CN108359940A - 一种彩色金属制品及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种彩色金属制品，属于金属表面处理技术领域。包括金属基体以及金属基体表面的硅膜，所述金属基体完全禁止光线透射，所述硅膜的厚度为20nm～50nm。金属基体表面上的硅膜形成了一个法布里‑珀罗腔，起着吸收特定波长的光的作用，从而导致表面形成的干涉光的颜色发生变化。通过改变硅膜的厚度和金属基体的种类，该光腔的吸收光的波长可以在很宽的光谱范围内发生变化，因此该彩色金属制品表面显示颜色会随着硅膜的厚度和金属基体种类的改变而变化，使彩色金属制品的表面呈现颜色有更多的选择，具有更好的装饰效果。

Description

一种彩色金属制品及制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，特别涉及一种彩色金属制品及制备方法。
背景技术
不锈钢、铝合金、镁合金等金属因具有较高的强度被广泛地应用于各种家用电器、汽车和电子产品的外壳。
为了获得较好的外观效果，通常通过电镀、电泳涂装、喷漆等表面装饰处理，在上述金属外壳表面形成某种颜色的装饰层，然而上述处理获得的装饰层通常颜色比较单一，仅有几种，缺乏连续变化和丰富的颜色。随着消费水平的提高，这种外观已经不能满足消费者对这些产品的外观需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种彩色金属制品，包括金属基体以及金属基体表面的硅膜，通过改变硅膜的厚度和金属基体的种类，金属基体表面上的硅膜形成了一个法布里-珀罗腔，起着吸收特定波长的光的作用，其吸收光的波长可以在很宽的光谱范围内发生变化，因此该彩色金属制品的表面显示颜色会随着硅膜厚度和金属基体种类的改变而变化，使彩色金属制品的表面呈现更多颜色，具有更好的装饰效果。
为了达到上述技术效果，本发明提供了一种彩色金属制品，包括金属基体以及金属基体表面的硅膜，所述金属基体表面光滑平整，且应能有效地阻碍光线透出，所述硅膜的厚度为20nm～50nm。
优选地，所述金属基体的材质为铁、锌、铝、铬、铜或钛。
本发明还提供了上述技术方案所述金属制品的制备方法，包括以下制备步骤：
将金属基体依次进行脱脂清洗、抽本底真空处理和烘烤，得到预处理基体；
在所述预处理基体表面利用磁控溅射镀一层硅膜，得到彩色金属制品。
优选地，所述脱脂清洗的温度为20～30℃，所述脱脂清洗的时间为1～6min。
优选地，所述抽本底真空处理的本底真空度为不小于2×10-4Pa。
优选地，所述烘烤的温度为150～200℃，所述烘烤的时间为1-6小时。
优选地，所述磁控溅射镀膜的溅射时间为50～300s。
优选地，所述磁控溅射镀膜的溅射功率为100～500W，压力为1～20mTorr，硅的沉积速率为0.03～1nm/s。
优选地，所述磁控溅射后还包括依次进行退火、清洗和烘烤。
优选地，所述退火的温度为50～100℃，所述退火的时间为1-1.5小时。
有益技术效果：本发明提供了一种彩色金属制品，包括金属基体以及金属基体表面的硅膜，所述金属基体完全禁止光线透射，所述硅膜的厚度为 20nm～50nm。金属基体表面上的硅膜形成了一个法布里-珀罗腔，起着吸收特定波长的光的作用，其吸收光的波长可以在很宽的光谱范围内发生变化，该彩色金属制品的表面显示颜色会随着硅膜厚度和金属基体种类的变化而改变，使彩色金属制品的表面呈现颜色有更多的选择，具有更好的装饰效果。
附图说明：
图1为本发明中金属制品表面形成的法布里-珀罗谐振腔原理示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种彩色金属制品，包括金属基体以及金属基体表面的硅膜，所述金属基体完全禁止光线透射，所述硅膜的厚度为20nm～50nm。
