コンポジット表面上のアークイオンプレーティング技術

- Nov 13, 2018-

複合表面上のアークイオンプレーティング技術

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高弾性、優れた耐食性、疲労抵抗性能よりも軽量、高比強度の複合構造機能の統合部品は、強力なデザインとユニークな利点のシリーズであり、より多くの分野で重要な部分になっている航空宇宙および他の防衛は、特定の機能を達成するために、広く使用されている複合材料の表面に対処する必要がある表面の金属化を処理する手段です。 化学的めっき、電気めっき、溶射、真空コーティングなどを含む複合材料の表面を金属化する多くの方法がある。真空コーティングは、蒸着コーティング、マグネトロンスパッタリング、アークイオンコーティングなどに細分することができる。

 

構造的および機能的な複合材料の構成要素の寸法が大きく、曲面が複雑な場合があるため、真空コーティング法による複合材料の表面金属化の実現には2つの顕著な問題がある。 アークイオンプレーティング技術はより良い選択です。 その利点は、堆積粒子の高エネルギー距離、良好な回折範囲、高い金属膜結合力および速い堆積速度などを含む。

 

1.アークイオンプレーティング技術の概要紹介

アークイオンプレーティング(AIP)は、真空コーティングで使用される技術であり、アノードアーク放電、ターゲット材料のアーク放電蒸発、および表面コーティングプロセスへの堆積の間に形成される真空および真空チャンバ下のカソード材料のアーク。 アークイオンプレーティング技術は、20世紀に、特に1970年代後半に大きな発展を遂げました。旧ソ連の産業界の合衆国の科学者たちは、広範な研究を行い、1980年にアークイオンプレーティング技術を実現しましたハードフィルム、装飾フィルムの工業化の分野では、現在、これらの2つの分野でのアプリケーションはかなりの規模を持っています。 過去20年間、アークイオンプレーティング技術は、光学薄膜、電気薄膜などの分野で発展し始めています。

 

アーク放電は、カソードターゲットの表面上をランダムに移動するアークスポットを形成する。 アークスポットの電流密度は1012A / m2と高く、エネルギー密度は1013W / m2と高い。 高いエネルギー密度は、アークスポットでのターゲット物質の固相から金属蒸気プラズマへの直接的な変換を導く。

 

(1)他の物理蒸着(PVD)技術では実現が困難な様々な金属、特に耐火金属(タングステンやタンタルなど)でメッキすることができます。

(2)主に中性粒子である他のPVD技術の堆積物とは異なり、陰極アークスポットは多数の荷電(単一電荷または複数荷電)粒子を生成することができ、イオンは加速され、拘束され、それらは部品の表面上に堆積される。

(3)カソードアークによって生成された初期エネルギーイオンは、20〜200eVの間にスポットし、薄膜堆積の過程で衝撃が起こり、堆積粒子の拡散能力と核生成密度を高め、薄膜表面から剥がれる粒子は、柱状結晶および膜の内部応力を部分的に排除するため、理由は薄膜緻密化効果などの膜表面活性を増加させた。

(4)陰極アークスポットが荷電粒子を生成してプラズマを形成するとき、それは多数の液滴および断片を生成するが、他のPVD技術は大きな粒子をほとんど生成しない。

 

そのため、アークイオンプレーティング技術は、膜のコンパクト化と結合力の高さという利点があります。 また、複雑な表面に薄膜を成膜することも可能です。 アークイオンプレーティング技術の最大の欠点は、膜の表面に大きな液滴も堆積し、膜の表面が粗くなり、膜性能に影響を及ぼすことである。 しかし、磁気フィルター技術の継続的な発展と、すでに薄膜表面のアークイオンプレーティング技術の堆積は、他のPVD技術、電気アークに近いです膜表面への堆積を避けるために、より大きなドロップを制御する良い方法ですイオンプレーティング技術は、光学、電気およびその他の分野のフィルムに適用されています。

 

2.複合材表面の真空コーティングの2つの問題

金属または半導体材料と比較して、構造および機能を一体化した複合材料は高温に耐えられず、一部の機能部品は高精度のプロファイルを必要とする。 従って、複合材料の真空コーティングにおいては、材料の損傷及び輪郭精度の低下を避けるために高温が許容されない。 しかしながら、高い堆積温度は、固体および緻密な金属膜を得るために非常に好ましい。 高品質のフィルムを得る観点から、高温が望まれる。 この矛盾を解決するための実現可能な方法は、イオン源クリーニングおよび他の技術的手段を用いて、膜の堆積前に複合材料の表面上でin-situ活性化処理を行い、表面活性を増加させて金属フィルムおよび基材を含む。

