陰極等離子源對(duì)太陽(yáng)選擇性吸收涂層金屬基材表面清潔的研究

威海藍(lán)膜光熱科技有限公司 ■ 陳剛 裴宏偉 祝明

0 引言

現(xiàn)今，隨著我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)目標(biāo)的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)能源的弊端日益凸顯，霧霾、酸雨現(xiàn)象頻現(xiàn)，再加之各地能源供給緊張，嚴(yán)重影響了國(guó)民健康及國(guó)家發(fā)展。太陽(yáng)能作為大自然饋贈(zèng)給人類的清潔能源，日益受到關(guān)注。特別是在太陽(yáng)能光熱領(lǐng)域，太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能熱發(fā)電等技術(shù)不斷得到發(fā)展與完善，正日益改善著人們的生活。太陽(yáng)選擇性吸收涂層作為光熱利用的關(guān)鍵薄膜涂層，越來(lái)越受到重視，若要得到高質(zhì)量的太陽(yáng)選擇性吸收涂層，基材的清潔處理至關(guān)重要，因其直接關(guān)系到涂層的使用壽命。傳統(tǒng)的基材清洗方式主要是采用酸堿洗劑的刷洗，容易因化學(xué)試劑的殘留而造成基材的二次污染，為此，我公司進(jìn)一步研發(fā)出了等離子源清潔技術(shù)，提高了基材表面的清潔程度。

等離子源是使氣體中的中性原子或分子發(fā)生電離，并從中引出等離子源電子束的裝置。而等離子源電子束在真空鍍膜中的一項(xiàng)重要應(yīng)用就是對(duì)鍍膜基體進(jìn)行真空內(nèi)在線清潔處理。采用等離子源電子束清潔，可在無(wú)外部環(huán)境污染的條件下對(duì)鍍膜基材表面殘留的水分子、碳?xì)浠衔锓肿舆M(jìn)行高能激發(fā)，使其脫離被鍍基體或在高能條件下發(fā)生分解反應(yīng)，進(jìn)而提高基體表面的清潔程度。同時(shí)，由于高能粒子的激發(fā)作用，基體表面分子處于一種受激的活躍狀態(tài)，其表面勢(shì)能得到明顯提升，使鍍膜材料能夠更好地與基材表面結(jié)合，提高其分子間范德華力，在特殊膜系中，其薄膜本身的硬度與耐磨耐蝕特性也會(huì)得到改善。本文主要研發(fā)出一種適用于大型基材的、具有匯聚作用的新型等離子源，以改善太陽(yáng)選擇性吸收涂層基材鍍膜前的清潔狀態(tài)及表面活性。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本研究主要利用磁控濺射原理及磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛作用，配合電磁場(chǎng)壓縮作用，制造出一種陰極等離子源，并且該陰極等離子源的工作壓強(qiáng)可在10-4～10-3Torr (1 Torr=133.322 Pa)之間，其放電電壓在100 V左右。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為使太陽(yáng)選擇性吸收涂層獲得更好的膜層結(jié)合力，本文主要研究一種可以清洗太陽(yáng)選擇性吸收涂層基材的陰極等離子源。此研究主要是在真空磁控濺射陰極的基礎(chǔ)上，探究如何利用電磁場(chǎng)壓縮理論來(lái)改善放電條件；并在放電條件得到改善的基礎(chǔ)上，通過(guò)研發(fā)等離子源電子束匯聚導(dǎo)出結(jié)構(gòu)，得到高能匯聚等離子源電子束，以便清洗太陽(yáng)選擇性吸收涂層基材。

本文在本底值為9.2×10-6Torr時(shí)進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)1為標(biāo)準(zhǔn)磁控陰極放電實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)2是在實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上利用電磁場(chǎng)壓縮原理來(lái)改善真空放電條件；實(shí)驗(yàn)3是在實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上獲得高能匯聚等離子源電子束，以便在真空下對(duì)基材進(jìn)行清洗。

2.1 實(shí)驗(yàn)1

制作標(biāo)準(zhǔn)磁控濺射陰極，其陰極表面最高磁場(chǎng)為230～250 Gs，除正面磁場(chǎng)可穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料，基距L采用標(biāo)準(zhǔn)的120 mm，如圖1所示。在不同真空度條件下，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置分別充入50、70、90、110 sccm的氬氣，以形成不同的等離子體，并觀察其放電現(xiàn)象。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)磁控陰極實(shí)驗(yàn)示意圖

電源功率為0.5 kW時(shí)，實(shí)驗(yàn)1參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)1參數(shù)

