塑料基體上真空離子鍍TiN膜的微觀組織特征

劉艷輝，王安舒，高景龍，金 光

(沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110159)

引 言

將塑料表面覆蓋一層薄膜，使之具有許多優(yōu)良性能，如表面增強、導電、導磁、導熱、屏蔽、裝飾及釬焊等，開拓了這些材料應用的新領(lǐng)域［1］?；瘜W鍍是塑料鍍膜應用最早最廣泛的技術(shù)，但化學鍍前的加工處理僅是為了使材料表面形成一層具有催化活性的貴金屬粒子吸附膜，促使化學鍍銅或化學鍍鎳的反應在塑料表面進行，工藝復雜冗長，價格昂貴，且具有毒性，其應用受到一定了的限制［2-3］。

真空鍍膜常用的方法有真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜和真空離子鍍膜三種。其中真空蒸發(fā)鍍膜顯著的缺點是沉積溫度高，而塑料耐高溫性能差。濺射鍍膜沉積溫度顯著低于真空鍍膜，但是膜層疏松多孔，力學性能差，膜與基體界面結(jié)合強度低［4］。真空離子鍍膜是蒸發(fā)工藝與濺射技術(shù)的結(jié)合，它是在鍍膜形成的同時采用荷能離子轟擊工件表面和膜層，使得鍍膜層與基體結(jié)合力好，不易脫落。由于金屬原子的能量低于蒸鍍時的能量，即使是耐熱性較差的塑料，在其表面也可生成穩(wěn)定性良好的薄膜［5］。為了拓展塑料膜層技術(shù)，本文采用電弧離子鍍設備在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面制備了TiN涂層，并研究其表面形貌組成等。

1 實驗

采用UVN 0.5D2I型電弧離子鍍膜機(俄羅斯科學院)制備TiN涂層。用99.999%的Ti為靶材，在規(guī)格為20mm×20 mm×5 mm的PMMA表面鍍上TiN薄膜。鍍前處理用乙醇水溶液［V(乙醇)∶V(H2O)=1∶1］超聲清洗5min，在40℃條件下真空干燥5h后放入真空室。電弧離子鍍沉積參數(shù):負偏壓為70V，電弧電流68A，N2氣氛，壓力 0.3Pa，沉積t為30min。

采用日立S-3400N型掃描電鏡及美國KEVE型能譜分析儀分析膜層表面形貌和化學成分;用日本理學D/max-2500/PC型衍射儀確定膜層的相結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiN膜層的表面形貌

圖1 為PMMA基體鍍膜前放大4000倍的掃描電鏡(SEM)表面形貌照片，從圖1可以看出，經(jīng)清洗處理后基材PMMA表面光滑平整、無裂痕。

圖1 基體的SEM照片

PMMA鍍膜后表面明顯沉積一層具有黃色金屬光澤的膜層，并且變得不透明。圖2為PMMA基體鍍膜后不同放大倍數(shù)的SEM表面形貌照片。

圖2 TiN膜層SEM照片

從圖2可以看出，在較低的放大倍數(shù)［圖2(a)］下，膜層表面相對平整、結(jié)構(gòu)致密、晶粒細小，但放大到2000倍［圖2(b)］和4000倍［圖2(c)］時可以看出，膜表面有很多白色的、形狀不規(guī)則的顆粒。這是因為通過電弧加熱靶材，由于弧斑分布不均勻，極容易造成較大的鈦金屬液滴，這種液滴形成后未反應完全就直接沉積到薄膜上，這也是離子鍍膜技術(shù)的不足之處。

在圖2(b)區(qū)域1和區(qū)域2進行了電子散射能譜分析(EDS)，區(qū)域1為表面顆粒成分分析，區(qū)域2為表面膜成分分析。顆粒及鍍膜成分分析如表1所示。從表1中可以看出，顆粒中Ti的成分為100%，表面顆粒由純金屬粒子組成，而薄膜中n(鈦)∶n(氮)接近3∶1，說明鈦與氮離子反應不完全，一部分Ti以細小的粒子形式存在于膜層表面。

表1 TiN膜表面成分分析

2.2 TiN膜層分析

采用X-射線衍射儀(XRD)對PMMA表面TiN膜層進行分析。圖3是TiN膜層的XRD譜圖。

圖3 TiN膜層的XRD譜圖

由圖3可以看出，PMMA表面鍍上TiN膜層后，在2θ=10～25°、2θ=25～37°和2θ=37 ～45°范圍內(nèi)有三個較彌散的峰，由于膜層較薄，大而寬的衍射峰將TiN特征峰遮蓋，但結(jié)合膜層表面顏色及能譜分析，仍然可以說明TiN的存在，此外還可說明這種體系中存在一定程度的短程有序結(jié)構(gòu)［6-7］。

3 結(jié)論

采用電弧離子鍍工藝成功地在PMMA基材上制備了TiN鍍層，鍍層表面外觀細致平整，具有黃色金屬光澤，但在SEM下觀察，鍍膜表面有一些白色的形狀不規(guī)則的金屬Ti顆粒。XRD和EDS分析表明，TiN膜中含有少量的Ti成分，在PMMA表面鍍上一層TiN鍍層后，體系中存在一定程度的短程有序結(jié)構(gòu)。

［1］陳永言，陳松，何正平，等.介電材料表面金屬化技術(shù)的發(fā)展概況［J］.材料保護，2001，34(6):1-3.

［2］劉崢，肖順華，林原斌.ABS塑料表面化學鍍鎳無鈀活化工藝研究［J］.材料保護，2006，39(11):29-31.

［3］舒暢，謝光榮，朱有蘭.ABS塑料電鍍 Ni-W合金［J］.電鍍與涂飾，2010，29(7):5-8.

［4］聞立時，黃榮芳.離子鍍硬質(zhì)膜技術(shù)的最新進展和展望［J］.真空，2000，(1):1-11.

［5］白秀琴，李健，嚴新平，等.真空鍍膜技術(shù)在塑料表面金屬化上的應用［J］.武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2005，29(6):947-950.

［6］Yoou B G，F(xiàn)ranklin C N H.Adhesion improvements for diamond-like carbon films on polycarbonate and polymethylmethacrylate substrates by ion plating with inductively coupled plasma［J］.Diamond and Related Materials，2003，12:946-952.

［7］Benmalek M，Dunlop H M.Inorganic coatings on polymers［J］.Surface and Coatings Technology，1995，(76-77):821-826.