專利名稱：用于表面處理或涂層的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種借助等離子體射流進行表面處理或涂層的方法。本發明還涉及一 種適合于實施該方法的設備。
背景技術：
在現有技術中，作為等離子體射流，指的就是具有射流或射束形狀的等離子體流， 它們是從產生這種等離子體流的設備中提取出來，一直延伸到一個與該設備有一定間距地 布置的基片或工件的表面。實際的射流形式的等離子體的產生在原理上可按兩種方式予以 實現或是介電受阻放電，或是電弧放電。用于產生等離子體射流的一種設備，是利用介電受阻放電進行工作的，這種放電 也稱為大氣壓-輝光放電，這種設備在WO 2005/125286A2中被公開。在該設備中，兩個電 極是通過一個作為介電勢壘發生作用的絕緣套管而彼此分開的。此外，一種氣體載體被引 導通過該設備。這樣，在該設備的自由端的兩個電極之間接上交流電壓時，便產生等離子體 射流。用于產生等離子體射流的一種設備，其利用直接的電弧放電工作，在EP 0 761 415中作了介紹。在該設備中，在兩個彼此直接對置的電極之間形成一個直接的光弧，其中 同樣也有一種氣體載體被引導通過該設備。為了對表面進行處理或涂層，在所有已知的設備中都試圖將已產生的等離子體射 流和一種輔助的、用于表面處理和涂層的工藝氣體，直接在等離子體射流從等離子體頭中 出來之前或直到出來之后，加以混合，以便避免或者至少減少在設備本身的限界壁上或出 口噴嘴上產生積淀物。其缺點在于，總是使工藝氣體和等離子體射流具有平行的流動方向， 從而產生很差的活化。此外，通過從噴嘴中出來的等離子體射流，使環境空氣受到激化，從 而導致在本來已活化的工藝氣體中產生中斷過程。在已提及的WO 2005/125286中所介紹的設備是采用介電受阻放電進行工作的， 在該設備中除了形成等離子體的氣體載體之外，還有一種工藝氣體被通過一個處于內電極 中的內管加以供送。其中，等離子體和工藝氣體的混合是在離開該設備的出口噴嘴之后才 在基片和等離子體頭之間的空間區域內實現的。其缺點則是已經述及的工藝氣體的不充分 活化，這是因為，如所述及的那樣，等離子體射流和工藝氣體基本上是平行地流到基片上， 從而使工藝氣體的活化僅僅不充分地進行。在WO 99/20809中介紹了另一種設備，該設備產生一個等離子體射流，其中，工藝 氣體的供給是直接在出口噴嘴的前面進行的。這樣可以避免電極區域內的化學反應。在等 離子體射流和工藝氣體之間的接觸體積在該設備結構上被限制到最小，以避免在設備的等 離子體頭中已活化的工藝氣體的積淀。在已知的這些設備中還有一個缺點就是僅僅不完全地與工藝氣體反應的等離子 體有很大一部分不受阻礙地作用到待處理的或待涂層的表面上。由于等離子體在UV-范圍 (紫外范圍)內的二次輻射和等離子體與表面的直接物理接觸之故，便可能在該處產生非所希望的化學和物理過程。這樣就有可能出現聚合物的裂解，以及在表面上出現非所希望 的氧的摻入。
發明內容
本發明的目的是提供一種方法，其中，為了進行表面處理或涂層，可以將一個具有等離子體射流形式的等離子體流和至少一種工藝氣體盡可能完全地充分混合，并且可盡量 實現從等離子體向工藝氣體的完全的能量轉移，從而使得由氣體載體和工藝氣體形成的最 佳活化的混合物作用到相關的表面上。其中，在等離子體射流和表面之間應當不會有直接 的接觸。此外，本發明還有一個目的就是提供一種盡可能簡單的設備，該設備適合用于實施 本發明所提出的方法。上述目的通過具有第一項權利要求的特征的方法以及通過具有并列的第四項權 利要求的特征的設備得以實現。各從屬權利要求分別涉及本發明的針對方法或設備的特別 有利的發展。本發明從下述總的發明構思出發，即，將所產生的一種具有等離子體射流形式的 等離子體流和至少一種工藝氣體，在排除環境空氣的條件下，在一單獨的空間區域內彼此 充分混合。為此，將工藝氣體引入到一個配置在已知等離子體射流的出口噴嘴后面的反應 室中，其中，在該反應室中，通過合適的射流導引和相應的流動幾何形式，來實現等離子體 射流和工藝氣體的一種盡可能完全的充分混合。