一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术

摘要

本发明提供了一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术，属于等离子体镀膜领域，该技术可以有效解决镀膜领域存在的镀膜温度过高会损坏基底及制备工艺复杂的问题，其步骤包括：a、在放电管中通电击穿低温等离子体过程，由气体源通入的气体在加有激励源的电源的作用下达到击穿电压，并导通放电激发产生低温等离子体；b、粉体材料导入过程，送入的粉体材料在低温等离子体的作用下局部温度升高融化并加速；c、低温等离子体喷出镀膜实现过程，粉体材料与低温等离子体一起喷出，沉积在基底表面实现镀膜。可广泛应用于印制电子、3D打印等领域金属材料、半导体材料、化合物材料和多聚物等材料的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体镀膜领域，具体是指一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术。

背景技术

当前真空镀膜技术尤其是等离子体真空镀膜技术在电子元器件制造领域、电路电子领域、太阳能电池等领域发挥着极其重要的作用。其相比非真空制备技术，虽然具有薄膜生长致密、制备速度快、易于控制薄膜成分等优点，但同时由于设备复杂，通常材料制备成本较高、操作复杂，不利于降低材料成本。而当前广泛应用的非真空等离子体镀膜技术由于采用热等离子体，温度较高，对薄膜沉积基底要求高，纸张、高分子材料等耐热性差的基底材料的使用受到制约，同时能量消耗大，不利于扩大其使用范围。

通常冷等离子体可以分为两类，一类是热平衡等离子体，另一类是非热平衡等离子体。传统的等离子镀膜设备采用的是热平衡等离子体，由于其中质量较小的电子和质量较大的原子和离子具有相同的温度，故具有高能量的等离子体温度较高；而非热平衡等离子体由于其中的质量较小的电子与质量较大的原子和离子没有达到热平衡状态，造成小质量的电子温度很高而大质量的原子和离子温度很低，而决定等离子体温度的是大质量的原子和离子，所以等离子体整体温度很低。

由于低温等离子体具有温度较低、电荷密度高等特点，目前广泛的应用于材料表面改性、生物灭菌、表面清洁和污水清洁等领域，同时由于其具有较高能量，低温等离子体也可以作为材料颗粒的载体，使材料颗粒具有较大的能量，便于沉积成膜。

发明内容

本发明的目的是针对上述真空等离子镀膜技术和大气压高温等离子体镀膜技术的不足提供一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术，该技术镀膜温度低，可以有效解决镀膜领域存在的镀膜温度过高会损坏基底及制备工艺复杂的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术，其步骤包括：a、在放电管中通电击穿低温等离子体过程，由气体源通入的气体在加有激励源的电源的作用下达到击穿电压，并导通放电激发产生低温等离子体；b、粉体材料导入过程，送入的粉体材料在低温等离子体的作用下局部温度升高融化并加速；c、低温等离子体喷出镀膜实现过程，粉体材料与低温等离子体一起喷出，沉积在基底表面实现镀膜。

本发明的一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术，在步骤a中，所述的放电管包括气体通入口、阴极、阳极、电解质阻挡层和喷口，低温等离子体温度为10-150℃。

本发明的一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术，在步骤a中，激励源可选直流脉冲、交流、射频和微波电源。

本发明的一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术，在步骤a中，所通入的气体可选择Ar、N₂、O₂、H₂和空气及混合气体，通入气体流量为1-40L/min。

本发明的一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术，在步骤b中，粉体导入方式为内送粉方式，送粉速率为10-35g/min，粉体颗粒直径小于10μm。

本发明的一种大气辉光放电低温等离子体镀膜技术，在步骤c中，喷口与基底的距离为80mm-150mm。

与传统镀膜技术相比本发明还具有镀膜温度低、镀膜精度高和镀膜厚度较厚等特点，其与传统镀膜技术的对比如下：

镀膜技术膜层厚度基底温度PVD（真空物理气相沉积）1-10μm200-500℃CVD（化学气相沉积）1-50μm400-2000℃热喷涂40-3000μm300-750℃大气辉光放电低温等离子体镀膜1-200μm10-150℃

本发明具有以下突出的有益效果：

1、由于本发明利用的是低温等离子体作为载体实现镀膜，所以它适用于纸张、高分子材料等耐热性差的基底材料表面的镀膜，降低了制备工艺复杂程度，避免了因镀膜温度过高而损坏基底的问题，扩大了使用范围。

2、由于本发明激励源可选直流脉冲、交流、射频和微波电源，所通入的气体可选择Ar、N₂、O₂、H₂和空气及混合气体，所以它可以根据不同材料来选择不同的激励源和通入气体，使得镀膜效果更好。

