CN108611622A - 新型制备不粘锅涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

新型制备不粘锅涂层的方法，本发明涉及材料表面处理技术领域，具体涉及新型制备不粘锅涂层的方法。本发明是要解决现有市售的Teflon不粘锅涂层抗划擦性能差，寿命低的问题。方法：本发明利用金属网与金属锅体形成空心阴极封闭体，利用“空心阴极效应”产生的高等离子体密度以及DLN膜层结构。本发明用于制备不粘锅涂层。

Description

新型制备不粘锅涂层的方法
技术领域
本发明涉及材料表面处理技术领域，具体涉及新型制备不粘锅涂层的方法。
背景技术
Teflon进入炊具领域是它的超低的摩擦系数和表面能，Teflon的摩擦系数在所有塑料中 是最小的，它的表面能在所有固体材料中也是最低的，这些性能都使得其他物质很难在其 表面附着。有机不粘涂层的性能虽然强大，但它们耐磨性较差。随着不粘炊具使用时间的 延长，涂层多多少少都会受损，甚至出现剥落的情况；同时有研究表明，制造Teflon涂料所 需的核心成分全氟辛酸铵(PFOA)，在动物实验中被证实有致癌作用和其他不良后果。因 此，美国环境保护署要求，在2010年要削减95％的PFOA使用量，到2015年要全面禁用。因 此，人们急切期望一种替代Teflon的材料的问世。
DLN(diamond-like nanocomposite film)是纳米SiO2改性的类金刚石(DLC-diamond-like film)薄膜。其除具有DLC较高的化学惰性和较低的摩擦系数，此外，DLN还具有较低表 面能，具有抗粘附性能，已被应用到模具和零部件的表面防护。同时，与高分子材料Teflon 相比，DLN涂层具有较高的硬度，提高其抗划擦性能。因此，DLN涂层是一种理想的Teflon 替代材料。
为延长不粘锅使用寿命，现有Teflon的厚度一般为20μm～25μm。由于DLN涂层本身结 构特征以及与金属基体之间物理性能相差较大，使得厚度超过10μm的DLN涂层很难制备。 因此，如何制备具有一定厚度、高质量和高沉积速率的DLN膜，成为我们研究的目标。
目前DLC涂层的制备主要采用等离子体增强化学气象沉积(plasma enhancedchemical vapor deposition，PECVD)工艺。PECVD技术是在工件上接上负偏压电源，利用含有碳氢 元素前驱体(如乙炔或甲烷等)、Si和O元素前驱体(如六甲基二硅氧烷)形成的混合气体 辉光放电沉积DLC膜。如实验室一般采用射频电源，射频制备DLC膜不易大规模工业化生 产，主要体现在：(1)射频功率越高，越不容易耦合到等离子体上；(2)RF等离子体 不易渗透到工件孔及边缘处；(3)沉积速率较低，仅为1～2μm/h。此外，一些研究人员采 用脉冲偏压方法，同样获得了较好的DLC，但是膜层一般较薄，主要是由于等离子体密度 不够高。
发明内容
本发明是要解决现有市售的Teflon不粘锅涂层抗划擦性能差，寿命低的问题，而提供 新型制备不粘锅涂层的方法。
新型制备不粘锅涂层的方法是按以下步骤进行：
一、空心阴极结构制备：将金属网与金属锅连接形成封闭腔体，然后放置在真空室内 的绝缘柱上，将金属网与高频高压脉冲电源的高压脉冲输出端相连；
二、溅射清洗：将真空室抽真空，待真空室内的真空度小于10-3Pa时，通入氮气或混合气体至真空室内的真空度为1～3Pa，开启高频高压脉冲电源，调整高频高压脉冲电源输出，在金属网与金属锅体形成的封闭体内产生空心阴极放电，高能Ar+和H+溅射清洗锅体 内表面，对清洁后的金属网与金属锅进行溅射清洗；所述混合气体为氩气与氢气的混合气体；
三、Si过渡层制备：①：向真空室内通入含Si元素气体1～5s，开启高频高压脉冲电源， 调节高频高压电源输出脉冲电压值为1～6kV；②：采用高能氩离子轰击8～10min；③：连 续重复第①步和第②步5～10次，形成Si元素与基体金属混杂层；
