Распределение материала покрытия посредством одновременного вращения и вибрирования

Распределение материала покрытия посредством одновременного вращения и вибрирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к способам и системам для нанесения материалов покрытия на сложные поверхности и, в частности, к способам и системам для нанесения материалов покрытия и перераспределения материалов покрытия на сложных поверхностях посредством одновременного вибрирования и вращения.

Уровень техники

В настоящее время известны различные технологии нанесения тонких слоев покрытий. Тем не менее, большинство из этих технологий предназначены скорее для нанесения материалов покрытия на плоские поверхности, а не на шероховатые поверхности, изогнутые поверхности или поверхности, имеющих различные выступы и другие элементы, продолжающиеся от плоскости поверхности. Типичные примеры традиционных технологий нанесения тонких слоев включают в себя нанесение покрытия методом центрифугирования и нанесение покрытия валиком. Когда эти технологии используются на поверхностях, которые не являются плоскими, нанесенные слои покрытия часто получаются неравномерными или по меньшей мере неконформными. Некоторые поверхности, такие как поверхности небольших элементов, продолжающихся от плоскости основной поверхности, могут даже оставаться совершенно без материала покрытия после завершения операции нанесения покрытия. Другие обычные технологии нанесения, такие как плазменное осаждение и напыление, страдают необходимостью соблюдения требования наличия прямой видимости. При использовании таких технологий покрываемая поверхность должна быть непосредственно доступна и, часто, должна быть ортогональна по отношению к устройству для нанесения покрытия. Третьи технологии нанесения, такие как химическое осаждение из паровой фазы, трудно контролировать, так как прекурсоры, используемые в этих технологиях, взаимодействуют с поверхностью при непосредственном контакте. Таким образом, области с высокой концентрацией прекурсоров имеют более высокие скорости нанесения, чем другие области, что приводит к неконформности покрытий. Может оказаться трудной, если не неразрешимой задачей равномерное перераспределение материала покрытия по всей поверхности.

Раскрытие изобретения

В изобретении предлагаются способы и системы для распределения материалов покрытия посредством одновременного вибрирования и вращения. Инерционные силы, возникающие при вибрирования, и центробежные силы, возникающие при вращении, перераспределяют первоначально нанесенные на поверхность материалы покрытия, тем самым обеспечивая формирование равномерных и/или конформных слоев. Покрываемые поверхности могут иметь различные формы и шероховатости и могут быть отнесены к сложным поверхностям. Первоначальный слой материала покрытия может быть нанесен на сложную поверхность детали с погружением, распылением, нанесением покрытия способом центрифугирования или с использованием других подобных технологий. Материал покрытия перераспределяют путем одновременного вращения и вибрирования детали с использованием специально подобранных условий процесса, таких как ориентация осей вибрирования и вращения относительно детали, частоты вращения и частоты и амплитуды вибрирования. В некоторых вариантах осуществления изобретения операция перераспределения может быть повторена один или несколько раз с использованием различных условий процесса, чтобы обеспечить равномерное распределение на разных участках сложных поверхностей.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ для нанесения материала покрытия на сложную поверхность детали включает в себя нанесение первичного слоя материала покрытия по меньшей мере на часть сложной поверхности и перераспределение материала покрытия, содержащегося в первоначальном слое, для формирования модифицированного слоя. Такое перераспределение материала покрытия включает в себя одновременное вращение и вибрирование детали.

В некоторых вариантах осуществления изобретения нанесение первоначального слоя включает в себя нанесение покрытия погружением, распылением или способом центрифугирования. Однако в рамки объема изобретения попадают также другие технологии нанесения неотвержденных слоев. Материал покрытия может быть тиксотропной жидкостью. В более общем смысле, материал покрытия может быть неньютоновской жидкостью. В некоторых вариантах осуществления изобретения материал покрытия представляет собой золь-гель-прекурсор. В некоторых вариантах осуществления изобретения вязкость материала покрытия увеличивается при его перераспределении.