由表1可知，在標(biāo)準(zhǔn)磁控濺射條件下，充入氬氣后，當(dāng)真空度低于9.8×10-4Torr時(shí)，電壓極大，無(wú)法起輝光；當(dāng)真空度大于或等于9.8×10-4Torr時(shí)，陰極起輝，且輝光穩(wěn)定，起輝電壓在240 V左右，起輝電流為2 A。由此可知，當(dāng)真空度大于或等于9.8×10-4Torr時(shí)，無(wú)論是電壓，還是電流，均處于標(biāo)準(zhǔn)磁控濺射范圍內(nèi)，輝光處于陰極表面附近。

2.2 實(shí)驗(yàn)2

如圖2所示，制作標(biāo)準(zhǔn)磁控濺射陰極，其陰極表面最高磁場(chǎng)為230～250 Gs，除正面磁場(chǎng)可穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料，基距L采用標(biāo)準(zhǔn)的120 mm，陰極四周采用凸起結(jié)構(gòu)，L1為磁場(chǎng)壓縮寬度。該架構(gòu)的目的是利用電磁場(chǎng)壓縮原理來(lái)改善放電條件。在相同真空度條件下往實(shí)驗(yàn)裝置充入90 sccm的氬氣，在電源功率為0.5 kW時(shí)進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。

圖2 磁場(chǎng)壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)2參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)2參數(shù)

由表2可知，隨著L1的增大，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的放電電壓在逐步降低，放電電流逐步增大，即電子在裝置內(nèi)得到匯聚，使得裝置更容易放電。由此可見(jiàn)，電子的匯聚是由凸起引起的。裝置中的凸起結(jié)構(gòu)的目的是為了在裝置周邊構(gòu)成一個(gè)小的負(fù)電位等勢(shì)場(chǎng)，該等勢(shì)場(chǎng)同陰極處于同一電位水平，當(dāng)磁控濺射陰極開(kāi)始激發(fā)等離子濺射時(shí)，其空間內(nèi)的原子被大量電離，電子在磁場(chǎng)的作用下進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)，從而造成“雪崩”效應(yīng)，進(jìn)入二次放電階段。但陰極區(qū)域電離產(chǎn)生的電子在等電位凸起部位，由于其受到負(fù)電位的排斥作用而將此區(qū)域的電子進(jìn)行向內(nèi)螺旋壓縮，這就造成陰極中心區(qū)域出現(xiàn)高密度電子群，該區(qū)域內(nèi)電子與氣體碰撞概率加大，使放電條件得到改善。

當(dāng)L1在30 mm以內(nèi)時(shí)，其壓縮的電子無(wú)法進(jìn)入到磁感線范圍內(nèi)，其壓縮的電子并未獲得充分的二次碰撞機(jī)會(huì)(如圖3所示) ，此時(shí)放電電壓基本保持在240 V左右，依舊屬于標(biāo)準(zhǔn)磁控濺射范圍內(nèi)。

圖3 L1＜30 mm時(shí)的輝光效果圖

如圖4所示，當(dāng)L1在30～40 mm時(shí)，部分被壓縮的電子開(kāi)始有切割磁感線的趨勢(shì)，該趨勢(shì)破壞了原有的放電條件，此時(shí)輝光出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，有向兩邊散射趨勢(shì)，該趨勢(shì)可理解為輝光線路上獲得了密度更高的電子，而放電電壓開(kāi)始逐漸下降。由此可見(jiàn)，在不改變真空環(huán)境的條件下，放電條件得到改善。

當(dāng)L1在50～60 mm時(shí)，此時(shí)被壓縮進(jìn)入磁場(chǎng)范圍內(nèi)的電子增多，原有在陰極附近的輝光完全消失，出現(xiàn)兩條明顯向外發(fā)射的輝光，且輝光較為穩(wěn)定。該輝光可以看作是由于壓縮區(qū)間電子密度急劇上升引起的，此時(shí)放電電壓降低到110 V左右?？梢?jiàn)，放電條件得到明顯改善，且放電電壓低于磁控濺射的電壓，即可稱其為“類磁控濺射”。

圖4 L1≥30mm時(shí)的輝光效果圖

2.3 實(shí)驗(yàn)3

圖5 陰極等離子源裝置示意圖

如圖5所示，制作標(biāo)準(zhǔn)磁控濺射陰極，其陰極表面最高磁場(chǎng)為230～250 Gs，除正面磁場(chǎng)穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料；基距L采用標(biāo)準(zhǔn)的120 mm，陰極四周采用凸起結(jié)構(gòu)，凸起上設(shè)有觀察窗，以便觀察內(nèi)部放電情況；陰極前端采用屏蔽材料覆蓋，且中間開(kāi)有5 mm空隙；基材置于陰極前端，且處于陽(yáng)極電位；基材后安裝磁鐵，其表磁強(qiáng)度為200～220 Gs(除正面磁場(chǎng)穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料)；在電源功率為0.5 kW時(shí)，90 sccm氬氣直接通入陰極內(nèi)部。