然后，以此方式活化的工藝氣體才經由一 個出口噴嘴直接與待處理工件的表面相接觸，借以對該表面進行處理或在其上進行涂層。根據本發明的一個特別有利的實施形式，等離子體射流的以及工藝氣體的流動方 向在進入反應室中的時候是彼此垂直的或近似垂直的。這樣，使這兩種介質達到特別強烈 的混合。根據本發明的另一個有利的實施形式，等離子體射流基本上平行于待處理或待涂 層的工件的表面被導入到反應室中，而工藝氣體則基本上垂直于該表面被供給。按這一實 施形式，兩種介質可彼此最佳混合，而不須使等離子體射流本身經過反應室。這一點使得反 應室可以具有小的結構尺寸。根據本發明的另一個有利的實施形式，反應室還配有一個冷卻/加熱系統，以便 能夠控制在等離子體射流和工藝氣體的混合過程中進行的化學和物理過程。例如還有一個 可能性，就是通過反應室的限界壁上的調溫通道，引入一種液態的調溫介質。也可利用電加 熱系統來實現調溫。最后，根據本發明的另一個有利的發展，也可以在反應室中設置多個等離子體射 流，從而能使多個等離子體射流與工藝氣體相混合。還有一個可能性，就是先后供給不同的工藝氣體，為此配置多個反應室，或者也可 配置按二級或多級設計的聯合式反應室。本發明的所有實施形式與現有技術相比，具有一系列優點首先，等離子體能量幾乎可以一次完全轉入到工藝氣體的活化中，此外，通過在反應室中排除了空氣氧，從而可避免環境空氣、等離子體和工藝氣體 之間的副反應。只有被活化的工藝氣體而非等離子體射流本身與待處理或待涂層的工件表 面相接觸。
由于避免了等離子體和工件表面之間的直接接觸，從而可避免二次UV-輻射(紫 外線輻射)的有害影響。此外，由于避免了那種直接接觸，還可避免等離子體在工件表面上 引起的其它后果，如表面張力的變化，將反應性的氧基團帶入到該工件表面中，等等。
下面將參照附圖舉例對本發明作更詳細的說明。附圖表示圖1本發明提出的用于表面處理或涂層的方法的示意流程圖；圖2本發明提出的用于表面處理或涂層的第一種設備；圖3第二種設備；圖4第三種設備；圖5第四種設備；圖6第五種設備。
具體實施例方式首先對圖1中示意地表示出來的方法作比較詳細的說明。在該實例中，是從借助 介電受阻放電來產生等離子體射流出發談起的。為此，在通過電介質彼此分開的電極上施 加一個電壓。按前文已述及的在W0 2005/125286中所介紹的設備中，那是一個絕緣套管， 在此按同心構造，在該絕緣套管的內部和外部，配置了電極。其中，產生一種輝光放電；通過 供給一種工藝氣體_該工藝氣體流動通過該設備，從而產生一個等離子體射流，該等離子 體從該設備中排出。然后，該等離子體射流在排除環境空氣的條件下，與所供給的一種獨立 的氣體載體相混合。該氣體載體用于工件表面的處理，或者含有用于以后工件的該表面的 涂層的微粒。上述混合是在排除環境空氣的條件下，在產生等離子體射流的設備的外面的 一個反應區中完成的，在該反應區中可以存在一個相對環境產生的壓力。在該反應區中，實 現以等離子體射流為一方和以包含在氣體載體中的氣體及微粒流為另一方的強烈混合。因 而，在這一區域中，在等離子體中所含有的能量的絕大部分都被轉移到氣體流和/或微粒 流中。為此，有利的做法是，在反應區中通過合適的技術措施，產生一個相對環境增高的壓 力，從而防止環境空氣進入該區域中。總之，如所述的那樣，在此反應區中，所供給的氣體載體被活化，或者產生一個微 粒射流。還有一個可能性，就是將最后繪示的兩個方法步驟加以重復，也就是說，先后依次 配置多個活化區，對這些活化區既可以分別供給同一種氣體載體，也可以供給不同的氣體 載體。這種采用多個活化區的方法特別適用于既要達到氣體載體特別強烈活化的目的，又 要產生同多個活化的氣體的混合。下一步就是，使根據至此所說明的方法步驟加以活化的氣體載體或微粒射流與待 處理的工件的表面相接觸，并依此方式對表面進行處理或涂層。