CN117305752A - 大气等离子体射流结构、涂覆系统及涂覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大气等离子体射流结构、涂覆系统及涂覆方法，该结构包括内电极，其至少具有一个气体入口和一个等离子体出口；外电极，其至少具有一个容置空腔和一个射流口，所述内电极位于所述外电极的容置空腔中，所述射流口与所述等离子体出口连通并同轴，且所述射流口的孔径小于等于所述等离子体出口的孔径；绝缘层，其位于所述内电极和所述外电极之间；电源模块，其分别与所述内电极和外电极电连接并形成回路。本发明利用内外电极进行高电压的放电电离，获得的等离子体射流具有很高的喷射速度，当施加千赫兹交流电时，等离子体射流的推进速度甚至可以超过10km/s，从而延长了射流的喷出距离，可以达到几厘米至10厘米的长度。

Description

大气等离子体射流结构、涂覆系统及涂覆方法

技术领域

本发明涉及等离子体沉积涂覆技术领域，尤其涉及大气等离子体射流结构、涂覆系统及涂覆方法。

背景技术

为了保护在恶劣环境中使用的电子产品，尽可能的减少外界环境对内部电路板以及元器件的影响，通常在电子产品的生产过程中，会在内部电路板PCB上涂覆一层保护电路板的防护薄膜涂层。

目前针对PCB板最常用的是利用三防漆涂覆工艺在PCB板表面形成防护漆。三防漆虽然能够耐高低温，并且具有一定的防尘、抗震、抗腐蚀以及延缓设备老化等作用，但是将其涂覆在现代电子产品上具有如下缺陷：①三防漆的涂层厚度为粒度较大的毫米量级，会影响电子产品的外观及电子导电性、散热性和信号传输性等性能；②涂覆过程中会产生大量的化学品消耗，污染严重；③由于电子器件表面存在毛细效应，导致高密度器件表面无法实现涂层；④需要涂覆的电子器件样品在涂覆处理前需要进行复杂的清洗，以确保涂层的黏附性。

随着电子产品体积微小化、性能最大化的发展趋势，三防漆涂层的上述缺陷导致其已经无法满足PCB涂覆实际应用需求。而近年来发展迅速的等离子体薄膜沉积制备技术既可以在材料表面形成微纳米粗糙结构，又可以修饰具有高表面能的物质，而且整个涂覆过程没有化学试剂残留，有效解决了电子产品三防漆涂覆的上述缺陷，逐渐得到业内认可并具有广泛应用的趋势。

相关技术中有披露了一种大气压等离子射流涂覆的装置和方法，其设计射流入口、喷嘴出口等结构，将气体通过等离子发生器形成涂层前体，并最终通过喷嘴出口射出涂覆至待涂覆基材上。由于形成的大气压等离子体喷射的距离有限，往往只能喷射几毫米至一两厘米的距离，如果喷嘴出口距离基材过大，则活性物质和带电粒子在喷出到达基材表面时就已经消失了。因此在该技术中特地对喷嘴出口进行了设计，将其外形设计成与待涂覆基材的外表面适配，而且喷嘴出口具有可以更换的多种型号，从而可以在针对不同的基材时适应性的更换，这样在喷涂时喷嘴出口直接罩住待涂覆基材，等离子体才可以从喷嘴出口近距离的涂覆至待涂覆基材上并沉积形成涂层。

但是上述技术中关于喷嘴的设计存在明显的缺陷，一方面每次喷涂时都需要将喷嘴出口与待涂覆基材对准罩住，导致涂覆效率低下；另一方面，每次涂覆不同的基材时都需要更换喷嘴结构，操作繁琐。

发明内容

为了解决上述的缺陷，本发明提出大气等离子体射流结构、涂覆系统及涂覆方法。

针对第一方面，本发明采用的技术方案是，大气等离子体射流结构，包括，

内电极，其至少具有一个气体入口和一个等离子体出口；

外电极，其至少具有一个容置空腔和一个射流口，所述内电极位于所述外电极的容置空腔中，所述射流口与所述等离子体出口连通并同轴，且所述射流口的孔径小于等于所述等离子体出口的孔径；

