用于连续施加纳米层压金属涂层的方法和装置制造方法及图纸

本文描述用于通过电沉积连续施加纳米层压材料的装置和方法。

Method and apparatus for continuously applying nano laminated metal coating

An apparatus and method for continuously applying nano laminated materials by electrodeposition are described herein.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于连续施加纳米层压金属涂层的方法和装置相关申请的交叉引用本申请要求2014年9月18日提交的美国临时专利申请号62/052,345的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文。此外，2013年3月15日提交的美国临时申请号61/802,102和2014年3月18日提交的国际专利申请号PCT/US2014/31101的公开内容以引用的方式整体并入本文。背景在过去的几十年已经广泛地研究了纳米层压材料。结果是，那些材料的一些期望的先进性能特征已被发现并且它们在众多领域中的潜在应用已得到承认。尽管纳米层压材料在众多领域(包括民用基础设施、汽车、航天航空、电子和其它领域)中的潜在应用已得到承认，但是总体来说，所述材料由于缺少其生产的连续工艺而不可大量使用。概述本文描述用于通过电沉积连续施加纳米层压材料的装置和方法。在一些实施方案中，所述方法对耐腐蚀或可接受耐用涂饰剂(例如，涂料粉末涂层等)的材料(例如钢)赋予稳定的机械和化学涂饰剂。附图简述图1A和1B分别示出根据本文公开的各种实施方案的电镀槽的顶视图和侧视图；图2A和2B分别示出根据本文公开的各种实施方案的三重冲洗单元的顶视图和侧视图；图3A和3B分别示出根据本文描述的各种实施方案的组合电镀槽和三重冲洗单元的顶视图和侧视图；图4A和4B分别示出根据本文公开的各种实施方案的五重冲洗单元的顶视图和侧视图；图5A和5B分别示出根据本文公开的各种实施方案的组合电镀槽和双重冲洗单元的顶视图和侧视图；图6A和6B分别示出根据本文公开的各种实施方案的组合浸没槽和五重冲洗单元的顶视图和侧视图；图7A和7B分别示出根据本文公开的各种实施方案的鼓风式干燥器的顶视图和侧视图；图8A和8B分别示出根据本文描述的各种实施方案的拉带机的顶视图和侧视图；图9A和9B分别示出根据本文描述的各种实施方案的储罐的顶视图和侧视图；图10A和10B分别示出根据本文描述的各种实施方案的储罐的顶视图和侧视图；图11A和11B分别示出根据本文描述的各种实施方案的储罐的顶视图和侧视图；图12A和12B分别示出根据本文描述的各种实施方案的储罐的顶视图和侧视图；图13A和13B分别示出根据本文描述的各种实施方案的储罐的顶视图和侧视图；图14示出用于根据本文描述的各种实施方案的电镀槽的管道系统和仪器配置；图15示出用于根据本文描述的各种实施方案的三重逆流冲洗单元的管道系统和仪器配置；图16示出用于根据本文描述的各种实施方案的浸没槽的管道系统和仪器配置；图17示出用于根据本文描述的各种实施方案的铬酸盐涂覆槽的管道系统和仪器配置；图18A和18B分别示出根据本文描述的各种实施方案的包括15个电镀槽的连续纳米层压涂覆工艺线的顶视图和侧视图；并且图19示出用于施加纳米层压涂层的连续加工装置，所述纳米层压涂层被配置用于可被轧制的导电性材料。详述1.0定义如本文所用的“电解质”意指电解质浴、电镀浴、或可由其电镀一种或多种金属的电镀溶液。“工件”意指细长导电性材料或环状导电性材料。如本文所用的“纳米层压”或“纳米层压的”是指包括一系列小于1微米层的材料或涂层。除非另外说明，否则作为百分比给出的所有组合物是作为重量％给出。