В некоторых вариантах осуществления изобретения деталь при перераспределении материала покрытия вращают вокруг первой оси. При перераспределении материала покрытия деталь может также вибрировать вдоль этой первой оси. Сложная поверхность может включать в себя первый участок, продолжающийся по существу ортогонально первой оси, и второй участок, продолжающийся, по существу, параллельно первой оси. Сочетание вращения и вибрирования позволяет перераспределять материал покрытия по обоим участкам (т.е. по первому участку и по второму участку) одновременно.

В некоторых вариантах осуществления изобретения деталь при перераспределении материала покрытия вращают вокруг первой оси. При перераспределении материала покрытия деталь может вибрировать вдоль второй оси. Вторая ось ортогональна первой оси. В таких вариантах осуществления изобретения сложная поверхность может включать в себя участок, проходящий, по существу, ортогонально первой оси и, по существу, ортогонально второй оси.

В некоторых вариантах осуществления изобретения деталь при перераспределении материала покрытия одновременно вибрируют вдоль первой оси и вдоль второй оси, при этом первая ось ортогональна второй оси. В более общем смысле первая ось не параллельна второй оси.

В некоторых вариантах осуществления изобретения деталь при перераспределении материала покрытия одновременно вращают вокруг первой оси и вокруг второй оси так, что первая ось ортогональна второй оси. В более общем смысле первая ось не совпадает со второй осью. В некоторых вариантах осуществления изобретения первая ось параллельна второй оси. Для различных осей вращения могут быть использованы различные частоты вращения.

В некоторых вариантах осуществления изобретения деталь при перераспределении материала покрытия на первом этапе вращают вокруг первой оси. Деталь при перераспределении материала покрытия на втором этапе может также вращаться вокруг второй оси. Первый этап может не перекрываться по времени со вторым этапом. Первая ось может быть, по существу, ортогональной второй оси.

В некоторых вариантах осуществления изобретения при перераспределении материала покрытия на первом этапе деталь вибрируют вдоль первой оси. При перераспределении материала покрытия на втором этапе деталь может также вибрировать вдоль второй оси. Второй этап может не пересекаться по времени с первым этапом. Первая ось может быть, по существу, ортогональной второй оси.

В некоторых вариантах осуществления изобретения модифицированный слой покрывает большую площадь сложной поверхности, чем первоначальный слой. Другими словами, первоначальный слой распределяют по сложной поверхности детали и увеличивают зону покрытия при формировании модифицированного поверхностного слоя. В некоторых вариантах осуществления изобретения способ также включает в себя отверждение материала покрытия на сложной поверхности. Отверждение проводят при одновременном вращении и вибрировании детали. В некоторых вариантах осуществления изобретения нанесение первоначального слоя включает в себя вращение или вибрирование детали во время погружения в материал покрытия. Способ также может включать в себя определение профилей вращения и вибрирования исходя из геометрии детали, качества сложной поверхности и свойств материала покрытия. Например, профили вращения и вибрирования могут включать в себя ориентацию одной или нескольких осей вибрирования и вращения относительно детали, длительность вибрирования и вращения, а также изменение условий вибрирования и вращения.

Также предлагается способ нанесения материала покрытия на сложную поверхность детали, который включает в себя нанесение первоначального слоя материала покрытия на по меньшей мере часть сложной поверхности путем погружения детали в материал покрытия. Способ также включает в себя перераспределение материала покрытия, содержащегося в первоначальном слое, для формирования модифицированного слоя. Перераспределение материала покрытия включает в себя одновременное вращение и вибрирование детали. В частности, деталь может вращаться с частотой вращения в пределах примерно от 100 оборотов в минуту до 600 оборотов в минуту. В это же время деталь может вибрировать с частотой приблизительно от 5 Гц до 50 Гц.

Эти и другие варианты осуществления описаны ниже со ссылками на прилагаемые к описанию чертежи.

