CN108277472A - 金属基带的表面处理工艺、装置及金属基带用于高温超导带材制备的方法 - Google Patents

Abstract

一种带材表面处理技术领域的金属基带的表面处理方法、装置及金属基带用于高温超导带材制备的方法，对原始金属基带先后进行粗抛处理和精抛处理，所述粗抛处理包括机械抛光和/或电化学抛光，所述精抛处理采用离子束抛光，最终制得粗糙度小于1纳米的金属基带。本发明对原始基带先粗抛后精抛，精抛采用离子束抛光，提高了抛光工序的产能，降低了成本，同时有利于在带材表面进行薄膜沉积。

Description

金属基带的表面处理工艺、装置及金属基带用于高温超导带 材制备的方法

技术领域

本发明涉及的是一种带材表面处理领域的技术，具体是一种金属基带的表面处理工艺、装置及金属基带用于高温超导带材制备的方法。

背景技术

第二代高温超导带材用于替代铜材，由其制成的超导电缆的载流能力是现在铜电缆的5～10倍，由其绕制的大型电机体积重量可缩小为原来的1/4，其制作的强磁体可以无损耗地长期运行，利用其超导转变特性的超导限流器可突破现有电力技术的极限。二代高温超导带材及其应用正在形成一个新兴的产业。

二代高温超导带材产业化的关键之一是使金属基带获得纳米级的表面光洁度，通常粗糙度Ra要小于2纳米，且越小越好。低成本、高产率地制备高度光洁的金属长带是二代高温超导带材的关键工艺之一。

人们首先发展了采用机械抛光工艺制备纳米级光洁表面金属基带的技术。机械抛光在玻璃等硬材料上，经过长时间的研磨，可以达到纳米级的光洁度。然而机械抛光工艺的速度过慢。更糟糕的是由于金属基带比较软，需要更加精细的抛光粉末以及更长时间的研磨，对抛光粉和抛光液提出了很高的控制精度要求。虽然理论上机械抛光可以达到纳米级的光洁度，但是所需要的时间和成本是随着光洁度的要求成指数上升的，难以满足产业化的要求。

接着人们发展了电化学抛光法工艺制备纳米级光洁表面金属基带的技术，相关专利为US7169286B2。该技术将纳米级光洁度金属长带的抛光速度提高了好几倍，达到了40～60米/小时。电化学抛光工艺生产的金属基带其表面光洁度通常小于2纳米。于是很快取代了机械抛光工艺，成为绝大部分二代带材公司采用的工艺。

但是二代带材的电化学抛光工艺也有很多问题：

1)二代带材的电化学抛光工艺对原始金属基带的初始粗糙度要求高，通常要小于20纳米，最好能到10纳米，如果原始金属基带的粗糙度太高，电化学抛光最终能够达到的粗糙度也高，无法满足二代带材的要求。所以对原始金属基带的扎制工艺要求极高，世界上只有美国的HPM公司能够生产出满足二代高温超导带材要求的原始金属基带，它的价格为1美元/米，是其他带材生产公司的高粗糙度带材价格的3～10倍，而且订货周期要至少3个月，一旦发现购买的原始金属基带有质量问题需要重新订购，将造成生产停顿；

2)电化学抛光的废液构成严重的环境污染问题，随着我国环保要求提高，电化学抛光工艺的成本也大幅度提高；

3)电化学抛光能达到的极限光洁度不如机械抛光法，而且受限于原始金属基带的初始粗糙度；

4)金属基带浸在各种化学溶液里面，容易引入各种污染，影响金属基带表面的洁净度，这会造成后继薄膜和金属基带结合力弱，薄膜发生起皮脱落(层离)，而且低蒸汽压的污染物再后继高温薄膜沉积时蒸发，将影响沉积工艺的稳定性和重复性；

5)由于电场在带材的边缘较强，造成抛光后的金属基带边缘较薄，影响带材在工艺过程中抵抗撕破的能力，因为撕破都是从边缘开始的；

6)如果原始金属基带均匀性不是很好，比如有些导电性差的成份偏析的晶粒，这些晶粒的电化学抛光速度低，形成表面突起，严重影响二代带材的性能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种金属基带的表面处理工艺、装置及金属基带用于高温超导带材制备的方法，对原始金属基带先粗抛后精抛，精抛采用离子束抛光，提高了抛光工序的产能，降低了成本，同时有利于在带材表面进行薄膜沉积。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种金属基带的表面处理方法，对原始金属基带先后进行粗抛处理和精抛处理，所述粗抛处理包括机械抛光和/或电化学抛光，所述精抛处理采用离子束抛光，最终制得粗糙度小于1纳米的金属基带。

