基於PECVD的增強型石墨烯薄膜鍍膜設備及方法與流程
2023-08-04 07:51:21 2
本發明涉及柔性基材鍍膜技術領域，特別涉及一種基於pecvd的增強型石墨烯薄膜鍍膜設備及方法。
背景技術：
石墨烯是由單層碳原子構成的平面六角形蜂窩狀二維晶體，是構成其它碳材料的基本單元。特殊的二維結構使石墨烯具備優良的機械強度，硬度和抗拉強度極高；並且具有很高的遷移率，理論上可達到200000cm2v-1s-1；也具有良好的導電性、導熱性和高透光性。以上石墨烯的優良性能使其在微電子器件、「綠色」儲能器件、航空器件等領域有廣泛的應用前景。
但經研究發現，二維結構的石墨烯容易發生團聚，降低了其比表面積，因此限制了其實際應用。為此，中國科學院化學研究所的劉雲圻等人提出利用化學氣相沉積的方法在金屬泡沫襯底上實現石墨烯的三維結構，將金屬泡沫襯底刻蝕後得到的石墨烯泡沫具有優秀的導電能力和巨大的比表面積。
目前，化學氣相沉積法製備石墨烯薄膜的技術已經比較成熟，可實現低成本、大面積的生產。然而，在實際生產過程中，當進行大面積鍍膜時，其鍍膜均勻性仍是較為突出的問題，同時，等離子體的密度遠遠不夠，而鍍膜均勻性和等離子體的密度直接影響著產品質量，因此解決該問題具有重大的意義。另外，當在泡沫鎳基材上應用該方法進行鍍制石墨烯時，由於泡沫鎳基材表面較為光滑，在生產線上傳送時容易產生偏離或移位，不利於鍍膜工藝的正常進行。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於pecvd(等離子增強化學氣相沉積法)的增強型石墨烯鍍膜設備，該設備可有效提高等離子體密度、泡沫鎳基材表面的鍍膜均勻性和膜層純度，從而提高產品質量。
本發明的另一目的在於提供一種通過上述設備實現的基於pecvd的增強型石墨烯鍍膜方法。
本發明的技術方案為：一種基於pecvd的增強型石墨烯薄膜鍍膜設備，包括多個真空室和基材輸送機構，基材輸送機構貫穿於多個真空室中；沿泡沫鎳基材的輸送方向，多個真空室包括依次連接的放卷室、多個鍍膜室和收卷室；
每個鍍膜室中，泡沫鎳基材的上下兩側分別設有射頻放電板和等離子體磁控增強裝置；
等離子體磁控增強裝置包括磁座體、磁場本體、石墨板塊、外圈磁體和中間磁體，磁座體為頂部開口的箱體狀結構，磁場本體設於磁座體頂部並覆蓋於磁座體的頂部開口處，磁場本體頂面覆蓋石墨板塊，磁座體內靠近磁座體四周側壁處設有外圈磁體，磁座體內中部設有中間磁體，外圈磁體的磁場方向與中間磁體的磁場方向相反。
射頻放電板進行放電時，等離子體磁控增強裝置可在射頻放電板下方形成閉環迴路磁場，電子在閉環磁場的作用下，在磁場範圍內做高速的螺旋旋轉運動，電子與粒子碰撞的機會增加，氣體分子電離成離子的機會也增加，從而增大等離子體密度，使等離子氣體的化學反應速度增大，沉積的膜層厚度也大大增加，可達到傳統鍍膜設備所製得膜厚的4～8倍。同時，泡沫鎳基材在經過等離子體磁控增強裝置時，電子、離子集體在磁場範圍內，高密度的等離子體轟擊泡沫鎳基材，使泡沫鎳基材表面溫度快速上升，可使泡沫鎳基材表面溫度上升至600℃以上，增強了石墨烯成膜條件，提高了石墨烯成膜的速度。
