專利名稱：涂層方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利申請涉及對各種襯底上進(jìn)行抗磨損涂層的應(yīng)用，更具體地，涉及在透明聚合物襯底上大氣等離子沉積(atmospheric plasma deposition)抗磨損涂層，并且甚至更具體地涉及在透明聚合物襯底上大氣等離子沉積抗磨損和抗化學(xué)侵蝕涂層。
背景技術(shù)：
飛機(jī)窗通常由拉伸丙烯酸或聚碳酸酯材料制成，因為其重量輕、彈性和可成形性好。然而，拉伸丙烯酸與其他透明聚合物襯底一樣，易于受到由于與各種空中傳播顆粒(例如沙子)和液體(例如水)接觸而引起的磨損的影響，以及受與大氣污染物和各種化學(xué)試劑的正常接觸的影響，例如飛機(jī)維護(hù)中使用的清潔劑、防凍液和其他化學(xué)藥品。因而，為了增加使用壽命，通常以抗磨損涂層處理飛機(jī)窗。用于透明聚合物襯底的抗磨損涂層通常為聚硅氧烷基、聚亞安脂基或溶膠-凝膠混合涂層。這些溶膠-凝膠涂層是經(jīng)處理從而形成適當(dāng)?shù)耐繉拥娜苊健⒂袡C(jī)硅氧烷、醇鹽和催化劑的均質(zhì)混合劑。該溶膠-凝膠涂層提供高透射比以及有限耐久性，后者抵抗磨損和紫外線引起的退化。術(shù)語溶膠-凝膠或溶膠-凝膠指經(jīng)受一系列反應(yīng)例如水解和濃縮的材料。通常，金屬醇鹽或金屬鹽水解，從而形成金屬氫氧化物。然后，金屬氫氧化物在溶液中濃縮，從而形成混合有機(jī)/無機(jī)聚合物?？刂凭酆衔锘械挠袡C(jī)物與無機(jī)物的比率，從而最大化給定應(yīng)用的性能。例如，增加有機(jī)基團(tuán)將提高彈性但是可損害磨損耐久性。溶膠-凝膠涂層可包括例如鈰或鈦這樣的材料，從而提高抗磨損性，并降低紫外線引起的涂層退化。通常使用流涂技術(shù)施加該涂層，其要求相當(dāng)長的固化時間、有限的襯底幾何形狀， 并且常常受固化處理期間的微粒/灰塵損害的影響。因此，流涂技術(shù)通常不適于在服務(wù)中修復(fù)或現(xiàn)場修復(fù)。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員繼續(xù)尋找用于將抗磨損涂層施加至透明聚合物襯底上的新系統(tǒng)和新方法。

發(fā)明內(nèi)容
—方面，向襯底上施加抗磨損涂層的公開方法可以包括以下步驟，即產(chǎn)生大氣等離子體；向大氣等離子體中引入前體，選擇該前體從而形成抗磨損涂層；以及相對于大氣等離子體定位該襯底，以便大氣等離子體將抗磨損涂層沉積在襯底上。另一方面，向襯底上施加抗磨損涂層的公開方法可以包括以下步驟，即向由兩個電極組成的倉室中引入保護(hù)氣體和等離子源氣體，從而在出口頭部產(chǎn)生等離子體；向大氣等離子體引入環(huán)狀有機(jī)硅氧烷前體，該環(huán)狀有機(jī)硅氧烷前體由運載氣體攜帶；并且在向大氣等離子體引入環(huán)狀有機(jī)硅氧烷前體的同時，相對于大氣等離子裝置定位襯底，以便大氣等離子體將硅碳氧化物涂層沉積在襯底上。施加抗磨損涂層的公開系統(tǒng)的其他方面將通過以下說明、附圖和權(quán)利要求而變得明顯。


圖1示出用于施加抗磨損涂層的公開系統(tǒng)的一方面的示意圖；圖2示出用于施加抗磨損涂層的公開方法的一方面的流程圖；圖3示出從依照本公開所施加的示例性涂層獲得的Taber抗磨損數(shù)據(jù)圖。圖4示出從依照本公開所施加的示例性涂層獲得的落沙測試抗磨損數(shù)據(jù)圖。
具體實施例方式如圖1所示，用于施加抗磨損涂層的公開系統(tǒng)的一方面大致以10標(biāo)出，可以包括大氣等離子裝置12、等離子源氣體流14、前體流16、以及可選的保護(hù)氣體流18。大氣等離子裝置12的輸出20可以是等離子體22，其相對于襯底M定位，從而在襯底M上施加涂層 26。襯底M可以是能夠通過等離子體22接收抗磨損涂層的任何襯底。在一個具體方面，襯底M可以是透明聚合物襯底，例如拉伸丙烯酸襯底。此外，雖然圖1示出具有基本平坦構(gòu)造的襯底對，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，在不偏離本公開的范圍的情況下，可使用具有各種形狀、大小和構(gòu)造的襯底24。大氣等離子裝置12可以是任何能夠在大氣條件下激發(fā)物質(zhì)從而形成等離子體22 的設(shè)備或系統(tǒng)。大氣等離子裝置12可被配置成使用直流電能、射頻能量等等本領(lǐng)域已知的產(chǎn)生等離子體22。