 

大型部品の複合材料は、真空コーティング材料のアウトガスのプロセスにおいて重要な問題であり、より高い材料のアウトガス率は、金属膜の酸化などの一連の問題を引き起こす可能性があり、金属膜の見掛けの品質および電気特性複合材料を扱うためには、事前通気やその他の技術的手段が必要です。

 

複合表面へのアークイオンコーティングの応用例

アークイオンプレーティング技術は、大型の複合材料の表面にAl膜を堆積させるために首尾よく使用されてきた。 得られるフィルムは、均一な色および光沢、均一な厚さ、ブロックアルミニウムに対する電気伝導度およびベースとの固体結合を有する。

 

アークイオンプレーティング技術を用いて複合材料の表面上にAl膜を堆積させるための試験手順は以下の通りである。

(1)複合材料の表面をきれいにし、エタノールに3〜5回浸した埃のない布で拭いて自然乾燥させる。

(2)複合部品が真空チャンバーの被覆工具に接続されて固定される。

(3)バックグラウンドの真空を5×10 -3 Paよりも良好にする。

(4)複合材料の表面をイオン源で洗浄する。

(5)アークイオンプレーティング膜;

(6)真空チャンバーを大気開放し、複合材料を取り出す。

 

アークイオンコーティングの技術的パラメータは次のとおりです。

(1)ガス圧が1.1〜1.5×10 -1 Paである。

(2)放電アークの圧力は45〜50Vである。

(3)放電アーク電流は50〜55Aである。

(4)複合表面とアーク源との間の距離は0.3-1mである。

 

アークイオンプレーティング後の複合表面上のAlコーティングの局所的外観を図1に示す。図1から分かるように、Al膜は液滴がほとんどなく均一でコンパクトであり、フィルムの表面トポグラフィは複合マトリックスの表面形態のマッピング。 図2に示すように、Wyko NT9300光学プロファイラを使用して、Al膜の表面形態を観察した。この膜の表面は、平坦で均一な厚さであった。 その表面粗さRaは0.145μmで ある。 image

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複合材料の表面上のAl膜の厚さをステップメータを用いて試験した。 サンプルは、部品の異なる部分に貼られたスライドから採取された。 試験結果を表1に示す。

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フィルムと基材との間の結合力の強さは、フィルムの品質を評価する重要な指標である。 テンション法、ストリップ法、スクラッチ法、摩擦法、超音波法、遠心力法など、拘束力の試験方法は数多くあります。 複合材料の表面にコーティングされたAl膜が典型的な軟質膜であることを考慮すると、この膜の実用上の力は主にせん断力であるため、プルバンド法を用いてAl膜と複合材料のベース。 [4]引き剥がし粘着テープの具体的な実装方法の採取方法は、手で引っ張るテープを片側にして、薄膜表面に3mm以上の端から7nm / cmの高密度で均一な粘着テープとフィルム表面は90°に均一になり、均一にゆっくりと(約5mm / s)テープが膜表面から引き離され、剥がれたり傷ついたりしないでフィルムを見る。 フィルムが脱落することなくそのまま残っている場合は、フィルムが複合材料と十分に結合しており、使用要件を満たしているとみなされる。 フィルムが脱落すると、拘束力が要件を満たさないとみなされる。 接着試験は、複合材料の表面上の異なる位置で、張力の方法によって行われた。

 

複合材料の表面上の任意の2点を試験するためにマルチメーターを使用し、その結果は全て導電性であった。 4点プローブ法を用いて、Al膜抵抗率の表面上の異なる部分の試料を用いて複合部品のペーストを試験し、その結果を表2に示し、Alブロック材料抵抗率を2とした.66×10-8 Ωm。 同じ程度の大きさである

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4.結論

アークイオンプレーティング技術は、高品質、均一な密度、強固な結合および制御可能な厚さを有する複雑な複合材料構成要素の表面メタライゼーションを実現することができ、広い適用可能性を有する。 しかし、この技術には、大型機器、高コスト、長サイクルなどの制約もあります。


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