該實(shí)驗(yàn)的目的是將陰極產(chǎn)生的電子大量匯聚到基材表面，通過(guò)高能電子束達(dá)到清潔基材表面、提高表面材料活性的目的。

實(shí)驗(yàn)3參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)3參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)3中，當(dāng)在陰極前部安裝屏蔽罩板后，類磁控濺射產(chǎn)生的濺射物質(zhì)很難從陰極內(nèi)沉積到基材上，同時(shí)由于外部磁場(chǎng)的引入，使得內(nèi)部向內(nèi)聚集的等離子束只能通過(guò)孔隙向陽(yáng)極基材涌出，而外部磁場(chǎng)起到對(duì)等離子體的束縛作用，如圖6所示。

在氫氣中通入一定的氧氣，氧氣分子在等離子體作用下成為激活的氧分子或原子氧，活性氧與基材表面的油(碳－氫分子)作用，形成易揮發(fā)物，如二氧化碳，再由真空泵抽走，由此起到清潔基材的功能。

圖6 陰極等離子源輝光效果圖

由表3可知，在該實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)L1＜30 mm時(shí)，由于屏蔽罩板已經(jīng)切入陰極磁感線范圍，阻斷了電子沿磁感線方向的螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡，造成其無(wú)法與更多的氬原子碰撞產(chǎn)生“雪崩效應(yīng)”，無(wú)法產(chǎn)生大量等離子體，因此，透過(guò)觀察窗可以看到陰極內(nèi)部無(wú)輝光產(chǎn)生，也就是不存在大量電離現(xiàn)象；當(dāng)L1逐漸增大到30～40 mm時(shí)，磁場(chǎng)的束縛作用突顯，大量電離現(xiàn)象產(chǎn)生，這與實(shí)驗(yàn)2類似；當(dāng)L1達(dá)到50～60 mm，內(nèi)部輝光穩(wěn)定，同時(shí)由于外部磁場(chǎng)的作用，使得等離子電子束通過(guò)孔隙向外匯聚，形成一定密度等離子電子束。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用實(shí)驗(yàn)3的陰極等離子源裝置對(duì)太陽(yáng)選擇性吸收涂層的鋁質(zhì)基材進(jìn)行清潔測(cè)試。一組未做真空陰極等離子源電子束轟擊清潔，一組采用真空陰極等離子源電子束轟擊清潔，并采用SEM形貌進(jìn)行分析。未做真空陰極等離子源電子束轟擊清潔的太陽(yáng)選擇性吸收涂層的鋁質(zhì)基材及其SEM形貌圖如圖7所示，其表面存在大量的大顆粒物質(zhì)，切面結(jié)構(gòu)明顯粗糙。采用真空陰極等離子源電子束轟擊清潔的太陽(yáng)選擇性吸收涂層的鋁質(zhì)基材及其SEM形貌圖如圖8所示，其表面大顆粒物質(zhì)明顯減少，切面更加細(xì)膩。同樣，在達(dá)因筆張力測(cè)試過(guò)程中，未經(jīng)過(guò)真空陰極等離子源電子束轟擊清潔的基材表面選用低標(biāo)準(zhǔn)38號(hào)達(dá)因筆進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示，由圖可知，線條出現(xiàn)明顯收縮，證明其表面存在油脂物質(zhì)；而經(jīng)過(guò)真空陰極等離子源電子束轟擊清潔的基材表面使用高標(biāo)準(zhǔn)58號(hào)達(dá)因筆進(jìn)行測(cè)試，如圖10所示，由圖可知，其線條仍未出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，由此可見(jiàn)，在被陰極等離子源電子束轟擊過(guò)程中，其表面油脂類物質(zhì)被分解。

圖7 未經(jīng)過(guò)真空陰極等離子源轟擊清潔的基材及其SEM圖

圖8 經(jīng)過(guò)真空陰極等離子源轟擊清潔的基材及其SEM圖

圖9 38號(hào)達(dá)因筆測(cè)試結(jié)果

圖10 58號(hào)達(dá)因筆測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)本文的分析可知，在相同條件下，實(shí)驗(yàn)3放電最為容易，可獲得較大放電電流，同時(shí)獲得高匯聚的高能等離子源電子束。通過(guò)陰極等離子源的高能電子束的轟擊，可有效去除太陽(yáng)選擇性吸收涂層基材金屬表面的碳?xì)浠衔锍煞?，并能達(dá)到提高基材表面活性的效果。