CN102677002A - 一种航空有机玻璃的真空镀膜制备方法及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空有机坡璃(聚甲基丙烯酸甲脂)真空镀膜的制备方法。它采用一套电子束蒸发和离子辅助的真空镀膜装置连续制备三层(辅-主-辅)沉积薄膜系结构，其中两个辅助膜层分别位于主膜层的底层和上层。两个辅助膜层是用聚四氟乙烯树酯液体经加热后蒸发汽化，喷入真空室内在离子轰击下被电离而分别沉积在基片表面和主膜层之上。主膜层用膜材(二氧化鋯或二氧化铪中一种)在电子束蒸发和辅助离子轰击下沉积在底层膜上形成光学增透膜。本发明连续真空制备的三层膜结构具有高附着力、高光透过率、雾度低、耐摩擦和耐弱酸碱腐蚀等性能。本发明还适用于聚碳酸酯(PC)类树脂真空镀膜。在航空、汽车、车灯外罩等行业可广泛应用。

Description

一种航空有机玻璃的真空镀膜制备方法及其制备

技术领域

本发明涉及合成树脂类真空镀膜制备方法，尤其是一种航空有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)真空镀膜的制备方法。

背景技术

航空有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)和丙烯酸树脂(PC)类材料的真空镀膜应用于飞机客舱上的观察窗、汽车配件和车灯外罩上的材料越来越多。该类材料的优点是质轻、透明度好、受碰撞不炸裂，但缺点是表面硬度低、易划痕不耐擦。通过表面真空镀膜是改善其性能的有效处理方法。但传统的真空镀膜工艺往往导至航空有机玻璃表面与真空镀膜的膜层附着强度低，膜层很易剥落。此难题一直困绕着人们，限制真空镀膜技术在此类基材上应用。

近二十年来，丙烯酸树脂基片制造的眼镜片，采用真空镀膜来提高其光学增透性和表面硬度，国内外都有专利，尤其日本申请专利最多。中国专利公开号CN1532563A采用真空镀和离子镀技术共镀7层膜层，提高了眼镜片的增透性。但增透膜与眼镜片基体的附着力有待进一步提高。

本发明以飞机客舱上的观察窗用的航空有机玻璃板的真空镀膜制备为例，采用在真空室内连续镀三层不同膜层，即主膜层为真空电子束镀光学增透膜，辅助薄膜为用有机树脂类材料(聚四氟乙烯树酯)加热汽化在离子轰击下沉积生成镀层。本发明的目的是提供一种连续实现低温真空镀膜，获得优良的膜层综合质量的方法，尤其是提高比眼镜片大得多的整块飞机客舱上观察窗的航空有机玻璃表面与真空镀膜的膜层附着力、光透过率、雾度，耐摩擦和耐弱酸碱腐蚀等综合性能。

发明内容

本发明涉及一种航空有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)真空镀膜的制备方法及其制备。它采用一套电子束蒸发和离子辅助的真空镀膜装置连续制备三层(辅-主-辅)沉积薄膜系结构，其中两个辅助膜层分别位于主膜层的底层和顶层，两个辅助膜层是用有机树脂类(采用：聚四氟乙烯树酯、氟碳树脂、二甲基硅树脂、聚硅氧烷树脂中的中一种)液体经加热被蒸发汽化，喷入真空室内在离子轰击下电离而分别沉积在基片表面上形成底层膜备另一辅助膜层是沉积在主膜层之上形成顶层膜。而主膜层制备是用金属氧化物，膜材(二氧化鋯或二氧化铪中的一种)在电子束束班聚焦加热下被蒸发并在真空室内的辅助离子轰击下迅速沉积在底层膜上形成光学增透膜。本发明制备的膜层结构具有高附着力、光透过率高、雾度低、耐摩擦、耐候性、抗弱酸碱腐蚀等性能。本发明还适用于聚碳酸酯(PC)类树脂真空镀膜，在航空、汽车、车灯外罩等行业的镀膜工艺中可广泛应用。

本发明的技术方案是：

1.一种航空有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)真空镀膜的制备方法及其制备，是在真空室内连续完成三层″辅-主-辅″沉积薄膜结构的制备。其制备工艺流程是：第一步骤真空沉积辅助底层薄膜，第二步骤真空蒸镀主薄膜光学增透膜，第三步骤真空沉积辅助顶层薄膜。

