離子配位體的交換或者是配位數(shù)的下降結(jié)晶過(guò)程無(wú)機(jī)涂層金屬電沉積Ag(CN)32-Ag(CN)32-Ag(CN)2-AgCN-AgCN-CN-CN-CN-CN-eAg(CN)32-Ag(CN)32-Ag(CN)32-Ag(CN)2-+CN-Ag(CN)2-Ag+2CN-Ag(吸附)Ag(結(jié)晶)無(wú)機(jī)涂層金屬電沉積晶核的生長(zhǎng)晶核的成長(zhǎng)鍍層結(jié)晶細(xì)致、排列緊密金屬晶體形成時(shí)又可分為:無(wú)機(jī)涂層金屬電沉積陰極極化晶核生長(zhǎng)速度結(jié)晶細(xì)致析氫量鍍層多孔、粗糙、疏松陰極極化越大越好無(wú)機(jī)涂層電、化學(xué)沉積電鍍電刷鍍化學(xué)鍍電化學(xué)沉積無(wú)機(jī)涂層電化學(xué)沉積1.電鍍定義:將直流電通入具有一定組成的電解質(zhì)溶液中,在電極與溶液之間的界面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)(氧化還原反應(yīng)),進(jìn)而在金屬或非金屬制品的表面上形成符合要求、致密均勻地金屬層的過(guò)程。電鍍一般工序:前處理電鍍鍍后處理無(wú)機(jī)涂層電鍍液的組成電鍍液主鹽
能在陰極上沉積出所要求的鍍層金屬鹽。
導(dǎo)電鹽
能夠提高溶液的電導(dǎo)率,降低槽電壓。
絡(luò)合劑
緩沖劑添加劑一般是能絡(luò)合主鹽中金屬離子的物質(zhì),能夠增大陰極極化,使結(jié)晶細(xì)致。一般由弱酸和弱酸的酸式鹽組成,可以防止鍍液的pH值上升太快。為了改善電鍍?nèi)芤盒阅芎湾儗淤|(zhì)量,往往在電鍍?nèi)芤褐屑尤肷倭康挠袡C(jī)物,這些有機(jī)物稱為添加劑。無(wú)機(jī)涂層電化學(xué)沉積無(wú)機(jī)涂層電化學(xué)沉積鍍層和基材具有良好的結(jié)合力鍍層應(yīng)均勻光滑、完整、致密鍍層具有較低的孔隙率和良好的耐蝕性特殊鍍層應(yīng)具有功能性鍍層的基本要求無(wú)機(jī)涂層電化學(xué)沉積鍍層的分類(電位的高低分類)
陽(yáng)極性鍍層(犧牲性鍍層):在使用的環(huán)境下鍍層金屬的電位比基體電位更負(fù)。Fe/ZnEFe>EZn<60℃(陽(yáng)極)>60℃(陰極)機(jī)械保護(hù)電化學(xué)保護(hù)——膜層50-60μm才起到保護(hù)作用無(wú)機(jī)涂層電化學(xué)沉積
陰極性鍍層:在使用的環(huán)境下鍍層金屬的電位比基體電位更正。Fe/Cu/Ni/CrFe/NiEFe<ENi致密性較好機(jī)械保護(hù)加速腐蝕無(wú)機(jī)涂層電化學(xué)沉積2.電刷鍍定義:與電鍍的原理基本相同,也是電化學(xué)沉積過(guò)程,受法拉第定律及其他電化學(xué)規(guī)律支配,工作原理如下圖5-5所示。無(wú)機(jī)涂層電刷鍍的特點(diǎn)
設(shè)備特點(diǎn)a電刷鍍?cè)O(shè)備簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕,多為便攜式或移動(dòng)式,便于維修。b需配置專用的直流電源,不需直接浸入鍍液中因此不需要掛具。c該設(shè)備用水、電比槽鍍少得多,節(jié)約能源。d鍍筆(陽(yáng)極)材料采用高純細(xì)石墨,是不溶性陽(yáng)極。無(wú)機(jī)涂層電化學(xué)沉積
局限性在鍍大面積厚鍍層時(shí),不經(jīng)濟(jì)。不能修復(fù)零件的斷裂裂紋。在大批生產(chǎn)和裝飾性電鍍方面不如槽鍍局限性無(wú)機(jī)涂層