在本发明中，所述金属基体的材质优选为铁、锌、铝、铬、铜或钛。
在本发明中，所述彩色金属制品的表面显示颜色会随着硅膜厚度和金属基体种类的变化而改变。因为硅膜下方衬底基体是金属基体，光线完全不能透出，所以在硅-金属边界上，金属基体表面上的单层高折射率硅膜形成了一个不对称的法布里-珀罗谐振腔。不同厚度的硅膜对光反射和折射的光程差不同，产生的往返相位差也不同。当光波长信号在谐振腔内的往返相位差为2π的整数倍时，能在谐振腔内产生相长干涉，可以透过谐振腔内反射膜形成强光输出，而对于其他在腔内的往返相位差不为2π整数倍的光波长信号，往返信号的振幅互相叠加被抵消，很难透过谐振腔反射膜输出，也就是被谐振腔给吸收了。通过改变硅膜的厚度和金属基体的种类，该光腔的吸收光的波长可以在很宽的光谱范围内发生变化，因此该彩色金属制品表面显示颜色会随着硅膜的厚度和金属基体种类的改变而变化，具体分析如下：
金属结构表面上的单层硅膜的光反射率可以通过光波干涉理论来计算，光学反射率是R＝|r|2，其中r是给出的光波反射系数:
在上式中r12、r23分别指从介质1(空气)到介质2(硅)和介质2(硅) 到介质3(金属)的光波的菲涅尔反射系数，该式能够计算出光学反射率与波长和薄膜厚度；
是厚度的硅膜内的往返传播相位延迟；
对于偏振入射，r12、r23为：
对于TM偏振入射，r12、r23为：
其中k1y、k2y、k3y分别是空气、硅膜、金属基体中波矢的法向分量，波矢的法向分量可以由下式计算：kiy＝k0[(ni 2-ni 2sin2(θ))]1/2，θ是入射光从空气中入射的角度，ni是介质i的折射率(分别对于空气、硅、金属，i＝1、2、3)， kc是自由空间传播常数；
通过结果数据分析，对于具有20nm至50nm厚的Si膜的器件，在零阶空腔谐振模式下能发生强的光学吸收，因此将硅膜的厚度设定为20nm至 50nm。表1为不同金属基体在不同硅膜厚度时对应的峰值吸收波长。
表1不同金属基体在不同硅膜厚度时对应的峰值吸收波长
硅膜厚度 铝 铜 铬 钛
20nm 487nm 496nm 457nm 530nm
25nm 517nm 531nm 505nm 576nm
30nm 521nm 540nm 564nm 632nm
50nm 637nm 831nm 806nm 848nm
表2不同金属基体在不同硅膜厚度时对应的表面显示颜色
硅膜厚度 铝 铜 铬 钛
20nm 浅橙色 红橙色 褐色 红褐色
25nm 橙黄色 红紫色 棕色 蓝紫色
30nm 浅粉色 浅紫色 深紫色 蓝色
50nm 浅蓝色 浅灰色 浅蓝色 蓝灰色
表1表明了峰值吸收波长取决于硅膜厚度和金属基体的种类，表2则表明了分别对应的表面显示颜色，通过结合两表可得出：在金属基体种类和硅膜厚度不同时，金属制品吸收光的波长也不同，表面颜色也会明显不同。
本发明还提供了上述金属制品的制备方法，包括以下制备步骤：
将金属基体依次进行脱脂清洗、抽本底真空处理和烘烤，得到预处理基体；
在所述预处理基体表面利用磁控溅射镀一层硅膜，得到彩色金属制品。
本发明将金属基体依次进行脱脂清洗、抽本底真空处理和烘烤，得到预处理基体。
在本发明中，所述脱脂清洗的温度优选为20～30℃，更优选为25～27℃，所述脱脂清洗的时间优选为1～6min，更优选为3～5min。
本发明优选将金属基体浸渍于含脱脂剂的水溶液中进行脱脂清洗。
本发明对脱脂剂没有特殊限定，选用本领域市售的金属常用的脱脂剂即可。
在本发明中，所述脱脂剂水溶液的浓度优选为90～150g/L，更优选为 100～130g/L。
在本发明中，所述浸渍后还依次包括水洗、在乙醇和丙酮中浸泡后烘干。
在本发明中，所述烘干温度优选为150～200℃，所述烘干时间优选为1-6 小时。
