金屬表面去油用等離子體技術(shù)(下)

清華大學(xué) ■ 范崇治 譯 ■ 殷志強 校

有沾污的金屬片清潔是用HPLC級水與金屬表面接觸角的測定來進行，接觸角用量角測量，更精確用動態(tài)接觸角儀測量，所有測量中都用水10 μL。樣品從系統(tǒng)取出后立即進行接觸角測量，用等離子放射濃度Dpl來研究接觸角。Dpl定義為陰極功率W與陰極長度Lc和金屬帶傳送速度vs乘積之比。

如此定義Dpl是便于放大空心陰極長度和提高基材的速度，在實驗系統(tǒng)中速度不超過5 m/min，大型生產(chǎn)中金屬帶速度達到300 m/min。

除上述接觸角測量外，金屬表面油的清除情況也用測量表面碳濃度來決定，碳濃度用X射線光電子能譜分析(XPS)來確定金屬表面的深度方向成分。由于不能在現(xiàn)場操作該實驗，清潔表面先濺射鈦膜以避免污染，表面元素成分是用XPS的峰值區(qū)和Scofield光電子截面的數(shù)據(jù)計算得到。氬離子濺射用來刻蝕表面，以便測量深度方向組成成分。

2 金屬表面清潔油污

2.1 用分布式空心陰極去除油

氧從金屬表面的去除可用表面碳濃度的改善來決定，實驗樣品暴露于等離子放射濃度是0.06 W·min/cm2，深度方向成分對未清潔過的和用等離子清潔過的鋁表面上都覆加一層鈦層(厚18 nm)。結(jié)果顯示，在交界面上碳濃度減少了20倍，接近了能監(jiān)測的最小值(圖4)。同樣當(dāng)沒有保護層的樣品簡單送到XPS分析時，發(fā)現(xiàn)碳濃度的減少較小。

圖4 XPS分析覆蓋有鈦膜鋁金屬成分

2.2 接觸角與等離子放射濃度的關(guān)系

未經(jīng)處理的鋁和不銹鋼與HPLC水的接觸角分別是 95°±5° 和 75°±5°，如此高的接觸角說明有殘余的潤滑油脂，或是疏水性的碳材料存在。沾污金屬經(jīng)清潔后的接觸角與等離子放射濃度Dpl的關(guān)系如圖5所示。增加等離子放射濃度能減小接觸角，使之小于5°，如此低的接觸角是純凈金屬表面的典型值，也是覆蓋有天然氧化層的金屬的典型值，如濺射沉積的鋁膜，接觸角也小于5°。

圖5 接觸角和等離子放射密度的關(guān)系(在不同溫度下，基底漂浮或接地情況下進行清潔）

鋁和不銹鋼清潔后所需接觸角小于10°，為得到低接觸角所需最小等離子放射濃度Dpl,min依賴于清潔條件，對懸浮和接地的鋁片Dpl,min分別是0.22 W·min/cm2和0.05 W·min/cm2。清潔過程效率的不同是由于電子轟擊懸浮和接地金屬片的不同造成，接地基底的電子流是懸浮基材的100倍，電子轟擊拉高了金屬表面溫度，加強了化學(xué)刻蝕率。不銹鋼金屬片較厚，且表面上潤滑油多，因此用相同等離子放射濃度得到同樣接觸角，不銹鋼金屬片事先必須加熱到150 ℃，此時Dpl,min為0.05 W·min/cm2(圖5)，功率約1 kW，傳送速度為5 m/min。如果底平面冷卻更好一些，功率可至少增加6倍，具有10個分布式空心陰極的工廠生產(chǎn)中，達到相同清潔度時傳送速度可增加到大于300 m/min，它可用于直線型傳輸?shù)慕饘賻繉由a(chǎn)中。

等離子體處理過的表面與水的親和力在空氣中放置會降低，清潔過的鋁金屬暴露于空氣中會再次污染，這是由接觸角改變得出的。接觸角在開始暴露的2 h內(nèi)迅速增加，隨后變慢，最后達到飽和(圖6)，飽和值是55°，并不依賴于初始時的清潔度，在直線型生產(chǎn)線中，離子清潔后應(yīng)緊跟隨后的工藝過程。

圖6 濺射得到的鋁污膜(厚100 nm)和鋁金屬極(厚0.13 mm)用不同的等離子放射進行清潔后，放于空氣中老化，接觸角和老化時間的關(guān)系

3 總結(jié)

開發(fā)了一個金屬表面去油的可放大的分布式空心陰極氧氣等離子源，設(shè)計和過程參數(shù)得到優(yōu)化，使等離子火焰在所有的孔中噴出，得到最高的氧原子發(fā)射。

清潔度用清潔水測量接觸角的辦法監(jiān)測，最低的等離子放射濃度是0.05 W·min/cm2，樣品是厚0.13 mm鋁或厚0.64 mm不銹鋼(事先預(yù)熱到150 ℃)，在1 kW和金屬片移動速度為500 cm/min時得到的等離子放射濃度，因此在生產(chǎn)系統(tǒng)中用約10個分布式空心陰極等離子源時速度可達到300 m/min。