所述粗抛处理的抛光速度不小于40米/小时，优选地不小于60米/小时，更优选地不小于90米/小时；粗抛处理完成后金属基带的表面粗糙度为10～20纳米。

优选地，所述经粗抛处理和精抛处理得到的金属基带其粗糙度不大于0.5纳米。

所述精抛处理中基带同时或交替受到离子束正向轰击和反向轰击；离子束和基带法线的夹角为50度～75度，择优角度为60度～68度；离子能量为500～1500电子伏特，优选地为1000～1500电子伏特。

本发明涉及一种上述金属基带用于高温超导带材制备的方法，在完成金属基带的粗抛后，在离子束抛光与隔离层沉积集成设备中对金属基带进行精抛处理和隔离层沉积，完成隔离层沉积后再沉积高温超导层，制得高温超导带材；

所述精抛处理在对集成设备抽真空的同时进行；

所述隔离层沉积在集成设备的真空度达到沉积作业要求且经离子束抛光的金属基带其表面粗糙度达到要求后进行。

上述方法中离子束抛光和隔离层沉积集成在同一个系统中，共用缠绕系统和真空腔体，在对设备抽真空的同时进行离子束抛光。二代带材的隔离层，通常为氧化铝层/氧化铍层或氧化铱层/氧化镁层/LaMnO₃层的多层复合结构，需要在高真空条件下沉积，而达到高真空需要的抽真空时间很长，离子束抛光可以利用隔离层沉积前的抽真空时间进行，这样离子束抛光不会增加二代带材整体的制备时间，而且因为离子束抛光结束后，不暴露空气，直接进行隔离层的沉积，具有更清洁的基带表面，这会提高薄膜的质量。

上述集成方案还可减少设备投资，不需要建一台专门的离子束抛光真空设备，只需要对现有隔离层沉积设备进行简单改造：1)采用多道缠绕走带系统进行金属基带走带，2)设置不少于1对的离子源，用于金属基带抛光；每对离子源中离子源数量为两个，抛光方向相对于走带方向分别为正向和反向，3)对应离子源在沉积源上方设置可移动沉积源挡板，以防止离子束抛光对沉积源的污染。

本发明涉及一种应用于上述金属基带的表面处理方法进行粗抛处理的机械抛光装置，包括：放带盘、收带盘以及依次设置于两者之间的至少一个预清洁单元、至少一个机械抛光单元和至少一个后清洁单元；

所述机械抛光单元包括至少一对抛光轮，用于同时对金属基带两面进行抛光；抛光轮在转动的同时相对于基带在基带宽度方向上左右移动；对应于抛光轮，所述机械抛光单元设置有抛光液机构，用于抛光液的供应和循环；

沿着抛光行进方向，各机械抛光单元的抛光液中抛光粉的颗粒大小由高到低设置。

优选地，所述抛光轮设有抛光轮清洁机构。

进一步优选地，所述抛光轮清洁机构包括金属微颗粒清除刷、静电除尘器件、高速流体冲击器件中的至少一种。

优选地，所述相邻设置的两个机械抛光单元之间设有抛光粉隔离器。

本发明涉及一种应用于上述金属基带的表面处理方法进行粗抛处理的电化学抛光装置，包括放带盘、收带盘以及依次设置于两者之间的至少一个预清洁单元、至少一个电化学抛光单元和至少一个后清洁单元；

所述预清洁单元和后清洁单元采用液体冲刷或化学溶液腐蚀的手段对金属基带表面进行清洗处理；

所述电化学抛光单元设置有抛光电极和电解液，对金属基带进行电化学抛光。

所述预清洁单元可以对金属基带采用酸溶液清洗、碱溶液清洗和热水清洗中至少一种方式。

所述相邻设置的每个单元之间设有清洗隔离器，以防止不同的清洗液进入下一个单元；所述清洗隔离器包括冲洗水喷头和空气刀。

所述后清洁单元可以对金属基带采用稀酸溶液清洗和热水清洗中至少一种方式。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)先采用机械抛光和/或电化学抛光进行高速粗抛，原始金属基带的粗糙度可选地在20～100纳米范围内，选择范围广，材料易得，且粗抛效率高，可以大幅降低生产成本；