Краткое описание чертежей

На чертежах показано:

на Фиг. 1 - схематический вид детали, имеющей сложную поверхность, в некоторых вариантах осуществления изобретения;

на Фиг. 2 - блок-схема технологического процесса, соответствующего способу нанесения материала покрытия на сложную поверхность детали, в некоторых вариантах осуществления изобретения;

на Фиг. 3А - схематический вид детали после формирования на ее поверхности первоначального слоя в некоторых вариантах осуществления изобретения;

на Фиг. 3В - схематический вид показанной на Фиг. 3А детали после завершения способа нанесения материала покрытия в некоторых вариантах осуществления изобретения;

на Фиг. 4А - один из примеров ориентации осей вибрирования и вращения относительно элемента детали;

на Фиг. 4В и 4С - два дополнительных примера ориентации осей вибрирования и вращения относительно показанного на Фиг. 4А элемента детали;

на Фиг. 5А - схематический вид устройства для нанесения материала покрытия на сложную поверхность детали с использованием по меньшей мере одной оси вращения, а также одной или нескольких осей вибрирования в некоторых вариантах осуществления изобретения;

на Фиг. 5В - схематический вид другого устройства для нанесения материала покрытия на сложную поверхность детали с использованием по меньшей мере двух осей вращения в некоторых вариантах осуществления изобретения;

на Фиг. 5С и 5D - схематические виды сверху и сбоку еще одного устройства для нанесения материала покрытия на сложную поверхность детали с использованием по меньшей мере двух осей вращения и по меньшей мере двух осей вибрирования в некоторых вариантах осуществления изобретения;

на Фиг. 6А-6Н - фотографии поперечного сечения детали, покрытой с использованием вибрирования и вращения детали;

на Фиг. 7А-7Е - фотографии поперечного сечения другой детали, покрытой с использованием вибрирования и вращения детали.

Осуществление изобретения

В нижеследующем описании изложены многочисленные конкретные подробности, обеспечивающие всестороннее понимание представленных идей изобретения. Представленные идеи могут быть реализованы без некоторых или всех таких конкретных подробностей. В других случаях хорошо известные технологические операции не описываются подробно, чтобы излишне не затенять описываемые идеи. Несмотря на то, что некоторые идеи описаны в связи с конкретными вариантами осуществления изобретения, следует понимать, что такие варианты осуществления изобретения не должны толковаться как ограничивающие изобретение.

Как было отмечено выше, нанесение равномерных и/или конформных слоев может быть проблематичным, если поверхности не являются плоскими. Для целей настоящего документа не плоские поверхности и/или поверхности, включающие в себя множество плоских участков (например, участков, сформированных трехмерными элементами), могут быть отнесены к сложным поверхностям. Более точное определение приводится ниже. Например, когда материал покрытия наносят на сложную поверхность, сила тяжести может перемещать материал из высоких точек в низкие точки, что приводит к неравномерному распределению. В другом примере, если часть поверхности образована небольшим отверстием, которое продолжается, например, от верхней поверхности, материал покрытия может собираться вокруг этого отверстия, но не сможет легко пройти внутрь этого отверстия из-за поверхностного натяжения, вязкости и других свойств. В еще одном примере отверстие может быть полностью заполнено материалом покрытия, но не имеет равномерного слоя на боковых стенках этого отверстия. В традиционных технологиях нанесения перераспределение предварительно нанесенного материала покрытия, как правило, ограничено гравитационными силами, срезанием прямолинейной кромкой или другими подобными технологиями.

В изобретении предлагаются способы и системы для распределения материалов покрытия посредством одновременного вибрирования и вращения. Первоначальный слой материала покрытия может быть недостаточно равномерным и/или может не покрывать всю поверхность, которая должна быть покрыта. Первоначальный слой может быть нанесен с использованием различных технологий, таких как погружение детали в материал покрытия, напыление материала на деталь и другие подобные технологии. Затем деталь подвергают одновременному вибрированию и вращению, чтобы перераспределить этот первоначально нанесенный слой и сформировать модифицированный слой. Вибрирование создает силы инерции, в то время как вращение создает центробежные силы, которые воздействуют на первоначально сформированный слой. Направление и величина этих сил специально контролируется с использованием различных условий процесса, таких как ориентация осей вибрирования и вращения относительно детали, частоты вращения, частоты и амплитуды вибрирования. Упомянутые условия процесса могут быть выбраны исходя из формы и состояния поверхности (например, шероховатости поверхности), свойств используемого материала покрытия (например, вязкости, поверхностного натяжения, плотности, тиксотропных свойств), а также других факторов. В некоторых вариантах осуществления изобретения условия процесса могут изменяться в процессе перераспределения материала покрытия на сложной поверхности. Например, ориентация осей вибрирования и/или вращения может изменяться по меньшей мере один раз за время процесса. Кроме того, инерционные и центробежные силы могут быть объединены с гравитационными силами и, в некоторых вариантах осуществления, с аэродинамическими силами, чтобы распределять материалы по сложным поверхностям.

