CN116288212A - 连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置及镀膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，包括底座支架和设置于底座支架的上层支座，上层支座上分别设有立体卷绕系统、动力及传动系统及控制系统；立体卷绕系统包括对称设置于上层支座两端的送丝卷筒和收丝卷筒，送丝卷筒和收丝卷筒分别连接动力系统，位于送丝卷筒和收丝卷筒的对称中心设有弧形圆板，弧形圆板内设有若干导丝轮，纤维依次通过送丝卷筒、导丝轮和收丝卷筒；控制系统为信号接收及控制单元，信号接收及控制单元连接动力系统的电机；本发明还公开了连续纤维表面的磁控溅射镀膜方法，本发明的设备成本低廉，结构简单可靠，可方便安装于磁控溅射设备的腔体中，对于纤维的表面改性及性能提升具有积极的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于材料制造技术领域，涉及连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置。
本发明还涉及连续纤维表面的磁控溅射镀膜方法。
背景技术
纤维表面镀膜技术是通过相关工艺在纤维表面沉积金属或化合物薄膜，在实际应用中可以有效提升纤维的各项性能。纤维镀膜的方法中，化学气相沉积法由于需要一定的反应温度以及反应生成物的成分、组织难以控制，薄膜的致密性和均匀度较差，并且容易对纤维造成污染，使得该方法制备的薄膜体系受到限制。物理气相沉积法包括热蒸发、电弧离子镀和磁控溅射法等，可以在较低温度条件下制备薄膜。其中磁控溅射法作为一种先进的镀膜技术，所制备的薄膜组织均匀、晶粒细小、与纤维结合性好且性能优良。
通过磁控溅射技术进行纤维表面镀膜，根据不同的需要，几乎可以将所有金属、合金和化合物材料沉积在纤维表面。在适当条件下亦可采用多靶共溅的方式调控薄膜的成分与组织。在溅射气氛中加入氮或其它活性气体，可沉积形成相应的化合物薄膜。另外，通过控制溅射时间、功率、温度、工作气压和气氛流量等参数可调控纤维表面薄膜的厚度、组织形貌及性能等。
现有磁控溅射技术对于连续纤维表面镀膜领域的报道相对较少，主要原因是磁控溅射设备在镀膜时存在难以克服的阴影效应，使得位于下方的纤维表面无法镀膜。同时由于纤维长度的限制，无法保证纤维表面镀膜的连续性。因此开发一种用于磁控溅射的连续纤维表面镀膜装置及方法具有重要的实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，解决了现有技术中存在的由于纤维长度的限制，无法保证纤维表面镀膜的连续性的问题。
本发明的另一个目的是提供连续纤维表面的磁控溅射镀膜方法。
本发明所采用的技术方案是，连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，包括底座支架和设置于底座支架的上层支座，上层支座上分别设有立体卷绕系统、动力及传动系统及控制系统；
立体卷绕系统包括对称设置于上层支座两端的送丝卷筒和收丝卷筒，送丝卷筒和收丝卷筒分别连接动力系统，上层支座位于送丝卷筒和收丝卷筒的对称中心设有弧形圆板，弧形圆板内设有若干导丝轮，纤维依次通过送丝卷筒、导丝轮和收丝卷筒；
动力系统包括驱动送丝卷筒和收丝卷筒的电机；
控制系统为信号接收及控制单元，信号接收及控制单元连接动力系统的电机。
本发明第一个技术方案的特点还在于：
其中弧形圆板靠近送丝卷筒和收丝卷筒的两端分别开设有缺口，缺口除分别活动连接有卷辊和卷辊A；
其中若干所述导丝轮绕弧形圆板的弧面均匀分布。
其中导丝轮包括转轮，转轮活动连接U型轮架，轮架开口两端活动连接在转轮两侧，轮架闭口端设有带孔圆盘，带孔圆盘的孔内嵌有安装杆，安装杆指向转轮，且安装杆指向转轮的杆身上套接有弹簧，转轮为小半径V型槽轮。
其中动力系统包括分别与送丝卷筒和收丝卷筒连接的电机和电机A，电机和电机A分别固定于底座支架与上层支座之间，电机依次通过联轴器、送丝轴蜗轮、蜗杆传送轴与送丝卷筒连接，电机A依次通过联轴器A、收丝轴蜗轮A、蜗杆传送轴A与收丝卷筒连接，蜗杆传送轴远离送丝轴蜗轮的一端连接轴承支座，蜗杆传送轴A远离收丝轴蜗轮A的一端连接轴承支座A；
