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在真空条件下，通过真空磁控溅射镀膜机，使聚氨酯海绵匀速通过镀膜区，同时，在海绵双面均匀地镀覆镍膜层，实现海绵的导电化，制造电铸工序用的海绵模芯。该设备在改变靶材和基材后，也可用于其他基材表面镀覆不同的金属、合金。
用于泡沫镍生产制造的真空磁控溅射镀膜机有两种类型：方箱式真空磁控溅射镀膜机和偏置哑铃式真空磁控溅射镀膜机。
1．方箱式真空磁控溅射镀膜机
图4-4是方箱式真空磁控溅射镀膜机的结构和在制品走带卷绕示意。方箱式真空磁控溅射镀膜机由真空室（包括放卷室、收卷室、溅射室）、真空系统、驱动车和管线拖动装置、氩气流量控制与显示、卷绕传动与控制系统、真空测量与控制系统、磁控溅射靶电源和控制柜、设备水冷循环管道系统、压缩空气分配部件、活动操作平台等部件组成 [5] 。
图4-4 方箱式真空磁控溅射镀膜机的结构和在制品走带示意
2．偏置哑铃式真空磁控溅射镀膜机
图4-5是偏置哑铃式真空磁控溅射镀膜机的结构和磁控溅射在制品走带示意，哑铃式真空磁控溅射镀膜机主要配置包括真空室（包括上卷料室、下卷料室、溅射室）、真空系统、氩气流量控制系统、传动与控制系统、真空测量及自动控制系统、靶电源和控制柜、分水器及设备水冷循环管道系统、压缩空气分配部件、装/卸料运行车、活动操作平台等部件。
图4-5 偏置哑铃式真空磁控溅射镀膜机的结构和在制品走带示意
在满足功能性和安全性要求的前提下，必须兼顾设备运行的稳定可靠、自动化程度的提升、生产成本的降低、生产效率和产品质量的提高、对产品个性化需求的兼容性等方面，并有持续改进的可能。以此为原则，聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍设备的设计包括如下要点：
1）设备的功能性
在确定设备用途的前提下，结合产能总目标和电铸对模芯的特性要求（如长度、宽度、厚度、导电性能、模芯收卷端边整齐度等），设计真空系统、磁控溅射室阴极靶给电系统、卷绕传动系统、全自动控制系统、循环水冷却系统等，实现真空磁控溅射镀膜功能，满足电铸对模芯的全部要求 [19] 。
2）生产能力测算
首先确认模芯的规格型号如PPI、长度、宽度、厚度和模芯卷的尺寸，再将设备计划检修时间、清理内壁时间、生产辅助时间、抽空时间等辅助作业时间汇总。然后，依据模芯卷绕的长度和工艺设计的走速，确定镀膜总时间，计算出单台设备的日产能。同时，根据产能总目标确定设备的台（套）数量。
3）成本测算
成本的设计主要包括两方面：
（1）设备的制作成本。通过市场调研，了解材料价格和相应部件的价格并进行汇总，再累计辅助设施的费用，得到单台设备的总体费用；按照一定年限折旧率得到每年的设备折旧费用。
（2）设备的运行成本。真空镀膜设备主要考虑水、电、气的费用测算（没有涉及直接材料和人工费用），以产能均分，得到设备的运行成本。
4）生产安全技术及要求
应首先满足国家相关法律法规要求和安全技术标准，对危险源进行充分识别和风险评估，制定安全措施和防呆措施，保证整机安全设计评估无Ⅱ级以上安全风险点。
（1）所有电源线和控制线导线必须设置安全防护装置，避免发生触电风险。例如，电源线收在金属高架桥内，阴极靶配置安全防护罩，有漏电保护装置，整体设备与接地线安装牢固。
（2）在控制程序方面，须提供附加防护装置，以保护操作者在操作、安装、维护时采用合理的预选锁定和控制程序，包括门、阀、电源及水源开关等部件的互锁。
（3）设备安全防护，避免操作者的身体与运动部件接触，提供必要的作业安全保护设施和警示标识等。
（4）环境保护要求。应符合国家有关规定和标准，例如，真空泵组与生产区隔离，真空泵组底座防振和进/出口配置波纹管，设备的噪声等级应不超过80dBA。