在本发明中，所述抽本底真空处理的本底真空度为优选为不小于2× 10-4Pa，更优选为5×10-4Pa。本发明通过抽本底真空处理，尽量减少真空腔体内的残余气体，保证薄膜的纯洁度。
在本发明中，所述烘烤的温度优选为150～200℃，更优选为170～190℃，所述烘烤的时间为1-6小时，更优选为4-5小时。本发明通过烘烤处理，去除基体表面的水分，提高膜-基结合力，同时消除薄膜应力，提高膜层粒子的聚集度。
得到预处理基体后，本发明在所述预处理基体表面利用磁控溅射镀一层硅膜，得到彩色金属制品。
在本发明中，所述磁控溅射镀膜的溅射时间优选为50～300s，更优选为 100～250s。
在本发明中，所述磁控溅射镀膜的溅射功率优选为100～500W，更优选为200～300W；压力优选为1～20mTorr，更优选为5～15mTorr；硅的沉积速率优选为0.03～1nm/s，更优选为0.2～0.6nm/s。
具体地，在等离子体的条件下，氩气电离后形成正离子高速轰击靶材表面，使靶材粒子溅射出来到达基体表面形成薄膜。在本发明中，基体的材质优选为铁、锌、铝、铬、铜或钛；靶材优选为硅。
在本发明中，所述磁控溅射镀膜的溅射前还包括预溅射，所述预溅射的时间优选为150～200s，更优选为180s；所述预溅射的其它条件与溅射的条件一致。本发明通过预溅射稳定沉积速率。
在本发明中，所述磁控溅射后还包括依次进行退火、清洗和烘烤。
在本发明中，所述退火的温度优选为50～100℃，更优选为70～90℃；所述退火的时间优选为1-1.5小时，更优选为1.2-1.4小时。本发明应用退火工艺，可以有效提高结合力。
本发明对清洗的方法没有特殊限定，选用本领域技术人员熟知的方法，能清除表面的水汽、油污、微粒即可。
在本发明中，对溅射后制品烘烤的温度优选为50～200℃，更优选为 100～150℃，所述烘烤的时间优选为1-6小时，更优选为3-5小时。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
1)首先提供4片完全相同的金属基体，每片0.5×0.5英寸，厚度为30mm。金属基体材料为铝。
2)对所选金属基体进行脱脂除油清洗。该脱脂除油清洗主要包括将所述金属基体浸渍于含脱脂剂的水溶液中。所述脱脂剂可为市面上出售的金属常用的脱脂剂。该脱脂剂的浓度为90g/L。浸渍时，保持所述脱脂剂的水溶液的温度在20～30℃之间。该浸渍的时间为1分钟。脱脂处理后对所述金属基体进行水洗，再依次在乙醇、丙酮中浸泡后用干燥机快速烘干。
进行抽本底真空处理。控制本底真空在2×10-4Pα以上，以尽量减少真空腔体内的残余气体，保证薄膜的纯洁度。
烘烤金属基体得到预处理基体。烘烤温度为150℃，除去基体表面的水分，提高膜一基结合力，同时消除薄膜应力，提高膜层粒子的聚集度。
3)进行氩气分压。
进行预溅射，为了稳定沉积速率，预溅射时间为180秒。
进行溅射，在等离子体的条件下，氩气电离后形成正离子高速轰击靶材表面，使靶材粒子溅射出来到达基体表面形成薄膜；
在溅射期间，氩气压力为5mTorr，RF功率为200W，硅的沉积速率是每秒0.083nm。通过改变溅射时间获得硅膜厚度分别为20nm、25nm、30nm、 50nm的彩色铝制品。
表3不同硅膜厚度所需的溅射时间，
硅膜厚度 20nm 25nm 30nm 50nm
所需时间 240s 300s 360s 600s
再次清洗金属基体表面，去除表面可能存在的杂质；
再次烘烤金属基体，去除基体表面水分，烘烤的温度为180℃，烘烤的时间为4小时。
最终得到了如表4所示的四种表面显示颜色不同的彩色铝制品。
实施例2
1)首先提供4片完全相同的金属基体，每片0.5×0.5英寸，厚度为30mm。金属基体材料为铜。