2)通过多道缠绕，离子抛光速度超过电化学抛光，产能高，有效解决供货难题；且采用了双离子束方向轰击，进一步提高了抛光速度同时提高了金属基带表面平整度；

3)离子束抛光部分或全部取代电化学抛光，减少了环境污染问题，且可以获得电化学抛光无法达到的平整度；另离子束抛光获得的超净表面，不仅大幅减少基带表面污染，降低了薄膜层离的可能性以及减少因为低蒸汽压的污染物所造成的后继薄膜沉积工艺的稳定性问题，提高了产品的良率；

4)解决了精抛处理或全流程采用电化学抛光处理带来的金属基带边缘较薄的问题，提高了带材在工艺过程中抵抗撕破的能力。

附图说明

图1为实施例1中机械抛光装置示意图；

图2为实施例1中机械抛光单元内部结构示意图；

图3a为实施例1中离子束抛光与隔离层沉积集成设备示意图，两个方向的离子束轰击交替进行；

图3b为实施例1中设置一组离子源的抛光走带示意图，各离子束轰击同时进行；

图3c为实施例1中设置两组离子源的抛光走带示意图，各离子束轰击同时进行；

图4为实施例2中电化学抛光装置示意图；

图中：第一放带盘1、第一收带盘2、第二放带盘3、第二收带盘4、金属基带5、机械抛光单元6、空气刀7、缺陷检测器8、粗糙度检测器9、离子源11、沉积源12、可移动沉积源挡板13、轴承14、预清洁单元15、后清洁单元16、抛光粉隔离器17、轴承18、电化学抛光单元19、清洗隔离器20、抛光轮61、金属微颗粒清除刷62、静电除尘器件63。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。

实施例1

如图1所示，原始金属基带5在卷对卷走带系统带动下从第一放带盘1移动进入机械抛光装置，完成抛光后，进入第一收带盘2，完成粗抛。

机械抛光装置包括两个预清洁单元15、六个机械抛光单元6和两个后清洁单元16。这些顺着走带方向连续设置的机械抛光单元6，每个机械抛光单元6包括至少两个高速旋转的抛光轮61，分别接触金属基带5的两面，对金属基带5两面进行抛光；对金属基带5两面抛光的好处是，避免了一面抛光基带的缺陷，这个缺陷是，一面抛光带在绕到带盘时，非抛光的一面会接触抛光的一面，造成抛光面的光洁度降低。

机械抛光单元6中设有抛光液机构，用于抛光液的供应和循环；连续设置的机械抛光单元6中抛光液依次使用颗粒大小从高到低的抛光粉，根据原始金属基带5的粗糙度选择具体的抛光粉尺寸，例如，第一个机械抛光单元6使用粒径10微米的抛光粉，第二个机械抛光单元6使用粒径3微米的抛光粉，第三个机械抛光单元6使用粒径1微米的抛光粉，第四个机械抛光单元6使用粒径0.3微米的抛光粉，第五个机械抛光单元6使用粒径0.1微米的抛光粉；抛光粉材质也可以根据情况选择，如选择高硬度的氧化铝以提高抛光速度，或者选择较软的氧化硅以获得较好的光洁度。

抛光粉通过抛光液带动，由位于抛光轮61和金属基带5交接处的加料口提供给抛光轮61，并循环使用。抛光液可以是水，也可以是对金属基带5有一定腐蚀作用的化学溶液，以实现化学机械抛光，提高抛光速度。化学抛光液选用环保型化学抛光液，如草酸、柠檬酸。抛光轮由毛毡或纤维类材料组成。

相邻设置的两个机械抛光单元6之间设有抛光粉隔离器17，所述抛光粉隔离器17优选地采用冲洗水喷头，以防止粗颗粒抛光粉进入具有细颗粒抛光粉的下一个机械抛光单元6。

随着抛光长时间的进行，抛下来的金属微颗粒会进入抛光轮61中，如附着在其表面，降低抛光效率。为了解决这个问题，提供2个措施：

1)设置抛光轮61的宽度大幅度地大于金属基带5的宽度，至少为5倍；抛光过程中，抛光轮61在转动的同时，相对于金属基底5左右移动，这样增大抛光轮61的可用面积；在等同的抛光量下，可以减少抛光轮61上金属微颗粒的密度；