其中，磁場本體表面覆蓋石墨材料組成的石墨板塊，離子體在放電過程中在板上濺射出來的還是石墨納米材料，不影響石墨烯膜層的生成純度；泡沫鎳基材表面溫度的快速上升可減小泡沫鎳基材的加熱功率，對石墨烯的成膜更加有利。
所述外圈磁體靠近磁場本體的一端為s極，中間磁體靠近磁場本體的一端為n極。
所述磁座體上設有冷卻流道，磁座體底部設有進水接頭和出水接頭，進水接頭和出水接頭分別與冷卻流道連接。由於磁座體在工作過程中溫升較高，所以通過設置冷卻流道，可對磁座體進行實時冷卻，保證設備的正常運行。
所述射頻放電板包括放電板、放電板座和放電板氣室，放電板設於放電板座底部，放電板底座朝向放電板的一面帶有凹槽，凹槽處形成放電板氣室，放電板氣室上設有工作氣體接頭；放電板上均勻分布有若干擴張孔，各擴張孔與放電板氣室連通；各擴張孔呈放射狀結構，擴張孔與放電板氣室連接端的直徑小於擴張孔朝向泡沫鎳基材一端的直徑。
射頻放電板接通射頻電源後，產生等離子體輝光放電，這時工作氣體從工作氣體接頭進入放電板氣室，使放電板氣室內的氣體產生一定的壓力，然後從各擴張孔噴出，並且以一定的擴散角度向外擴散，噴出的氣體通過射頻電源電離並進行鍍膜，擴散孔的均勻設計可使鍍膜面形成較均勻的膜層。
所述放電板與放電板座的接觸面上設有冷卻水套，冷水水套的進口端和出口端分別設有冷卻水接咀。由於放電板工作過程中溫升較高，所以通過設置冷卻水套，可對放電板進行實時冷卻，保證設備的正常運行。
所述放電板座的頂部與鍍膜室的內壁相接，且放電板座與鍍膜室的相接處設有放電板絕緣板；放電板座的四周外側設有側護板，且放電板座與側護板的相接處設有側絕緣板。
所述基材輸送機構包括放卷輥、多個導輥和收卷輥，放卷輥設於放卷室內，收卷輥設於收卷室內，放卷輥和收卷輥之間設置多個導輥；多個導輥中，位於鍍膜室中等離子體磁控增強裝置上方的導輥為陶瓷託輥。
所述基材輸送機構上還設有糾偏裝置，沿泡沫鎳基材的輸送方向，糾偏裝置設收卷輥的入口端。根據鍍膜工藝的實際需要，也可在放卷輥的輸出端也設置糾偏裝置；由於泡沫鎳基材是孔洞狀或網格狀的卷材，收卷或放卷過程中不能強力拉伸，否則容易產生變形，因此尤其是在收卷過程中，其張力是很小的，這樣在傳送過程中泡沫鎳基材就容易左右擺動而產生偏移，致使收卷不整齊。
糾偏裝置包括壓緊輥、傳動輥、壓緊輥升降機構和傳動輥驅動機構和輥組移動機構；壓緊輥和傳動輥分別設於泡沫鎳基材的上下兩側，壓緊輥的一側設有壓緊輥升降機構，壓緊輥和傳動輥位於同一端的端部設有輥組移動機構，傳動輥的另一端設有傳動輥驅動機構。
所述壓緊輥升降機構包括氣缸、氣缸壓緊臂、壓緊密封座、壓緊輥驅動軸和壓緊輥連接臂，氣缸的輸出端設置氣缸壓緊臂，氣缸壓緊臂的末端通過壓緊密封座與壓緊輥驅動軸的一端連接，壓緊輥驅動軸的兩端分別設置壓緊輥連接臂，每個壓緊輥連接臂各與壓緊輥的一端連接；
傳動輥驅動機構包括傳動驅動電機、傳動減速器、傳動密封座和傳動連接套，傳動驅動電機的輸出端與減速器連接，減速器的輸出端設置傳動密封座，傳動密封座通過傳動連接套與傳動輥連接；
輥組移動機構包括平移軸驅動電機、平移減速器、平移密封座、平移軸、平移螺母和連接支架，壓緊輥和傳動輥位於同一端的端部分別與連接支架連接，連接支架一側設置平移螺母，平移螺母與平移軸的一端螺紋連接，平移軸的另一端通過平移密封座與平移減速器連接，平移減速器設於平移軸驅動電機的輸出端。