绝缘层，其位于所述内电极和所述外电极之间；

电源模块，其分别与所述内电极和外电极电连接并形成回路。

优选的，所述绝缘层上开有连通口，所述连通口与所述射流口、等离子体出口连通并同轴。

优选的，所述连通口的孔径与所述等离子体出口的孔径大小相同，所述射流口的孔径小于所述等离子体出口的孔径。

优选的，所述射流口的孔径为0.5mm-1mm，所述等离子体出口的孔径为1mm-2mm。

优选的，所述气体入口与所述等离子体出口连通并同轴。

优选的，所述气体入口通入工作气体和气态涂层原料，所述工作气体为氦气和/或氩气。

优选的，所述绝缘层为电介质管，所述内电极位于所述电介质管内部，所述外电极套设于所述电介质管外周侧。

优选的，所述电源模块输出千赫兹交流电，或所述电源模块为脉冲直流电源。

针对第二方面，本发明还提出了一种涂覆系统，其包括运动平台、供气装置和如前所述的大气等离子体射流结构，

所述供气装置与所述大气等离子射流结构的气体入口连通并用于提供工作气体和气态涂层原料；

所述运动平台的运动端与所述大气等离子射流结构和/或待涂覆基材固定，以使所述大气等离子射流结构和待涂覆基材产生相对运动。

针对第三个方面，本发明还提出了一种大气等离子体涂覆方法，方法包括：将工作气体通入高电压电离区域并形成等离子体，使等离子体携带气态涂层原料从高电压电离区域进入射流口并形成高速等离子体射流，将所述高速等离子体射流对准待涂覆基材进行涂覆并沉积形成膜体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、在大气压下，击穿空气需要的电场强度高达30kV/cm，因此放电间隙通常只有几毫米到一两厘米，如果采取直接处理的方式，则较窄的放电间隙极大的限制了基材的尺寸，同时基材的复杂形状也会对放电产生一定影响；如果采用上述现有技术中把基材放在放电间隙旁边采取间接处理的方式，则由于间距较长，导致短寿命的活性物质与带电粒子可能在到达作用区域之前就已经消失了；而本方案利用内外电极进行高电压的放电电离，获得的等离子体射流具有很高的喷射速度，当施加千赫兹交流电时，等离子体射流的推进速度甚至可以超过10km/s，从而延长了射流的喷出距离，可以达到几厘米至10厘米的长度，因此基材的形状、尺寸和结构对涂覆的影响都大幅度降低，本申请可以适应较广的涂覆场景；

2、由于本方案中的大气等离子体射流结构可以将等离子体射流高速的喷出较长的距离，因此在进行涂覆时，可以将基材放置在于大气等离子体射流结构有一定间距的位置，只需要控制大气等离子体射流结构和基材进行相对位移，即可完成涂覆的过程，因此当面临不同基材时，并不需要更换大气等离子体射流结构，其仍然可以进行良好的涂覆作业，具有极强的适用性；

3、本方案最终沉积形成的涂层膜体实现了涂覆的涂层厚度＜1μm、薄膜和基材之间的附着力＞2级、防腐蚀性能＞24h的高精度高效纳米防护涂层，满足日趋体积微小化、性能最大化的电子产品在恶劣环境中使用的实际需求；

4、大气等离子体射流结构可以自动转换放电轨迹，实现产品任意角度覆盖，解决现有的电子产品三防漆涂覆技术由于涂覆方向性导致无法任意角度覆盖的应用痛点，实现了纳米涂层涂覆精度±10％的目标。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是一个实施例中大气等离子体射流结构的剖面示意图。

10、内电极；11、气体入口；12、等离子体出口；

20、绝缘层；21、连通口；

30、外电极；31、射流口；

40、电源模块；

50、高速等离子体射流。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本申请公开一种大气等离子体射流结构，利用大气等离子体的高速射流，实现对基材表面的薄膜涂覆，从而取代现有技术中如电子产品器件常用的三防漆，达到成膜极薄、质量较高的效果。当然，具体应用时，不仅仅局限于电子器件领域，也可以是其他需要表面涂覆的类似领域。