其中控制系统还包括分别设置在上层支座上的限位感应单元和限位感应单元A，限位感应单元和限位感应单元A分别连接信号接收及控制单元，限位感应单元和限位感应单元A分别位于送丝卷筒的出丝口和收丝卷筒收丝口；
其中送丝卷筒和收丝卷筒分别与卷辊和卷辊A之间设有纤维张紧机构和纤维张紧机构A；
其中送丝卷筒和收丝卷筒桶身分别设有纤维夹持机构、纤维夹持机构A。
本发明所采用的第二个技术方案是，连续纤维表面的磁控溅射镀膜方法，采用连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，具体按以下步骤实施：
步骤1，将纤维浸泡于无水乙醇中，通过超声波清洗器清洗10min后备用；
步骤2，将纤维的一端缠绕在送丝卷筒上，然后将纤维丝绕过纤维张紧机构及送丝卷辊，接着按照空间螺旋卷的方式将纤维依次绕过若干组导丝轮，再从收丝卷辊引出缠绕在收丝卷筒上，预缠绕完成后转动收丝卷筒，使得纤维处于张紧状态；
步骤3，将卷绕系统通过C型夹、C型夹A固定在磁控溅射设备的载物盘上，关闭磁控溅射室，先进行低真空的抽取，当溅射室的腔内气压达到4Pa以下，再进行高真空的抽取；当溅射室内真空度达到预定值7×10-4Pa后，通入氩气50sccm，预溅射10min；通电溅射后，启动电机及电机A，带动纤维沿预设路线进行卷绕，开始表面镀膜，待卷筒上的纤维送丝至限定位置时，控制电机反转并带动纤维卷绕，当纤维在立体卷丝装置上往复卷绕镀膜10次后，关闭电机和电机A，停止溅射，待样品随炉冷却至室温后，取出样品。
本发明第二个技术方案的特点还在于：
其中电机及电机A的转速为5～100转/min，其分别连接的蜗轮蜗杆的减速比为1：15，磁控溅射中溅射功率为50～300W，衬底温度为20～500℃。
本发明的有益效果是：
本发明的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置成本低廉，结构简单可靠，可方便安装于磁控溅射设备的腔体中，对于纤维的表面改性及性能提升具有积极的实用价值；
本发明的连续纤维表面的磁控溅射镀膜方法对纤维进行磁控溅射镀膜，纤维进行螺旋式立体卷绕，通过电机正、反转控制纤维的往复式运动，既保证了纤维镀膜的全表面覆盖，又保证了纤维表面镀膜的连续性；在溅射过程中，通过控制电机转速、电机正反转次数、溅射功率、衬底温度及溅射时间等工艺参数，可有效调控薄膜的组织结构、厚度及性能。
附图说明
图1为本发明的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置的三维结构图；
图2为本发明的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置的侧视图；
图3为本发明的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置的立体卷丝示意图；
图4为本发明的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置的导丝轮结构图；
图5为本发明的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置的实物图。
图中，1.底座支架，2.上层支座，3.送丝卷筒，4.送丝卷筒轴，5.纤维夹持机构，15.纤维夹持机构A，6.限位感应单元，14.限位感应单元A，7.纤维张紧机构，13.纤维张紧机构A，8.送丝卷辊，9.弧形圆板，10.导丝轮，11.纤维，12.收丝卷辊，16.收丝卷筒轴，17.收丝卷筒，18.电机，19.联轴器、28.联轴器A，20.进丝轴蜗轮，21.蜗杆传动轴，26.蜗杆传动轴A，22.轴承支座，25.轴承支座A，23.磁控溅射靶材溅射源，24.磁控溅射载物圆盘，27.收丝轴蜗轮，29.电机A，30.信号接收及控制单元，31.C型固定夹，32.C型固定夹A，33.转轮，34.轮架，35.防溅板，36.弹簧，37.安装杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，包括纤维、靶材溅射源23、磁控溅射载物圆盘24及连续纤维表面镀膜装置；载物圆盘上固定有纤维表面镀膜装置，包括立体卷绕系统、动力及传动系统及控制系统等；溅射过程中，电离后的氩离子和电子轰击靶材使得靶材表面物质被轰击出，最终在本装置的弧形圆板区域内的纤维表面形成薄膜；
