CN101597746B - 一种碳纤维复合材料工件表面真空镀钛膜的方法 - Google Patents

一种碳纤维复合材料工件表面真空镀钛膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面工程技术领域，涉及一种碳纤维复合材料工件表面真空镀钛膜的方法。该方法包括对工件化学清洗、真空出气、离子束清洗、镀Ti膜四个步骤；通过在工件表面镀制Ti薄膜，减少了复合材料工件的真空出气，避免复合材料工件在真空条件下使用过程中污染周围的零部件，导致其性能下降甚至功能丧失。在镀膜过程中，通过复合材料工件的旋转，实现工件表面薄膜均匀覆盖，减少碳纤维复合材料工件的真空出气量，从而满足该类材料在空间飞行器结构件上的应用。

Description

一种碳纤维复合材料工件表面真空镀钛膜的方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，涉及一种碳纤维复合材料工件表面真空镀钛膜的方法，即为了减少了复合材料工件的真空出气量，在碳纤维复合材料工件表面制备Ti薄膜的一种方法。
背景技术
随着空间飞行器向轻量化方向发展，碳纤维复合材料被广泛应用于空间飞行器的结构件。碳纤维复合材料在空间使用过程中，会由于材料本身出气对周围的器件造成污染，从而导致其性能下降甚至功能丧失。采用电弧离子镀技术在碳纤维复合材料表面镀Ti膜，可以减少了复合材料工件的真空出气量，满足其
发明内容
本发明要解决的问题是通过在碳纤维复合材料工件表面镀Ti薄膜，减少碳纤维复合材料工件的真空出气量，从而满足该类材料在空间飞行器结构件上的应用。
本发明主要采用化学试剂超声波清洗结合离子束清洗相结合的方法，提高了碳纤维复合材料工件表面Ti薄膜的附着力；通过合理选择脉冲偏压参数，控制镀膜时碳纤维复合材料工件表面温度不高于100℃；通过工件旋转，确保碳纤维复合材料工件表面全部被Ti薄膜覆盖。
本发明的技术解决方案是：采用电弧离子镀技术，在碳纤维复合材料工件表面制备Ti薄膜，包括下列步骤：
(1)化学清洗：依次采用分析纯丙酮和无水乙醇对碳纤维复合材料工件进行超声波清洗，超声频率为40kHz，清洗时间均为10min～30min；
(2)离子束清洗：在真空室通入Ar，保持真空室真空度为3.2×10-2Pa～4.9×10-2Pa，打开工件架旋转系统，调节工件旋转速度为5转/min～10转/min，在工件上加-80V～-200V的脉冲偏压，脉冲频率为1kHz～10kHz，占空比为10％～20％，打开离子源，离子源的工作电压为2.0kV～3.0kV，离子束清洗时间为30min～50min；
(3)沉积Ti薄膜：在真空室通入Ar，保持真空室真空度为1.0×10-2Pa～4.9×10-2Pa，打开工件架旋转系统，调节工件旋转速度为5转/min～10转/min，在工件上加-80V～-200V的脉冲偏压，脉冲频率为1kHz～10kHz，占空比为10％～20％，打开Ti电弧源，调节Ti电弧源的工作电流为45A～80A，沉积Ti薄膜，沉积为2～4个小时。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)减小了碳纤维复合材料工件的真空出气量，进一步拓宽了碳纤维复合材料在空间飞行器上的应用范围。
(2)相对于其它复合材料表面金属化技术，本发明沉积的薄膜附着力高，薄膜厚度均匀。
(3)可实现复杂曲面碳纤维复合材料工件镀Ti薄膜需求。
(4)本发明易于重复，适用于规模生产。
具体实施方式
本发明采用电弧离子镀膜设备实现，采用的原材料主要有高纯Ti靶、高纯Ar气体、分析纯丙酮、分析纯无水乙醇和碳纤维复合材料工件等。
实施例1
(1)化学清洗：将准备好的碳纤维复合材料工件依次采用分析纯丙酮和无水乙醇对碳纤维复合材料工件进行超声波清洗，超声频率为40kHz，清洗时间分别为20min和10min；
(2)离子束清洗：在真空室通入Ar，保持真空室真空度为3.2×10-2Pa，打开工件架旋转系统，调节工件旋转速度为5转/min，在工件上加-160V的脉冲偏压，脉冲频率为8kHz，占空比为10％，打开离子源，离子源的工作电压为2.3kV，离子束清洗时间为30min；
(3)沉积Ti薄膜：在真空室通入Ar，保持真空室真空度为1.0×10-2Pa，打开工件架旋转系统，调节工件旋转速度为5转/min，在工件上加-160V的脉冲偏压，脉冲频率为2kHz，占空比为10％，打开Ti电弧源，调节Ti电弧源的工作电流为80A，沉积Ti薄膜，颗粒的最大尺寸约为5μm。
实施例2
(1)化学清洗：将准备好的碳纤维复合材料工件依次采用分析纯丙酮和无水乙醇对碳纤维复合材料工件进行超声波清洗，超声频率为40kHz，清洗时间均为25min；
(2)离子束清洗：在真空室通入Ar，保持真空室真空度为4.2×10-2Pa，打开工件架旋转系统，调节工件旋转速度为8转/min，在工件上加-100V的脉冲偏压，脉冲频率为2kHz，占空比为15％，打开离子源，离子源的工作电压为3.0kV，离子束清洗时间为20min；
(3)沉积Ti薄膜：在真空室通入Ar，保持真空室真空度为1.5×10-2Pa，打开工件架旋转系统，调节工件旋转速度为10转/min，在工件上加-80V的脉冲偏压，脉冲频率为10kHz，占空比为20％，打开Ti电弧源，调节Ti电弧源的工作电流为60A，沉积Ti薄膜，颗粒的最大尺寸约为2μm。
实施例3
(1)化学清洗：将准备好的碳纤维复合材料工件依次采用分析纯丙酮和无水乙醇对碳纤维复合材料工件进行超声波清洗，超声频率为40kHz，清洗时间分别为30min和10min；
(2)离子束清洗：在真空室通入Ar，保持真空室真空度为4.9×10-2Pa，打开工件架旋转系统，调节工件旋转速度为10转/min，在工件上加-80V的脉冲偏压，脉冲频率为10kHz，占空比为20％，打开离子源，离子源的工作电压为2.0kV，离子束清洗时间为40min；
(3)沉积Ti薄膜：在真空室通入Ar，保持真空室真空度为4.9×10-2Pa，打开工件架旋转系统，调节工件旋转速度为8转/min，在工件上加-100V的脉冲偏压，脉冲频率为6kHz，占空比为15％，打开Ti电弧源，调节Ti电弧源的工作电流为50A，沉积Ti薄膜，颗粒的最大尺寸约为1μm。

