CN212883182U - 一种表面涂覆设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种表面涂覆设备，所述表面涂覆设备包括纳米颗粒气溶胶制备装置、真空样品腔、样品多轴联动平台；所述纳米颗粒气溶胶制备装置包括纳米颗粒气溶胶制备腔以及与所述制备腔连接的涂覆部件；所述真空样品腔，设有涂覆部件连接孔；所述样品多轴联动平台，置于所述真空样品腔内部，所述样品多轴联动平台与样品台相连；所述涂覆部件穿过所述涂覆部件连接孔伸入所述真空样品腔内至所述样品所在位置。该技术可替代目前的电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等传统涂覆工艺，可使用任意材料的纳米气溶胶对任意形状、尺寸和结构的样品表面进行涂覆，操作简单、易实现，且具有非常广泛的普适性。
Description
技术领域
本实用新型涉及涂覆设备技术领域，尤其涉及一种表面涂覆设备。
背景技术
近年来，纳米技术得到了长远地发展，在工业生产中，一般要在产品表面上涂覆一层保护层不仅用于修复大量机械零部件，还能赋予工件表面以耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、抗热震、抗辐射、隔热、绝缘等工程特性。目前表面涂覆的方法有很多，有研究者运用电镀法，将表面除去油锈的钢铁等制件作阴极，纯铜板作阳极，挂于含有氰化亚铜、氰化钠和碳酸钠等成分的碱性电镀液中进行镀铜；有人运用化学镀方法，将被镀制件浸入以硫酸镍、次磷酸二氢钠、乙酸钠和硼酸所配成的混合溶液内，在一定酸度和温度下，溶液中的镍离子被次磷酸二氢钠还原为原子而沉积于制件表面上，形成镍镀层；另有近年发展的激光表面处理法，采用激光束进行加热，使工件表面迅速融化一定深度的薄层，同时采用真空蒸镀、电镀、离子注入等方式把合金元素涂覆于样品表面，在激光照射下使其与机体金属充分融合，冷凝后在样品表面获得具有特殊性能的合金层。这些方法可应用于工业生产中的部分领域，但依旧存在一些不足，电镀会出现漏镀、出现毛刺，镀层损坏等问题；化学镀需要把样品浸入水溶液中，附着力较差，而且样品表面还要经过特殊处理；激光处理法等先进工艺对设备要求较高，工艺相对复杂。除此之外，还有蚀刻、丝网印刷、涂敷、溶胶-凝胶等成膜方法，但是成膜效果不好，还需要后处理工艺。
实用新型内容
针对上述现有技术中所存在的技术问题，本实用新型提供了一种表面涂覆设备，所述表面涂覆设备包括纳米颗粒气溶胶制备装置、真空样品腔、样品多轴联动平台、抽真空装置；
所述纳米颗粒气溶胶制备装置包括纳米颗粒气溶胶制备腔以及与所述制备腔连接的涂覆部件；
所述真空样品腔，设有涂覆部件连接孔；
所述样品多轴联动平台，置于所述真空样品腔内部，所述样品多轴联动平台与样品台相连；
所述涂覆部件穿过所述涂覆部件连接孔伸入所述真空样品腔内所述样品所在位置。
涂覆部件包括第二单向阀、第一出气口、第一单向阀、临界孔、喷嘴。
所述抽真空装置通过第三单向阀与真空样品腔连接。
所述抽真空装置选自水力喷射器、蒸汽式喷射泵、往复泵和离心式真空泵中的一种；
优选地，所述纳米颗粒气溶胶制备腔选自电火花放电装置，电弧放电装置，热蒸发装置以及以气体为介质制备纳米颗粒制备装置中的任一种。
优选地，所述涂覆部件包括涂覆管和喷嘴，所述涂覆管上设有第一出气口、第一单向阀、临界孔，所述第一出气口设有第二单向阀。