（5）所有的安全说明书及安全标志须用国际通用符号或中文标识。
5）作业方式和效率测算
预估真空镀膜操作流程和人工作业操作步骤，累计全流程的人工作业总时间，确定作业班次和作业人员数量。
6）外观设计要求
外观设计要求往往被忽视，主要要求如下：所有零部件标准化加工、制作、安装；相同部位的螺栓规格、型号、材质统一；螺栓垂直安装，配套齐全，不得松动；装配过程防止变形，预防制作精度不符要求；设备外观、色调及涂装质量应有验收项目的规定和验收标准。
7）外部资源需求
结合设备生产能力，在设备各个部件配置完成后汇总外部资源需求，包括厂房建筑、动力需求、人流和物流设计、消防照明等项目的相关规定。
8）设备维修保养规定
列出整机的详细零部件清单，明确易损件及其使用期限。建立备品、备件清单，确定其最低库存数量、整机保养维护周期和维保标准、责任担当和监管机制。
在设备结构的合理性、产品质量控制的可靠性和操作方便性方面，以偏置哑铃式真空磁控溅射镀膜设备具有突出的优势，故以该机型为例，介绍聚氨酯海绵模芯真空磁控溅射镀镍的主机，包括主机构件和可使用的真空材料、真空室、真空泵组、阴极靶、传动系统、循环冷却系统、除尘系统、控制系统等。
1．主机构件和可使用的材料 [20-21]
主机构件和所有工作环节可使用的材料必须满足真空环境对材料材质的要求。遵守这些要求在真空镀膜设备的设计过程相当重要，合理的选材不但关系到设备的安全性、适用性、稳定性，也关系到设备的使用寿命和固定资产的投入。材料的渗漏和材料加工产生的微漏会给设备的维护带来困难，材料的使用寿命也会影响设备维修的频率和次数，以及备品、备件的最低库存量等。
1）适用材料的种类
真空系统所用材料包括真空设备外壳、真空计，以及真空容器内的各种固定或活动的机构及部件、密封材料等 [21] 。真空系统中所用的材料大致可分为以下两类：
（1）结构材料。结构材料是构成真空系统主体的材料，它将真空系统与大气隔开，承受着大气压力。这些材料主要是各种金属和非金属材料。
（2）辅助材料。辅助材料指系统中零件连接处或系统漏气处密封用的真空封脂或真空封蜡、装配时用的黏结剂、真空泵及系统用的真空油、吸气剂，以及系统中所用的加热元件材料等 [3] 。真空系统中真空元件常用的材料见表4-5。
表4-5 真空系统中真空元件常用的材料 [21]
2）适用材料的性能与选材原则 [21]
（1）材料对真空的适应性能。
对于真空系统所用的相关材料，除了要求物理、化学和力学性能，对这些材料的真空性能还有特殊要求。真空系统所能达到的极限压力主要取决于各种气源的出气量。
① 影响出气量的因素。
a.漏孔的漏气量。
b.通过真空容器壁渗入真空系统的气体量。
c.真空容器内表面的蒸发、升华、分解等放出的气体量。
d.材料的出气。
e.抽气系统的返流，例如，扩散真空泵返扩散气体、返流油蒸汽、低温吸附真空泵中气体的再释放等。
显然，真空系统内的气源与所使用材料的真空性能密切相关。
② 材料的渗透性。气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散再通过和逸出固体阻挡层的过程称为渗透。这种情况下的稳态流率称为渗透率。由于真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，即使容器壁上仅有小到足以阻止正常气流通过的微孔，器壁材料或多或少也会渗透一些气体。
③ 材料的出气。任何固体材料都可以吸附大气中的一些气体。当材料置于真空中时，气体就会脱附 [6] 。对真空系统设计来说，考虑多种真空泵的抽气能力是有选择性的，仅有材料出气速率的数据还不够。如果可以进一步地确定各种气体成分的比例，就能有针对性地选配合适的真空泵 [21] 。
