CN111101104A - 一种绝缘材料表面金属化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种绝缘材料表面金属化的方法，基底材料在真空容器内进行抽真空后，先采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，然后再采用纯离子真空镀膜工艺对离子束清洗处理后的表面进行纯离子真空镀膜处理。本发明提供的上述技术方案，在纯离子真空镀膜前，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行清洗处理，使得基底材料表面吸附的气体分子被完全去除，这样显著提高膜层材料的结合强度。同时，可以使得纯离子真空镀膜的镀膜温度要求较低，满足绝缘材料的耐温性能需求。

Description

一种绝缘材料表面金属化的方法
技术领域
本发明涉及材料表面处理领域，具体涉及一种绝缘材料表面金属化的方法。
背景技术
在军工航天和民用领域，需要很多绝缘产品的表面需要具有导电能力，即绝缘材料表面导电化、金属化。现有绝缘材料表面金属化的方法有化学镀、真空蒸发镀膜和真空磁控溅射镀膜。化学镀是比较传统的表面处理方法，是在无外加电流的情况下，利用强还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，沉积在各种材料表面而形成镀层的方法；该方法污染环境，结合力差，膜层疏松，镀层不致密。真空蒸发镀膜是指真空抽气***把真空容器抽至指定真空条件；加热源加热固态“膜层原材料”至适当温度，使之表面气化；“膜层原材料”表面的气化原子入射在镀膜产品表面，形成膜层；该方法获取的膜层结合力差、不均匀、膜层疏松、不致密。真空磁控溅射镀膜是指真空抽气***把真空容器抽至指定真空条件，在真空环境中冲入氩气，电子在电场的作用下运动过程中与氩原子发生碰撞，电离出氩离子和电子，氩离子在电场的作用下轰击“阴极靶材”，溅射出靶材原子和离子，利用磁场提高氩气离化效率，提高膜层沉积速率，靶材原子和离子沉积在“被镀膜产品”表面，形成膜层。真空磁控溅射镀膜也存在膜层结合力弱，膜层不致密的缺点。
为解决现有真空镀膜中的结合力的问题，通常采用加热的方法：提高真空镀膜温度至400℃以上，增加分子热运动能力，提高结合力。但是对于大部分绝缘材料，特别是塑料，耐温通常在200℃以下，无法承受真空镀膜高温，所以在绝缘材料上，特别是塑料上，现有的真空镀膜技术无法有效提高膜层的结合力。
发明内容
本发明的目的是提供一种绝缘材料表面金属化的方法，其可以提高膜层与绝缘材料的结合力。
本发明采用的技术方案是：
一种绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：基底材料在真空容器内进行抽真空后，先采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，然后再采用纯离子真空镀膜工艺对离子束清洗处理后的表面进行纯离子真空镀膜处理。
具体的方案为：基底材料在进行纯离子真空镀膜处理时对基底材料进行施加偏压。
离子束清洗处理的电压为300V～5000V，Ar离子能量：200eV～5000eV。
基底材料在进行纯离子真空镀膜处理时对基底材料施加的偏压为-10000V～0V。
基底材料在进行纯离子真空镀膜处理时真空容器内温度为0℃～150℃。
所述的基底材料为绝缘材料，基底材料上所镀的膜层包括金属、合金和金属化合物等导电材料。
真空容器内进行抽真空后的压力为10-1Pa量级～10-5Pa量级。
绝缘材料包括无机玻璃、树脂、有机玻璃、塑料（如：聚四氟乙烯、PE、PP、PVC、PET、亚克力板等）、电木、陶瓷，基底材料上所镀的膜层包括金属膜层、合金膜层、金属化合物膜层。
基底材料上所镀膜层的厚度为0微米～50微米。
基底材料上所镀的膜层为层状结构，各层的材料组成相同或相异。
纯离子真空镀膜中纯离子电流参数为20A～300A；纯离子电磁过滤弯管的直径范围：0.1m～0.8m；纯离子电磁过滤弯管的长度范围：0.2m～1.5m；纯离子电磁过滤弯管的材质要求：不锈钢、纯铜、铜合金、铝合金等；纯离子电磁过滤***的磁场范围：30Gs～3000Gs；纯离子电磁扫描磁场范围：10Gs～3000Gs；等离子体触发机构的驱动机构为压缩气体驱动或者马达驱动。