Claims (9)

1.一种碳纤维复合材料工件表面真空镀钛膜的方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)化学清洗：分别采用分析纯丙酮和无水乙醇对工件进行超声波清洗；
(2)离子束清洗：采用Ar离子束对工件进行离子束清洗；
(3)沉积Ti膜：导入Ar，打开工件旋转系统，打开Ti电弧源，沉积Ti膜。
2.根据权利要求1中的制备方法，所述步骤(1)的特征在于：依次采用分析纯丙酮和无水乙醇对工件进行超声波清洗，超声频率为40kHz，清洗时间分别为10min～30min。
3.根据权利要求1中的制备方法，所述步骤(2)的特征在于：通入真空室Ar，保持真空度为3.2×10-2Pa～4.9×10-2Pa。
4.根据权利要求1中的制备方法，所述步骤(2)的特征在于：离子源的工作电压为2.0kV～3.0kV，离子束清洗时间为30min～50min。
5.根据权利要求1中的制备方法，所述步骤(2)的特征在于：在工件上加-80V～-200V的脉冲偏压，脉冲频率为1kHz～10kHz，占空比为10％～20％。
6.根据权利要求1中的制备方法，所述步骤(3)的特征在于：导入Ar，将真空室真空度保持在1.0×10-2Pa～4.9×10-2Pa之间。
7.根据权利要求1中的制备方法，所述步骤(3)的特征在于：打开工件架旋转系统，调节工件旋转速度在5转/min～10转/min。
8.根据权利要求1中的制备方法，所述步骤(3)的特征在于：Ti电弧源的工作电流为45A～80A。
9.根据权利要求1中的制备方法，所述步骤(3)的特征在于：在工件上加-80V～-200V的脉冲偏压，脉冲频率为1kHz～10kHz，占空比为10％～20％。
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