如图1和图2所示，卷绕系统由送丝卷筒3、送丝卷辊8、弧形圆板9、导丝轮10、收丝卷辊12、以及收丝卷筒17组成；其中送丝卷筒3与收丝卷筒17对称安装于上层支座2上，并与动力系统连接，卷辊8、卷辊A12固定在上层支座2上转动以实现对纤维的导向作用，弧形圆板9起到固定若干导丝轮10的作用；如图4所示，导丝轮10为一个组合件，由转轮33、轮架34、防溅板35、弹簧36以及安装杆37组成，其中转轮33安装在轮架34上进行转动，在转轮33上方置有固定在支架上的防溅板35；同时装有弹簧36的安装杆37一端穿过轮架34上的带孔圆盘，可以调节纤维11在装置上运行的张力，以保证纤维在运动过程中处于张紧状态；如图3所示，转轮33为小半径V型槽轮，进入转轮的纤维与送出转轮的纤维高度相差较小，保证了溅射区域纤维的不同部位与溅射源的距离相差不大；纤维通过导丝轮进行螺旋式立体卷绕，克服磁控溅射过程中的阴影效应，保证了纤维表面均匀沉积薄膜；
动力和传动系统由电机18、电机A29、送丝轴蜗轮20、收丝轴蜗轮27以及蜗杆传送轴21、蜗杆传送轴A26组成，电机18、电机A29固定在底座支架1与上层支座2间的侧边肋板上，通过联轴器19、联轴器A28带动蜗杆转动；送丝轴蜗轮20与收丝轴蜗轮27具有相同的齿数、模数参数，并与蜗杆啮合；
控制系统的信号接收及控制单元30安装在上层支座2上，在磁控溅射设备抽真空、通气氛等准备工作完成后，信号接收单元接收外界信号控制电机驱动纤维运动；上层支座2上设有纤维限位感应单元6、纤维限位感应单元A14，在纤维完成一个周期的镀膜时，控制两个电机同时反转，进行下一个周期的镀膜；
为确保纤维能够稳定运动，卷绕系统两侧设置有纤维张紧机构7、纤维张紧机构A13；在送丝卷筒3与收丝卷筒17上均设置有纤维夹持机构5、纤维夹持机构A15，防止纤维卷绕时从卷筒上脱落；
如图5所示，溅射过程中，将纤维卷绕到装置上，然后将该装置安装于磁控溅射载物盘24上，通过纤维在弧形圆板9内的立体螺旋式卷绕运动实现纤维的全表面镀膜，控制电机进行正、反转，纤维进行往复式运动，实现纤维的连续镀膜；电机的转速为5～100转/min，蜗轮蜗杆的减速比为1：15，磁控溅射的条件为：溅射气体为氩气，溅射功率为50～300W，衬底温度为20～500℃。
本发明还提供了连续纤维表面的磁控溅射镀膜方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，将纤维浸泡于无水乙醇中，通过超声波清洗器清洗10min后备用；
步骤2，然后将本装置的丝卷筒3从轴上取下，将超声波清洗后的纤维缠绕在送丝卷筒3上后插入到送丝卷筒轴4上，随后将纤维丝绕过纤维张紧机构7后送丝卷辊8，接着按照螺旋式的方式将纤维依次绕过若干组导丝轮10，然后从收丝卷辊12送出缠绕在收丝卷筒17上，预缠绕完成后转动收丝卷筒17使得弹簧36收紧，使纤维处于张紧状态；
步骤3，将准备完成的装置使用C型夹31、C型夹A32固定在磁控溅射设备的载物盘24上，关闭磁控溅射真空腔，进行抽真空，待达到预设真空度后，设置气氛流速、工作气压、溅射功率、衬底温度以及溅射时间等工艺参数；开始溅射时，设置电机转速后启动电机，通过联轴器带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮与卷筒同步转动，弧形圆板9内的纤维以螺旋式方式运动，表面开始镀膜；待送丝卷筒3上的纤维送丝至限定位置时，控制电机以相反方向进行转动，通过传动系统带动收丝卷筒17反转，继续进行镀膜；如此使得纤维在螺旋式立体卷丝过程中并进行往复式运动，从而保证纤维镀膜的连续性与均匀性。
实施例1
将纤维浸泡于无水乙醇中，通过超声波清洗器清洗10min后备用；将纤维的一端缠绕在送丝卷筒3上，然后将纤维丝绕过纤维张紧机构7及送丝卷辊8，接着按照空间螺旋卷的方式将纤维11依次绕过若干组导丝轮10，再从收丝卷辊12引出缠绕在收丝卷筒17上，预缠绕完成后转动收丝卷筒17，使得纤维处于张紧状态；