В дополнение к комбинированию вращения и вибрирования в единую операцию могут быть использованы многоосное вращение и/или многоосное вибрирование. В некоторых вариантах осуществления изобретения в процессе перераспределения материала по поверхности детали деталь может вращаться вокруг двух или более отличающихся осей. Таким образом, деталь и ранее нанесенный на поверхность детали материал покрытия подвергаются воздействию разнонаправленных центробежных сил, представляющих собой сочетание центробежных сил, генерируемых каждым из вращений. Такие разнонаправленные центробежные силы могут изменять свою ориентацию в ходе процесса. Кроме того, разнонаправленные центробежные силы сочетаются с инерционными силами, возникающими в результате вибрирования.

В тех же самых или других вариантах осуществления изобретения в процессе перераспределения материала по поверхности детали деталь может вибрировать вдоль двух или более непараллельных осей, тем самым подвергая материал покрытия воздействию разнонаправленных сил инерции. Направление этих разнонаправленных сил инерции может смещаться, например, с использованием различных частот для различных осей или смещения циклов вибрирования одной и той же частоты. Кроме того, разнонаправленные силы инерции комбинируют с центробежными силами, возникающими при вращении.

В настоящем документе к "сложному объекту" или "объекту со сложной поверхностью" или его грамматическим эквивалентам относят любой объект, имеющий по меньшей мере одну сложную поверхность. Упомянутая "сложная поверхность" может быть не плоской поверхностью; сочетанием двух или более плоских поверхностей, сходящимися под любым углом; по меньшей мере одним трехмерным внутренним или наружным элементом (например, отверстиями, выступами), связанным с в остальном плоской поверхностью объекта или их различными комбинациями. Одним из примеров сложной поверхности является поверхность сферы или части сферы (например, полусфера, формирующая торцевую поверхность цилиндрического объекта). Боковина цилиндра является еще одним примером сложной поверхности. Пирамида является примером сложного объекта с ее плоскими поверхностями, сходящимися под углом, отличным от 90°, в то время как куб является примером сложного объекта с его плоскими поверхностями, сходящимися под углом 90°. Примеры трехмерных элементов, добавление которых может превратить несложную поверхность в сложную, включают в себя один или несколько выступов, углублений, отверстий, лунок, поверхностных каналов, внутренних каналов, плато, волнистостей, изгибов, тиснений, желобков, мезаструктур, камер, а также их различных комбинаций. Во многих случаях такие элементы имеют большое соотношение сторон, например, по меньшей мере приблизительно 2, по меньшей мере приблизительно 5, по меньшей мере приблизительно 10 или даже по меньшей мере приблизительно 100. Для целей настоящего документа соотношение сторон определяется как отношение глубины к основному размеру, ортогональному глубине (например, к диаметру) элемента.