2.真空镀膜的总体膜系设计是：在基材表面真空第一辅助沉积膜层为底层有机树酯薄膜，第二层为真空制备核心主膜层—光学增透膜，第三层是真空第二辅助沉积膜层为顶层有机树酯薄膜。

3.采用一套真空镀膜装置包括一立式单开门真空室、一真空泵组、一电子枪电子束蒸发系统、一带转位的内置镀膜材料的四穴坩埚、一可转移位的坩埚挡板、一离子轰击捧、真空室顶部有一垂直轴系带动一转盘，其上均布有三组可公转/自转的基材夾具机架、一光电式膜厚监测系统、一数显式主电控系统。在真空室外部有一装有机树脂液体的不锈钢制的电阻式加热容器和送气管、一针阀开关和一个与真空室箱体连通的喷嘴。该装置一次可装入三块经予净化处理的被镀制基材，实现按程序连续完成三层沉积簿膜结构的制备。

4.辅助底层真空沉积薄膜的制备工艺是：选用有机树脂类液体材料(聚四氟乙烯树脂、氟碳树脂、二甲基硅油树脂、聚硅氧烷树脂)的其中一种，装入一个不锈钢容器内，加热容器，树脂类液体材料被蒸发汽化，当真空室内的真空度保持在8～10Pa时，打开針阀调节喷入真空室内的蒸汽流量，在真空室内的离子轰击棒产生的离子轰击下有机树脂材料分子被电离，高速飞向装在夾具支架上的基材下表面，沉积生成底层簿膜。

5.电子束真空蒸发镀主膜层的制备工艺是：选用金属氧化物材料(二氧化鋯或二氧化铪中的一种)做镀膜膜材，将其放在真空室内的四穴坩埚内，当真空室内的极限真空度保持在6×10^-3Pa～6.2×10^-3Pa时，打开电子枪电子束发生器，将电子束聚焦在第N号坩埚穴内的膜材上，膜材被高能加热蒸发汽化，在辅助离子轰击下，加速沉积在底层簿膜上生成主膜层(位于中间层)光学增透膜。

6.辅助顶层真空沉积薄膜的制备工艺是：重复[0010]所述的工艺，在中间层光学增透膜之上，沉积生成顶层簿膜。

7.本发明具有如下优点和有益效果：

{1}本发明采用上述真空镀膜的三层复合膜系设计和工艺解决了航空有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)、聚碳酸酯(PC)类树脂等合成树脂类材料的传统真空镀膜工艺的膜层附着力很低、不耐摖的难题。

{2}本发明采用真空电子枪电子束镀膜装置和辅助离子轰击装置相组合，采用二氧化鋯或二氧化铪的膜材，实现总膜层的透光率高于92％、雾度低于3％、牢固度佳。

{3}本发明采用增加制备两层辅助膜层的沉积方法，通过采用有机树酯类材料的加热汽化喷入真空室内被离子轰击的辅助沉积工艺技术，实现一次装夹基材工件，在系统真空状态连续完成三层复合薄膜的制备，总体膜层结构具有高附着力、光透过率高、雾度低、耐摩擦、耐候性、抗弱酸碱腐蚀等综合性能，并达到节能、提高工效、清除了对环境污染的有益效果。

附图说明

图1是本发明制备的真空镀膜膜层结构分布示意图。图中1-基材工件，2-底层是辅助有机树脂薄膜层{1}，3-中间层是主膜层光学增透膜，4-顶层是辅助有机树脂薄膜层{2}。

图2是本发明采用的一个真空镀膜装置结构示意图，图中：5-真空泵组，6-离子轰击棒，7-基材工件，8-垂直轴系，9-具有公转和自转功能的基材夹具组，10-真空镀膜机数控机柜(包括光电膜厚监测仪、真空度数显仪、高压电源等系统)，11-真空室箱体，12-可转位电子束挡板，13-电子束，14-电子枪组件，15-真空室箱体基座，16-金属氧化物膜材，17-四穴转位水冷坩埚，18-装有机树脂的加热容器，19-针阀喷嘴组件。

图3是膜层制备工艺流程示意图，图中：20-超声波净化予处理的基材工件，21-第一步骤真空沉积辅助底层薄膜，22-第二步骤真空蒸镀主薄膜光学增透膜，23-第三步骤真空沉积辅助顶层薄膜。