具体地，在一个实施例中，大气等离子体射流结构，其包括内电极10、外电极30、绝缘层20和电源模块40，其中：

内电极10，其至少具有一个气体入口11和一个等离子体出口12；

外电极30，其至少具有一个容置空腔和一个射流口31，所述内电极10位于所述外电极30的容置空腔中，所述射流口31与所述等离子体出口12连通并同轴，且所述射流口31的孔径小于等于所述等离子体出口12的孔径；

绝缘层20，其位于所述内电极10和所述外电极30之间；

电源模块40，其分别与所述内电极10和外电极30电连接并形成回路。

该绝缘层20上开有连通口21，所述连通口21与所述射流口31、等离子体出口12连通并同轴；同时，连通口21的孔径与所述等离子体出口12的孔径大小相同，所述射流口31的孔径小于所述等离子体出口12的孔径。由于工作气体在内电极10中流动时具有较大的空间，当其电离产生等离子体时，在通过连通口21进入射流口31并喷出的过程中，外部空间变窄，让等离子体射流进一步提速，以达到射出形成高速等离子体射流50的目的。

在一个实施例中，射流口31的孔径a1为0.5mm-1mm，所述等离子体出口12的孔径为1mm-2mm，作为优选的，射流口31的孔径为0.7mm，等离子体出口12的孔径为1mm，连通口21的开孔厚度a2为1mm(即绝缘层的壁厚为1mm)。

进一步的，气体入口11与所述等离子体出口12连通并同轴，即在该实施例中，气体入口11、等离子体出口12、连通口21和射流口31依次连通且同轴的，这样工作气体从气体入口11进入内电极10后，可以沿最短且较小摩擦的路径完成电离和高速喷射的过程，有利于达到高速射流的效果。

具体地，气体入口11通入工作气体和气态涂层原料，所述工作气体为氦气和/或氩气。其中，气态涂层原料为蒸发后的涂层原料，工作气体可以是氦气和氩气中的一种，也可以是二者的适当配比混合。

在一个实施例中，绝缘层20为电介质管，所述内电极10位于所述电介质管内部，所述外电极30套设于所述电介质管外周侧，从而利用一根电介质管将内电极10和外电极30分隔开来，而且，因为电介质的存在，无论被涂覆的电子产品放置在靠近或是远离等离子体射流口31的位置都不必担心有电弧产生，提升了涂覆过程中对基材的适用性和涂覆的稳定性。

在一个实施例中，电源模块40输出千赫兹交流电，或所述电源模块40为脉冲直流电源，通过采用千赫兹交流电或脉冲直流电源能够为内电极10和外电极30提供足够的电压，并将工作气体充分电离形成等离子体，也有利于后续喷射形成高速射流。而且，该结构消耗的功率仅有几瓦，所以气体温度也十分接近室温，高速等离子体射流50喷涂至基材上时，也不容易对基材产生过热的不良影响。

其中，采用脉冲直流电源作为电源模块时，在一个具体的实施例中，其斩波频率较高(对离子渗氮为1kHZ)、工作电压高(1kV)且要求放电电压和电流近似方波。由于电压幅度可以在1kV内任意调节，最大输出脉冲峰值电流可达240A，因此能够充分满足大气等离子体射流结构的放电要求。

本方案利用内外电极和绝缘介质层构成一种DBD射流结构，在高电压的作用下进行放电电离以形成大气等离子体，并且获得的等离子体射流具有很高的喷射速度，当施加千赫兹交流电时，工作气体的通入速度小于20m/s，但等离子体射流的推进速度甚至可以超过10km/s，从而延长了射流的喷出距离，可以达到几厘米至10厘米的长度。而且，最终沉积形成的涂层膜体实现了涂覆的涂层厚度＜1μm、薄膜和基材之间的附着力＞2级、防腐蚀性能＞24h的高精度高效纳米防护涂层，满足日趋体积微小化、性能最大化的电子产品在恶劣环境中使用的实际需求。