На Фиг. 1 показан схематический вид детали 100, имеющей сложную поверхность в некоторых вариантах осуществления изобретения. В частности, деталь 100 имеет верхнюю поверхность 102а, боковую поверхность 102b (образованную несколькими участками) и нижнюю поверхность 102с (также образованную несколькими участками). Согласно приведенному выше определению упомянутые поверхности 102а-102с не могут считаться сложными поверхностями. В некоторых вариантах осуществления изобретения деталь 100 представляет собой круглый объект и боковая поверхность 102b может считаться сложной поверхностью. Кроме того, все поверхности 102а-102с являются внешними поверхностями, и на них легко может быть нанесено покрытие. Однако деталь 100 имеет множество элементов, имеющих внутренние поверхности, которые не так легко покрыть. Для целей настоящего документа внутренние поверхности определяются как поверхности, которые продолжаются от внешней границы объекта. В частности, деталь 100 имеет множество отверстий 104, продолжающихся от верхней поверхности 102а. Отверстия 104а могут иметь фаску на своих входах с обеих сторон, например, как это показано на Фиг. 1. Когда используется обычная технология нанесения материала покрытия на верхнюю поверхность 102а, материал может в недостаточной мере проникать в отверстия 104 и покрывать боковые стенки этих отверстий. Некоторые недостатки традиционных способов и неожиданные результаты предложенных в изобретении способов приведены в представленном ниже разделе "Результаты эксперимента". Кроме того, деталь 100 имеет внутреннюю полость 106, и ее поверхности не могут быть доступны для прямого (например, по линии прямой видимости) покрытия.

Сложная поверхность может быть охарактеризована коэффициентом сложности. Используемый в настоящем документе термин "коэффициент сложности" или его грамматический эквивалент представляет собой отношение общей площади поверхности к наибольшей площади двумерной проекции этой поверхности на другую плоскую поверхность. Плоская поверхность имеет коэффициент сложности 1. Сложная поверхность имеет коэффициент сложности больше 1. Например, коэффициент сложности сферы равен 4 (т.е. площадь поверхности 4πR² сферы делится на площадь ее проекции πR²). Аналогичным образом, сложность полусферы равна 2, так как она имеет ту же площадь проекции, что и сфера, но только половину площади поверхности сферы. В некоторых вариантах осуществления изобретения коэффициент сложности поверхности составляет по меньшей мере приблизительно 2 или, более конкретно, по меньшей мере приблизительно 3 или даже по меньшей мере приблизительно 4, по меньшей мере приблизительно 5 или по меньшей мере приблизительно 6. Для расчета сложной поверхности могут быть использованы различные инструменты системы автоматизированного проектирования (САПР).

Вышеизложенное описывает сложные поверхности на макроскопическом уровне. Другими словами, любые элементы, которые меньше 1 мм, игнорируются при оценке сложности поверхности, если специально не оговорено иное. Когда оговорено особо, сложные поверхности можно также охарактеризовать на микроскопическом (микрометры) и наноскопическом (нанометры) уровне. В целом, большинство поверхностей имеют некоторую степень шероховатости (R), как правило, измеряемую по микроскопической или наноскопической шкале. Эта шероховатость может быть случайной, обусловленной составом материала, используемого для изготовления объекта, и способом его изготовления. Шероховатость может также быть результатом умышленного формирования микроскопических или наноскопических элементов на поверхности. В любом случае, шероховатость поверхности обусловлена поверхностными элементами, которые, если рассматривать изолированно, сами по себе являются микроскопическими или наноскопическими сложными объектами со сложными поверхностями. Они также вносят вклад в коэффициент сложности поверхности, так как увеличивают рассматриваемую эффективную площадь поверхности.

Слой покрытия, сформированный с помощью описанных в настоящем документе способов и систем, может иметь толщину приблизительно от 1 мкм до 1000 мкм, например, приблизительно от 1 мкм до 500 мкм, приблизительно от 1 мкм до 250 мкм приблизительно от 1 мкм до 100 мкм или даже приблизительно от 1 мкм до 10 мкм. Слои покрытия могут быть конформными, т.е. слоями, которые конформны элементам, связанным с поверхностью. Например, конформный слой будет конформным шероховатой поверхности и, тем не менее, равномерным по толщине. В качестве альтернативы, слой может образовывать плоскую верхнюю поверхность, несмотря на шероховатость поверхности детали. В некоторых вариантах осуществления изобретения конформный слой определяется его толщиной по сравнению с шероховатостью поверхности. В общем, тонкий слой является конформным, если его толщина (Т) меньше половины величины шероховатости (R/2). Если толщина (Т) в два раза больше шероховатости (2R), то тонкий слой, как правило, образует плоскую или спланированную поверхность. Другими словами, нанесенный слой сглаживает шероховатость поверхности. Другие параметры, которые определяют, является ли слой конформным или плоским, включают в себя вязкость материала покрытия, поверхностное натяжение, условия обработки, применяемые для перераспределения и отверждения материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения слой, который первоначально является плоским, перераспределяется в конформный слой.