具体实施方式

1.透明航空有机玻璃视窗板基材(聚甲基丙烯酸甲脂)镀膜工件(7)，其规格为：直径

211mm×厚度5mm。

2.采用一个立式真空镀膜装置实现连续完成基材工件三层簿膜的制备。真空镀膜装置的结构组成如下：立式单门真空室箱体(11)与真空泵组(5)相连接、箱体底板上安装电子枪电子束蒸发系统(14)和带转位的装膜材用的四穴坩埚(17)、坩埚穴中装入金属氧化物膜材(16)、可转位挡板(12)位于坩埚上方200mm、一离子轰击捧(6)位于真空室中部、真空室顶板下表面装有一垂直轴系(8)带动一转盘，其上均布有三组可公转/自转的基材夾具机架(9)、装有机树脂液体的不锈钢制电阻式加热容器(18)位于真空室箱体机座(15)上，加热容器上的针阀开关和喷嘴(19)与真空箱体相通，用针阀调控有机树脂材料汽化后的蒸气喷入真空室的流量。光电式膜厚监测系统和数控系统的组合机柜(10)位于真空室箱体的右侧，机柜的一组电缆与真空室相连接。该装置最多一次可装入三块透明航空有机玻璃视窗板基材工件(7)。

3.实施工艺流程：将基材工件用超声波淸洗净化予处理(20)，烘干后将处理好的三块备镀基材分别装入真空室的有公转/自转功能的夾具机架组件上，被镀表面朝下。将金属氧化物膜材(二氧化鋯和二氧化铪)(16)分别放入真空室内的四穴转位坩埚中，关真空室门，启动真空泵组和匀速转动基材工件夾具机架(9)，选定第N号工位坩埚穴转动定位到聚焦电子束扫描的位置。挡板(12)转到坩埚上方就位。

4.实施第一步骤(21)：将装有有机树酯类(本实施例采用聚四氟乙烯树酯)的容器加热，使其内的有机树酯液体达到蒸发汽化态，当真空室内的真空度保持在8～10Pa时，启动离子轰击捧，同时打开针阀喷嘴，将被蒸发的聚四氟乙烯树酯汽化态材料喷射进真空室内，用离子轰击它，产生辉光放电，在基材工件的下表面沉积形成底层簿膜层。膜厚的控制是用离子轰击时间2分钟±10秒进行调节，关闭针阀喷嘴和停止离子轰击，辅助底层薄膜制备完成。辅助底层膜的作用是增加膜层与基材的附着力。

5.实施第二步骤(22)：将坩埚上方的挡板(12)转位，当真空室内的极限真空度提高并保持在6×10^-3Pa～6.2×10^-3Pa时，启动电子枪电子束蒸发系统(14)，电子束聚焦加热第N位的坩埚槽内的金属氧化物膜材至蒸发汽化，同时辅助离子轰击，膜材分子加速沉积在辅助底层簿膜上，形成主膜层光学增透膜。用光电式膜厚监测系统控制主膜层厚度为可见光的2/4λ或3/4λ波长的膜厚达300～450nm时，关闭电子枪电子束蒸发系统(14)。主膜层的作用是增强光学增透率和降低雾度。

6.实施第三步骤(23)：将挡板(12)转到坩埚上方就位，进入降低真空室真空度程序，再次将装有有机树酯类材料的容器加热，使其内的有机树酯液体达到蒸发汽化态，当真空室内的真空度保持在8～10Pa真空度时，启动离子轰击，同时打开针阀喷嘴，将被蒸发的聚四氟乙烯树酯汽化态材料喷射进真空室内，用离子轰击它，产生辉光放电，在主膜层光学增透膜上沉积形成顶层膜层。膜厚的控制是用离子轰击时间2分钟±10秒进行调节，关闭针阀喷嘴和停止离子轰击，辅助顶层薄膜制备完成，顶层薄膜的作用是形成保护层和增强与光学增透膜的黏合力。

7.停止真空泵组运行、放气、打开真空室、取出工件。便完成整个连续真空镀膜工艺过程。在镀膜的过程中基材工件的温度保持在不高于80℃，实现了对基材工件的低温表面改性，增加了表面硬度、提高耐摖性。保证总镀膜层与基材的牢固黏合，大大提高其附着力的同时，其膜层的高透光性和低雾度，耐候性和抗腐蚀作用保持十分良好。