2.0用于连续施加纳米层压涂层的电沉积装置2.1示例性电沉积装置图1A-19示出各种工艺单元，其可以各种组合使用以形成能够在导电性材料上进行连续施加纳米层压涂层的连续电沉积工艺线。工艺线的主要部件是图1A和1B中所示的电镀槽100。电镀槽100是进行在导电性材料上施加纳米层压涂层的地方，并且通常包括外壳110、阴极电刷组件120和阳极组件130。如图1A和1B中所示，电镀槽100包括在外壳110中的各自两个阴极电刷组件120和阳极组件130，以使得两个工件可并行电镀。外壳110通常是电镀槽100的其它部件所位于的罐或容器。外壳110能够在外壳110的壁内容纳电解质溶液。任何合适的材料可以用于外壳，包括例如聚丙烯。外壳的尺寸通常不受限制。在一些实施方案中，外壳大约长3英尺、宽2英尺且高1英尺2英寸。外壳110包括一个或多个入口111，其中电解质溶液可被引入外壳110中。经由入口111进入外壳110的电解质溶液的流动可经由流动控制阀112控制。在一些实施方案中，入口被定位在阳极组件130内，以使得入口110将电解质溶液提供至位于外壳110内的阳极组件130中。外壳110还可包括一个或多个排出口113，以用于允许电解质溶液从外壳110排出。外壳110可覆盖有折叠后盖114，以使得外壳110的内部可与外部环境密封隔离。外壳110还可包括一个或多个通风狭槽115，以用于安全地从外壳110的内部排出气体。如图1A中所示，外壳110还包括在外壳110的相对端处的入口通道116和出口通道117。入口通道116和出口通道117通常是外壳110中的狭窄垂直狭缝(例如，0.5英寸宽)，工件通过所述入口通道和出口通道进入和离开外壳110。在一些实施方案中，通道116、117不延伸外壳110的整个高度。在一些实施方案中，通道116、117在外壳110的底部上方大约3英寸终止。为外壳110中的每条线提供入口通道116和出口通道117。例如，在图1A中所示的配置中，外壳110将包括两个入口通道116和两个出口通道117，对于外壳110中的两个平行工艺线各自一个。虽然未在其余附图中示出，但是类似的入口通道和出口通道可设置在本文描述的所有单元中，以允许工件进入和离开各个单元。阴极电刷组件120提供用于将电流传递至将用作电镀槽100中的阴极的工件的方式。因此，阴极电刷组件120通常包括连接至电源(图1A和1B中未示出)的结构并且能够在工件经过阴极电刷组件120时将电流传递至所述工件。阴极电刷组件可由适于接收电压并将电流传导性地传递至工件的任何材料制成。在一些实施方案中，阴极电刷组件120包括从阴极电刷组件120延伸的臂121。从阴极电刷组件120延伸的臂121可终止于垂直定向的杆122a。第二垂直杆122b可与垂直定向的杆122a间隔开，从而在垂直定向的杆122a、122b之间形成窄的通道。工件穿过通道并接触垂直定向的杆122a，从而将电流传递至所述工件。在一些实施方案中，杆122a、122b中的一个或两个是柔性的。阳极组件130是位于较大外壳110内的开口容器或罐。阳极组件130可包括位于整个阳极组件130中的一个或多个垂直柱131。在一些实施方案中，如图1A中所示，柱131形成两行。工件在两行柱131之间行进，所述柱用作抵靠接触位于柱131与阳极组件的侧壁之间的阳极132的工件的安全防护件。在一些实施方案中，垂直柱131是穿孔的上升管。阳极组件130中的阳极132可由适合用于在导电性材料上电沉积纳米层压层的任何材料制成。阳极连接至与相应的阴极电刷组件120相同的电源(图1A和1B中未示出)，从而提供电子流过电解质溶液并在工件上形成纳米层压层。电解质溶液容纳在阳极组件130内，并且因此穿过阳极组件130的工件上的材料的电镀在阳极组件130中发生。阳极(其除了在反向脉冲期间外用作阳极)可以是惰性的或可以是活性的，在这种情况下，阳极将包含待沉积的金属物质并且在操作期间将溶解到溶液中。