与现有技术相比，本发明提供的上述技术方案，在纯离子真空镀膜前，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行清洗处理，使得基底材料表面吸附的气体分子被完全去除，这样显著提高膜层的结合强度。同时，可以使得纯离子真空镀膜的镀膜温度要求较低，满足绝缘材料的耐温性能需求。
附图说明
图1为纯离子真空镀膜***的结构示意图。
100-真空容器、200-基底材料、300-离子束清洗设备、410-纯离子镀膜设备、411-等离子触发装置、412-阴极、413-阳极、420-电磁过滤装置、430-电磁扫描装置、500-抽真空装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
如在本文中所使用，术语“平行”、“垂直”等等词语不限于其严格的几何定义，而是包括对于机加工或人类误差合理和不一致性的容限。
结构如图1所示，其为本发明进行镀膜的真空镀膜***，包括真空容器100，真空容器100与抽真空装置500相连接，真空容器100内设置有用于装配待镀膜的基底材料200的装配装置，真空容器100上还设置有离子束清洗设备300和纯离子镀膜设备410。具体的离子束清洗设备300和纯离子镀膜设备410对应布置在真空容器100的侧壁上。装配装置与调节装置相连接，调节装置调节基底材料100进行转动，使得基底材料100待处理表面能够与离子束清洗设备300、纯离子镀膜设备410相对应布置。装配装置与偏压电源相连接。
详细的，纯离子镀膜设备410包括阴极412、阳极413、等离子触发装置411，等离子触发装置411通过电磁过滤装置420与真空容器100相连接。电磁过滤装置420出口端设置有电磁扫描装置430。电磁过滤装置420包括弧度为30°～180°的过滤管，过滤管上设置有过滤磁场装置，过滤管的长度为0.2m～1.5m，过滤管的直径为0.1m～0.8m。电磁扫描装置430包括过滤管出口端顺延布置的直管，直管的直径与过滤管保持一致，直管上设置有扫描磁场装置。基底材料采用底座支撑式或吊挂式装配在真空容器内。偏压电源为-10000V～0V的负压电源。过滤管的材质可以为不锈钢、纯铜、铜合金、铝合金。
采用上述真空镀膜***实现材料表面金属化的实例具体如下：
实施例1（金属膜）
基底材料为无机玻璃，将基底材料在真空容器内通过装配装置进行夹装，启动抽真空装置对真空容器进行抽真空，使得真空容器内的压力为10-5Pa量级，调节旋转结构转动使得基底材料的待处理面与离子束清洗装置相对应布置，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，离子束清洗处理的电压为5000V，Ar离子能量：5000eV。离子束清洗结束后，转动基底材料使得清洗处理后的表面与纯离子真空镀膜设备相对应布置，基底材料连接-10000V的负压电源，控制真空容器内温度为150℃。采用钛作为阴极的镀膜靶材，等离子体触发装置采用压缩气体驱动，纯离子电流参数为100A；调节过滤磁场装置，使得过滤管内的磁场为：300Gs；调节扫描磁场装置，使得扫描磁场为：3000Gs；使得基底材料上所镀膜层的厚度为10微米。
实施例2（金属膜）
基底材料为树脂，将基底材料在真空容器内通过装配装置进行夹装，启动抽真空装置，将真空容器进行抽真空，使得真空容器内的压力为10-4Pa量级，调节旋转结构转动使得基底材料的待处理面与离子束清洗装置相对应布置，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，离子束清洗处理的电压为800V，Ar离子能量：800eV。离子束清洗结束后，转动基底材料使得清洗处理后的表面与纯离子真空镀膜设备相对应布置，基底材料连接-1000V的负压电源，控制真空容器内温度为100℃。采用铬作为阴极的镀膜靶材，等离子体触发装置采用马达驱动，纯离子电流参数为50A；调节过滤磁场装置，使得过滤管内的磁场为：3000Gs；调节扫描磁场装置，使得直管内的磁场为：2000Gs；使得基底材料上所镀膜层的厚度为30微米。
实施例3（金属膜）