工藝特點(diǎn)電刷鍍的特點(diǎn)a鍍筆與工件必須保持一定的相對(duì)速度,鍍液中金屬離子在零件表面基體金屬上的還原和沉積是在不斷更新地點(diǎn)的條件下進(jìn)行的,鍍層的形成是一個(gè)斷續(xù)結(jié)晶過(guò)程.鍍筆的移動(dòng)限制了晶粒的長(zhǎng)大和排列,因而鍍層中存在大量的超細(xì)晶粒和高密度的位錯(cuò)是強(qiáng)化的重要原因。b電鍍刷金屬沉積沉積速率遠(yuǎn)高于槽鍍。c可使用手工操作,方便靈活,尤其對(duì)于復(fù)雜型面。d電刷鍍?nèi)芤嚎裳h(huán)使用,不需定期化驗(yàn)或調(diào)整。無(wú)機(jī)涂層化學(xué)沉積化學(xué)鍍塑料、陶瓷、碳纖維無(wú)機(jī)涂層化學(xué)沉積化學(xué)鍍
原理在無(wú)外界動(dòng)力時(shí),采用金屬鹽和還原劑在同一溶液中進(jìn)行自催化的氧化還原反應(yīng),從而使金屬離子還原沉積在金屬基材表面上的一種鍍覆方法。鍍化學(xué)鍍?yōu)橐环N用以沉積金屬的、可控制的、自催化的化學(xué)還原過(guò)程。其反應(yīng)通式為:
Mn++ne-(還原劑提供的)→M0無(wú)機(jī)涂層化學(xué)沉積
特點(diǎn)a鍍層厚度均勻。b鍍層密度大,孔隙率小,外觀良好。c無(wú)需電解設(shè)備及附件。d可以在金屬、非金屬及半導(dǎo)體材料上進(jìn)行化學(xué)鍍。e不受電力線分布不均勻的影響。無(wú)機(jī)涂層化學(xué)沉積
化學(xué)鍍與置換的區(qū)別置換電子來(lái)源是基材溶解給出的電子;置換基材電位比要鍍的金屬電位負(fù);置換時(shí)在基材表面上同時(shí)進(jìn)行氧化還原反應(yīng).無(wú)機(jī)涂層化學(xué)沉積
化學(xué)鍍鎳(例子)H2PO2-+H2O→HPO32-+H++2[H]Ni2++2[H]→Ni+2H+2[H]→H2H2PO2-+[H]→H2O+OH-+P總的反應(yīng)式:2H2PO2-+Ni2++3[H]→HPO32-+Ni+P+H2O+2H++H2無(wú)機(jī)涂層化學(xué)沉積⑤缺點(diǎn)溶液的穩(wěn)定性差12溶液的維護(hù)、調(diào)整、和再生比較復(fù)雜材料成本高3無(wú)機(jī)涂層氣相沉積通過(guò)氣相材料或使材料氣化后沉積于固體材料或制品(基片)表面并形成薄膜,從而使基片獲得特殊表面性能的一種技術(shù)。包括物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。定義一.物理氣相沉積在真空條件下,采用各種物理方法將固態(tài)的鍍料轉(zhuǎn)化為原子、分子或離子態(tài)的氣相物質(zhì)后再沉積于基體表面,從而形成固體薄膜的一類薄膜制備方法。
定義無(wú)機(jī)涂層氣相沉積
分類真空蒸鍍鍍材以熱蒸發(fā)原子或分子的形式沉積成膜濺射鍍膜鍍材以濺射原子或分子的形式沉積成膜離子鍍鍍鍍材以離子和高能量的原子或分子的形式沉積成膜無(wú)機(jī)涂層氣相沉積(1)真空蒸鍍?cè)碛谜婵粘闅庀到y(tǒng)對(duì)密閉的鐘罩進(jìn)行抽氣,當(dāng)真空罩的氣體壓強(qiáng)足夠低時(shí)(真空度足夠高),通過(guò)蒸發(fā)源對(duì)蒸發(fā)料進(jìn)行加熱到一定的溫度,使蒸發(fā)料氣化后沉積于基片表面,形成薄膜。真空蒸發(fā)鍍的原理圖無(wú)機(jī)涂層氣相沉積真空蒸鍍膜的三個(gè)基本過(guò)程1.熱蒸發(fā)過(guò)程;3.蒸發(fā)源子或分子在基片表面上的沉積過(guò)程,即蒸汽凝聚、成核、核生長(zhǎng)、形成連續(xù)薄膜。2.氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn),即這些粒子在環(huán)境氣氛中的飛行過(guò)程;無(wú)機(jī)涂層氣相沉積真空蒸鍍適用范圍真空蒸鍍工藝適用于金屬、樹(shù)脂、塑料(ABS、發(fā)泡塑料、回收塑料)、玻璃、陶瓷、亞克力、木材、水泥、磷鎂等各種材料。可廣泛應(yīng)用于汽車、電器、工藝品、電腦手機(jī)、飾品、高檔家具等多種表面裝飾行業(yè),由此可誕生出多種新的裝飾行業(yè)。