一方面，大氣等離子裝置12可以是大氣等離子噴涂槍。依照本發(fā)明有用的大氣等離子裝置12的一個例子是美國加利福尼亞州Culver的Surfx Technologies有限公司的AT0MFL0 等離子系統(tǒng)。等離子源氣體流14可以是這樣的氣體流，其一旦通過大氣等離子裝置12激活，就能夠形成大氣等離子體。適當(dāng)?shù)牡入x子形成氣體的例子包括分子氣體，例如氧氣(O2)、氮氣 (N2)、氫氣(H2)、和氟氣(F2),以及其他氣體。在不偏離本公開的范圍的情況下，等離子源氣體流14可以包括幾種氣體的組合。例如等離子源氣體流14可以是基本純氧氣的氣體流。一方面，可向大氣等離子裝置12以理想的氣體條件提供等離子源氣體流14。另一方面，可向大氣等離子裝置12以周圍環(huán)境條件提供等離子源氣體流14。例如，等離子源氣體流14可以是氣壓大約latm，溫度大約25°C。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，等離子源氣體流 14的物理條件可根據(jù)具體的應(yīng)用改變，并且可以被調(diào)整從而最優(yōu)化大氣等離子裝置12的性能。前體流16可以是前體的流，并且可選地，是攜帶前體至大氣等離子裝置12的運載氣體。該運載氣體可選擇以下這樣的氣體或氣體組合，其在大氣等離子裝置12中不進(jìn)行基本的等離子形成。有用的運載氣體的例子包括氦氣(He)和氬氣(Ar)。前體可以是任何這樣的材料，當(dāng)通過大氣等離子體22的方式沉積在襯底M上時， 其能夠形成抗磨損涂層26。一方面，前體可以是任何這樣的材料，當(dāng)通過大氣等離子體22 的方式沉積在襯底M上時，其能夠形成硅碳氧化物(SiOxCy)涂層。另一方面，前體可以是 (或可包括)環(huán)狀有機(jī)硅氧烷。適當(dāng)?shù)那绑w的一個例子是四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷(te tramethylcyclocyclotetrasiloxane) ( “TMCTS”)。適當(dāng)?shù)那绑w的另一個例子是八甲基環(huán)四娃燒(octamethylcyclocyclotetrasiloxane) ( “0MCTS，，)。
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一方面，前體可以是標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的相對高氣壓液體，并且運載氣體可通過前體而起泡，從而形成前體流16。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，可使用各種可替換技術(shù)，例如汽化器，從而將前體引入前體流16。在一個具體方面，可通過在周圍環(huán)境條件下經(jīng)TMCTS 液體起泡氦氣形成前體流16。保護(hù)氣體流18可以是這樣的保護(hù)氣體流，其不進(jìn)行大氣等離子裝置12中的基本等離子形成。保護(hù)氣體可出現(xiàn)在等離子體22中，但是不限于任何具體理論，其可最小化等離子體22中的大氣水、氧氣和其他污染物的影響。適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體的例子包括氦氣(He) 和氬氣(Ar)。在不偏離本公開的范圍的情況下，保護(hù)氣體流18可包括保護(hù)氣體的組合。在一個具體方面，保護(hù)氣體流18可以是基本純氦氣的氣流。一方面，可向大氣等離子裝置12以理想的氣體條件提供保護(hù)氣體流18。另一方面，可向大氣等離子裝置12以周圍環(huán)境條件提供保護(hù)氣體流18。例如，保護(hù)氣體流18可以是氣壓大約latm，溫度大約25°C。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，保護(hù)氣體流18的物理條件可根據(jù)具體的應(yīng)用改變，并且可以被調(diào)整從而最優(yōu)化大氣等離子裝置12的性能。在該點上，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，等離子源氣體14、前體流16和保護(hù)氣體流18 可以在大氣等離子裝置12被結(jié)合，從而形成等離子體22。