2)在抛光轮61不与金属基带5接触的面安装金属微颗粒清除装置；清除手段可以是金属微颗粒清除刷62复合高速抛光液冲击对抛光轮61进行洗涮，也可以是静电除尘器件63通过感应静电把金属微颗粒从抛光轮61中吸出来，还可以是金属微颗粒清除刷62复合高速抛光液洗刷与静电除尘器件63吸引两者的结合，如图2所示。

金属基带5经粗抛后，经过两个后清洁单元16，后清洁单元16可使用高速的干净蒸馏水冲洗金属基带5以去除抛光粉、金属粉以及抛光轮掉落的纤维，经后清洁单元16后金属基带5通过空气刀7去除金属基带5表面的水膜，再收卷进入第一收带盘2。

在金属基带5进入第一收带盘2前，可设置缺陷检测器8和粗糙度检测器9进行非接触式的在线测量，动态连续地监控金属基带表面缺陷和表面粗糙度；粗糙度检测器9可以采用激光粗糙度测量仪。

二代带材机械粗抛的粗糙度在10～20纳米，抛光速度不小于40米/小时，优选地不小于60米/小时，更优选地不小于90米/小时。

完成机械粗抛的金属基带5，被装入一个卷对卷的离子束抛光与隔离层沉积集成设备。离子束轰击对二代带材用的金属基带5的刻蚀速度大概在20～50纳米/分钟，抛光速度较低，且由于离子束方向性，抛光表面会有微弱的形貌各项异性，这影响了最终可达到的表面平整度同时也降低了离子抛光的效率。为了解决离子束抛光速度低的问题，采用以下3个措施：

1)采用多道缠绕走带系统；

2)选取离子束和基带法线的夹角，优选地为50度～75度，进一步优选地为60度～68度，60度～68度，对应的，离子束溅射率大约是0度入射角度的3倍、45度入射角的2倍，离子能量为500～1500电子伏特，优选地为1000～1500电子伏特；

3)使得金属基带5同时或交替受到离子束正向轰击和反向轰击。

如图3a所示，本实施例涉及一种离子束抛光与隔离层沉积集成设备，包括：

多道缠绕走带系统，用于金属基带走带；

离子源11，用于金属基带抛光；数量不少于一组，每组中为两个，两个离子源的离子束抛光方向相对于走带方向分别为正向和反向；

抽真空系统，用于离子束抛光与隔离层沉积集成设备的抽真空；

沉积源12，用于薄膜沉积；对应离子源设有可移动沉积源挡板13。

所述多道缠绕走带系统包括：一个第二放带盘3、若干轴承18和一个第二收带盘4；金属基带5移动，从第二放带盘3伸出，连续经过若干轴承18，形成多道缠绕以增加抛光效率；在集成设备的真空度达到沉积作业要求且经离子束抛光的金属基带其表面粗糙度达到要求后，对经精抛的金属基带进行隔离层沉积，最后收卷进入第二收带盘4。

设置2个离子源11，分别置于多道缠绕走带系统的上方和下方，这样金属基带5每走过一圈都会交替受到相反方向的2个离子束轰击。

如图3b所示，设置2个离子源11，置于多道缠绕走带系统的同一侧，同时轰击形成交叉。

如图3c所示，在多道缠绕走带系统的上方和下方各设置2个离子源11，同时轰击形成交叉，进一步提高抛光速度。

采用离子束抛光进行精抛，具有原子加工精度，可以稳定地把金属基带5抛光到小于0.5纳米的粗糙度。

实施例2

本实施例中在粗抛处理中采用电化学抛光代替机械抛光，精抛处理采用离子束抛光。

基于客户对价格、质量方面的综合考量，在客户对价格较敏感时，我们可以选择50～100纳米范围内的原始金属基带进行电化学抛光，其选择范围广，材料易得，且粗抛效率高，可以大幅降低生产成本；在客户对质量较敏感时，如果我们选择粗糙度在20纳米左右的原始金属基带进行电化学抛光，之后再进行离子束抛光，则可以获得原子级的高度平整度。