附图说明

附图1为本发明大气辉光放电低温等离子镀膜技术的流程图；

    附图2为本发明大气辉光放电低温等离子镀膜技术的原理示意图；

    附图标记说明：1基底，2薄膜，3低温等离子体，4粉体导入口，5阳极，6阴极，7气体通入口，8放电管，9电解质阻挡层，10喷口。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的一种大气辉光放电低温等离子镀膜技术，其步骤包括：S1、在放电管8中通电击穿低温等离子体3过程，由气体源通过气体通入口7通入的气体在加有激励源的电源的作用下达到击穿电压，并导通放电激发产生低温等离子体3；S2、粉体材料导入过程，通过粉体导入口4送入的粉体材料在低温等离子体3的作用下局部温度升高融化并加速；S3、低温等离子体3喷出镀膜实现过程，粉体材料与低温等离子体3一起喷出喷口10，沉积在基底1表面形成薄膜2。

在步骤S1中，放电管1包括气体通入口7、阴极6、阳极5、电解质阻挡层9和喷口10。电极材料可以选用耐高温的钨、铜、石墨，放电管可以采用四聚氟乙烯（特氟龙）、石英、氧化铝、氮化硼。激励源可选直流脉冲、交流、射频和微波电源；所加电压范围为2-50KV，脉冲频率范围为7KHz-15MHz,优选20KHz-70KHz；当采用直流脉冲时，脉冲电压宽度600nm-80μm；当采用射频电源时，电源功率10-300mW。所通入的气体可选择Ar、N₂、O₂、H₂和空气及混合气体，通入气体流量为1-40L/min。

在步骤S2中，粉体导入方式为内送粉方式，送粉速率为10-35g/min，粉体颗粒直径小于10μm。

在步骤S3中，喷口10与基底1的距离为80mm-150mm。

为了保证所镀薄膜的质量，还可以在镀膜结束后采用本发明不通入粉体材料的低温等离子体用于材料褪火，帮助材料晶化。

下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步阐明：

实施例1

本实施例选用气体为N₂；激励源为直流脉冲电源；电极材料选用石墨电极，放电管采用聚四氟乙烯材料制成。镀膜过程如下：

S1、将N₂由气体通入口7通入放电管1，其气体流量6-20L/min；在阳极5和阴极6加上直流脉冲电源，电压范围为2-15KV，脉冲频率范围为7KHz-50KHz，脉冲电压宽度600nm-80μm；产生的低温等离子体3温度为10-100℃。S2、通过粉体导入口4导入的粉体材料送粉速率为10-25g/min，在低温等离子体3的作用下局部温度升高；S3、粉体材料融化并加速喷出喷口10，沉积在基底1表面沉积形成薄膜2；喷口10与基底1距离为100mm-150mm。

实施例2

本实施例选用气体为Ar；激励源采用射频电源；电极材料选用钨电极，放电管采用氧化铝材料制成。镀膜过程如下：

S1、将Ar由气体通入口7通入放电管1，其气体流量10-20L/min；在阳极5和阴极6加上射频电源，电源功率10-300mW，脉冲频率范围为7.17MHz-15MHz，优选为13.56MHz；产生的低温等离子体3温度为50-150℃。S2、通过粉体导入口4导入的粉体材料送粉速率为10-35g/min，在低温等离子体3的作用下局部温度升高。S3、粉体材料融化并加速喷出喷口10，在基底1表面沉积形成薄膜2；喷口10与基底1的距离为100mm-120mm。

实施例3

本实施例选用气体为N₂和Ar混合气体；激励源采用交流电源；电极材料选用铜电极，放电管采用氮化硼材料制成。镀膜过程如下：

S1、将N₂由气体通入口7通入放电管1，其气体流量6-20L/min；将Ar由气体通入口7通入放电管1，其气体流量1-10L/min；在阳极5和阴极6加上交流电源，电压范围为5-50KV，脉冲频率范围为20KHz-50KHz；产生的低温等离子体3温度为70-100℃。S2、通过粉体导入口4导入的粉体材料送粉速率为10-35g/min，在低温等离子体3的作用下局部温度升高。S3、粉体材料融化并加速喷出喷口10，在基底1表面沉积形成薄膜2；喷口10与基底1的距离为80mm-140mm。

本发明的大气辉光放电低温等离子体镀膜技术，可以有效解决镀膜领域存在的大气压镀膜温度过高会损坏基底及制备工艺复杂等问题，可广泛应用于印制电子、3D打印等领域金属材料、半导体材料、化合物材料和多聚物等材料的制备。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。