另外，本发明还公开了一种涂覆系统，其包括运动平台、供气装置和如前所述的大气等离子体射流结构。

所述供气装置与所述大气等离子射流结构的气体入口11连通并用于提供工作气体和气态涂层原料。具体地，供气装置可以采用两个独立的外接气瓶，其中一个装有工作气体，另一个装有蒸发后的气态涂层原料，将两个气瓶中的气体按照既定的流量通入内电极10的气体入口11处混合，并在后续内外电极30放电后，工作气体形成等离子体，携带气态涂层原料向外喷射。

所述运动平台的运动端与所述大气等离子射流结构和/或待涂覆基材固定，以使所述大气等离子射流结构和待涂覆基材产生相对运动。在该实施例中，运动平台为高精度龙门运动平台，大气等离子射流结构固定于龙门架上，基材固定于运动平台的机床上，从而龙门架可以带着大气等离子射流结构往复运动，对基材进行涂覆并沉积形成薄膜体。

在一个实施例中，该系统还包括有视觉定位模块，所述视觉定位模块识别所述待涂覆基材的基材信息，所述运动平台的运动端和大气等离子射流结构根据所述基材信息执行动作。该基材信息可以包括基材的位置信息、尺寸信息、高度信息和待涂覆区域的位置信息等，视觉定位模块可以根据该基材信息直接控制运动平台的运动端和大气等离子射流结构执行多种动作或停止，也可以是视觉定位模块将该基材信息传输至外部的控制系统，如电脑或工控机，再通过外部的控制系统对运动平台的运动端和大气等离子射流结构的动作进行控制。

本系统可以自动控制大气等离子射流结构的扫描路径和角度，适应各种不同结构的待涂覆基材，有利于使得涂覆过程更加精准、自由、稳定和高效。具体地，该大气等离子体射流结构匹配负载电极结构可以自动转换放电轨迹，并通过高精度运动平台、视觉补偿定位系统、设备平台等方式配合大气等离子体射流结构实现等离子体纳米涂层视觉多角度涂覆，实现前侧喷、后侧喷、左侧喷、右侧喷、竖喷等多方向涂覆，解决立体面涂覆、多角度作业、多方向作业、综合性涂覆等问题。

同时，本发明还公开了一种大气等离子体涂覆方法，所述方法包括：将工作气体通入高电压电离区域并形成等离子体，使等离子体携带气态涂层原料从高电压电离区域进入射流口31并形成高速等离子体射流50，将所述高速等离子体射流50对准待涂覆基材进行涂覆并沉积形成膜体。

一方面，实际涂覆时会用到多种气体，气体流量会改变等离子体电离程度，影响等离子体射流的焓值和喷射速度。气体流量过高，气体电离不充分，多余的气体会从等离子体射流中带出大量的热量，降低涂覆涂层结合强度和硬度，造成涂层孔隙率过高，同时也会降低涂层的沉积效率。反之，气体流量不足则会导致气体过度电离，电弧电压偏小，从而影响涂覆涂层质量和沉积效率。

而且，气体种类对等离子体也有影响，一般采用氩气和氮气作为产生等离子体的工作气体。使用氮气的成本低，电离后的等离子体热焓值高，但启弧稍微困难一些。氩气自身的电离电位较小，比较容易发生电离形成稳定的等离子体弧，但是电弧较短热焓值不高，价格相较氮气昂贵，所以涂覆时需要考虑加入一些氢气或者氦气来提高热焓值。另外氩气作为电离气体对涂覆一些容易氧化的材料可以起到较好的防护作用。

因此，将工作气体通入高压电离区域并形成等离子体，具体为：先选择工作气体的种类和配比，再设定工作气体的流量大小，最后再将所述工作气体通入高压电离区域并形成等离子体。

另一方面，大气等离子射流结构的射流口31与基材之间的距离大小也有一定影响。距离太远，到达基材表面时涂层粒子的动能和温度都己减弱，不利于涂层的沉积，所获得的涂层结合强度、致密度、沉积效率都不会髙；距离太近，等离子体射流中的热量又会大量转移到涂层和基材上，造成涂层表面过热，引起涂层和基材材料的氧化，严重时还会使涂层开裂甚至剥落，因此需要根据涂层和基材的性能设定所述射流口31与基材之间的间距。