2)对所选金属基体进行脱脂除油清洗。该脱脂除油清洗主要包括将所述金属基体浸渍于含脱脂剂的水溶液中。所述脱脂剂可为市面上出售的金属常用的脱脂剂。该脱脂剂的浓度可为150g/L。浸渍时，保持所述脱脂剂的水溶液的温度在20-30℃之间。该浸渍的时间为6分钟。脱脂处理后对所述金属基体进行水洗。再依次在乙醇、丙酮中浸泡后用干燥机快速烘干。
对金属基体进行抽本底真空处理。控制本底真空在2×10-4Pa以上，以尽量减少真空腔体内的残余气体，保证薄膜的纯洁度。
烘烤金属基体得到预处理基体。选择温度在150～200℃之间，除去基体表面的水分，提高膜一基结合力，同时消除薄膜应力，提高膜层粒子的聚集度。
3)进行氩气分压。
对预处理基体进行预溅射，为了稳定沉积速率，预溅射时间为180秒。
预溅射后进行溅射，在等离子体的条件下，氩气电离后形成正离子高速轰击靶材表面，使靶材粒子溅射出来到达基体表面形成薄膜；
在溅射期间，氩气压力为5mTorr，RF功率为200W。硅的沉积速率是每秒0.083nm。通过改变溅射时间获得硅膜1厚度分别为20nm、25nm、30nm、 50nm的彩色铜制品；
应用退火工艺，可以有效提高结合力；
再次清洗金属基体表面，去除表面可能存在的杂质；
再次烘烤金属基体，去除基体表面水分，烘烤的温度为180℃，烘烤的时间为4小时。
最终得到了如表4所示的四种表面显示颜色不同的彩色铜制品。
实施例3
将实施例1中的金属替换为铬，其余与实施例1相同。
最终得到了如表4所示的四种表面显示颜色不同的彩色铬制品。
实施例4
将实施例1中的金属替换为钛，其余与实施例1相同。
表4为大小为0.5×0.5英寸，厚度为30mm的实施例1～4中不同颜色的金属制品实物照片图。
表4实施例1～4中不同颜色的金属制品
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种彩色金属制品，包括金属基体以及金属基体表面的硅膜，所述金属基体表面光滑平整，且应能有效地阻碍光线透出，所述硅膜的厚度为20nm～50nm。
2.根据权利要求1所述的金属制品，其特征在于，所述金属基体的材质为铁、锌、铝、铬、铜或钛。
3.一种如权利要求1或2所述金属制品的制备方法，包括以下制备步骤：
将金属基体依次进行脱脂清洗、抽本底真空处理和烘烤，得到预处理基体；
在所述预处理基体表面利用磁控溅射镀硅膜，得到彩色金属制品；所述硅膜的厚度为20nm～50nm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述脱脂清洗的温度为20～30℃，所述脱脂清洗的时间为1～6min。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述抽本底真空处理的本底真空度为不小于2×10-4Pa。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述烘烤的温度为150～200℃，所述烘烤的时间为1-6小时。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射镀膜的溅射时间为50～300s。
8.根据权利要求3或7所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射镀膜的溅射功率为100～500W，压力为1～20mTorr，硅的沉积速率为0.03～1nm/s。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射后还包括将得到的磁控溅射制品依次进行退火、清洗和烘烤。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为50～100℃，所述退火的时间为1-1.5小时。
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