将卷绕系统通过C型夹31、C型夹A32固定在磁控溅射设备的载物盘24上，关闭磁控溅射室，先进行低真空的抽取，当溅射室的腔内气压达到4Pa以下，再进行高真空的抽取；当溅射室内真空度达到预定值7×10-4Pa后，通入氩气50sccm，预溅射10min以去除靶材表面污染物；设定衬底温度100℃，溅射功率50W，通电溅射后，启动电机18及电机A29，转速为20转/min，带动纤维沿预设路线进行卷绕，开始表面镀膜；待送丝卷筒3上的纤维送丝至限定位置时，控制电机反转并带动纤维卷绕；当纤维在立体卷丝装置上往复卷绕镀膜10次后，关闭电机18和电机A29，停止溅射，待样品随炉冷却至室温后，取出样品。
实施例2
将纤维浸泡于无水乙醇中，通过超声波清洗器清洗10min后备用；将纤维的一端缠绕在送丝卷筒3上，然后将纤维丝绕过纤维张紧机构7及送丝卷辊8，接着按照空间螺旋卷的方式将纤维11依次绕过若干组导丝轮10，再从收丝卷辊12引出缠绕在收丝卷筒17上，预缠绕完成后转动收丝卷筒17，使得纤维处于张紧状态；
将卷绕系统通过C型夹31、C型夹A32固定在磁控溅射设备的载物盘24上，关闭磁控溅射室，先进行低真空的抽取，当溅射室的腔内气压达到4Pa以下，再进行高真空的抽取。当溅射室内真空度达到预定值7×10-4Pa后，通入氩气50sccm，预溅射10min以去除靶材表面污染物；设定衬底温度200℃，溅射功率50W，通电溅射后，启动电机18及电机A29，转速为10转/min，带动纤维沿预设路线进行卷绕，开始表面镀膜；待送丝卷筒3上的纤维送丝至限定位置时，控制电机反转并带动纤维卷绕；当纤维在立体卷丝装置上往复卷绕镀膜10次后，关闭电机18及电机A29，停止溅射，待样品随炉冷却至室温后，取出样品。
实施例3
将纤维浸泡于无水乙醇中，通过超声波清洗器清洗10min后备用；将纤维的一端缠绕在送丝卷筒3上，然后将纤维丝绕过纤维张紧机构7及送丝卷辊8，接着按照空间螺旋卷的方式将纤维11依次绕过若干组导丝轮10，再从收丝卷辊12引出缠绕在收丝卷筒17上，预缠绕完成后转动收丝卷筒17，使得纤维处于张紧状态；
将卷绕系统通过C型夹31、C型夹A32固定在磁控溅射设备的载物盘24上，关闭磁控溅射室，先进行低真空的抽取，当溅射室的腔内气压达到4Pa以下，再进行高真空的抽取；当溅射室内真空度达到预定值7×10-4Pa后，通入氩气50sccm，预溅射10min以去除靶材表面污染物；设定衬底温度100℃，溅射功率50W，通电溅射后，启动电机18及电机A29，转速为50转/min，带动纤维沿预设路线进行卷绕，开始表面镀膜；待收丝卷筒3上的纤维送丝至限定位置时，控制电机反转并带动纤维卷绕；当纤维在立体卷丝装置上往复卷绕镀膜20次后，关闭电机18及电机A29，停止溅射，待样品随炉冷却至室温后，取出样品。
Claims (10)
1.连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，包括底座支架(1)和设置于底座支架(1)的上层支座(2)，上层支座(2)上分别设有立体卷绕系统、动力及传动系统及控制系统；
所述立体卷绕系统包括对称设置于上层支座(2)两端的送丝卷筒(3)和收丝卷筒(17)，送丝卷筒(3)和收丝卷筒(17)分别连接动力系统，上层支座(2)位于送丝卷筒(3)和收丝卷筒(17)的对称中心设有弧形圆板(9)，弧形圆板(9)内设有若干导丝轮(10)，纤维依次通过送丝卷筒(3)、导丝轮(10)和收丝卷筒(17)；
所述动力系统包括驱动送丝卷筒(3)和收丝卷筒(17)的电机；
所述控制系统为信号接收及控制单元(30)，信号接收及控制单元(30)连接动力系统的电机。
2.根据权利要求1所述的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述弧形圆板(9)靠近送丝卷筒(3)和收丝卷筒(17)的两端分别开设有缺口，缺口除分别活动连接有卷辊(8)和卷辊A(12)。