四、DLN膜制备：向真空室内通入碳前驱体和含有硅元素及氧元素的气体进行DLN不粘涂层的制备。
新型制备不粘锅涂层的方法是按以下步骤进行：
一、空心阴极结构制备：将金属网与金属锅连接形成封闭腔体，然后放置在真空室内 的绝缘柱上，将金属网与高频高压脉冲电源的高压脉冲输出端相连；
二、溅射清洗：将真空室抽真空，待真空室内的真空度小于10-3Pa时，通入氮气或混合气体至真空室内的真空度为1～3Pa，开启高频高压脉冲电源，调整高频高压脉冲电源输出，在金属网与金属锅体形成的封闭体内产生空心阴极放电，高能Ar+和H+溅射清洗锅体 内表面，对清洁后的金属网与金属锅进行溅射清洗；所述混合气体为氩气与氢气的混合气体；
三、等离子渗氮：向真空室内通入氮气和氢气的混合气体，在金属网与金属锅形成的 封闭腔体内产生辉光放电，进行等离子渗氮；
四、Si过渡层制备：①：向真空室内通入含Si元素气体1～5s，开启高频高压脉冲电源， 调节高频高压电源输出脉冲电压值为1～6kV；②：采用高能氩离子轰击8～10min；③：连 续重复第①步和第②步5～10次，形成Si元素与基体金属混杂层；
五、DLN膜制备：向真空室内同时通入碳前驱体和含有硅元素及氧元素的气体进行DLN不粘涂层的制备。
本发明的有益效果是：
本发明可以实现较高的气体离化率，不需要附加离子源即可获得高沉积速率DLN膜制 备，增加附加金属网后不锈钢锅体内等离子体辉光强度明显增强；金属网通电产生等离子 体辉光放电，设备极其简单，辉光稳定性好；可实现等离子体渗氮与DLN膜沉积工艺的复 合，实现金属锅体氮化/DLN双重处理，提高使用寿命，易于工业化生产；该结构亦可以实现具有复杂形状的产品(如模具)的等离子体表面改性。
附图说明
图1为制备不粘锅涂层时所用装置的结构示意图；其中1为真空室，2为金属锅，3为金属网，4为绝缘柱，5为电流互感器，6为示波器，7为高频高压脉冲电源，8为进气口， 9为抽气口，10为挡板；
图2为A向观察的金属锅只通过等离子体辉光放电照片；
图3为A向观察的实施例一步骤三辉光放电照片；
图4为金属网与深金属锅形成封闭腔体的结构示意图；
图5为金属网与浅金属锅形成封闭腔体的结构示意图；
图6为经实施例一处理后不粘锅涂层表面形貌图；
图7为经实施例一处理后不粘锅涂层截面形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式新型制备不粘锅涂层的方法是按以下步骤进行：
一、空心阴极结构制备：将金属网3与金属锅2连接形成封闭腔体，然后放置在真空室1内的绝缘柱上，将金属网3与高频高压脉冲电源7的高压脉冲输出端相连；
二、溅射清洗：将真空室1抽真空，待真空室1内的真空度小于10-3Pa时，通入氮气或混合气体至真空室1内的真空度为1～3Pa，开启高频高压脉冲电源7，调整高频高压脉冲电源输出，在金属网3与金属锅2体形成的封闭体内产生空心阴极放电，高能Ar+和H+溅 射清洗锅体内表面，对清洁后的金属网3与金属锅2进行溅射清洗；所述混合气体为氩气 与氢气的混合气体；
三、Si过渡层制备：①：向真空室1内通入含Si元素气体1～5s，开启高频高压脉冲电 源7，调节高频高压电源输出脉冲电压值为1～6kV；②：采用高能氩离子轰击8～10min；③： 连续重复第①步和第②步5～10次，形成Si元素与基体金属混杂层；
四、DLN膜制备：向真空室1内通入碳前驱体和含有硅元素及氧元素的气体进行DLN不粘涂层的制备。
本实施方式步骤一将金属网与金属锅连接形成封闭腔体是将金属网3横置在金属锅2 的锅口处，将锅体开口端面封上，在金属网上开有一个放电口。
具体实施方式二：本实施方式新型制备不粘锅涂层的方法是按以下步骤进行：
一、空心阴极结构制备：将金属网3与金属锅2连接形成封闭腔体，然后放置在真空室1内的绝缘柱上，将金属网3与高频高压脉冲电源7的高压脉冲输出端相连；