В некоторых вариантах осуществления изобретения материал покрытия покрывает только часть сложной поверхности. Параметры обработки могут быть выбраны таким образом, что материал покрытия не распределяется по всей доступной площади поверхности. Например, некоторые области необходимо оставлять свободными от материала покрытия. Вместо использования маски или других технологий защиты параметры обработки (в т.ч. параметры вибрирования и вращения) могут быть выбраны таким образом, чтобы избежать распределения материала покрытия в некоторых областях.

В некоторых вариантах осуществления изобретения с использованием описанных способов и систем может быть сформирована многослойная структура. Например, процесс может быть повторен несколько раз, используя те же или отличающиеся материалы покрытия, чтобы сформировать многослойную структуру. Толщина и/или состав слоев в многослойной структуре могут отличаться.

Для целей настоящего документа термин "равномерный тонкий слой" или его грамматические эквиваленты относятся к тонкому слою, имеющему равномерную толщину. Тонкий слой имеет равномерную толщину, если толщина всего слоя изменяется меньше, чем предварительно заданное значение (например, от 1% до 20%, а именно, менее чем на 5%). На равномерность слоя могут влиять различные факторы, в том числе, но не ограничиваясь этим, материал подложки, качество поверхности и шероховатость, а также тип покрытия.

В некоторых вариантах осуществления изобретения слой покрытия ковалентно соединен с поверхностью объекта. Ковалентная связь, возникающая при ковалентном прикреплении, представляет собой химическую связь, которая предполагает совместное использование электронных пар между атомами двух материалов. Ковалентная связь может быть установлена во время нанесения покрытия и/или во время отверждения материала на покрываемой поверхности. Ковалентная связь обеспечивает улучшенную адгезию материала к поверхности. Кроме того, повышенная адгезия материала покрытия к поверхности может быть получена путем обработки поверхности перед нанесением покрытия с целью увеличения количества химически активных групп или атомов на поверхности. Эти химически активные группы или атомы вступают в реакцию с одним или несколькими компонентами в жидкости для нанесения покрытия таким образом, что полученный тонкий слой прикреплен к поверхности большим количеством ковалентных связей, чем это было бы в случае отсутствия предварительной обработки поверхности. Например, можно использовать плазменную обработку. Когда создают многослойный пакет пленок, каждый из слоев покрытия может быть подвергнут плазменной обработке перед добавлением раствора для нанесения покрытия, который образует следующий слой, или несколько слоев могут быть обработаны выборочно, исходя из состава пакета. Таким образом может быть обеспечена повышенная адгезия между слоями и между многослойным пакетом и поверхностью объекта. По существу такая обработка повышает эксплуатационные качества покрытия за счет повышения прочности связей между слоями и между многослойным пакетом и поверхностью объекта.

С использованием описанных способов и систем могут быть нанесены различные материалы покрытия. В некоторых вариантах осуществления изобретения в состав материалов покрытия могут быть включены органические полимеры, органические мономеры и золь-гель-прекурсоры. Например, материал покрытия может включать один или несколько золь-гель-прекурсоров металлов и/или один или несколько золь-гель-прекурсоров металлоидов. Материал покрытия может также включать в себя полярный протонный растворитель и/или полярный апротонный растворитель. Концентрация полярного протонного или полярного апротонного растворителя в таком материале покрытия может быть в пределах от 1% до 25% по объему.