無(wú)機(jī)涂層氣相沉積真空蒸鍍膜的產(chǎn)品示意圖無(wú)機(jī)涂層氣相沉積真空蒸鍍的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):設(shè)備比較簡(jiǎn)單、操作容易;制成的薄膜純度高、質(zhì)量好,厚度可較準(zhǔn)確控制;成膜速度快、效率高;薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理比較單純。缺點(diǎn):不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜,所形成薄膜在基板上的附著力較小,工藝重復(fù)性不夠好等。無(wú)機(jī)涂層氣相沉積真空蒸鍍膜時(shí)保證真空條件的必要性:三個(gè)過(guò)程都必須在空氣非常稀薄的真空環(huán)境中進(jìn)行,否則將發(fā)生以下情況:1.蒸發(fā)物原子或分子將與大量空氣分子碰撞,使膜層受到嚴(yán)重污染,甚至形成氧化物;2.蒸發(fā)源被加熱氧化燒毀;3.由于空氣分子的碰撞阻擋,難以形成均勻連續(xù)的薄膜.無(wú)機(jī)涂層氣相沉積(2)濺射鍍膜定義:在真空室中,利用帶有能量的粒子轟擊靶材(膜材)表面,產(chǎn)生濺射現(xiàn)象,通過(guò)粒子動(dòng)量傳遞打出靶材中的原子及其他粒子,并使其沉積在工件上形成薄膜的技術(shù)。原理:1.先讓惰性氣體(通常為Ar氣)產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象產(chǎn)生帶電的離子;2.帶電離子經(jīng)電場(chǎng)加速后撞擊靶材表面,使靶材原子被轟擊而飛出來(lái),同時(shí)產(chǎn)生二次電子,再撞擊氣體原子從而形成更多的帶電離子;3.靶材原子攜帶著足夠的動(dòng)能到達(dá)被鍍物(基材)的表面進(jìn)行沉積。無(wú)機(jī)涂層氣相沉積濺射鍍膜的原理圖Ar+Ar+Ar+++靶(負(fù)高壓)濺射原理示意圖濺射中子和離子入射的Ar離子束Ar+ArArAr+Are-e-e-基材屏蔽板濺射沉積示意圖靶Ar無(wú)機(jī)涂層氣相沉積(2)濺射鍍膜工藝方法:
1.直流二極濺射法2.磁控法濺射法3.對(duì)向靶濺射法4.離子束濺射法無(wú)機(jī)涂層氣相沉積磁控濺射鍍膜儀離子濺射鍍膜儀粒子濺射鍍膜儀無(wú)機(jī)涂層氣相沉積濺射鍍膜的特點(diǎn)1.此方法可實(shí)現(xiàn)大面積快速沉積,任何常溫下固態(tài)導(dǎo)電體均能做靶;被濺射基材無(wú)限制(塑料、玻璃、陶瓷、金屬等)。2.鍍膜致密均勻、附著性好,膜厚易控制。3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于控制,但放電不穩(wěn)定,沉積速率低,而且工件基體的溫度升高太快。無(wú)機(jī)涂層氣相沉積無(wú)機(jī)涂層氣相沉積(3)離子鍍膜基片作陰極,加負(fù)高壓坩堝或燈絲作陽(yáng)極離子鍍裝置示意圖無(wú)機(jī)涂層氣相沉積過(guò)程1.真空室抽至10-4Pa的高真空后,通入惰性氣體(如氬氣),使真空度達(dá)到1~10-1Pa。3.由于基片處于負(fù)高壓并被等離子體包圍,不斷受到正離子的轟擊,因此可有效地清除基片表面的氣體和污物,使成膜過(guò)程中膜層表面始終保持清潔狀態(tài)。4.鍍材氣化蒸發(fā)后,蒸發(fā)粒子進(jìn)入等離子區(qū),與等離子區(qū)中的正離子和被激活的惰性氣體原子以及電子發(fā)生碰撞,其中一部分蒸發(fā)粒子被電離成正離子,正離子在負(fù)高壓電場(chǎng)加速作用下,沉積到基片表面成膜.2.真接通高壓電源,在蒸發(fā)源與基片之間建立起一個(gè)低壓氣體放電的等離子區(qū)。由此可見(jiàn),離子鍍膜層的成核與生長(zhǎng)所需的能量,不是靠加熱方式獲得,而是由離子加速的方式來(lái)激勵(lì)的。無(wú)機(jī)涂層氣相沉積實(shí)現(xiàn)離子鍍膜的必要條件造成一個(gè)氣體放電的空間;在膜材原子沉積過(guò)程的同時(shí),還存在著正離子(Ar+或被電離的蒸發(fā)離子)對(duì)基片的濺射作用。