所述临界孔左侧为常压状态，右侧为真空状态；临界孔左侧连接有单向阀和常开的单向出气通道，以维持常压状态。
优选地，所述临界孔直径范围为0.01μm-1mm，所述喷嘴直径范围为0.01μm-10mm，可通过临界孔和喷嘴的尺寸大小调节喷涂图案的分辨率。
真空样品腔内的负压将纳米气溶胶通过临界孔和涂覆喷嘴撞击并沉积在样品表面。
优选地，所述样品多轴联动平台回转轴旋转范围为0°-360°。
所述表面涂覆部件可以对样品进行任意形状的喷涂，包括一维图形、二维图形、三维图形等；也可以对样品进行全面喷涂。
将待加工的样品通过真空吸嘴固定在样品台上。
优选地，所述样品联动平台移动和旋转带动所述样品台进行移动和旋转，从而使喷嘴对应样品台不同位置进行涂覆。
所述表面涂覆设备设有加热装置，所述加热装置选自红外线加热、光加热、微波加热装置中的一种。
依据加热方式的不同，热源的位置可有所调整，可将热源固定在真空腔的顶部或左侧，易于辐射到需要加热部位的地方。
可通过临界孔大小，喷嘴大小、样品多轴联动平台X、Y、Z轴移动速度，回转轴旋转的角度和角速度等参数调节样品表面涂层的厚度。
优选地，所述样品多轴联动平台为五轴联动，有X、Y、Z、第4回转轴、第5回转轴。
优选地，所述样品多轴联动平台X、Y、Z轴移动速度为0.1mm/s-500mm/s。
优选地，所述样品多轴联动平台回转轴旋转的角速度为0.01-1000rad/s。
一种由上述任一设备涂覆的方法，包括以下步骤：
I.将纳米原料放入纳米颗粒气溶胶制备装置，生成纳米气溶胶；
II.所述纳米气溶胶通过载气经过涂覆部件涂覆在样品多轴联动平台的样品台上，得到薄膜；
III.将所述薄膜通过加热装置进行热处理。
优选地，所述纳米气溶胶腔中纳米原料为单组元喷涂材料、合金喷涂材料、复合型喷涂材料和混合型喷涂材料中的一种。
优选地，所述纳米气溶胶腔中纳米原料为金属单质、金属氧化物、合金化合物、无机非金属材料、有机/无机复合材料中的一种或多种。
优选地，所述热处理条件为：加热温度为10℃-500℃，加热速率为0.01℃/s-3℃/s，保温时间为1min-100min。
优选地，所述纳米气溶胶的载气选自氮气、氩气、氦气、氢气中的一种或多种。
本实用新型的有益效果至少包括:
1.随着样品的任意移动和旋转形成具有厚度均匀的薄膜，实现纳米颗粒在样品表面的全方位涂覆。
2.然后经过样品腔内的热源对表面涂层进行热处理，使得所涂覆的表面薄膜更稳定，与样品结合力更强。
3.该技术可替代目前的电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等传统涂覆工艺，可使用任意材料的纳米气溶胶对任意形状、尺寸和结构的样品表面进行涂覆。
4.操作简单、易实现，且具有非常广泛的普适性。
附图说明
图1为表面涂覆设备。
其中：1纳米颗粒气溶胶制备装置；2第二单向阀；3第一出气口；4第一单向阀；5临界孔；6喷嘴；7真空样品腔；8样品台；9样品多轴联动平台；10第三单向阀；11抽真空装置；12第二出气口；13第三单向阀；14涂覆部件；15加热装置。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护范围。
实施例1
纳米颗粒气溶胶制备装置通过临界孔与真空样品腔连通，真空样品腔内安装有表面涂覆部件和样品多轴联动平台，在样品多轴联动平台放置被涂覆样品。通过气溶胶装置制备出纳米气溶胶，然后随气流通过临界孔，进入表面涂覆部件，经过喷嘴涂覆在多轴联动平台的样品上。随着样品的任意移动和旋转形成具有厚度均匀的薄膜，实现纳米颗粒在样品表面的全方位涂覆，然后经过样品腔内的热源对表面涂层进行热处理。