如图4所示，原始金属基带5在卷对卷走带系统带动下从第一放带盘1移动进入电化学抛光装置，完成抛光后，进入第一收带盘2，完成粗抛。

电化学抛光装置包括依次设置的至少一个预清洁单元15、至少一个电化学抛光单元19和至少一个后清洁单元16。

预清洁单元15可以对金属基带采用酸溶液清洗、碱溶液清洗和热水清洗中至少一种方式。

相邻设置的每个单元之间设有清洗隔离器20，以防止不同的清洗液进入下一个单元；所述清洗隔离器20包括冲洗水喷头和空气刀。

后清洁单元16可以对金属基带5采用稀酸溶液清洗和热水清洗中至少一种方式。

所述各清洗单元均可增设超声波清洗机构以提高清洗效率。

粗抛后的金属基带5经清洁单元16，最后用空气刀7去除金属基带5表面的水膜，全部完成后收卷进入第一收带盘2。

在金属基带5进入第一收带盘2前，可设置缺陷检测器8和粗糙度检测器9进行非接触式的在线测量，动态连续地监控金属基带表面缺陷和表面粗糙度；粗糙度检测器9可以采用激光粗糙度测量仪。

电化学粗抛的粗糙度可设置在10纳米，抛光速度不小于60米/小时，优选地，不小于90米/小时。

之后进行精抛处理，精抛处理同实施例1。

作为本实施例的一个变形，粗抛处理亦可采用机械抛光和电化学抛光的组合形式。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种金属基带的表面处理方法，其特征在于，对原始金属基带先后进行粗抛处理和精抛处理，所述粗抛处理包括机械抛光和/或电化学抛光，所述精抛处理采用离子束抛光，最终制得粗糙度小于1纳米的金属基带。

2.根据权利要求1所述金属基带的表面处理方法，其特征是，所述粗抛处理的抛光速度不小于40米/小时，粗抛处理完成后金属基带的表面粗糙度为10～20纳米。

3.根据权利要求2所述金属基带的表面处理方法，其特征是，所述经粗抛处理和精抛处理得到的金属基带其粗糙度不大于0.5纳米。

4.根据权利要求2所述金属基带的表面处理方法，其特征是，所述精抛处理中金属基带同时或交替受到离子束正向轰击和反向轰击；离子束和基带法线的夹角为50度～75度，离子能量为500～1500电子伏特。

5.一种基于上述任一权利要求所述金属基带用于高温超导带材制备的方法，其特征在于，在完成金属基带的粗抛后，在离子束抛光与隔离层沉积集成设备中对金属基带进行精抛处理和隔离层沉积，完成隔离层沉积后再沉积高温超导层，制得高温超导带材；

所述精抛处理在对集成设备抽真空的同时进行；

所述隔离层沉积在集成设备的真空度达到沉积作业要求且经离子束抛光的金属基带其表面粗糙度达到要求后进行。

6.一种应用于权利要求1～4任一项所述金属基带的表面处理方法进行粗抛处理的机械抛光装置，其特征在于，包括：放带盘、收带盘以及依次设置于两者之间的至少一个预清洁单元、至少一个机械抛光单元和至少一个后清洁单元；

所述机械抛光单元包括至少一对抛光轮，用于同时对金属基带两面进行抛光；抛光轮在转动的同时相对于金属基带在基带宽度方向上左右移动；对应于抛光轮，所述机械抛光单元设置有抛光液机构，用于抛光液的供应和循环；

沿着抛光行进方向，各机械抛光单元的抛光液中抛光粉的颗粒大小由高到低设置。

7.根据权利要求6所述机械抛光装置，其特征是，所述抛光轮设有抛光轮清洁机构。

8.根据权利要求7所述机械抛光装置，其特征是，所述抛光轮清洁机构包括金属微颗粒清除刷、静电除尘器件、高速流体冲击器件中的至少一种。

9.一种应用于权利要求1～4任一项所述金属基带的表面处理方法进行粗抛处理的电化学抛光装置，其特征在于，包括：放带盘、收带盘以及依次设置于两者之间的至少一个预清洁单元、至少一个电化学抛光单元和至少一个后清洁单元；

所述预清洁单元和后清洁单元采用液体冲刷或化学溶液腐蚀的手段对金属基带表面进行清洗处理；

所述电化学抛光单元设置有抛光电极和电解液，对金属基带进行电化学抛光。

10.一种应用于权利要求1～5任一项所述金属基带的表面处理方法进行精抛处理的离子束抛光与隔离层沉积集成设备，其特征在于，包括：

多道缠绕走带系统，用于金属基带走带；

离子源，用于金属基带抛光；数量不少于一组，每组中为两个，两个离子源的离子束抛光方向相对于走带方向分别为正向和反向；

抽真空系统，用于离子束抛光与隔离层沉积集成设备的抽真空；

沉积源，用于薄膜沉积；对应离子源设有可移动沉积源挡板。