专利名称：一种常压等离子带钢镀膜工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及带钢表面处理技术，特别涉及一种常压等离子带钢镀膜工艺。
背景技术：
具有良好表面性能的钢板是汽车、建筑和家电行业的关键材料。 现有的带钢镀膜技术主要包括热镀锌、电镀锌、电镀锡、彩涂等镀膜 工艺。通常还包括化学前处理和磷化、钝化、耐指纹镀膜等前后处理工序。 近些年来，市场对具有较好表面性能钢板的需求不断增长，同时，用
户对涂镀层产品的性能要求也越高越高。用户希望涂镀层产品不仅能满足 耐腐蚀、环保相容性、优良的可加工性和表面光学性能，还能具有装饰性、 抗涂写性、易清洁、耐磨损、耐指纹、隔音、抗划痕等性能；用户要求涂 镀层越来越薄，综合性能越来越好。
真空镀膜作为表面改性和镀膜工艺，已经在电子、玻璃、塑料等行业 得到了广泛的应用。真空镀膜技术主要优点在于其环保、良好的薄膜性能 和可镀物质的多样性。作为带钢镀膜的环保、多功能工艺，己经进行了很 多研发。但是这些工艺都需要在一定的真空镀膜进行。为了达到所需的真 空度，尤其是对于钢巻大规模生产所用的空对空方式，需要7 — 8级的多 级密封装置，设备复杂， 一次性投资费用高，生产维护成本昂贵。因此， 带钢真空镀膜技术之后的下一个发展方向是常压等离子镀膜技术。
随着压力的提高，电子的平均自由程縮短，薄膜的质量受到了影响。 尽管如此，常压等离于镀膜技术是对钢铁行业大规模镀膜生产很有前景的 技术，同时与传统的热镀、电镀相比，其薄膜质量也可以达到令人满意的 程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种常压下等离子带钢镀膜的工艺，整个工艺
过程环保，可以实现多种镀膜产品；与带钢真空镀膜相比，工艺过程简单， 投资低。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，
一种常压等离子带钢镀膜工艺，基板巻开巻后进入常压等离子镀膜单 元；采用两个电极，其中高压电极位于钢板的上方，用阻挡层覆盖；运行 的基板位于高压电极下方，基板接地或位于接地电极的上方，通过绝缘物 质阻隔；通过载气通入有机前驱体，气体流量大于0.01sccm;以及反应性 气体，流量大于lsccm，在两个电极间加上交流电或直流电，频率在 200Hz-20KHz之间；介电层或者绝缘层阻挡了电流，产生介电放电；介质 阻挡放电产生等离子，钢板在通过等离子区域时，进行镀膜；基板运行速 率在2~200米/分之间。
所述的基板为冷轧钢巻、镀锌板巻、不锈钢巻或有机预涂钢巻。 又，电极采用的交流电压的频率在200Hz到20kHz范围内可调。
所述的阻挡层可以选用石英、Al203或陶瓷材料。
所述的介质阻挡放电为处于辉光放电、汤森放电或低温等离子三种状 态；优选地，介质阻挡放电保持在汤森放电范围内。
所述的反应性气体采用氦气、氮气、氩气或氧气。其中反应性气体的 通入量由该气体抑制亚稳态的能力决定。
所述的有机前驱体为HMDSO、 HMDS、 SiH4中的一种。
又，本发明所述的有机前驱体通过预热，经载气运送到镀膜系统，发 生反应。
本发明工艺中镀膜后，进行加热或冷却。
常压下，冷放电通常由很多的半径在IOO微米级别的微放电组成，很 容易成弧。电流密度被限制到一定范围内，才能产生等离子。介电阻挡放 电是常压下最容易实现等离子的方法，其放电性质可以使辉光放电、汤森 放电、等离子放电等形式。通常通过两个电极间的气体层及其中间的固体 电介质层来实现。固体电介质可以被当作气体间隙连接的电容。
可以通过采用两种方法来防止常压下产生微放电1)气体预放电， 允许同时发生很多大的雪崩，导致形成大面积放电区域。2)离子和亚稳 态原子、分子轰击形成的阴极二次放电导致的汤森放电。只有汤森放电可
以产生辉光放电。
形成均匀大面积介质阻挡放电(DBD放电、Dielectric barrier discharge)
的方法和条件已经比较清楚，同时很容易扩大化。在特定条件下，DBD可 以覆盖钢板几米宽度，连续运行。
在常压下，反应性气体通过主要载气通入等离子环境，形成薄膜。这 些气体可以是氦气、氩气、或氮气，用来保证均匀的放电。气体的不同影 响了放电物理，尤其是均匀DBD放电物理。常压辉光放电(APGD)通常 使用惰性气体，使用氮气来实现汤森放电(APTD) 。 APGD和APTD的 电极相同，但是最大离子化率明显不同，前者为10—8，后者为10—"。同 时，在氩气(10l3/cm3)或氮气1013/cm3)中的放电脉冲持续的时间和亚稳 态原子或分子的密度也不相同，因此分布的电能取决于用来稳定放电的载 气。频率为10kHz时，氦气中分布的平均电能为0.1W/cm2，氮气中为 5W/cm2。在氦气中，通过增加工作频率可以提高放电中的等离子比例， 但是与氦气相比，氮气的成本要低很多。
