СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ДЕТОНАЦИОННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ ДЕТАЛИ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА
PROCEDURE FOR METALLISATION OF PART OF POLYMER MATERIAL BY DETONATION SPUTTERING

Изобретение относится к области нанесения покрытий, а именно к способам металлизации пластмасс, в частности к способу металлизации детонационным напылением детали из полимерного материала, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например, для металлизации термопластов, в особенности инертных пластиков, таких как фторопласт, полиэтилен, полипропилен и др.
Известны различные способы металлизации пластмасс, см., например, Б.А.Архангельский. Пластические массы. Справочное пособие. - Л.: Судпромгиз, 1961 [1], патент РФ №2214075 (2003 г.) [2], патент США №3309221 (1963 г.) [3], патент РФ №2020777 (1994 г.)[4].
Полимерные материалы обладают рядом особых свойств, обуславливающих их применение в промышленности. Например, фторопласт обладает высокими антифрикционными свойствами, уникальной химической стойкостью, высоким электрическим сопротивлением и т.д. Одно из перспективных направлений использования фторопласта и других полимерных материалов - нанесение антифрикционных или химически стойких покрытий на деталях машин, механизмов, промышленного оборудования, медицинской и бытовой техники. Однако фторопласт обладает исключительно инертной поверхностью, и соединять его напрямую с металлами и другими материалами очень сложно. Например, такой способ как склеивание применять весьма затруднительно, так как никакой клей не может прочно удержаться на его инертной поверхности. Поэтому перед соединением фторопласта с другими материалами проводят предварительную обработку его поверхности. Для придания поверхности фторопласта активности (адгезионных свойств) с целью последующей металлизации или соединения с другими материалами используют различные методы. Металлизацию после активации, как правило, производят гальваническим методом или склеиванием.
Общим недостатком многих известных способов металлизации является необходимость использования агрессивных, высокотоксичных, пожароопасных веществ для активации поверхности пластика перед металлизацией. Кроме того, сам процесс обработки, как правило, является сложным и дорогостоящим. Например, согласно [1, стр.93] для придания поверхности фторопласта-4 активности перед металлизацией проводят обработку его поверхности раствором металлического натрия в жидком аммиаке. Процесс требует низкой температуры и полного отсутствия влаги в растворителе и в воздухе. Кроме того, срок хранения растворов даже в герметичной таре не превышает одного месяца. Согласно [2] перед металлизацией полимерной поверхности на нее наносят электропроводный полимерный слой, легированный содержащим олово коллоидным раствором палладия, и электропроводный слой обрабатывают солью меди. Саму полимерную поверхность перед нанесением на нее электропроводного полимерного слоя подвергают обработке водным раствором щелочи, органического растворителя или щелочного растворителя. Недостатком этого способа является, опять же, использование токсичных и пожароопасных веществ, а также сложность и многостадийность операции металлизации. Согласно [3] для активации поверхности фторопласта ее обрабатывают ультрафиолетовым облучением с длиной волны 1800Å или меньше. Источником такого излучения является тлеющий разряд низкого давления. В данном способе облучаемые материал (деталь) помещается в специальную камеру, откуда откачивают воздух с целью снижения содержания кислорода, поглощающего ультрафиолетовые лучи и препятствующего их попаданию на поверхность полимера. После такой обработки поверхность полимера становится активной, и ее соединяют с металлами или другими материалами клеевым способом или металлизируют гальваническим способом. Недостатком данного способа является его сложность и низкая производительность, связанная с помещением полимера в специальную камеру и откачкой воздуха, а также ограничение по размеру обрабатываемого образца, связанного с размером камеры и источником излучения. В [4] предложен способ металлизации фторопласта, включающий очистку подложки в органическом растворителе, размещение подложки в реакционной камере с испарителем, ее обработку в плазме высокочастотного (ВЧ)-разряда, нанесение на поверхность подложки адгезионного слоя и гальваническое наращивание меди. Этот способ также имеет недостатки, присущие другим химическим методам (токсичность и пожароопасность используемых веществ). Кроме того, в [4], также как и в [3], требуются специальные камеры с откачкой атмосферного воздуха, что усложняет технологию металлизации, снижает ее производительность и ограничивает размеры обрабатываемых изделий.
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ металлизации полимерного материала детонационным напылением, описанный в кн. Зверев А.И. и др. Детонационное нанесение покрытий, Ленинград: Судостроение, 1979, страницы 5, 109, 110 [5]. Известный способ включает предварительную модификацию поверхности полимерного материала и последующее нанесение металлического слоя.
Недостатком известного способа является низкая адгезия металлического покрытия и низкая производительность процесса.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение адгезии металлического слоя (покрытия) и повышение производительности процесса металлизации.
Для решения поставленной задачи, сущность заявляемого изобретения заключается в том, что, в отличие от известного способа металлизации полимерного материала детонационным напылением, включающего предварительную модификацию поверхности полимерного материала и последующее нанесение металлического слоя, согласно изобретению предварительную модификацию поверхности полимерного материала осуществляют путем разгона частиц металла ударной волной, образующейся перед фронтом детонации и внедрения их в поверхность полимерного материала. Последующее нанесение металлического слоя на модифицированную поверхность проводят потоком вышеупомянутых частиц, которые разгоняют продуктами детонации газовой смеси.
Кроме того, на этот нанесенный металлический слой наносят следующий слой или слои металла требуемой толщины, в зависимости от конкретных задач.