Металл в золь-гель-прекурсорах металлов и в других видах металлсодержащих прекурсоров может быть металлом переходной группы, лантаноидом, актиноидом, щелочноземельным металлом, одним из металлов группы IIIA-VA. В одном и том же материале покрытия могут быть также использованы различные комбинации упомянутых металлов. Конкретные примеры включают в себя алюминий (Al), титан (Ti), молибден (Mo), олово (Sn), марганец (Μn), никель (Ni), хром (Cr), железо (Fe), медь (Cu), цинк (Zn), галлий (Ga), цирконий (Zr), иттрий (Y), кадмий (Cd), литий (Li), самарий (Sm), эрбий (Er), гафний (Hf), индий (In), церий (Се), кальций (Са) и магний (Mg). Металлоидом в золь-гель-прекурсорах металлоидов может быть один или несколько металлоидов из группы, включающей в себя бор (В), кремний (Si), германий (Ge), мышьяк (As), сурьму (Sb), теллур (Те), висмут (Bi) и полоний (Ро) или их комбинации с другим металлоидом или металлом. В некоторых вариантах осуществления изобретения золь-гель-прекурсор металла может быть металлическими соединениями, выбранными из группы, включающей в себя металлоорганические соединения, органические и неорганические соли металлов. Золь-гель-прекурсоры металлоидов могут быть металлоидными соединениями, выбранными из группы, включающей в себя органо-металлоидные соединения, органические и неорганические соли металлоидов. Если используется более одного металла или металлоида, один из них может быть органическим соединением, таким как алкоксид, а другой может быть органической или неорганической солью.

В некоторых вариантах осуществления изобретения используемый в материале покрытия полярный протонный растворитель представляет собой органическую кислоту или спирт (например, низший алкиловый спирт, такой как метанол и этанол). В материале покрытия может также присутствовать вода. В некоторых вариантах осуществления изобретения полярный апротонный растворитель может представлять собой галоидированный алкан, алкиловый эфир, сложный алкиловый эфир, кетон, альдегид, алкиловый амид, алкиловый амин, алкиловый нитрил или алкилсульфоксид. Некоторые конкретные примеры таких полярных апротонных растворителей включают в себя метиламин, этил амин и диметилформамид. В некоторых вариантах осуществления изобретения кислота или основание, которое используют в качестве катализатора для полимеризации прекурсоров металлов и/или металлоидов, могут быть добавлены до или после добавления полярного апротонного растворителя.

Избыточные количества полярного апротонного растворителя могут вызвать желатинизацию материала покрытия. Соответственно, количество полярного апротонного растворителя может быть определено эмпирически для каждого применения. Количество полярного апротонного растворителя должно быть ниже количества, которое вызывает желатинизацию во время смешивания, но достаточно, чтобы вызвать желатинизацию материала покрытия после того, как к материалу покрытия прикладывается сдвигающее усилие (например, при перераспределении материала покрытия по сложной поверхности).

В некоторых вариантах осуществления изобретения материал покрытия представляет собой неньютоновский раствор, который может быть раствором, снижающим вязкость при сдвиге, расширяющимся раствором, загущающимся после сдвига раствором или тиксотропным раствором. Используемый в данном документе термин "снижающий вязкость при сдвиге" относится к раствору, вязкость которого снижается по нелинейному закону при приложении к раствору сдвигающего усилия; термин "расширяющийся" относится к раствору, вязкость которого возрастает по нелинейному закону при приложении к раствору сдвигающего усилия; термин "загущающийся" относится к раствору, вязкость которого возрастает с увеличением продолжительности воздействия силы; и термин "тиксотропный" относится к раствору, вязкость которого снижается с увеличением продолжительности воздействия силы.

В некоторых вариантах осуществления изобретения после завершения операции перераспределения материал покрытия образует на поверхности гелеобразный слой. Используемый в данном описании термин "гелеобразный слой" или его грамматические эквиваленты означают слой, в котором золь-гель-прекурсоры металлов и/или металлоидов в материале покрытия формируют достаточно большие и/или сшитые полимеры. Такой слой может иметь достаточно высокую вязкость, что предотвращает дальнейшее распределение слоя под действием только силы тяжести. Гелеобразные слои могут включать в себя способные к полимеризации составляющие, такие как органические мономеры и поперечно сшиваемые олигомеры или полимеры. Примеры включают в себя катализируемую основаниями реакцию между меламином (или резорцином) и формальдегидом с последующим ацидированием и термической обработкой.