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)明白， 也可在到達(dá)大氣等離子裝置12之前結(jié)合兩種或更多種等離子源氣體、前體和保護(hù)氣體流 14、16、18。例如，等離子源氣體、前體和保護(hù)氣體流14、16、18可作為單一氣流供給大氣等 1 子直 12 ο等離子源氣體、前體和保護(hù)氣體流14、16、18的流速可以被控制從而獲得等離子體22中等離子源氣體、前體和保護(hù)氣體的期望濃度。雖然圖1未示出，可以在等離子源氣體、前體和保護(hù)氣體流14、16、18上提供控制值，從而控制關(guān)聯(lián)的流速。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，等離子體22中的等離子源氣體、前體和保護(hù)氣體的相對濃度可以被操作，從而最優(yōu)化大氣等離子裝置12的性能，并且賦予結(jié)果涂層沈以期望的屬性。例如，等離子體22中的氧氣濃度可以被降低，從而增加涂層26的聚合物質(zhì)量，因此產(chǎn)生更有彈性的涂層26?？商鎿Q地，等離子體22中的氧氣濃度可以被增加，從而賦予涂層沈更多無機(jī)物，因而產(chǎn)生更堅硬的涂層26。一方面，等離子源氣體流14可最多包含向大氣等離子裝置12輸入量的5%，而前體氣流16可最多包含向大氣等離子裝置12輸入量的10%，而保護(hù)氣體流18包含剩余部分。另一方面，等離子源氣體流14可最多包含向大氣等離子裝置12輸入量的2%，而前體氣流16可最多包含向大氣等離子裝置12輸入量的5%，而保護(hù)氣體流18包含剩余部分。 在又一方面，等離子源氣體流14可包含向大氣等離子裝置12輸入量的1-2%，而前體氣流 16可包含向大氣等離子裝置12輸入量的2-4%，而保護(hù)氣體流18包含剩余部分。參考圖1和圖2，大致以50標(biāo)出，用于襯底M施加抗磨損涂層沈的方法可始于清潔襯底的步驟，如方框52所示?？墒褂酶鞣N溶媒(solvent)清潔襯底M，例如酮或輕質(zhì)醇(例如甲醇或異丙醇)。也可使用氧等離子體清潔襯底M，其也可激活接收涂層沈的表面。如方框M所示，可選地以附著力促進(jìn)劑/助粘劑處理清潔襯底，例如本領(lǐng)域已知的鋁基溶膠-凝膠助粘劑。如方框56所示，可通過向大氣等離子裝置12提供等離子源氣體、前體和保護(hù)氣體流14、16、18從而形成等離子體22而組成系統(tǒng)10。等離子體22的大小可取決于各種因素，包括大氣等離子裝置12的大小，以及等離子源氣體、前體和保護(hù)氣體流14、16、18的流速。 例如，等離子體22可以是大約2英寸寬。如方框58所示，可通過相對于大氣等離子裝置12定位襯底M而對襯底M進(jìn)行涂層，以便等離子體22將涂層沈沉積在襯底上?？纱┻^襯底M光柵掃描等離子體22，從而均勻地涂層襯底M的表面。雖然可使用手持裝置，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，可使用適當(dāng)?shù)臋C(jī)器人，以便在襯底M和大氣等離子裝置12之間保持不變的間距。在該點上，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，在不偏離本公開的范圍的情況下，可在涂層 26上層置另外的涂層。例如，可使用公開的方法50或任何其他適當(dāng)?shù)耐繉臃椒?例如溶膠-凝膠)施加頂部涂層。例子使用來自Surfx Technologies有限公司的大氣等離子裝置，在拉伸丙烯酸襯底上沉積硅碳氧化物(SiOxCy)涂層。向該裝置提供大約0. 5L/min的氧氣、由氦氣攜帶的1. OL/ min的TMCTS、以及30L/min的氦氣(保護(hù)氣體)?？赏ㄟ^經(jīng)TMCTS液體的容器在周圍環(huán)境條件下起泡氦氣運載氣體獲得TMCTS/氦氣氣流。使用Taber磨損測試(ASTM D 1044-08)和落沙測試(ASTM D968)測試得到的大氣等離子涂層丙烯酸襯底的抗磨損性。結(jié)果在圖3和圖4中示出。為了對比，在空拉伸/ 無多余拉伸(bare stretched)丙烯酸和涂以聚硅氧烷溶膠-凝膠涂層的拉伸丙烯酸上執(zhí)行相同的測試。也在圖3和圖4中示出比較數(shù)據(jù)。此外，通過公開的系統(tǒng)和方法施加的抗磨損涂層可以是具有期望的機(jī)械性能的玻璃狀膜，包括改進(jìn)的硬度和足夠的展延性，從而抵擋襯底M中的彎曲，例如飛機(jī)窗戶在飛行期間受到的彎曲。