Claims (7)

1.一种航空有机玻璃的真空镀膜制备方法及其制备，其特征在于：它采用一套电子束蒸发和离子辅助的真空镀膜装置连续制备″辅-主-辅″三层沉积薄膜结构，其制备工艺流程是：第一步骤真空沉积辅助底层薄膜，第二步骤真空蒸镀主薄膜，第三步骤真空沉积辅助顶层薄膜，制备主膜用的膜材(二氧化鋯或二氧化铪)被电子束聚焦能量加热蒸发和在辅助离子轰击下，在底层膜之上沉积形成的是光学增透膜，底层和顶层辅助薄膜的制备是用有机树脂类(优选：聚四氟乙烯树脂、氟碳树脂、二甲基硅树脂、聚硅氧烷树脂中的其中一种)液体在真空室外被加热后成汽态状态，用一针型阀门调控输入真空室的蒸汽流量，在离子轰击下被电离成有机物分子而沉积在基片表面上形成辅助底层薄膜，而制备辅助顶层薄膜是在主层薄膜之上采用与上述制备辅助底层薄膜相同的方法。

2.根据权利要求1所述的一种航空有机玻璃真空镀膜的制备方法及其制备，其特征在于：所用的一个立式真空镀膜装置包括一立式单开门真空室、一真空泵组、一电子枪电子束蒸发系统、一带转位的内置镀膜材料的四穴水冷坩埚、一可转移位的挡板、一离子轰击捧、真空室顶部有一垂直轴系带动一转盘，其上均布有三组可公转/自转的基材夾具机架、一光电式膜厚监测系统、一数显式主电控系统，在真空室外部有一装有机树脂液体的不锈钢制的电阻式加热容器和送气管、一针阀开关和一个与真空室箱体连通的喷嘴。该装置一次可装入三块经予净化处理的被镀制基材，实现按程序连续完成三层簿膜结构的制备。

3.根据权利要求1所述的一种航空有机玻璃真空镀膜的制备方法及其制备，其特征在于：制备辅助底层簿膜的工艺是，真空室运行在普通真空状态，当真空度达8～10Pa时，将真空室外的有机树脂类液体材料加热汽化后的蒸汽用针阀开关调控喷入真空室内的汽体流量，用离子轰击成分子态的有机树脂类材料，产生辉光放电，加速沉积在所述的基材工件表面上，用离子轰击2分钟±10秒的时间实现底层簿膜厚度的控制。

4.根据权利要求1所述的一种航空有机玻璃真空镀膜的制备方法及其制备，其特征在于：制备中间层的主簿膜(光学增透膜)的工艺是，真空室运行在相对高真空状态，当极限真空达6×10^-3～6.2×10^-3Pa时，打开电子枪电子束发生器，将聚焦电子束班聚焦加热坩埚内第N穴位的一种金属氧化物的镀膜材料(二氧化鋯或二氧化铪)，同时移开坩埚上端的挡板，在电子束蒸发和辅助离子轰击下蒸镀膜材的分子沉积在底层膜上形成光学增透膜，用光电膜厚监测系统实时检测，主膜层厚度控制在300nm～450nm内。

5.根据权利要求1所述的一种航空有机玻璃真空镀膜的制备方法及其制备，其特征在于：制备辅助顶层簿膜的工艺是，真空室运行在普通真空状态，当真空度达8～10Pa时，将真空室外的有机树脂类液体材料加热汽化后的蒸汽用针阀开关调控喷入真空室内的汽体流量，用离子轰击成分子态的有机树脂类材料，产生辉光放电，加速沉积在已按权利要求4制备好的主簿膜的表面上，用离子轰击2分钟±10秒的时间实现顶层簿膜厚度的控制。

6.根据权利要求4所述的制备中间层的主薄膜层的工艺，对于透明的或不透明的合成树脂类的不同材料，蒸镀膜材不限于二氧化鋯或二氧化铪，还可采用二氧化钛、氧化硅、二氧化硅、氟化镁等组合。

7.根据权利要求3和权利要求5所述的制备辅助底层或辅助顶层簿膜的工艺，对于透明的或不透明的合成树脂类的材料真空镀膜不同的要求，采用有机树脂类成膜材料不限于权利要求1所述的聚四氟乙烯树脂、氟碳树脂等四种，还可采用6246硅树酯、有机硅油树脂等多种。

Images