CN203382818U - 一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及真空镀膜领域，具体地说是一种可以对大面积平板工件进行批量化镀膜的装夹工艺。一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备，包括真空室，真空室内设置有平板件固定装置，所述平板件固定装置包括由支架支撑起的金属网罩，所述金属网罩上设置有金属卡扣。本实用新型为了解决大平板工件类金刚石涂层镀膜过程中遇到的一些实际问题，包括包括镀膜质量、一批次最大装炉量等，结合技术的特点和工件的特征出发，设计出较为合理的装夹方式，在保证镀膜质量的前提下实现批量化，从而为类金刚石膜的大批量工业化生产提供了技术支持。

Description

一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备

技术领域

本实用新型涉及真空镀膜领域，具体地说是一种可以对大面积平板工件进行批量化镀膜的装夹工艺。

背景技术

等离子全方位离子沉积(Plasma Immersion Ion Deposition-PIID)技术为等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition-PECVD)技术的一种，它是等离子表面工程领域近些年发展起来的技术，通过该技术可以实现在工件表面镀上类金刚石涂层，即DLC涂层(Diamond Like Carbon coating)，DLC涂层具有极高的硬度，通常能达到金刚石的20～25％，因此，在工件表面涂覆DLC涂层可以有效提高其耐磨性能。另外，DLC涂层还具有高电阻率、低摩擦系数、耐腐蚀、低表面能、光学透过性及生物相容性等优势，它是机械、电子、航天航空、医学、光学等领域的理想材料。

尽管DLC涂层具有高硬度、低摩擦系数、耐磨耐腐蚀等多种优异的性能，然而随着科技的进步，人们对材料性能的要求就越来越苛刻，传统的类金刚石涂层已经不能满足工业化更高品质，更高层次产品的需求。目前，国内外关于类金刚石涂层的研究主要集中在以下几个方面：

1、与基体材料的结合力问题

由于DLC涂层材料和基体材料热膨胀系数、晶体结构共格匹配性的差异，造成DLC的剥落。通过加入一层或多层的中间层改善它们的润湿性，缓解化学键、热膨胀系数等性能的差别，可以明显增强DLC和基体之间的结合力。这种多层复合膜与梯度膜及多元复合膜被统称为第三代DLC涂层，目前国内外正处于研究和开发阶段。

2、内应力大导致脆性崩裂

实验证明选用合适的掺杂元素可以降低膜中的内应力，改善膜基结合，从而极大地拓宽了其应用领域。掺杂通常是向真空罐中通入混合气体、使用复合靶材或采用复合沉积技术来实现。掺杂元素的类型和掺杂含量对DLC涂层性能有重要的影响，对于不同的工况条件应选择不同的元素，同时应严格控制掺杂元素的含量。目前，加入掺杂元素对DLC涂层的成分结构和性能的影响还需进一步研究。

3、镀膜速率问题

冲蚀试验结果表明：DLC涂层厚度和耐冲蚀磨损性能(Anti-erosion Property)成正比。如何获得厚的DLC(＞20μm)涂层具有重要的研究意义。鉴于DLC涂层内应力较大的特点，厚的DLC涂层会出现脆性剥落(spalling)，很难制备厚的DLC涂层。目前国内高校和相关研究机构使用常规脉冲辉光放电技术所制备的DLC涂层均处于纳米级别，工业化应用上还有一定的差距。

4、产业化障碍

类金刚石涂层镀膜技术产业化推进过程中，会遇到次品率过高、批量化操作困难、镀膜质量重复性较低等问题。要想获得理想的类金刚石涂层，要确保以下几个关键因素：工件表面前处理、镀膜工艺控制、夹具的设计与工件装夹技巧、气体的流动性控制、人员操作的规范性等。其中的某个因素操作失误或者欠缺则直接会影响镀膜质量，甚至导致镀膜失败。对于批量化镀膜而言，其设备是由多个真空室组成，每个真空室都有着其独特的功能，在镀膜的每个环节必须严格按照操作执行，才能确保镀膜质量的稳定性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够实现平板件表面镀类金刚石膜的批量化生产的平板件表面镀类金刚石膜的设备。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备，包括真空室，所述真空室内设置有平板件固定装置，所述平板件固定装置包括由支架支撑起的金属网罩，所述金属网罩上设置有金属卡扣。

优选的，真空室上连接有气源输入系统和抽气泵组。

优选的，真空室上还设置有真空检测系统。

优选的，真空室上还连接有脉冲电源和PLC控制系统。

优选的，金属网罩材质为SUS316L或SUS304，金属网罩的网孔大小为1mm²～1cm²。

优选的，平板件固定装置可由真空室内拿出。

平板件安装固定时，为了尽量减小镀膜后工件表面的花斑，金属卡扣与平板间点接触，所述支架为铝合金材质，高压脉冲电流直接与其连接，保证足够的强度和良好的导电性，安装时平板工件为背靠背放置，靠金属卡扣锁紧。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