В некоторых вариантах осуществления изобретения материал покрытия включает в себя один или несколько сшиваемых мономеров, ковалентно присоединенных к металлу или металлоиду (например, с помощью органического линкера). Примеры включают в себя диорганодихлорокремневодороды, которые вступают в реакцию с натрий сплавами или натрий-калий сплавами в органических растворителях с получением смеси линейных и циклических органосиланов. Когда используются сшиваемые составляющие, материал покрытия может также содержать инициатор полимеризации. Примеры фото-индуцируемых инициаторов включают в себя титаноцены, бензофеноны/амины, тиоксантоны/амины, бензойные эфиры, окиды ацилфосфина, бензилкетали, ацетофеноны и алкилфеноны. Кроме того, могут быть использованы инициаторы, индуцируемые излучением с соответствующими длинами волн ультрафиолетового А (315-400 нм), ультрафиолетового В (280-315 нм) и инфракрасного (700 нм - 1 мм) диапазонов. Конкретный пример включает в себя инициаторы, индуцируемые теплом.

После того, как материал покрытия нанесен, весь или большая часть растворителя может быть удалена из слоя. Растворитель может быть удален путем испарения при температуре окружающей среды, испарения при повышенной температуре (например, с использованием ультрафиолетового, видимого или инфракрасного излучения) или вакуумированием. Условия испарения растворителя могут быть также использованы для полимеризации непрореагировавших или частично прореагировавших прекурсоров металлов и/или металлоидов.

Общее количество прекурсоров металлов и/или металлоидов в материале покрытия может составлять от приблизительно 5 до 40% по объему, когда материал нанесен на поверхность и перераспределен по ней. В некоторых вариантах осуществления изобретения количество составляет от приблизительно 5 до 25% по объему или, более конкретно, от примерно 5 до 15% по объему. Полярный протонный растворитель может составлять большую часть растворителя в материале покрытия.

На Фиг. 2 показана блок-схема технологического процесса, соответствующего способу 200 нанесения материала покрытия на сложную поверхность детали в некоторых вариантах осуществления изобретения. В общем, способ 200 включает в себя нанесение первоначального слоя материала покрытия на по меньшей мере часть сложной поверхности на этапе 204, и последующее перераспределение на этапе 206 содержащегося в первоначальном слое материала покрытия для формирования модифицированного слоя. Один или оба этих этапа могут быть повторены для нанесения дополнительного материала покрытия и/или перераспределения материала покрытия с использованием различных комбинаций центробежных, инерционных, гравитационных и центростремительных сил.

Способ 200 может также включать в себя другие этапы, например, показанные на Фиг. 2. Например, сложная поверхность может быть предварительно обработана на этапе 202, конкретные условия процесса (для использования на этапах 204 и/или 206), могут быть определены на этапе 203, а материалы покрытия могут быть отверждены на этапе 212. Тем не менее, некоторые из этих этапов являются не обязательными и могут не выполняться в некоторых вариантах осуществления изобретения. Кроме того, способ 200 может включать в себя другие, не показанные на Фиг. 2, этапы, очевидные для специалиста в данной области техники. Описанные этапы могут выполняться в любом порядке, если это специально не оговорено. Например, показанный на Фиг. 2 этап 203 может выполняться до этапа 202 или после этапа 204. Различные аспекты способа 200 ниже описываются более подробно.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ 200 может начинаться с предварительной обработки покрываемой поверхности в ходе дополнительного этапа 202. Например, на этом этапе может осуществляться предварительная плазменная обработка. Предварительная обработка может использоваться для изменения свойств поверхности, например, для изменения поверхностного натяжения и/или функционализации поверхности путем добавления или удаления определенных материалов. По меньшей мере часть сложной поверхности можно приводить в контакт с атмосферной плазмой или кислородной плазмой. Плазма может быть получена из устройства плазменной обработки или, более конкретно, от плазменной головки. Плазменная головка может быть неподвижной, а деталь может поворачиваться вокруг одной или нескольких осей, чтоб