而且，涂覆时大气等离子射流结构的扫描快慢以及移动步距对涂层性能也会产生影响。大气等离子射流结构的移动速度要适当，移动得太慢，容易引起基材和涂层表面局部过热，导致涂层氧化、开裂甚至剥落。移动得太快，沉积效率偏低。大气等离子射流结构的移动步距是指等大气等离子射流结构扫描过程中两行之间的间距。这需要结合涂覆时等离子体射流的宽度和涂层沉积时每一行的宽度及其厚度分布来考虑，因为涂覆时大气等离子射流结构是一行一行扫描的，要保证每一行沉积的涂层之间应充分搭叠，同时搭叠要合理，形成的涂层表面要平整均匀，不能呈现沟槽效应。因此需要根据涂层和基材的性能设定等离子体射流的扫描速度。

在本说明书的描述中，若出现术语″实施例一″、″本实施例″、″在一个实施例中″等描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于发明或发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，所描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以恰当的方式结合。

在本说明书的描述中，术语″连接″、″安装″、″固定″、″设置″、″具有″等均做广义理解，例如，″连接″可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本案技术，熟悉本领域技术的人员显然可轻易对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本案不限于以上实施例，对于以下几种情形的修改，都应该在本案的保护范围内：①以本发明技术方案为基础并结合现有公知常识所实施的新的技术方案，该新的技术方案所产生的技术效果并没有超出本发明技术效果之外；②采用公知技术对本发明技术方案的部分特征的等效替换，所产生的技术效果与本发明技术效果相同；③以本发明技术方案为基础进行可拓展，拓展后的技术方案的实质内容没有超出本发明技术方案之外；④利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域。

Claims (10)

1.大气等离子体射流结构，其特征在于，包括，

内电极，其至少具有一个气体入口和一个等离子体出口；

外电极，其至少具有一个容置空腔和一个射流口，所述内电极位于所述外电极的容置空腔中，所述射流口与所述等离子体出口连通并同轴，且所述射流口的孔径小于等于所述等离子体出口的孔径；

绝缘层，其位于所述内电极和所述外电极之间；

电源模块，其分别与所述内电极和外电极电连接并形成回路。

2.根据权利要求1所述的大气等离子体射流结构，其特征在于，所述绝缘层上开有连通口，所述连通口与所述射流口、等离子体出口连通并同轴。

3.根据权利要求2所述的大气等离子体射流结构，其特征在于，所述连通口的孔径与所述等离子体出口的孔径大小相同，所述射流口的孔径小于所述等离子体出口的孔径。

4.根据权利要求3所述的大气等离子体射流结构，其特征在于，所述射流口的孔径为0.5mm-1mm，所述等离子体出口的孔径为1mm-2mm。

5.根据权利要求1所述的大气等离子体射流结构，其特征在于，所述气体入口与所述等离子体出口连通并同轴。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的大气等离子体射流结构，其特征在于，所述气体入口通入工作气体和气态涂层原料，所述工作气体为氦气和/或氩气。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的大气等离子体射流结构，其特征在于，所述绝缘层为电介质管，所述内电极位于所述电介质管内部，所述外电极套设于所述电介质管外周侧。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的大气等离子体射流结构，其特征在于，所述电源模块输出千赫兹交流电，或所述电源模块为脉冲直流电源。

9.一种涂覆系统，其特征在于，包括运动平台、供气装置和如权利要求1-8任意一项所述的大气等离子体射流结构，

所述供气装置与所述大气等离子射流结构的气体入口连通并用于提供工作气体和气态涂层原料；

所述运动平台的运动端与所述大气等离子射流结构和/或待涂覆基材固定，以使所述大气等离子射流结构和待涂覆基材产生相对运动。

10.一种大气等离子体涂覆方法，其特征在于，所述方法包括：将工作气体通入高电压电离区域并形成等离子体，使等离子体携带气态涂层原料从高电压电离区域进入射流口并形成高速等离子体射流，将所述高速等离子体射流对准待涂覆基材进行涂覆并沉积形成膜体。