本实用新型将大面积平板工件表面类金刚石涂层镀膜装夹方式上进行了改进，与已有技术相比效果主要体现在以下四个方面：

(1)该技术利用了平板间空心阴极放电效应提高了等离子体密度，使镀膜速率和镀膜质量提高：

(2)由于平板间背靠背装夹，可以充分利用真空室内有限的空间，实现最大装炉量；

(3)在特定的卡扣紧锁条件下，工件镀膜后期表面几乎看不见花斑；

(4)工件外围金属网罩提高了平板边缘部分的等离子密度，因此提高了平板表面DLC涂层的均匀度，镀膜质量也明显提高；

(5)采用铝合金支架可以明显降低电压降，使加载在工件表面的负偏压接近电源真实输出电压。

附图说明

图1为本实用新型一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备的结构示意图，

图2为本实用新型一种用于平板件表面镀类金刚石膜安装状态示意图，

其中，1、真空检测系统，2、气源输入系统，3、真空室，4、脉冲电源，5、PLC控制系统，6、抽气泵组，7、金属网罩，8、平板工件，9、金属卡扣，10、支架，11、高密度等离子体，12、低密度等离子体。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案和结构进行说明，以便于本技术领域的技术人员理解。

如图1和图2所示，一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备，包括真空室3，真空室3内设置有平板件固定装置，所述平板件固定装置包括由支架10支撑起的金属网罩7，金属网罩7上设置有金属卡扣9、气源输入系统2和抽气泵组6、真空检测系统1、脉冲电源4和PLC控制系统5，金属网罩7材质为SUS316L或SUS304，金属网罩的网孔大小为1mm²～1cm²，平板件固定装置可由真空室1内拿出。

具体实施过程为：

将工件置于超声波清洗槽中清洗干净并烘干，按照图2所示装夹方式组装工件并安装于真空室3，开启抽气泵组6、PLC控制系统5与真空检测系统1，将真空室内的气压抽到10^-3Pa以下，烘烤除气0.5小时后通过气源输入系统2向真空室3内充入高纯碳氢气体，使气压保持在1～4Pa，此时开起脉冲电源4在工件表面加载高压负脉冲，平板工件8表面会向外释放出来电子，受到真空壁(阳极)的吸引向其加速飞去，由于真空室内气体分子或原子的存在，此时电子与真空室内的气体分子或原子发生碰撞使其电离产生等离子体，如果是敞开式装夹，电子碰撞若干次后能量很快消失殆尽，最终被真空室捕获，而在此实用新型专利的装夹方式中，电子被约束在平板工件之间，使其不能快速到达真空壁，而是在平板间与气体分子或原子发生多次碰撞，造成了更多的分子或原子电离，因此，等离子体的密度和离化率增加，这种效应称为空心阴极效应。带正电的粒子(+)受到工件(-)的吸引而向其加速，在工件表面沉积下来形成类金刚石涂层。在此装夹方式中，受空心阴极效应的作用，等离子体密度显著提高，从图2中高密度等离子体11与低密度等离子体12的对比可以看出，等离子体密度的增加意味着更多的带正电的离子和激活态粒子会在工件表面成膜，从而使镀膜速率显著提高，多次碰撞使气体粒子的离化率提高，离化率是决定镀膜质量最重要的因素，其直接决定涂层镀膜结合力和硬度等性能。

为了充分利用真空室内有限的空间，使单位镀膜成本降低，平板工件采用背靠背装夹方式，依靠金属卡扣紧锁条件下，平板工件间不会产生较大的空隙，因此不会产生打火的现象，另外，由于镀膜金属卡扣会与平板工件表面直接接触，为了避免镀膜后工件表面出现斑点，将金属卡扣前端设计成顶针式，工件镀膜后期表面几乎看不见花斑。通过前期的试验发现，如果平板工件外围没有金属网罩，会造成平板工件边缘部分的涂层很薄，镀膜质量很差，为了使电子约束于内部，即在边缘部分等离子体密度也不至于衰减很厉害，设计了金属网罩，应用金属网罩后镀膜质量明显提高。装置采用铝合金支架，其可以明显降低电压降，使加载在工件表面的负偏压接近电源真实输出电压，因此镀膜质量不会受到影响。

上述结合附图对实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备，包括真空室，其特征在于：所述真空室内设置有平板件固定装置，所述平板件固定装置包括由支架支撑起的金属网罩，所述金属网罩上设置有金属卡扣。

2.根据权利要求1所述的一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备，其特征在于：所述真空室上连接有气源输入系统和抽气泵组。

3.根据权利要求1所述的一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备，其特征在于：所述真空室上还设置有真空检测系统。

4.根据权利要求1所述的一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备，其特征在于：所述真空室上还连接有脉冲电源和PLC控制系统。

5.根据权利要求1所述的一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备，其特征在于：所述金属网罩材质为SUS316L或SUS304，金属网罩的网孔大小为1mm²～1cm²。

6.根据权利要求1所述的一种用于平板件表面镀类金刚石膜的设备，其特征在于：所述平板件固定装置可由真空室内拿出。