在一些实施方案中，可调节行进穿过电镀槽100的工件与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电沉积纳米层压涂层的装置，其包括：至少第一电沉积槽和第二电沉积槽，所述电沉积槽中的每个包括电极，导电性工件以一定速率移动通过所述电沉积槽，以及速率控制机构，其控制所述工件移动通过所述电沉积槽的所述速率；其中每个电沉积槽任选地包括混合器，所述混合器用于在电沉积工艺期间在其各自电沉积槽中搅拌电解质；其中每个电沉积槽任选地包括流动控制单元，所述流动控制单元用于将电解质施加至所述工件；以及其中每个电沉积槽具有电源，所述电源当所述工件移动通过每个电沉积槽时以随时间变化的方式控制施加于所述工件的电流密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.18 US 62/052,3451.一种用于电沉积纳米层压涂层的装置，其包括：至少第一电沉积槽和第二电沉积槽，所述电沉积槽中的每个包括电极，导电性工件以一定速率移动通过所述电沉积槽，以及速率控制机构，其控制所述工件移动通过所述电沉积槽的所述速率；其中每个电沉积槽任选地包括混合器，所述混合器用于在电沉积工艺期间在其各自电沉积槽中搅拌电解质；其中每个电沉积槽任选地包括流动控制单元，所述流动控制单元用于将电解质施加至所述工件；以及其中每个电沉积槽具有电源，所述电源当所述工件移动通过每个电沉积槽时以随时间变化的方式控制施加于所述工件的电流密度。2.如权利要求1所述的装置，其中以随时间变化的方式控制所述电流密度包括在所述工件移动通过至少一个电沉积槽时将两种或更多种、三种或更多种或四种或更多种不同的电流密度施加于所述工件。3.如权利要求2所述的装置，其中以随时间变化的方式控制所述电流密度包括施加偏移电流，以使得当所述工件移动通过至少一个电沉积槽时所述工件保持为阴极而所述电极保持为阳极。4.如权利要求1或2所述的装置，其中所述随时间变化的方式包括以下中的一种或多种：改变基线电流、脉冲电流调制和反向脉冲电流调制。5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中一个或多个所述电沉积槽还包括超声搅拌器。6.如权利要求5所述的装置，其中每个超声搅拌器连续地或以脉冲方式独立地操作。7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中至少一个电沉积槽包括混合器，所述混合器独立地操作以可变地混合在其各自电沉积槽中放置的电解质。8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其还包括所述工件从其移动至所述电沉积槽的第一位置，和/或用于在所述工件已移动通过一个或多个所述电沉积槽后接收所述工件的第二位置。9.如权利要求8所述的装置，其中所述第一和/或第二位置包括线轴或心轴。10.如权利要求9所述的装置，其中所述工件是可缠绕在所述线轴上或在所述心轴周围的电线、杆、片状物、链、线或管。11.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中任何一个或多个所述电沉积槽包括水性电解质。12.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其中任何一个或多个所述电沉积槽包括非水性电解质。13.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中每种电解质包含对于每种电解质独立地选择的两种或更多种、三种或更多种或四种或更多种可电沉积的金属的盐。14.如前述权利要求中任一项所述的装置，其还包括在所述第一位置与所述电沉积槽之间的一个或多个位置，在所述位置中使所述工件与溶剂、酸、碱、蚀刻剂和冲洗剂中的一种或多种接触以除去所述溶剂、酸、碱或蚀刻剂。15.