需要糾偏時，壓緊輥升降機構中，氣缸通過氣缸壓緊臂下壓壓緊輥驅動軸，使其沿壓緊輥的外周方向產生轉動，壓緊輥驅動軸帶動其兩端的壓緊輥連接臂產生擺動，壓緊輥連接臂帶動壓緊輥上升，從而放鬆對泡沫鎳基材的壓緊；然後在輥組移動機構中，平移軸驅動電機驅動平移軸旋轉，通過螺紋連接帶動平移螺母產生平移，平移螺母通過連接支架帶動壓緊輥和傳動輥產生平移；最後各機構復位，從而實現糾偏動作。該過程中，傳動輥驅動機構中的傳動輥驅動電機帶動傳動輥持續對泡沫鎳基材進行輸送。
本發明通過上述設備可實現一種基於pecvd的增強型石墨烯薄膜鍍膜方法，包括以下步驟：
(1)放卷室中放出泡沫鎳基材，由基材輸送機構依次送入各個鍍膜室中；
(2)在各鍍膜室中，開啟射頻放電板進行放電，產生等離子體，等離子體磁控增強裝置在射頻放電板下方形成一個閉環迴路磁場，等離子體在磁場作用下進行螺旋旋轉運動，從而增大等離子體密度，在泡沫鎳基材表面沉積膜層；
(3)由多個鍍膜室依次完成鍍膜後，泡沫鎳基材送入收卷室中進行收卷。
本發明相對於現有技術，具有以下有益效果：
本基於pecvd的增強型石墨烯薄膜鍍膜設備中，各鍍膜室內通過在泡沫鎳基材的上下兩側設置射頻放電板和等離子體磁控增強裝置，利用等離子體磁控增強裝置在射頻放電板下方形成閉環迴路磁場，電子在閉環磁場的作用下，在磁場範圍內做高速的螺旋旋轉運動，電子與粒子碰撞的機會增加，氣體分子電離成離子的機會也增加，從而增大等離子體密度，使等離子氣體的化學反應速度增大，沉積的膜層厚度也大大增加，可達到傳統鍍膜設備所製得膜厚的4～8倍。同時，泡沫鎳基材在經過等離子體磁控增強裝置時，電子、離子集體在磁場範圍內，高密度的等離子體轟擊泡沫鎳基材，使泡沫鎳基材表面溫度快速上升，可使泡沫鎳基材表面溫度上升至600℃以上，增強了石墨烯成膜條件，提高了石墨烯成膜的速度。
本基於pecvd的增強型石墨烯薄膜鍍膜設備中，通過在射頻放電板上設置放電板氣室和呈放射狀的擴張孔，使射頻放電板接通射頻電源後，產生等離子體輝光放電，這時工作氣體從工作氣體接頭進入放電板氣室，使放電板氣室內的氣體產生一定的壓力，然後從各擴張孔噴出，並且以一定的擴散角度向外擴散，噴出的氣體通過射頻電源電離並進行鍍膜，擴散孔的均勻設計可使鍍膜面形成較均勻的膜層，從而提高膜層的均勻性。
本基於pecvd的增強型石墨烯薄膜鍍膜設備中，在基材輸送機構中增設糾偏裝置，且糾偏機構的安裝位置及安裝數量可根據工藝需要靈活安裝，可實時控制泡沫鎳基材的傳送方向，防止跑偏現象，保證柔性基材的平穩傳送；也有效防止泡沫鎳基材在輸送過程中被拉伸變形，降低損壞機率。
本基於pecvd的增強型石墨烯薄膜鍍膜設備中，真空室包含有多個鍍膜室，可根據鍍膜工藝的需求任意控制膜層厚度，使用靈活而方便，生產效率較高。
附圖說明
圖1為本增強型石墨烯薄膜鍍膜設備的整體結構示意圖。
圖2為單個鍍膜室中等離子體磁控增強裝置的結構示意圖。
圖3為圖2中a方向上外圈磁體和中間磁體的分布圖。
圖4為單個鍍膜室中射頻放電板的結構示意圖。
圖5為圖4中b方向上放電板的結構示意圖。
圖6為糾偏裝置的結構示意圖。
圖7為圖6中c方向上氣缸下壓使壓緊輥驅動軸轉動至與壓緊輥相平後的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