Кроме того, на нанесенный металлический слой наносят слой другого металла или других металлов, или сплавов в необходимой последовательности (многослойное полиметаллическое напыление).
Кроме того, на нанесенный металлический слой наносят композиты и/или керамику.
Кроме того, осуществляют режим напыления в ходе процесса металлизации автоматически по заданной программе для каждого конкретного случая (изделия).
Кроме того, обрабатываемую деталь размещают на специальном манипуляторе, а затем, в процессе напыления, перемещают или вращают на нем деталь, причем это вращение или перемещение синхронизируют с работой детонационной установки.
Технический эффект, который может быть получен в результате применения изобретения, заключается в повышении адгезии металлического слоя и повышении производительности процесса металлизации.
Поскольку частицы в ударной волне разгоняются и нагреваются гораздо меньше, чем в потоке продуктов детонации, эрозия поверхностного слоя полимера отсутствует. Так происходит потому, что частицы разгоняются не в потоке горячих продуктов детонации, а во фронте ударной волны, движущейся по стволу перед фронтом детонации.
Для каждого конкретного изделия (материала подложки, наносимого металла и т.д.) путем подбора скорости и температуры металлических частиц, разгоняемых в стволе установки детонационного напыления, достигается такой режим их столкновения с полимерной деталью, при котором они (частицы) внедряются в поверхностный слой и остаются в нем, не вызывая эрозии поверхности пластика.
После такой обработки поверхность пластика представляет собой высоко насыщенную металлическими частицами металло-полимерную смесь.
Затем, после такой модификации поверхности детонационным напылением, с помощью той же установки детонационного напыления, наносят слой металла в таких условиях, что частицы разгоняются и нагреваются в потоке газообразных продуктов детонации; при этом (при соударении) частицы напыляемого металла образуют прочную металлическую связь с ранее внедренными в поверхность пластика частицами металла, образуя слой прочного металлического покрытия, который, благодаря высокой когезии с внедрившимися в поверхность пластика частицами из того же металла, образует прочное покрытие.
Для обеспечения высокой прочности связи в покрытии (когезии) режим напыления на модифицированную поверхность (скорость и температуру частиц) в общем случае изменяют, обеспечивая разгон частиц в стволе уже горячими продуктами детонации. Ударно-волновой или классический «детонационный» режим напыления обеспечивается регулированием объема и (или) состава подаваемой в ствол детонирующей газовой смеси в зависимости от конкретного наносимого материала и материала подложки (пластмассы, пластика).
Предлагаемый способ обеспечивает высокую адгезию металлического покрытия, поскольку прочность обеспечивается металлической связью между частицами, внедрившимися в поверхность полимера, и частицами последующих слоев. Например, прочность связи алюминиевого покрытия с подложкой из фторопласта-4 достигает 8 МПа. Путем послойного напыления толщину металлического покрытия можно сделать сколь угодно большой. Кроме того, на нанесенный металлический слой можно наносить различные металлы, сплавы, композиты и керамику, создавая композиционные многослойные материалы с основой из пластика.
Вместе с тем осуществление режима напыления с непрерывным переходом от первого этапа ко второму в ходе процесса металлизации автоматически, по заданной для каждого конкретного случая программе, позволяет реализовать установку типа компьютерного детонационного комплекса, что дает возможность выполнять весь процесс металлизации непрерывно в автоматическом режиме и получать конечный продукт на одной установке на одном и том же рабочем месте. Обрабатываемая деталь при этом закрепляется с возможностью перемещения и вращения на специальном манипуляторе, при этом перемещение и вращение синхронизировано с работой детонационной установки.
Преимуществом заявляемого детонационного способа металлизации перед другими газотермическими методами (газопламенное, плазменное напыление и др.) является импульсный характер работы детонационной установки. Детонационное напыление производится в циклическом режиме со скоростью, как правило, несколько циклов (выстрелов) в секунду. Это позволяет выбором числа выстрелов (циклов) в единицу времени исключить перегревание подложки из пластика с тем, чтобы избежать его плавления или разложения.
В предлагаемом способе после обработки с манипулятора снимается уже готовая деталь, что обеспечивает высокую производительность процесса.
Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с известными способами является высокая адгезия металла к подложке при отсутствии эрозии последней, отсутствие агрессивных и огнеопасных веществ в производстве, что значительно улучшает условия труда и техники безопасности, высокая производительность, возможность металлизировать большие площади изделий, а также возможность создавать многослойные композиции с нанесенными на пластиковую основу слоями из металлов, сплавов, композиционных материалов и керамик.
Источники информации
1. Б.А.Архангельский. Пластические массы. Справочное пособие. - Л.: Судпромгиз, 1961.
7
2. Хупе Ю., Фикс С., Штайниус О. Способ нанесения металлического покрытия на подложки // патент РФ №2214075, опубл. 10 октября 2003 г. / МПК Н05К 3/42, Н05К 3/18, C25D 5/56.
3. Gordon R. Smith. Surface activation of passive polymers and articles produced thereby // патент США №3309221 от 25 марта 1963 г.
5
4. Захаров В.Р., Ростова Г.С., Додонов В.А., Титов В.А. Способ металлизации подложки из фторопласта // патент РФ №2020777 от 30 сентября 1994 г. / МПК Н05К 3/38, С23С 14/24.
5. Зверев А.И. и др. Детонационное нанесение покрытий, Ленинград: Судостроение, 1979, страницы 5,109,110.