3.根据权利要求1所述的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，若干所述导丝轮(10)绕弧形圆板(9)的弧面均匀分布。
4.根据权利要求1所述的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述导丝轮(10)包括转轮(33)，转轮(33)活动连接U型轮架(34)，轮架(34)开口两端活动连接在转轮(33)两侧，轮架(34)闭口端设有带孔圆盘，带孔圆盘的孔内嵌有安装杆(37)，安装杆(37)指向转轮(33)，且安装杆(37)指向转轮(33)的杆身上套接有弹簧(36)，转轮(33)为小半径V型槽轮，轮架(34)位于转轮(33)的上方还设有防溅板(35)。
5.根据权利要求1所述的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述动力系统包括分别与送丝卷筒(3)和收丝卷筒(17)连接的电机(18)和电机A(29)，电机(18)和电机A(29)分别固定于底座支架(1)与上层支座(2)之间，电机(18)依次通过联轴器(19)、送丝轴蜗轮(20)、蜗杆传送轴(21)与送丝卷筒(3)连接，电机A(29)依次通过联轴器A(28)、收丝轴蜗轮A(27)、蜗杆传送轴A(26)与收丝卷筒(17)连接，蜗杆传送轴(21)远离送丝轴蜗轮(20)的一端连接轴承支座(22)，蜗杆传送轴A(26)远离收丝轴蜗轮A(27)的一端连接轴承支座A(25)。
6.根据权利要求1所述的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述控制系统还包括分别设置在上层支座(2)上的限位感应单元(6)和限位感应单元A(14)，限位感应单元(6)和限位感应单元A(14)分别连接信号接收及控制单元(30)，限位感应单元(6)和限位感应单元A(14)分别位于送丝卷筒(3)的出丝口和收丝卷筒(17)收丝口。
7.根据权利要求1所述的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述送丝卷筒(3)和收丝卷筒(17)分别与卷辊(8)和卷辊A(12)之间设有纤维张紧机构(7)和纤维张紧机构A(13)。
8.根据权利要求1所述的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述送丝卷筒(3)和收丝卷筒(17)桶身分别设有纤维夹持机构(5)、纤维夹持机构A(15)。
9.连续纤维表面的磁控溅射镀膜方法，采用权利要求1～8任一所述的连续纤维表面的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，将纤维浸泡于无水乙醇中，通过超声波清洗器清洗10min后备用；
步骤2，将纤维的一端缠绕在送丝卷筒(3)上，然后将纤维丝绕过纤维张紧机构(7)及送丝卷辊(8)，接着按照空间螺旋卷的方式将纤维(11)依次绕过若干组导丝轮(10)，再从收丝卷辊(12)引出缠绕在收丝卷筒(17)上，预缠绕完成后转动收丝卷筒(17)，使得纤维处于张紧状态；
步骤3，将卷绕系统通过C型夹(31)、C型夹A(32)固定在磁控溅射设备的载物盘(24)上，关闭磁控溅射室，先进行低真空的抽取，当溅射室的腔内气压达到4Pa以下，再进行高真空的抽取；当溅射室内真空度达到预定值7×10-4Pa后，通入氩气50sccm，预溅射10min；通电溅射后，启动电机(18)及电机A(29)，带动纤维沿预设路线进行卷绕，开始表面镀膜，待送丝卷筒(3)上的纤维送丝至限定位置时，控制电机(18)反转并带动纤维卷绕，当纤维在立体卷丝装置上往复卷绕镀膜10次后，关闭电机(18)和电机A(29)，停止溅射，待样品随炉冷却至室温后，取出样品。
10.根据权利要求9所述的连续纤维表面的磁控溅射镀膜方法，其特征在于，所述电机(18)及电机A(29)的转速为5～100转/min，其分别连接的蜗轮蜗杆的减速比为1：15，磁控溅射中溅射功率为50～300W，衬底温度为20～500℃。
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