對所說明的本發明提出的方法極其關鍵的一點是在獨立的一個反應區或在獨立 的多個反應區中，等離子體射流將等離子體能量的絕大部分轉移到氣體流和/或微粒流， 還有，特別重要的一點是，等離子體射流本身并不或者僅僅極微小的一部分與工件表面直接接觸。此外，在本發明提出的方法中典型的一點就是由于在反應區中排除了環境空氣， 所以就避免了在環境空氣、等離子體和工藝氣體之間的前文已述及的那些非所希望的副反應。圖2表示本發明提出的第一種設備。該設備1用于產生一種等離子體射流，它具 有一個介電勢壘2，這里就是一個絕緣套管。與之同心地安置了一個外電極3，在其中心延 伸著一個內電極4。在其自由端上，該設備1由一個等離子體頭5加以封閉。依箭頭所示方 向，供給一種工藝氣體6;隨后便產生一個等離子體射流7，該等離子體射流通過等離子體 頭5中的一個孔口向外排出。與設備1相連的是一個封閉的反應室8，該反應室具有一個用 于等離子體射流7的輸入口 9。特別有利的是，該輸入口 9是相對等離子體頭5的開口加以 密封的，借以防止環境空氣進入。反應室8還具有另一個輸入口 10，氣體載體11通過該輸 入口而被吹入到反應室8的內腔12中。此外，反應室8還具有一個輸出口 13。等離子體射 流7通過輸入口 9 一直達到內腔12的內部。在該處，等離子體射流7和氣體載體11實現 強烈的混合。以這種方式被活化的氣體載體14通過輸出口 13從反應室8中出來，作用到 工件15上，并對工件的表面進行處理或涂層。按這種實施形式，一個反應室8具有內混能 力，其中，等離子體射流7的進入是垂直于被活化的氣體載體14的射流實現的，這一點導致 一種特別強烈的混合和特別強烈的能量交換。特別有利的是，輸入口 9和輸出口 13布置在反應室8的相對置的兩側，從而通過 用于吹入氣體載體11的側向布置的輸入口 10，就能實現等離子體射流7的一種渦流和/或 從直線的偏轉。圖3表示本發明提出的另一種設備，在此設備中，等離子體射流7沿相同方向有所 偏移地被導入到反應室8中，活化的氣體載體14即依該方向離開反應室。圖4表示另一種設備，其中，側向配置了兩個完全相同的設備l、la，用于分別產生 一個等離子體射流7、7a。在此，反應室8具有兩個輸入口 9、9a，所產生的兩個等離子體射 流7、7a分別通過這兩個輸入口而被導入內腔12中。圖5表示另一種設備，其中，通過一個連接件16，所配置的另一個反應室17與反應 室8的輸出口 13相連接。另一種氣體載體19可通過另一個輸入口 20吹入到該另一個反 應室17的內腔18中。兩種氣體載體11和19可以是相同的，或者也可以是不同的。例如 可以設定作為第一種氣體載體11是一種等離子體引發劑；作為第二種氣體載體19是一 種氣溶膠，例如包括納米微粒和/或結合劑。在兩個反應室8、17的每一個中，實現分別供 給的介質與分別供給的氣體載體的混合。圖6表示另一種設備，在此設備中，如同剛才在圖5中所做說明那樣，配置了一個 兩級式的反應室。不過按圖5中所示的實施例，兩個完全相同的反應室8、17是級聯式依次 相繼連接的(當然這種級聯布置也可包含多于兩個的反應室)，而按現在所說明的實施例， 則是配置了一個聯合式的反應室20a，該反應室具有一個第一內腔21和一個第二內腔22。 在第一內腔21中，進行所供給的等離子體射流7與第一種氣體載體11的混合。在第二內 腔22中，進行離開第一內腔21的已活化的介質與另一種氣體載體19的另一充分混合。根據本發明的一項有利發展，可以利用電調溫或者也可利用液體調溫，對反應室8 或反應室8、17進行加熱或冷卻。通過對相關反應室的加熱便可避免活化的介質的凝聚。此外，通過這種方式，還可借助調溫控制將代替氣體載體被供送到有關反應室中的液態介質 在該處加以汽化。通過本設備的朝向待處理或待涂層工件表面的輸出口的呈噴嘴形的相應構造，就 能夠產生一種對工件表面的活化介質的線性射流；同樣，在本發明范圍內，通過合適的噴嘴 設計，也可以實現大致呈扇形或錐形的射流。此外還可以通過一種噴嘴系統、一種可調節的導流板等，按已知的調節方式，對設 備的所有或單個輸入口和/或輸出口進行調整或關閉。