如前述权利要求中任一项所述的装置，其还包括在所述电沉积槽与所述第二位置之间的一个或多个位置，在所述位置中使所述涂覆工件经受以下中的一项或多项：用溶剂清洗、用酸清洗、用碱清洗、钝化处理或冲洗。16.一种电沉积纳米层压涂层的方法，其包括：提供装置，所述装置包括至少第一电沉积槽和第二电沉积槽；以及使工件以一定速率移动通过所述装置的至少所述第一电沉积槽和所述第二电沉积槽且当所述工件移动通过每个电沉积槽时以随时间变化的方式独立地控制混合速率和/或施加于所述工件的电流密度，从而电沉积包含纳米层压涂层和/或一个或多个细粒金属层的涂层；其中每个电沉积槽具有电源，所述电源当所述工件移动通过每个电沉积槽时以随时间变化的方式控制施加于所述工件的所述电流密度；以及其中每个电沉积槽包括电极和电解质，所述电解质包含对于每种电解质独立地选择的两种或更多种、三种或更多种或四种或更多种不同的可电沉积的金属的盐。17.如权利要求16所述的方法，其中以随时间变化的方式控制所述电流密度包括在所述工件移动通过至少一个电沉积槽时将两种或更多种、三种或更多种或四种或更多种不同的电流密度施加于所述工件。18.如权利要求16或17所述的方法，其中以随时间变化的方式控制所述电流密度包括施加偏移电流，以使得当所述工件移动通过至少一个电沉积槽时所述工件保持为阴极而所述电极保持为阳极。19.如权利要求16或17所述的方法，其中所述随时间变化的方式包括以下中的一种或多种：改变所述基线电流、脉冲电流调制和反向脉冲电流调制。20.如权利要求16-19中任一项所述的方法，其中一个或多个电沉积槽包括混合器，其中每个混合器独立地以单一速率或以不同速率操作以搅拌在其各自电沉积槽内的所述电解质。21.如权利要求16-20中任一项所述的方法，其中一个或多个电沉积槽包括超声搅拌器，其中每个搅拌器独立地连续或以非连续方式操作以控制所述混合速率。22.如权利要求16-21中任一项所述的方法，其还包括控制所述工件移动通过所述电沉积槽的所述速率。23.如权利要求16-22中任一项所述的方法，其中所述装置还包括所述工件从其移动至所述第一电沉积槽和所述第二电沉积槽的第一位置，和/或用于在所述工件已移动通过所述第一电沉积槽和所述第二电沉积槽后接收所述工件的第二位置，所述方法还包括使所述工件从所述第一位置移动至所述第一电沉积槽和所述第二电沉积槽和/或使所述工件从所述第一电沉积槽和所述第二电沉积槽移动至所述第二位置。24.如权利要求23所述的方法，其中所述装置还包括在所述第一位置与所述电沉积槽之间的一个或多个位置，并且所述方法还包括使所述工件与溶剂、酸、碱和蚀刻剂以及冲洗剂中的一种或多种接触以在所述第一位置与所述电沉积槽之间的一个或多个所述位置处除去所述溶剂、酸、碱或蚀刻剂。25.如权利要求23或24所述的方法，其中所述装置还包括在所述电沉积槽与所述第二位置之间的一个或多个位置，并且所述方法还包括使所述工件与溶剂、酸、碱、钝化剂和冲洗剂中的一种或多种接触以在所述电沉积槽与所述第二位置之间的一个或多个位置处除去所述溶剂、酸碱和/或钝化剂。26.如权利要求16-25中任一项所述的方法，其中所述工件由金属、导电性聚合物或通过包藏导电性材料或无电施加金属被赋予导电性的非导电性聚合物组成。27.如权利要求16-26中任一项所述的方法，其中所述工件是电线、杆、片状物、链、线或管。28.如权利要求16-27中任一项所述的方法，其中所述电解质是水性电解质。29.如权利要求16-27中任一项所述的方法，其中所述电解质是非水性电解质。30.如权利要求16-29中任一项所述的方法，其中电沉积纳米层压涂层或细粒金属包括所述电沉积包含一种或多种、两种或更多种、三种或更多种或四种或更多种不同元素的组合物，所述元素独立地选自Ag、Al...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂娜·A·罗玛瑟尼，
申请(专利权)人：莫杜美拓有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US