具體地，相信可在硅襯底上實現(xiàn)大約300MI^至大約2. IGPa的硬度，并且可在拉伸丙烯酸襯底上實現(xiàn)大約300MPa至大約1. 5GPa的硬度。此外，公開的系統(tǒng)和方法可以減少涂層各部分的時間，減少制造水平下用于施加涂層所需的覆蓋區(qū)域，消除流涂裝置和固化爐的需要，消除對于復(fù)雜和昂貴的真空沉積系統(tǒng)的需要，消除由于施加方法引起的非目標(biāo)表面的掩模的需要，并且可允許組合非真空兼容組件(例如橡膠和凝膠狀密封)，從而不需要昂貴的拆解處理。此外，公開的施加抗磨損涂層的系統(tǒng)和方法可兼容修復(fù)處理并且可在現(xiàn)場實施。雖然已示出并描述了用于施加抗磨損涂層的公開系統(tǒng)和方法的各個方面，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀本說明后可想到各種修改。本應(yīng)用包括此類修改并且僅由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于向襯底施加抗磨損涂層的方法，其包含以下步驟 產(chǎn)生包含大氣等離子體；向所述大氣等離子體引入前體，選擇所述前體從而形成所述抗磨損涂層；以及相對于所述大氣等離子體定位所述襯底，以便所述大氣等離子體在所述襯底上沉積所述抗磨損涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述抗磨損涂層為硅碳氧化物涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底為拉伸丙烯酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述大氣等離子體為大氣氧等離子體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括向大氣等離子裝置引入保護(hù)氣體流和等離子源氣體流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包含改變所述等離子源氣體流和所述前體的體積比的步驟，從而操作所述抗磨損涂層的物理性質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述保護(hù)氣體流包括氦氣和氬氣中的至少一種， 并且所述等離子源氣體流包括分子氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述前體被引入運載氣體中的所述大氣等離子體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述前體包括環(huán)狀有機(jī)硅氧烷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述前體包括四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述前體包括八甲基環(huán)四硅烷。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述大氣等離子體由大氣等離子裝置產(chǎn)生，并且所述定位步驟包括在所述襯底和所述大氣等離子裝置之間保持不變的間距。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述大氣等離子裝置被安裝在機(jī)器人裝置上， 并且通過所述機(jī)器人裝置保持所述不變的間距。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包含在所述定位步驟前清潔所述襯底的步馬聚ο
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包含以氧氣等離子體處理所述襯底的步驟， 其在所述定位步驟前基本無所述前體。
全文摘要
一種用于向襯底施加抗磨損涂層的方法，其包括以下步驟，即產(chǎn)生大氣等離子體(22)，向大氣等離子體引入前體，選擇該前體從而形成抗磨損涂層，并且相對于大氣等離子體定位襯底(26)，以便大氣等離子體在襯底上沉積抗磨損涂層。
文檔編號C23C16/50GK102414341SQ201080019785
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月4日
發(fā)明者L·S·C·平格里, M·R·西爾基斯, S·M·派爾, V·S·森德拉姆 申請人:波音公司