优选地，所述纳米颗粒气溶胶制备装置为电火花放电装置，电弧放电装置，热蒸发装置，化学气相沉积装置等以气体为介质制备纳米颗粒制备装置中的一种；
优选地，所述纳米气溶胶中纳米颗粒为单组元喷涂材料、合金喷涂材料、复合型喷涂材料和混合型喷涂材料中的一种；可以是金属单质、金属氧化物、合金化合物、无机非金属材料、有机/无机复合材料中的一种或多种；
优选地，所述纳米气溶胶的承载气体是氮气、氩气、氦气、氢气中的一种或多种；
优选地，所述临界孔左侧为常压状态，右侧为真空状态；临界孔左侧连接有单向阀和常开的单向出气通道，以维持常压状态。
优选地，所述表面涂覆部件右侧为喷嘴，真空样品腔内的负压将纳米气溶胶通过临界孔和涂覆喷嘴撞击并沉积在样品表面。
优选地，所述临界孔直径范围为0.01μm-1mm，喷嘴直径范围为0.01μm-10mm，可通过临界孔和喷嘴的直径大小调节喷涂图案的分辨率；
优选地，所述抽真空装置为水力喷射器、蒸汽式喷射泵、往复泵和离心式真空泵中的一种；
优选地，所述表面涂覆部件可以对样品进行任意形状的喷涂，包括一维图形、二维图形、三维图形等；也可以对样品进行全面喷涂。
优选地，将待加工的样品固定在多轴联动平台上，联动平台移动和旋转带动样品的移动和旋转，从而使喷嘴对应样品不同位置进行涂覆。
优选地，所述样品多轴联动平台为五轴联动，有X、Y、Z、第4回转轴、第5回转轴；
优选地，所述样品多轴联动平台X、Y、Z轴移动速度为0.1mm/s-500mm/s；
优选地，所述样品多轴联动平台回转轴旋转范围为0°-360°；
优选地，所述样品多轴联动平台回转轴旋转的角速度为0.01-1000rad/s；
优选地，所述样品多轴联动平台用真空吸嘴固定样品；
优选地，可通过临界孔大小，喷嘴大小、多轴联动平台X、Y、Z轴移动速度，回转轴旋转的角度和角速度等参数调节样品表面涂层的厚度。
优选地，涂覆完以后经过热处理，表面形成的膜厚为1nm-1000nm；
优选地，所述加热装置包括红外线加热、光加热、微波加热等装置；
优选地，所属加热温度为10℃-500℃；
优选地，所述加热速率为0.01℃/s-3℃/s；
优选地，所述保温时间为1min-100min。
实施例2
将正方体样品固定在真空样品腔的多轴联动平台上，并对样品腔抽真空处理，通过电火花放电装置制备纳米锌气溶胶，通入氮气，采用直径为0.02μm的临界孔和直径为0.1μm的喷嘴，调节样品多轴联动平台的移动速度和旋转速度，将纳米锌气溶胶通过喷嘴涂覆在样品上，然后通过红外线加热到50℃保温5min，形成厚度均匀、稳定的1nm薄膜，此薄膜能够抗海水和大气腐蚀。
实施例3
将碗型样品固定在真空样品腔的多轴联动平台上，并对样品腔抽真空处理，通过电弧放电装置制备纳米氧化铝气溶胶，通入氩气，采用直径为0.1μm的临界孔和直径为10μm的喷嘴，调节样品多轴联动平台的移动速度和旋转速度，将纳米氧化铝气溶胶通过喷嘴涂覆在样品上，然后通过微波加热到80℃保温10min，形成厚度均匀、稳定的5nm薄膜，此薄膜是良好的耐磨和热屏蔽材料。
实施例4
将圆柱体样品固定在真空样品腔的多轴联动平台上，并对样品腔抽真空处理，通过热蒸发装置制备纳米Co-Cr-Ni-B-Si气溶胶，通入氩气，采用直径为5μm的临界孔和直径为20μm的喷嘴，调节样品多轴联动平台的移动速度和旋转速度，将纳米Co-Cr-Ni-B-Si气溶胶通过喷嘴喷涂在样品上，然后通过微波加热到100℃保温40min，形成厚度均匀、稳定的20nm薄膜，此薄膜应用于耐高温耐腐蚀的产品零部件。