基底材料为塑料，将基底材料在真空容器内通过装配装置进行夹装，启动抽真空装置，将真空容器进行抽真空，使得真空容器内的压力为10-4Pa量级，调节旋转结构转动使得基底材料的待处理面与离子束清洗装置相对应布置，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，离子束清洗处理的电压为500V，Ar离子能量：300eV。离子束清洗结束后，转动基底材料使得清洗处理后的表面与纯离子真空镀膜设备相对应布置，基底材料连接-50V的负压电源，控制真空容器内温度为75℃。采用纯金作为阴极的镀膜靶材，等离子体触发装置采用压缩气体驱动或者马达驱动，纯离子电流参数为30A；调节过滤磁场装置，使得过滤管内的磁场为：2500Gs；调节扫描磁场装置，使得直管内的磁场为：1000Gs；使得基底材料上所镀膜层的厚度为0.1微米。
实施例4（金属膜）
基底材料为复合电路板，将基底材料在真空容器内通过装配装置进行夹装，启动抽真空装置，将真空容器进行抽真空，使得真空容器内的压力为10-3Pa量级，调节基底材料的待处理面与离子束清洗装置相对应布置，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，离子束清洗处理的电压为1000V，Ar离子能量：900eV。离子束清洗结束后，转动基底材料使得清洗处理后的表面与纯离子真空镀膜设备相对应布置，基底材料连接-800V的负压电源，控制真空容器内温度为120℃。采用纯铜作为阴极的镀膜靶材，等离子体触发装置采用压缩气体驱动，纯离子电流参数为80A；调节过滤磁场装置，使得过滤管内的磁场为：2500Gs；调节扫描磁场装置，使得直管内的磁场为：1500Gs；使得基底材料上所镀膜层的厚度为50微米。
实施例5（合金膜）
基底材料为陶瓷，将基底材料在真空容器内通过装配装置进行夹装，启动抽真空装置，将真空容器进行抽真空，使得真空容器内的压力为10-4Pa量级，调节旋转结构转动使得基底材料的待处理面与离子束清洗装置相对应布置，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，离子束清洗处理的电压为5000V，Ar离子能量：2500eV。离子束清洗结束后，转动基底材料使得清洗处理后的表面与纯离子真空镀膜设备相对应布置，基底材料连接-2000V的负压电源，控制真空容器内温度为150℃。采用镍铬合金作为阴极的镀膜靶材，等离子体触发装置采用压缩气体驱动，纯离子电流参数为300A；调节过滤磁场装置，使得过滤管内的磁场为：1500Gs；调节扫描磁场装置，使得直管内的磁场为：2000Gs；使得基底材料上所镀膜层的厚度为25微米。
实施例6（金属化合物膜层）
基底材料为有机玻璃，将基底材料在真空容器内通过装配装置进行夹装，启动抽真空装置，将真空容器进行抽真空，使得真空容器内的压力为10-4Pa量级，调节旋转机构转动使得基底材料的待处理面与离子束清洗装置相对应布置，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，离子束清洗处理的电压为600V，Ar离子能量：500eV。离子束清洗结束后，转动基底材料使得清洗处理后的表面与纯离子真空镀膜设备相对应布置，基底材料连接-1000V的负压电源，控制真空容器内温度为100℃。采用铬作为阴极的镀膜靶材，等离子体触发装置采用马达驱动，纯离子电流参数为150A；调节过滤磁场装置，使得过滤管内的磁场为：1000Gs；调节扫描磁场装置，使得直管内的磁场为：2000Gs；做膜层沉积工艺时，充入N2作为工艺气体，生成氮化铬膜层，使得基底材料上所镀膜层的厚度为2微米。
实施例7（多层膜）
基底材料为有机玻璃，将基底材料在真空容器内通过装配装置进行夹装，启动抽真空装置，将真空容器进行抽真空，使得真空容器内的压力为10-4Pa量级，调节旋转机构转动使得基底材料的待处理面与离子束清洗装置相对应布置，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，离子束清洗处理的电压为800V，Ar离子能量：600eV。离子束清洗结束后，转动基底材料使得清洗处理后的表面与纯离子真空镀膜设备相对应布置，基底材料连接-600V的负压电源，控制真空容器内温度为120℃。设备中设置2套纯离子镀膜装置，分别采用铬和金作为阴极的镀膜靶材。等离子体触发装置采用马达驱动，纯离子电流参数为150A；调节过滤磁场装置，使得过滤管内的磁场为：1000Gs；调节扫描磁场装置，使得直管内的磁场为：2000Gs。先做铬膜沉积，厚度1微米；再做金膜沉积，厚度0.5微米，使得基底材料上所镀膜层的总厚度为1.5微米。