實施例
本實施例一種基於pecvd的增強型石墨烯薄膜鍍膜設備，如圖1所示，包括多個真空室和基材輸送機構，基材輸送機構貫穿於多個真空室中；沿泡沫鎳基材的輸送方向，多個真空室包括依次連接的放卷室1、多個鍍膜室2(本實施例中為五個)和收卷室3；每個鍍膜室中，泡沫鎳基材6的上下兩側分別設有射頻放電板4和等離子體磁控增強裝置5。
如圖2或圖3所示，等離子體磁控增強裝置包括磁座體7、磁場本體8、石墨板塊9、外圈磁體10和中間磁體11，磁座體為頂部開口的箱體狀結構，磁場本體設於磁座體頂部並覆蓋於磁座體的頂部開口處，磁場本體頂面覆蓋石墨板塊，磁座體內靠近磁座體四周側壁處設有外圈磁體，磁座體內中部設有中間磁體，外圈磁體的磁場方向與中間磁體的磁場方向相反。外圈磁體靠近磁場本體的一端為s極，中間磁體靠近磁場本體的一端為n極。磁座體上設有冷卻流道(圖中未示出)，磁座體底部設有進水接頭12和出水接頭13，進水接頭和出水接頭分別與冷卻流道連接。磁座體底部與鍍膜室的內壁相連接，且連接處設有第一密封圈14，磁場本體與磁座體的連接處也設有第一密封圈14。
射頻放電板進行放電時，等離子體磁控增強裝置可在射頻放電板下方形成閉環迴路磁場，電子在閉環磁場的作用下，在磁場範圍內做高速的螺旋旋轉運動，電子與粒子碰撞的機會增加，氣體分子電離成離子的機會也增加，從而增大等離子體密度，使等離子氣體的化學反應速度增大，沉積的膜層厚度也大大增加，可達到傳統鍍膜設備所製得膜厚的4～8倍。同時，泡沫鎳基材在經過等離子體磁控增強裝置時，電子、離子集體在磁場範圍內，高密度的等離子體轟擊泡沫鎳基材，使泡沫鎳基材表面溫度快速上升，可使泡沫鎳基材表面溫度上升至600℃以上，增強了石墨烯成膜條件，提高了石墨烯成膜的速度。其中，磁場本體表面覆蓋石墨材料組成的石墨板塊，離子體在放電過程中在板上濺射出來的還是石墨納米材料，不影響石墨烯膜層的生成純度；泡沫鎳基材表面溫度的快速上升可減小泡沫鎳基材的加熱功率，對石墨烯的成膜更加有利。另外，由於磁座體在工作過程中溫升較高，所以通過設置冷卻流道，可對磁座體進行實時冷卻，保證設備的正常運行。
如圖4或圖5所示，射頻放電板包括放電板15、放電板座16和放電板氣室17，放電板設於放電板座底部，放電板底座朝向放電板的一面帶有凹槽，凹槽處形成放電板氣室，放電板氣室上設有工作氣體接頭18；放電板上均勻分布有若干擴張孔19，各擴張孔與放電板氣室連通；各擴張孔呈放射狀結構，擴張孔與放電板氣室連接端的直徑小於擴張孔朝向泡沫鎳基材一端的直徑。放電板與放電板座的接觸面上設有冷卻水套20，冷水水套的進口端和出口端分別設有冷卻水接咀21。放電板座的頂部與鍍膜室的內壁相接，且相接處設有第二密封圈22，另外，放電板座與鍍膜室的相接處設有放電板絕緣板23；放電板座的四周外側設有側護板24，且放電板座與側護板的相接處設有側絕緣板25。
射頻放電板接通射頻電源後，產生等離子體輝光放電，這時工作氣體從工作氣體接頭進入放電板氣室，使放電板氣室內的氣體產生一定的壓力，然後從各擴張孔噴出，並且以一定的擴散角度向外擴散，噴出的氣體通過射頻電源電離並進行鍍膜，擴散孔的均勻設計可使鍍膜面形成較均勻的膜層。另外，由於放電板工作過程中溫升較高，所以通過設置冷卻水套，可對放電板進行實時冷卻，保證設備的正常運行。