顯然,只有當(dāng)沉積作用超過(guò)濺射剝離作用時(shí),才能發(fā)生薄膜的沉積過(guò)程。將鍍料原子(金屬原子或非金屬原子)引進(jìn)放電空間,使其部分離化。離子鍍膜的成膜條件無(wú)機(jī)涂層氣相沉積離子鍍膜的特點(diǎn)1.附著力好6.沉積速率高,成膜速度快,可鍍較厚的膜2.膜層的致密度高3.繞射性能好4.可鍍材質(zhì)范圍廣泛(可在金屬或非金屬表面上鍍金屬或非金屬材料)5.有利于化合物膜層的形成無(wú)機(jī)涂層氣相沉積PVD三種基本鍍膜的比較無(wú)機(jī)涂層氣相沉積無(wú)機(jī)涂層化學(xué)氣相沉積二.化學(xué)氣相沉積
定義將含有組成薄膜的一種或幾種化合物氣體導(dǎo)入反應(yīng)室,使其在基體上通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成所需要薄膜的一類薄膜制備方法。各種化學(xué)反應(yīng)包括分解、化合、還原、置換等都可以用來(lái)產(chǎn)生沉積于基體的固體薄膜,而反應(yīng)多余物(氣體)可從反應(yīng)室排出。無(wú)機(jī)涂層氣相沉積化學(xué)氣相沉積常壓或低壓化學(xué)氣相沉積等離子輔助化學(xué)氣相沉積電子束輔助化學(xué)氣相沉積金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積
工藝方法無(wú)機(jī)涂層氣相沉積
薄膜的特點(diǎn)特點(diǎn)薄膜均勻性好薄膜內(nèi)應(yīng)力低薄膜沉積過(guò)程荷能粒子轟擊正在生長(zhǎng)薄膜的表面使薄膜表面原子偏離其在晶格中的平衡位置而產(chǎn)生的本征應(yīng)力高溫沉積薄膜冷卻到室溫時(shí),由于薄膜材料與基體材料熱膨脹系數(shù)差異造成的熱應(yīng)力無(wú)機(jī)涂層表面涂敷熱噴涂
定義熱噴涂技術(shù)是使用某種方式的熱源,使噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài),用高壓氣流將漆霧化,并以一定速度噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的零件表面,從而形成涂層表面的加工技術(shù)。無(wú)機(jī)涂層表面涂敷
特點(diǎn)a熱噴涂方法多(熱源多種)b基材及涂層材料廣泛c基體溫度低d操作靈活e涂層厚度可以控制f涂層與基材的結(jié)合力低g熱效率低,材料利用率低,浪費(fèi)大無(wú)機(jī)涂層
原理熱噴涂技術(shù)利用熱源將噴涂材料融化或軟化,借助熱源本身動(dòng)力或外加的壓縮空氣流,將噴涂材料霧化成微粒形成快速的離子流,然后噴射到基材表面獲得表面涂層。表面涂敷無(wú)機(jī)涂層a噴涂過(guò)程噴涂材料材料熔化熔化材料霧化粒子飛行粒子噴涂熱源噴涂粒子束涂層表面涂敷無(wú)機(jī)涂層b涂層的形成沖擊碰撞收縮凝固-收縮表面涂敷無(wú)機(jī)涂層c涂層結(jié)合的機(jī)理機(jī)械結(jié)合物理結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合冶金結(jié)合表面涂敷表面涂敷無(wú)機(jī)涂層機(jī)械軸承類零件耐磨噴涂電廠鍋爐四壁防腐噴涂應(yīng)用無(wú)機(jī)涂層熱浸涂1定義是將一種基體金屬浸在熔融態(tài)的另一種低熔點(diǎn)金屬中,在其表面形成一層金屬保護(hù)膜(浸鍍膜)的方法。熱浸涂鍍層金屬一般為鋅(熔點(diǎn)419.5℃)、鋁(熔點(diǎn)658.7℃)、錫(熔點(diǎn)231.9℃)、鉛(熔點(diǎn)327.4℃)。2原理是把需要處理的工件放入低熔點(diǎn)的熔融態(tài)金屬液中,工件表面發(fā)生溶解、擴(kuò)散或反應(yīng)等物理化學(xué)過(guò)程,隨后離開(kāi)鍍槽時(shí)工件表面
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