依据《GB/T 5270-2005 金属基体上的覆盖层电沉积和化学沉积附着强度试验方法评述》中条款2.4、2.8对实施例1～6中基底材料上的镀膜进行检测。
镀层结合力检验方法：划格法+胶带法。
用手术刀在镀层表面划多排1mm×1mm小方格，划痕深入基底层，观察是否有金属层剥落、起皮，然后用2～3.5N/cm透明胶带贴到划格区，完全贴紧且无气泡，放置10秒，施加一个与镀层表面垂直的力，迅速把胶带拉下，使用3倍线性放大镜目视检查有无金属层剥落、起皮。
实施例1～6中的镀膜层：3M胶带纸撕拉20次，膜层无剥落、无起皮。
背景技术中三种实施方式制得的镀膜层：均不同程度的出现剥落、脱皮现象。
本发明在纯离子真空镀膜前，采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行清洗处理，使得基底材料表面吸附的气体分子被完全去除，这样显著提高膜层材料的结合强度。同时，可以使得纯离子真空镀膜的镀膜温度要求较低，满足绝缘材料的耐温性能需求。
通过真空抽气装置把真空容器抽至指定真空条件，等离子体触发装置将阴极镀膜靶材激发出等离子体，等离子体经过电磁过滤装置时，被过滤提纯，去除了镀膜颗粒，只有正离子和电子能够通过电磁过滤装置；到达电磁过滤装置末端时，等离子体变成纯带电离子束流；纯带电离子束流被电磁扫描***控制、改变飞行方向，由于基底材料连接负压电源，这样形成一个电场，纯带电离子在飞行途中被电场加速，以很大能量沉积在“被镀产品”表面上，从而在基底材料的表面形成致密、均匀、结合强度大的镀膜层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (10)

1.一种绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：基底材料在真空容器内进行抽真空后，先采用离子束清洗工艺对基底材料的表面进行离子束清洗处理，然后再采用纯离子真空镀膜工艺对离子束清洗处理后的表面进行纯离子真空镀膜处理。
2.根据权利要求1所述的绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：基底材料在进行纯离子真空镀膜处理时对基底材料进行施加偏压。
3.根据权利要求1所述的绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：离子束清洗处理的电压为300V～5000V，Ar离子能量：200eV～5000eV。
4.根据权利要求2所述的绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：基底材料在进行纯离子真空镀膜处理时对基底材料施加的偏压为-10000V～0V。
5.根据权利要求1所述的绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：基底材料在进行纯离子真空镀膜处理时真空容器内温度为0℃～150℃。
6.根据权利要求1所述的绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：所述的基底材料为绝缘材料，基底材料上所镀的膜层包括金属、合金、金属化合物。
7.根据权利要求1所述的绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：真空容器内进行抽真空后的压力为10-1Pa量级～10-5Pa量级。
8.根据权利要求6所述的绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：绝缘材料包括无机玻璃、有机玻璃、树脂、塑料、电木、陶瓷，基底材料上所镀的膜层包括金属膜层、合金膜层。
9.根据权利要求1所述的绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：基底材料上所镀膜层的厚度为0微米～50微米。
10.根据权利要求9所述的绝缘材料表面金属化的方法，其特征在于：基底材料上所镀的膜层为层状结构，各层的材料组成相同或相异。
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