二、溅射清洗：将真空室1抽真空，待真空室1内的真空度小于10-3Pa时，通入氮气或混合气体至真空室1内的真空度为1～3Pa，开启高频高压脉冲电源7，调整高频高压脉冲电源输出，在金属网3与金属锅2体形成的封闭体内产生空心阴极放电，高能Ar+和H+溅 射清洗锅体内表面，对清洁后的金属网3与金属锅2进行溅射清洗；所述混合气体为氩气 与氢气的混合气体；
三、等离子渗氮：向真空室1内通入氮气和氢气的混合气体，在金属网3与金属锅2形成的封闭腔体内产生辉光放电，进行等离子渗氮；
四、Si过渡层制备：①：向真空室1内通入含Si元素气体1～5s，开启高频高压脉冲电 源7，调节高频高压电源输出脉冲电压值为1～6kV；②：采用高能氩离子轰击8～10min；③： 连续重复第①步和第②步5～10次，形成Si元素与基体金属混杂层；
五、DLN膜制备：向真空室1内同时通入碳前驱体和含有硅元素及氧元素的气体进行 DLN不粘涂层的制备。
本实施方式步骤三可以增强金属锅表面硬度及获得具有微小凸起结构的形貌。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中金属网3与 金属锅2形成的封闭腔体的高度为150mm～200mm。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中高频高 压脉冲电源输出脉冲的电压值为1～6kV，脉冲频率为500Hz～3000Hz，脉宽为5μs～50μs。 其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中所述等 离子渗氮的电压值为1～6kV，脉冲频率为500Hz～3000Hz，脉宽为5μs～50μs。其他与具体 实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中Si过渡 层制备的工艺参数：电压值为1～6kV，脉冲频率为500Hz～3000Hz，脉宽为5μs～50μs。其 他与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤五中所述碳 前驱体为甲烷或乙炔；所述碳前驱体的流速为100sccm。其他与具体实施方式一至六之一 相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤五中所述含 有硅元素及氧元素的气体为六甲基二硅氧烷；所述含有硅元素及氧元素的气体的流速为 10sccm～50sccm。其他与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中等离子 渗氮的厚度为2～10μm；步骤五中制备的DLN不粘涂层的厚度为20～30μm。其他与具体实 施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述新型制备不 粘锅涂层的方法还包括制备不粘锅涂层时所用装置，该装置由真空室1、金属锅2、金属网 3、绝缘柱4、电流互感器5、示波器6、高频高压脉冲电源7、进气口8、抽气口9和挡板 10组成；所述真空室1的底面设置有绝缘柱4，所述真空室1的底部设置有进气口8，真 空室1的侧面设置有抽气口9，所述抽气口9内设置有挡板10；所述金属锅2固定在绝缘 柱4上，所述金属网3横置在金属锅2的锅口位置与金属锅2形成封闭腔体，并在金属网 3的中间开有放电口；所述真空室1的外部设置有高频高压脉冲电源7，高频高压脉冲电源 7的负极通过电流互感器5与金属网3连接，所述电流互感器5上设置有示波器6；所述高 频高压脉冲电源7的正极与真空室1的外壁相连，所述真空室1外壁设置有接地线。其他 与具体实施方式一至九之一相同。
本实施方式所述示波器6用于显示金属网和金属锅围成的腔体产生的脉冲电流波形。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：新型制备不粘锅涂层的方法是按以下步骤进行：
一、空心阴极结构制备：将金属网3与金属锅2连接形成封闭腔体，然后放置在真空室1内的绝缘柱上，将金属网3与高频高压脉冲电源7的高压脉冲输出端相连；金属网3 与金属锅2形成的封闭腔体的高度为150mm～200mm；