通过选择不同的载气、可以实现不同的DBD放电；通过选用不同的 前驱体，可以实现不同的镀膜。
本发明提出采用常压等离子工艺进行带钢镀膜。基板材料可以是冷轧 钢巻、镀锌板巻、不锈钢巻、及有机预涂钢巻等。
钢巻开巻后进入常压等离子镀膜单元；通过载体和有机前驱体，通过 介质阻挡放电产生等离子，钢板在通过等离子区域时，进行镀膜；实现在 碳钢(包括镀锌板)巻、不锈钢巻、有机预涂层钢巻上实现环保、多功能 镀膜。
DBD介质阻挡放电在两个电极间加上交流电，介电层或者绝缘层阻挡 了电流，就会产生介电放电。为了提高镀膜速率，可以采用多组电极，每 组两个电极。其中高压电极位于钢板的上方，用阻挡层覆盖；运行的带钢 位于高压电极下方，与高压电极的间距可以调整、优化；带钢接地，同时 也可以位于接地电极的上方，通过绝缘物质阻隔。
阻挡层可以选用石英、Al203或陶瓷材料。
电极采用的交流电压的频率在200Hz到20kHz范围内可调。DBD可 以处于辉光放电、汤森放电或低温等离子三种状态。最好使其放电保持在汤森放电范围内。
放电气体可以采用氦气和氮气，最好是氮气；同时还可以通入氧气等
反应性气体，其中反应性气体的通入量由该气体抑制亚稳态的能力决定。
为了实现镀膜，需要通入一些前驱体，HMDSO， HMDS、 SiH4等；这些 前驱体可以通过预热单元，经载气运送到镀膜系统，发生反应。
该工艺实现过程中基板的平均的气体温升在几度之间，尤其适用于处 理一些对温度敏感的基板。通过控制过程工艺参数，实现均匀、高速的表 面镀膜。
为进一步提高镀膜的性能，可以在镀膜单元后，进行加热或冷却。 基板(巻)的运行速率在2到200米/分之间。 本发明的有益效果
本发明可以实现环保的生产工艺，整个生产过程中没有废水、废酸、 废碱的排放；整条线可以实现真空镀膜所能实现的Si02、Ti02等镀膜产品、 但是不需要真空单元，投资、运行成本低。
本发明的涉及的产品可以包括TiOx、 SiOx等，可以作为单独的镀膜 产品或者磷化、钝化的替代工艺。这些产品的应用主要有汽车、家电、建 筑、光伏、化学等行业。
图1为本发明一实施例的示意图； 图2为本发明另一实施例的示意图。
具体实施例方式
参见图1，本发明常压等离子带钢镀膜工艺的一实施例，用于单面镀 膜处理。
钢巻开巻后进入常压等离子镀膜单元2;采用多组电极3，每组两个
电极；其中高压电极31位于带钢1的上方，用介电阻挡层4覆盖；运行 的带钢1位于高压电极31下方；带钢l位于接地电极32的上方，通过绝 缘物质6阻隔；在两个电极间加上交(直)流电，介电层阻挡了电流，产 生介电放电；通过载气通入有机前驱体以及反应性气体5，氮气、或氩气、
或氦气、或氧气，流量大于lsccm，在两个电极间加上交流电或直流电， 频率在200Hz-20KHz之间；介电层或者绝缘层阻挡了电流，产生介电放电；
介质阻挡放电产生等离子，钢板在通过等离子区域时，进行镀膜。
再请参见图2，其为本发明工艺的第二实施例，其用于双面镀膜处理。
钢巻开巻后进入常压等离子镀膜单元2;采用多组电极3，每组两个
电极；其中高压电极31位于带钢1的上方，用介电阻挡层4覆盖；运行 的带钢1位于高压电极31下方；在两个'电极间加上交(直)流电，介电 层阻挡了电流，产生介电放电；通过载气通入有机前驱体以及反应性气体 5，通过介质阻挡放电产生等离子，带钢1在通过等离子区域时，进行镀膜。
实施例1
用氮气作为载气、HMDSO作为前驱体产生汤森放电实现带钢镀Si02。 在本实施例中，选用氮气作为载气，DBD产生汤森放电，对冷轧钢巻
镀Si02薄膜。
在DBD段，在常压下，通入20sccm氮气，HMDSO的含量在20ppm， 保证[N20]/[HMDSO]的比例在24左右，以实现Si02薄膜。 电压的频率为6kHz，其放电密度在0.1 2W/cn^之间。 冷轧板以20米/分通过，可实现50 100nmSiO2的镀膜产品。 冷轧板的宽度在300mm范围内时，薄膜厚度波动在3%以内。其薄膜 结构如图1所示，可见其沉积出的为Si02薄膜。
实施例2
用氮气作为载气、SiH4作为前驱体产生汤森放电实现带钢镀Si02。 在本实施例中，选用氮气作为载气，DBD产生汤森放电，对冷轧钢巻
镀Si02薄膜。
在DBD段，在常压下，以5 sccm的速度通入氮气，SiH4的含量保持 在5ppm， 02的含量保持在15ppm。
电压的频率选择1 10kHz范围内，其放电密度在3.4W/cn^之间。距 钢板的范围在1 2mm范围内可调。
冷轧板以10米/分通过，可实现50 100nmSiO2的镀膜产品。 冷轧板的宽度在300mm范围内时，薄膜厚度波动在5%以内。XPS分
