ОТРАЖАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2003 года по МПК C23C14/08 C23C14/18 C23C14/20 

Изобретение относится к области отражающих, в том числе теплозащитных покрытий, и может быть использовано для защиты человека в условиях его пребывания в обстановке высокого теплового воздействия, например, при тушении пожара или в условиях повышенной солнечной радиации, а также при визуальном контроле высокотемпературных процессов в различных областях производства, например в металлургии, стекловарении и т.п., а также для защиты изделий и устройств, работающих при большой плотности энергии излучения.

Изобретение может быть использовано при изготовлении защитных стекол масок пожарных, металлургов, наружных слоев пожарных костюмов, специальных укрытий, например палаток, костюмов ликвидаторов, отражающих поверхностей энергетических установок, например гелиоконцентраторов.

Известны отражающие покрытия на основе серебра. Например, в заявке Великобритании 2135697 (МПК⁶: С 23 С, 15/00, НПК: C 7 F) описана многослойная теплозащитная глазурь с высокой пропускающей способностью в видимом диапазоне спектра и высокой отражательной способностью к тепловому потоку, в которой на прозрачную подложку методом катодного распыления наносят первый оксидный слой, содержащий окись индия, окись олова или их смесь, далее наносят слой серебра толщиной 5-16 нм, а затем металлический слой из алюминия или титана, тантала, магния, циркония толщиной 1-5 нм для сохранности серебряного слоя, а затем наносят четвертый слой из окиси индия, окиси олова или их смесей.

Однако предложенное покрытие непригодно для защиты прозрачных подложек с низкой теплостойкостью, например полимерных, т.к. оно не является поверхностью наружного отражения. Поэтому при падении излучения на незащищенную подложку произойдет ее разрушение. Покрытие также непригодно при попадании излучения на само покрытие, т.к. на слой серебра наносят слой алюминия или титана, тантала, магния, циркония, обладающий малым коэффициентом отражения.

Известна также многослойная структура по международной заявке РСТ WO 91/14016 ((МПК⁶: С 23 С, 14/08, 28/00). Структура обладает высокой отражающей способностью в инфракрасной области спектра и высокой прозрачностью в видимом диапазоне спектра, но в отличие от предыдущего покрытия является поверхностью наружного отражения.

Структура содержит прозрачную в видимом диапазоне подложку, на которую нанесен тонкопленочный слой оксида ниобия, на этот слой нанесен слой металла - серебра, затем защитный слой из оксида ниобия.

Недостатками данного технического решения являются малый коэффициент пропускания оксидно-ниобиевых пленок, а также невозможность использования данного трехслойного покрытия для подложек из полимерных материалов из-за несогласованности коэффициентов термического линейного расширения оксида ниобия и полимерной подложки, что приводит к его растрескиванию.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является отражающее покрытие на стеклянной подложке, состоящее из пленки серебра или золота и т. п. и прозрачной пленки оксида индия и олова, нанесенной методом реактивного распыления на металлическую пленку при пониженном давлении в среде аргон-кислород. Это покрытие заявлено в международной заявке (РСТ) WO 93/13239 (МПК⁶: С 23 С, 14/18).

Недостатками ближайшего аналога являются недостаточная механическая и химическая стойкость, а также невозможность использования этого покрытия на подложках из полимерных материалов из-за требования высокой температуры (до 200^oС) подложки для формирования защитной оксидной пленки.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента ослабления теплового излучения, повышение механической и химической стойкости, а также снижение температуры подложки при нанесении оксидной защитной пленки, например на полимерных подложках.

Данная задача достигается тем, что в отражающем покрытии, содержащем два слоя, один из которых выполнен из серебра на подложке, а другой из оксида металла, нанесенного на серебро, слой серебра взят толщиной 20-250 нм, а в качестве оксида металла использован оксид титана или оксид циркония.

При этом для прозрачных подложек толщина серебряного слоя составляет 20-100 нм, а для непрозрачных - 80-250 нм.

Нанесение слоя серебра на подложку обеспечивает высокий коэффициент отражения (К_{ослаб ления}>>300), а слой оксида титана или циркония защищает серебряный слой от механических повреждений и увеличивает его химическую стойкость, в соответствии с их механическими и химическими свойствами.

На фиг. 1 изображена экспериментально полученная зависимость оптической плотности для длины волны падающего на подложку светового излучения, равной 500 нм (D_λ=500) от толщины слоя серебра (δ_Ag), на прозрачной полимерной подложке (поликарбонат).

На фиг. 2 представлена экспериментальная зависимость интегрального коэффициента ослабления теплового излучения К_осл. (обратная величина коэффициента пропускания) при лучисто-конвективном нагреве от толщины слоя серебра для тех же подложек. При этом толщины защитного покрытия из оксида титана или оксида циркония составляли соответственно: для кривой 1 - ноль (без защитного слоя) и 110 нм с покрытием оксида титана, а для кривой 2 - 240 нм (также с покрытием из оксида титана), для кривой 3 - 200 нм (с покрытием из оксида циркония).

