摘要：本文結(jié)合復(fù)合材料表面金屬化介紹了電弧離子鍍膜技術(shù)的原理和特點(diǎn)，并指出了復(fù)合材料表面金屬化需要注意的問題，也介紹了作者所屬單位就復(fù)合材料表面電弧離子鍍膜技術(shù)開展的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜型面制件的表面金屬化，且所鍍薄膜均勻致密、結(jié)合牢固、厚度可控。

    關(guān)鍵詞：電弧離子鍍 復(fù)合材料 Al 膜

    復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化制件由于具有重量輕、比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能好、可設(shè)計性強(qiáng)等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而越來越成為航空、航天和其他國防領(lǐng)域中的重要零件，為實(shí)現(xiàn)某些特定的功能，需要對復(fù)合材料表面進(jìn)行處理，其中應(yīng)用比較廣泛的一種處理手段就是表面金屬化。實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料表面金屬化的方法有很多，包括化學(xué)鍍、電鍍、熱噴涂、真空鍍膜等，其中真空鍍膜還可細(xì)分為蒸發(fā)鍍膜、磁控濺射、電弧離子鍍膜等。由于結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料制件的尺寸可能會很大，而且曲面可能會很復(fù)雜，這就為真空鍍膜法實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料表面金屬化帶來兩個突出的問題，一是靶基距的變化范圍會很大，二是金屬薄膜的厚度均勻性較難控制。電弧離子鍍膜技術(shù)是一個比較好的選擇，其優(yōu)點(diǎn)是沉積粒子能量高作用距離遠(yuǎn)、繞射性好作用范圍大、金屬薄膜結(jié)合力高、沉積速度快等，比較適用于結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料制件的表面金屬化。

    本文將簡要介紹復(fù)合材料表面電弧離子鍍膜技術(shù)的原理和特點(diǎn)，同時將簡要介紹作者所屬單位的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    一、電弧離子鍍膜技術(shù)簡介

    電弧離子鍍膜（Arc Ion Plating，AIP）就是將電弧技術(shù)應(yīng)用于真空鍍膜中，在真空環(huán)境下在陰極靶材與真空室形成的陽極之間引發(fā)弧光放電，利用弧光放電蒸發(fā)靶材物質(zhì)，并沉積到制件表面實(shí)現(xiàn)鍍膜的過程。電弧離子鍍膜技術(shù)在20 世紀(jì)得到了長足的發(fā)展，尤其在20 世紀(jì)70 年代后期，前蘇聯(lián)和美國的科學(xué)家針對工業(yè)應(yīng)用對其開展了廣泛的研究，并在20 世紀(jì)80 年代實(shí)現(xiàn)了電弧離子鍍膜技術(shù)在硬質(zhì)薄膜、裝飾薄膜方面的產(chǎn)業(yè)化，目前在這兩個領(lǐng)域的應(yīng)用已頗具規(guī)模。在最近二十年，電弧離子鍍膜技術(shù)已開始向光學(xué)、電學(xué)薄膜等應(yīng)用方面發(fā)展。

    弧光放電會形成在陰極靶材表面無規(guī)則運(yùn)動的弧斑，弧斑的電流密度高達(dá)1012A/m2 量級，能量密度高達(dá)1013W/m2 量級，高能量密度直接導(dǎo)致了弧斑處靶材物質(zhì)從固相向金屬蒸氣等離子體的轉(zhuǎn)變，該金屬等離子體用于沉積薄膜有以下幾個特點(diǎn)：（1）可鍍多種金屬，尤其是難熔金屬（如鎢、鉭等），這是其它物理氣相沉積（PVD）技術(shù)所難以實(shí)現(xiàn)的；（2）與其他PVD 技術(shù)的沉積物以中性粒子為主不同，陰極弧斑能產(chǎn)生大量帶電（單電荷或多電荷）粒子，離子能被加速、約束、沿特定方向運(yùn)動，沉積在制件表面；（3）由陰極弧斑產(chǎn)生的離子初始能量在20~200eV 之間，在薄膜沉積過程中，會發(fā)生轟擊效應(yīng)，增強(qiáng)了沉積粒子的擴(kuò)散能力和成核密度，同時剝?nèi)チ吮∧け砻娼Y(jié)合松散的粒子，部分消除了柱狀晶和薄膜的內(nèi)應(yīng)力，故有增加薄膜表面活性、使薄膜致密化等效果；（4）陰極弧斑在產(chǎn)生帶電粒子，形成等離子體的同時，也會生成大量的液滴和碎片，而其他PVD 技術(shù)生成的大顆粒很少。因此電弧離子鍍膜技術(shù)具有薄膜致密、結(jié)合力高等優(yōu)點(diǎn)，此外，還能在復(fù)雜表面實(shí)現(xiàn)薄膜沉積。電弧離子鍍膜技術(shù)最大的缺點(diǎn)是較大的熔滴也會沉積到薄膜表面，導(dǎo)致薄膜表面比較粗糙，影響薄膜性能。但隨著磁過濾技術(shù)的不斷發(fā)展，已可以很好地控制較大的熔滴，避免其沉積到薄膜表面，目前電弧離子鍍膜技術(shù)沉積的薄膜的表面質(zhì)量已接近其他PVD 技術(shù)，這也是電弧離子鍍膜技術(shù)得以在光學(xué)、電學(xué)薄膜等領(lǐng)域得到應(yīng)用的重要原因。