析结果表面其表面是Si02结构，折射系数在1.15 1.4范围内。随着钢板速
度的减少，其Si02的纯度在不断提高，最高到98%。
实施例3
用氮气作为载气、TiO[CH3COCH=C(0-)CH3]2作为前驱体产生汤森放 电实现不锈钢巻镀Ti02。
在本实施例中，选用氮气作为载气，TiO[CH3COCH=C(0-)CH3]2作为 前驱体产生汤森放电，对不锈钢巻镀7102薄膜。
在DBD段，在常压下，以5sccm的速度通入氮气，氧气的含量为20 %， TiO[CH3COCH^C(0-)CH3]2的流量保持在0.02 lmol/l之间。
电压的频率选择100kHz，距钢板的范围为lmm。
如果不锈钢板预热到200 300度，以10米/分通过，可实现20 50nm Ti02的镀膜产品。镀膜中氧元素的含量与通入气体中氧气的含量成正比。 随着预热温度的升高，镀层中的Ti一OH的含量逐渐减少。如果采用退火 后处理可以使沉积的T i O 2结构向锐钛矿结构转化。
权利要求
1. 一种常压等离子带钢镀膜工艺，基板卷开卷后进入常压等离子镀膜单元；采用两个电极，其中高压电极位于钢板的上方，用阻挡层覆盖；运行的基板位于高压电极下方，基板接地或位于接地电极的上方，通过绝缘物质阻隔；通过载气通入有机前驱体，气体流量大于0.01sccm；以及反应性气体，流量大于1sccm；在两个电极间加上交流电或直流电，频率在200Hz-20KHz之间；介电层或者绝缘层阻挡了电流，产生介电放电；介质阻挡放电产生等离子，基板在通过等离子区域时，进行镀膜，基板运行速率在2～200米/分之间。
2. 如权利要求1所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，所述的基 板为冷轧钢巻、镀锌板巻、不锈钢巻或有机预涂钢巻。
3. 如权利要求1所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，采用多组 电极，每组两个电极。
4. 如权利要求1所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，电极采用 的交流电压的频率在200Hz到20kHz范围内可调。
5. 如权利要求1所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，所述的阻 挡层选用石英或A1203或陶瓷材料。
6. 如权利要求1所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，所述的介 质阻挡放电为处于辉光放电、汤森放电或低温等离子三种状态。
7. 如权利要求1所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，所述的介 质阻挡放电保持在汤森放电范围内。
8. 如权利要求1所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，所述的反 应性气体采用氦气、氮气、氩气或氧气。
9. 如权利要求1所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，所述的有 机前驱体为HMDSO、 HMDS、 SiH4中的一种。
10. 如权利要求1或9所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，所述 的有机前驱体通过预热，经载气运送到镀膜系统，发生反应。
11. 如权利要求1所述的常压等离子带钢镀膜工艺，其特征是，镀膜后， 进行加热或冷却。
全文摘要
本发明公开了一种常压等离子带钢镀膜工艺，基板卷开卷后进入常压等离子镀膜单元；采用两个电极，其中高压电极位于钢板的上方，用阻挡层覆盖；运行的基板位于高压电极下方，基板接地或位于接地电极的上方，通过绝缘物质阻隔；通过通入有机前驱体及其载气，气体流量大于0.01sccm以及反应性气体，流量大于1sccm，在两个电极间加上交流电或直流电，频率在200Hz-20KHz之间；介电层或者绝缘层阻挡了电流，产生介电放电；介质阻挡放电产生等离子，钢板在通过等离子区域时，进行镀膜。整个工艺过程环保，可以实现多种镀膜产品；与带钢真空镀膜相比，工艺过程简单，投资低。
文档编号C23C16/52GK101376968SQ20071004528
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月27日 优先权日2007年8月27日
发明者傅建钦, 健 张, 杨晓萍, 杨立红 申请人:宝山钢铁股份有限公司