实施例5
将金字塔模型样品固定在真空样品腔的多轴联动平台上，并对样品腔抽真空处理，通过化学气相沉积装置制备纳米Ni/Al气溶胶，通入氢气和氮气混合气，采用直径为50μm的临界孔和直径为200μm的喷嘴，调节样品多轴联动平台的移动速度和旋转速度，将纳米Ni/Al气溶胶通过喷嘴喷涂在样品上，然后通过光源加热到150℃保温20min，形成厚度均匀、稳定的80nm薄膜，此薄膜涂层高温耐磨抗氧化，具有良好的应用前景。
实施例6
将汽车模型样品固定在真空样品腔的多轴联动平台上，并对样品腔抽真空处理，通过电爆炸装置制备纳米铝硅合金气溶胶，通入氮气，采用直径为200μm的临界孔和直径为500μm的喷嘴，调节样品多轴联动平台的移动速度和旋转速度，将纳米铝硅合金气溶胶通过喷嘴喷涂在样品上，然后通过红外线加热到120℃保温10min，形成厚度均匀、稳定的300nm薄膜，此薄膜具有耐磨耐蚀的优良性能。
实施例7
将刀具样品固定在真空样品腔的多轴联动平台上，并对样品腔抽真空处理，通过化学气相沉积装置制备纳米CrN气溶胶，通入氮气，采用直径为200μm的临界孔和直径为1500μm的喷嘴，调节样品多轴联动平台的移动速度和旋转速度，将纳米CrN气溶胶通过喷嘴喷涂在样品上，然后通过微波加热到300℃保温10min，形成厚度均匀、稳定的800nm薄膜，此薄膜化学稳定性和抗氧化磨损性能好，是良好的刀具涂层，可提高刀具寿命。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种表面涂覆设备，其特征在于，所述表面涂覆设备包括纳米颗粒气溶胶制备装置、真空样品腔、样品多轴联动平台、抽真空装置；
所述纳米颗粒气溶胶制备装置包括纳米颗粒气溶胶制备腔以及与所述制备腔连接的涂覆部件；
所述真空样品腔，设有涂覆部件连接孔；
所述样品多轴联动平台，置于所述真空样品腔内部，所述样品多轴联动平台与样品台相连；
所述涂覆部件穿过所述涂覆部件连接孔伸入所述真空样品腔内至所述样品所在位置；
所述抽真空装置通过第三单向阀与真空样品腔连接。
2.如权利要求1所述的一种表面涂覆设备，其特征在于，所述纳米颗粒气溶胶制备腔选自电火花放电装置，电弧放电装置，热蒸发装置以及以气体为介质制备纳米颗粒制备装置中的任一种。
3.如权利要求1所述的一种表面涂覆设备，其特征在于，所述涂覆部件包括涂覆管和喷嘴，所述涂覆管上设有第一出气口、第一单向阀、临界孔，所述第一出气口设有第二单向阀。
4.如权利要求3所述的一种表面涂覆设备，其特征在于，所述临界孔直径范围为0.01μm-1mm，所述喷嘴直径范围为0.01μm-10mm，可通过所述临界孔和所述喷嘴的尺寸大小调节喷涂图案的分辨率。
5.如权利要求4所述的一种表面涂覆设备，其特征在于：所述样品联动平台移动和旋转带动所述样品台的移动和旋转，从而使所述喷嘴对应样品台不同位置进行涂覆。
6.如权利要求1所述的一种表面涂覆设备，其特征在于，所述表面涂覆设备设有加热装置，所述加热装置选自红外线加热、光加热、微波加热装置中的一种。
7.如权利要求1所述的一种表面涂覆设备，其特征在于，所述抽真空装置选自水力喷射器、蒸汽式喷射泵、往复泵和离心式真空泵中的一种。
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