二、溅射清洗：将真空室1抽真空，待真空室1内的真空度小于10-3Pa时，通入氮气或混合气体至真空室1内的真空度为1～3Pa，开启高频高压脉冲电源7，调整高频高压脉冲电源输出，在金属网与金属锅体形成的封闭体内产生空心阴极放电，高能Ar+和H+溅射清 洗锅体内表面，对清洁后的金属网3与金属锅2进行溅射清洗；所述混合气体为氩气与氢 气的混合气体；
三、等离子渗氮：向真空室1内通入氮气和氢气的混合气体，在金属网3与金属锅2形成的封闭腔体内产生辉光放电，进行等离子渗氮；等离子渗氮的电压值为1～6kV，脉冲频率为500Hz～3000Hz，脉宽为5μs～50μs；等离子渗氮得到的渗氮层厚度为8μm；氮化速 率为10μm/h；
四、Si过渡层制备：①：向真空室1内通入含Si元素气体1～5s，开启高频高压脉冲电 源，调节高频高压电源输出脉冲电压值为1～6kV；②：采用高能氩离子轰击8～10min；③： 连续重复第①步和第②步5～10次，形成Si元素与基体金属混杂层；Si过渡层制备的工艺 参数：电压值为1～6kV，脉冲频率为500Hz～3000Hz，脉宽为5μs～50μs；Si元素与基体金属混杂层的厚度为100nm；
五、DLN膜制备：向真空室1内同时通入碳前驱体和含有硅元素及氧元素的气体进行 DLN不粘涂层的制备；所述碳前驱体为乙炔；所述碳前驱体的流速为100sccm；所述含有硅元素及氧元素的气体为六甲基二硅氧烷；所述含有硅元素及氧元素的气体的流速为10sccm～50sccm。
图2为金属锅本体等离子体辉光放电照片；图3为实施例一步骤三辉光放电照片；从 图2和图3对比可以看出，锅体放电为自辉光放电，辉光较弱。附加金属网后锅体内等离子体辉光强度明显增强，电流密度显著增高，转变会空心阴极放电。
图4为金属网与深金属锅形成封闭腔体的结构示意图；
图5为金属网与浅金属锅形成封闭腔体的结构示意图；
图6为经实施例一处理后不粘锅涂层表面形貌图；图7为经实施例一处理后不粘锅涂 层截面形貌图；从图6和图7中可以看出试样表面依然保持氮化表面的形貌特征，氮化层厚度约8μm，氮化速率10μm/h，DLN膜厚度约30μm。

Claims (10)

1.新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于新型制备不粘锅涂层的方法是按以下步骤进行：
一、空心阴极结构制备：将金属网(3)与金属锅(2)连接形成封闭腔体，然后放置在真空室(1)内的绝缘柱上，将金属网(3)与高频高压脉冲电源(7)的高压脉冲输出端相连；
二、溅射清洗：将真空室(1)抽真空，待真空室(1)内的真空度小于10-3Pa时，通入氮气或混合气体至真空室(1)内的真空度为1～3Pa，开启高频高压脉冲电源(7)，调整高频高压脉冲电源输出，在金属网(3)与金属锅(2)体形成的封闭体内产生空心阴极放电，高能Ar+和H+溅射清洗锅体内表面，对清洁后的金属网(3)与金属锅(2)进行溅射清洗；所述混合气体为氩气与氢气的混合气体；
三、Si过渡层制备：①：向真空室(1)内通入含Si元素气体1～5s，开启高频高压脉冲电源(7)，调节高频高压电源输出脉冲电压值为1～6kV；②：采用高能氩离子轰击8～10min；③：连续重复第①步和第②步5～10次，形成Si元素与基体金属混杂层；
四、DLN膜制备：向真空室(1)内通入碳前驱体和含有硅元素及氧元素的气体进行DLN不粘涂层的制备。
2.新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于新型制备不粘锅涂层的方法是按以下步骤进行：
一、空心阴极结构制备：将金属网(3)与金属锅(2)连接形成封闭腔体，然后放置在真空室(1)内的绝缘柱上，将金属网(3)与高频高压脉冲电源(7)的高压脉冲输出端相连；