這樣，通過對相應輸入口和/或輸 出口的簡單的橫截面調節，便可調定和改變等離子體流、氣體載體流和/或微粒流在相關 反應室中的停留時間。本發明提出的設備可以特別有利地由兩個單獨的組件組合而成。作為用 于產生等離子體射流的第一組件，有利的是，可采用由本申請人制造和經銷的設備 plasmabrush ，在此設備中，是借助介電受阻的勢壘放電產生等離子體射流。第二組件 則可以包括一個或多個具有相應的輸入口和輸出口的反應室。在此，特別有利的是如此匹 配一個輸入口 9，使它能夠直接積木式地與設備plasmabrush 的等離子體頭5相適配， 從而使得該等離子體頭5可以直接地和嚴密地安裝到輸入口 9上。
權利要求
借助等離子體射流進行表面處理或涂層的方法，其中，通過在兩個被施加一電壓的電極之間放電，以及在供給一種工藝氣體的情況下，產生等離子體射流，其特征在于在排除所產生的等離子體射流周圍的大氣的條件下，將一種氣體載體至少輸送到一在空間上分開的反應室中，并使之與等離子體射流充分混合；隨后氣體載體被活化和/或產生一個微粒射流，該微粒射流獨立于等離子體射流而流動；然后，被活化的氣體載體射流和/或微粒射流作用到一個待處理或待涂層的工件的表面。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于等離子體射流通過介電受阻的勢壘放電而產生。
3.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于使多個彼此獨立產生的等離子體射流 同時地或先后地與氣體載體充分混合。
4.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的一個或多個等離子體射流先后 多次與同一氣體載體充分混合。
5.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的一個或多個等離子體射流先后 與不同的氣體載體充分混合。
6.借助等離子體射流進行表面處理或涂層的設備，其中，設有一個用于在供給一種工 藝氣體(6)的情況下產生等離子體射流(7)的裝置，使得該等離子體射流(7)以射流或射 束的形式從該裝置的等離子體頭(5)中排出，其特征在于設有至少一個在空間上分開設置的封閉的反應室(8)，該反應室具有一個用于等離子 體射流⑵的輸入口(9)，還具有至少一個另外的輸入口(10)和一個輸出口(13)； 等離子體頭(5)與反應室(8)的輸入口(9)相連接； 通過所述至少一個另外的輸入口(10)，可供送至少一種氣體載體(11)； 以及，所述輸出口(13)是朝向待處理的或待涂層的工件(15)的表面加以定向的。
7.按權利要求6所述的設備，其特征在于等離子體頭(5)和輸入口(9)之間的連接 是密封的，使得環境空氣不能進入到反應室(8)的內部。
8.按權利要求6或7所述的設備，其特征在于級聯式地依次相繼設置多個反應室(8、 17)，使得第一個反應室(8)的輸出口(13)總是與后繼的另一反應室(17)的輸入口相連 接。
9.按權利要求6至8中任一項所述的設備，其特征在于所述至少一個反應室(8，17， 20a)是可以有針對性地進行調溫的，即能被加熱或冷卻。
10.按權利要求6至9中任一項所述的設備，其特征在于至少一個輸入口和/或輸出 口(9，10，13 ； 17，20)是可調節的或可關閉的。
全文摘要
本發明涉及一種借助等離子體進行表面處理或涂層的方法。其中，將一種氣體載體輸送到至少一個在空間上分開的反應室中，并使之與所產生的等離子體射流充分混合，從而使氣體載體被活化或產生一種微粒射流，該微粒射流獨立于等離子體流而作用到一個待處理或待涂層的工件的表面。
文檔編號H05H1/24GK101810060SQ200880024207
公開日2010年8月18日 申請日期2008年7月17日 優先權日2007年9月11日
發明者M·比斯格斯 申請人:賴茵豪森機械制造公司