    二、復(fù)合材料表面真空鍍膜的兩個問題

    相比于金屬或者半導(dǎo)體材質(zhì)的制件，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化制件不能耐受高溫，而且部分功能制件對型面精度要求很高，因此復(fù)合材料真空鍍膜時不允許使用高溫，以免引起材料破壞和型面精度降低。但是較高的沉積溫度對于獲得牢固和致密的金屬薄膜是非常有利的，從獲得高質(zhì)量薄膜的角度又希望使用較高的溫度。解決這一矛盾的一個可行的途徑是在薄膜沉積前利用離子源清洗等技術(shù)手段對復(fù)合材料表面進(jìn)行原位活化處理，提高表面活性以增大金屬薄膜與基底的結(jié)合力。

    對于大尺寸復(fù)合材料制件，真空鍍膜過程中的材料出氣也是一個關(guān)鍵問題，對于出氣率較高的材料可能引起金屬薄膜的氧化等系列問題，進(jìn)而影響金屬薄膜的表觀質(zhì)量和電學(xué)性能等，因此需要采取預(yù)出氣等技術(shù)手段對復(fù)合材料進(jìn)行處理。

    三、復(fù)合材料表面電弧離子鍍膜應(yīng)用示例

    在作者所屬單位，利用電弧離子鍍膜技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)在大型復(fù)合材料制件表面沉積Al膜，所得薄膜顏色光澤均勻一致、厚度均勻可控、導(dǎo)電性能接近塊體鋁材、與基底結(jié)合牢固。

    利用電弧離子鍍膜技術(shù)在復(fù)合材料表面沉積Al 膜的試驗(yàn)步驟如下：

    （1）清洗復(fù)合材料表面，用無塵布蘸乙醇擦洗3-5 遍，自然晾干；

    （2）將復(fù)合材料制件連接固定在真空室的鍍膜工裝上；

    （3）抽本底真空至優(yōu)于5×10-3Pa；

    （4）離子源清洗復(fù)合材料表面；

    （5）電弧離子鍍膜；

    （6）真空室通大氣，取出復(fù)合材料制件。

    電弧離子鍍膜時的工藝參數(shù)如下：

    （1）氣體壓力為1.1~1.5×10-1Pa；

    （2）放電弧壓為45~50V；

    （3）放電弧流為50~55A；

    （4）復(fù)合材料表面距電弧源距離為0.3-1m。

    復(fù)合材料表面電弧離子鍍Al 膜后的局部外觀見圖1。由圖1 可看出，Al 膜均勻致密，幾乎沒有熔滴，薄膜的表面形貌都是復(fù)合材料基體表面形貌的映射。利用Wyko NT9300 光學(xué)輪廓儀觀察了Al膜的表面形貌，見圖2，可見薄膜表面平整、厚度均勻，并得到了其表面粗糙度Ra 為0.145μm。

    圖1 復(fù)合材料表面電弧離子鍍Al膜外觀

    圖2 復(fù)合材料表面電弧離子鍍Al膜微觀形貌

    利用臺階儀測試了復(fù)合材料表面Al 膜的厚度，樣品分別取自粘貼在制件不同部位的載玻片，測試結(jié)果見表1，計算可知薄膜的厚度均勻性較好，厚度公差小于10%。

    薄膜與基體間結(jié)合力的強(qiáng)弱是評價薄膜質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，如果結(jié)合力較弱，則薄膜容易起皺或從基體表面剝落。結(jié)合力測試方法有多種，包括拉張法、拉帶法、劃痕法、摩擦法、超聲波法、離心力法等，其原理都是把力加到薄膜上使薄膜從基底上脫落。考慮到鍍在復(fù)合材料表面的Al膜是一種典型的軟膜，而該薄膜實(shí)際應(yīng)用中所受的力主要為剪切力，因此我們采用拉帶法來評價Al膜與復(fù)合材料基底的結(jié)合力。拉帶法的具體實(shí)施方法為采用剝離強(qiáng)度為7N/cm 的膠帶，均勻、密實(shí)地緊貼在薄膜表面，距邊緣不小于3mm，用手拉起膠帶一端并使膠帶與薄膜表面成90°，勻速緩慢（約5mm/s）地將膠帶拉離薄膜表面，觀察薄膜有無剝落或損壞。薄膜完好無脫落時，視為薄膜與復(fù)合材料結(jié)合良好，符合使用要求；薄膜有脫落時，視為結(jié)合力不符合使用要求。利用拉帶法在復(fù)合材料制件表面不同位置處進(jìn)行了結(jié)合力測試，結(jié)果表明Al 膜與復(fù)合材料結(jié)合牢固，滿足要求。

    利用萬用表在復(fù)合材料制件表面不同位置處任意兩點(diǎn)作為測試點(diǎn)進(jìn)行測試，結(jié)果均為導(dǎo)通，說明所鍍Al膜導(dǎo)電性較好。利用四探針法測試了粘貼在復(fù)合材料制件表面不同部位的陪樣上的Al 膜的電阻率，結(jié)果見表2，與Al 塊材的電阻率2. 66×10-8Ω·m 為同一數(shù)量級。

    四、結(jié)束語

    電弧離子鍍膜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜型面的復(fù)合材料制件的表面金屬化，薄膜質(zhì)量高，均勻致密、結(jié)合牢固、厚度可控，具有廣闊的應(yīng)用前景，但該技術(shù)也存在需要大型設(shè)備、成本較高、周期較長等限制因素。

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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