二、溅射清洗：将真空室(1)抽真空，待真空室(1)内的真空度小于10-3Pa时，通入氮气或混合气体至真空室(1)内的真空度为1～3Pa，开启高频高压脉冲电源(7)，调整高频高压脉冲电源输出，在金属网(3)与金属锅(2)体形成的封闭体内产生空心阴极放电，高能Ar+和H+溅射清洗锅体内表面，对清洁后的金属网(3)与金属锅(2)进行溅射清洗；所述混合气体为氩气与氢气的混合气体；
三、等离子渗氮：向真空室(1)内通入氮气和氢气的混合气体，在金属网(3)与金属锅(2)形成的封闭腔体内产生辉光放电，进行等离子渗氮；
四、Si过渡层制备：①：向真空室(1)内通入含Si元素气体1～5s，开启高频高压脉冲电源(7)，调节高频高压电源输出脉冲电压值为1～6kV；②：采用高能氩离子轰击8～10min；③：连续重复第①步和第②步5～10次，形成Si元素与基体金属混杂层；
五、DLN膜制备：向真空室(1)内同时通入碳前驱体和含有硅元素及氧元素的气体进行DLN不粘涂层的制备。
3.根据权利要求2所述的新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于步骤一中金属网(3)与金属锅(2)形成的封闭腔体的高度为150mm～200mm。
4.根据权利要求2所述的新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于步骤二中高频高压脉冲电源输出脉冲的电压值为1～6kV，脉冲频率为500Hz～3000Hz，脉宽为5μs～50μs。
5.根据权利要求2所述的新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于步骤三中所述等离子渗氮的电压值为1～6kV，脉冲频率为500Hz～3000Hz，脉宽为5μs～50μs。
6.根据权利要求2所述的新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于步骤四中Si过渡层制备的工艺参数：电压值为1～6kV，脉冲频率为500Hz～3000Hz，脉宽为5μs～50μs。
7.根据权利要求2所述的新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于步骤五中所述碳前驱体为甲烷或乙炔；所述碳前驱体的流速为100sccm。
8.根据权利要求2所述的新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于步骤五中所述含有硅元素及氧元素的气体为六甲基二硅氧烷；所述含有硅元素及氧元素的气体的流速为10sccm～50sccm。
9.根据权利要求2所述的新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于步骤三中等离子渗氮的厚度为2～10μm；步骤五中制备的DLN不粘涂层的厚度为20～30μm。
10.根据权利要求1或2所述的新型制备不粘锅涂层的方法，其特征在于所述新型制备不粘锅涂层的方法还包括制备不粘锅涂层时所用装置，该装置由真空室(1)、金属锅(2)、金属网(3)、绝缘柱(4)、电流互感器(5)、示波器(6)、高频高压脉冲电源(7)、进气口(8)、抽气口(9)和挡板(10)组成；所述真空室(1)的底面设置有绝缘柱(4)，所述真空室(1)的底部设置有进气口(8)，真空室(1)的侧面设置有抽气口(9)，所述抽气口(9)内设置有挡板(10)；所述金属锅(2)固定在绝缘柱(4)上，所述金属网(3)横置在金属锅(2)的锅口位置与金属锅(2)形成封闭腔体，并在金属网(3)的中间开有放电口；所述真空室(1)的外部设置有高频高压脉冲电源(7)，高频高压脉冲电源(7)的负极通过电流互感器(5)与金属网(3)连接，所述电流互感器(5)上设置有示波器(6)；所述高频高压脉冲电源(7)的正极与真空室(1)的外壁相连，所述真空室(1)外壁设置有接地线。
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