Интегральный коэффициент ослабления (К_{ослабл ения}) определен в соответствии с нормами пожарной безопасности (НПБ161-97, п.9.2 "Методы определения устойчивости к воздействию тепловых потоков и коэффициентов отражения ИК-излучения").

Суммарный тепловой поток при лучисто-конвективном нагреве составлял Q_сумм.= 42,2 кВт/м² при длительности воздействия излучения 120 с. При этом лучистый тепловой поток Q_луч.= 35,6 кВт/м², а конвективный - Q_конв.=6,6 кВт/м².

Выбор диапазона толщин серебра для прозрачных подложек сделан из следующих соображений:
- верхний предел 100 нм соответствует оптической плотности 0,8, что является пределом комфортной видимости в оптическом диапазоне для человеческого глаза при использовании покрытия для масок в условиях работы в зоне открытого пламени;
- нижний предел 20 нм обусловлен предельно допустимым снижением коэффициента теплового излучения при длительной работе человека в условиях открытого пламени.

Выбор диапазона толщин серебра для непрозрачных подложек, например тканей, соответствует, с одной стороны, малой зависимостью коэффициента ослабления теплового излучения от толщины слоя серебра (нижний предел - 80 нм), а с другой стороны (верхний предел - 250 нм) - экономичностью с точки зрения минимизации массы изделия с покрытием и его стоимости.

Предложенное изобретение может быть реализовано известными промышленными способами. Ниже приводится пример получения покрытия на прозрачной полимерной (поликарбонат) подложке-маске. Для получения такого покрытия использовалась вакуумная установка "колпакового" типа с каруселью для вращения подложки со следующими устройствами для активации масок и нанесения покрытий:
- ионного источника лучевого типа "Радикал";
- двух магнетронных распылительных устройств (магнетронных источников) с мишенями, соответственно из серебра и титана диаметром 100 мм и толщиной 4 мм.

Технологический цикл состоял из следующих операций:
- откачка установки с размещенными на заданных расстояниях от ионных источников масками до остаточного давления, например, 10^-5 мм рт.ст.;
- ионная обработка (активация) поверхности масок ионно-лучевым источником при напуске в рабочий объем установки газовой смеси аргона с 20% кислорода, давлением газовой смеси =1•10^-3 мм рт.ст., продолжительностью обработки - 10 мин, режимом работы ионного источника - U=4 кВт, J_{разр яда}=100 мА;
- нанесение серебряного покрытия заданной толщины, для чего в рабочую камеру установки производился напуск аргона до давления 4•10^-3 мм рт.ст. и распыление серебра осуществлялось в течение 10 мин при мощности магнетронного источника с мишенью из серебра = 0,6 кВт;
- нанесение защитного покрытия из оксида титана или оксида циркония путем напуска в установку смеси аргона - 20% O₂ или воздуха при давлении 5•10^-3 мм рт.ст. с последующим реактивным распылением титана или циркония в течение 5-10 мин при мощности магнетронного распылительного устройства = 2 кВт;
- напуск в рабочую камеру установки воздуха до атмосферного давления и выгрузка изделия с покрытием.

Изобретение относится к области отражающих покрытий, в том числе и теплозащитных, и может быть использовано для защиты человека в условиях его пребывания в обстановке высокого теплового и радиационного воздействия. Изобретение применимо для создания масок пожарных, металлургов, для работающих в режиме визуального контроля высокотемпературных процессов, для изготовления костюмов пожарных, специальных палаток, костюмов ликвидаторов, а также для изготовления отображающих поверхностей энергетических установок, например гелиоконцентраторов. Покрытие содержит два слоя, один из которых выполнен из серебра толщиной 20-250 нм на подложке, а другой из оксида титана или оксида циркония. Изобретение позволяет увеличить коэффициент пропускания, коэффициент ослабления теплового излучения, повысить механическую и химическую стойкость покрытия, обеспечить возможность использовать его и на полимерных подложках. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Отражающее покрытие, содержащее два слоя, один из которых выполнен из серебра на подложке, а другой - из оксида металла, нанесенного на серебро, отличающееся тем, что слой серебра взят толщиной 20-250 нм, а в качестве оксида металла использован оксид титана или оксид циркония. 2. Отражающее покрытие по п.1, отличающееся тем, что толщина серебряного слоя на прозрачной подложке составляет 20-100 нм. 3. Отражающее покрытие по п.1, отличающееся тем, что толщина серебряного слоя на непрозрачной подложке составляет 80-250 нм.