如圖1所示，基材輸送機構包括放卷輥26、多個導輥27和收卷輥28，放卷輥設於放卷室內，收卷輥設於收卷室內，放卷輥和收卷輥之間設置多個導輥；如圖2所示，多個導輥中，位於鍍膜室中等離子體磁控增強裝置上方的導輥為陶瓷託輥29。
基材輸送機構上還設有糾偏裝置，沿泡沫鎳基材的輸送方向，糾偏裝置設收卷輥的入口端。根據鍍膜工藝的實際需要，也可在放卷輥的輸出端也設置糾偏裝置；由於泡沫鎳基材是孔洞狀或網格狀的卷材，收卷或放卷過程中不能強力拉伸，否則容易產生變形，因此尤其是在收卷過程中，其張力是很小的，這樣在傳送過程中泡沫鎳基材就容易左右擺動而產生偏移，致使收卷不整齊。
如圖6或圖7所示，糾偏裝置包括壓緊輥30、傳動輥31、壓緊輥升降機構和傳動輥驅動機構和輥組移動機構；壓緊輥和傳動輥分別設於泡沫鎳基材的上下兩側，壓緊輥的一側設有壓緊輥升降機構，壓緊輥和傳動輥位於同一端的端部設有輥組移動機構，傳動輥的另一端設有傳動輥驅動機構。
壓緊輥升降機構包括氣缸32、氣缸壓緊臂33、壓緊密封座34、壓緊輥驅動軸35和壓緊輥連接臂36，氣缸的輸出端設置氣缸壓緊臂，氣缸壓緊臂的末端通過壓緊密封座與壓緊輥驅動軸的一端連接，壓緊輥驅動軸的兩端分別設置壓緊輥連接臂，每個壓緊輥連接臂各與壓緊輥的一端連接；
傳動輥驅動機構包括傳動驅動電機37、傳動減速器38、傳動密封座39和傳動連接套40，傳動驅動電機的輸出端與減速器連接，減速器的輸出端設置傳動密封座，傳動密封座通過傳動連接套與傳動輥連接；
輥組移動機構包括平移軸驅動電機41、平移減速器42、平移密封座43、平移軸44、平移螺母45和連接支架46，壓緊輥和傳動輥位於同一端的端部分別與連接支架連接，連接支架一側設置平移螺母，平移螺母與平移軸的一端螺紋連接，平移軸的另一端通過平移密封座與平移減速器連接，平移減速器設於平移軸驅動電機的輸出端。
需要糾偏時，壓緊輥升降機構中，氣缸通過氣缸壓緊臂下壓壓緊輥驅動軸，使其沿壓緊輥的外周方向產生轉動，壓緊輥驅動軸帶動其兩端的壓緊輥連接臂產生擺動，壓緊輥連接臂帶動壓緊輥上升，從而放鬆對泡沫鎳基材的壓緊；然後在輥組移動機構中，平移軸驅動電機驅動平移軸旋轉，通過螺紋連接帶動平移螺母產生平移，平移螺母通過連接支架帶動壓緊輥和傳動輥產生平移；最後各機構復位，從而實現糾偏動作。該過程中，傳動輥驅動機構中的傳動輥驅動電機帶動傳動輥持續對泡沫鎳基材進行輸送。
本實施例通過上述設備可實現一種基於pecvd的增強型石墨烯薄膜鍍膜方法，包括以下步驟：
(1)放卷室中放出泡沫鎳基材，由基材輸送機構依次送入各個鍍膜室中；
(2)在各鍍膜室中，開啟射頻放電板進行放電，產生等離子體，等離子體磁控增強裝置在射頻放電板下方形成一個閉環迴路磁場，等離子體在磁場作用下進行螺旋旋轉運動，從而增大等離子體密度，在泡沫鎳基材表面沉積膜層；
(3)由多個鍍膜室依次完成鍍膜後，泡沫鎳基材送入收卷室中進行收卷。
如上所述，便可較好地實現本發明，上述實施例僅為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的實施範圍；即凡依本發明內容所作的均等變化與修飾，都為本發明權利要求所要求保護的範圍所涵蓋。