④ 材料的蒸发、升华、蒸汽压。一定温度下，在封闭的真空空间，物质的气化使空间的分子密度逐渐增加，当达到一定的压力后，单位时间内脱离吸附剂表面的分子数等于从空间返回吸附剂再凝结的分子数，即脱离和吸附速率达到动态平衡，可认为气化停止。此时的蒸汽压力就是该温度下，该液体（或固体）因蒸发（或升华）形成的饱和蒸汽压 [3] 。
（2）材料的其他性能 [21] 。
① 机械强度。真空系统的容器壁必须满足最低机械强度和刚度的要求，才能承受得住大气的压力。容器结构形状对其强度也有比较大的影响，应考虑不同结构所能承受的总压力。例如，可用球形结构替代平面结构。
② 热学性能。在磁控溅射镀镍过程中，真空系统会发生温度的变化。因此，必须十分熟悉对所用材料的热学性能。不仅要考虑熔点，还要考虑机械强度随温度的变化，使其在温度变化区间内保持足够的机械强度。另外，还要考虑材料的抗热冲击的特性。
③ 其他性能。电磁性能、光学性能（观察窗）、耐腐蚀性能、热膨胀率等性能往往也起着十分重要的作用。
（3）真空材料的选材原则 [3] 。
① 对真空容器壳体及内部零件材料的要求。
a.机械强度和刚度足够保证壳体的承压能力。
b.气密性好，器壁材料不应有孔、裂纹或其他形成渗漏的缺陷。
c.渗透速率和出气速率较低。
d.对于超高真空系统，工作温度和烘烤温度下的饱和蒸汽压要足够低。
e.化学稳定性好，与真空系统中的工作介质及工艺过程中可能的放气不发生化学反应，并且不易氧化和腐蚀。
f.热稳定性好，在真空系统的工作温度范围内，保持良好的真空和力学性能。
g.有较好的机械加工性能及焊接性能。
② 对密封材料的要求。
a.饱和蒸汽压足够低，室温下低真空时，饱和蒸汽压力应小于1.3×10 -1 ～1.3×10 -2 Pa；高真空时，饱和蒸汽压应小于1.3×10 -3 ～1.3×10 -5 Pa。
b.不仅化学及热稳定性好，而且要有一定的机械强度。
c.密封材料能够平滑地紧贴密封表面。
除上述真空材料性能的要求外，在某些情况下还必须考虑电学性能、绝缘性能、光学性能、磁性能和热导性能等，以满足个性化需求。
（4）常用的构件材料。在真空系统设计与制造中常用的金属及其合金材料有低碳钢、不锈钢、铜、铝、镍、金、银、钨、钼、钽、铌、钛、铟、镓、封接合金、镍-铬（铁）合金、磁性合金、铜合金、铸铁、铸铜、铸铝等 [3] 。
① 金属铸件。金属铸件多用于制造机械真空泵，要求铸件具有较高的致密性，通常采用铸铁、铸造铝合金等。含有磷、锌、镉等元素的铜合金铸件不适合温度较高的工况使用 [22] 。
② 碳钢及不锈钢。碳钢在低真空工作范围内经过镀层涂覆或裸露抛光可用于真空室内表面。应尽量使其内表面光滑、无锈。一般情况下，工作真空度越高，对其内表面的光滑程度要求也越严格。
在真空系统设计中，考虑到材质的真空、力学性能，大多采用低碳钢，特别是真空容器的壳体、阀、管道、泵体、导流管等部件。低碳钢的特点是韧性良好、机械强度适中、具有良好的机械加工性能和焊接性能。其主要缺点是抗腐蚀性较差、有导磁性，在避免磁效应干扰的场合，或者含有磁分析器的任何系统结构中都不适用，但特别适用于需要良好导磁性的结构中。例如，应用在真空磁控溅射镀膜机的机架、两侧操作台、操作平台楼梯、维修平台、溅射靶磁极靴等。
通常用于真空系统中的不锈钢主要是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。其中，奥氏体不锈钢属于耐热、耐蚀、无磁不锈钢，具有高的强度、塑性及韧性，广泛应用于真空室壳体、阀体、管路等；马氏体不锈钢具有较高韧性，耐受冲击，主要用于耐蚀真空泵叶片、喷嘴、阀座等需要一定硬度及耐腐蚀的场合。例如，轴、阀盖、封口等需要耐高温、抗腐蚀性能时，应采用马氏体不锈钢为宜，但此类不锈钢的防锈性能不如奥氏体不锈钢好。应用在真空磁控溅射镀膜机的上/下卷料室、磁控溅射室、真空管道、真空阀门、靶门等时，应选用304号不锈钢。
在传统不锈钢材料的基础上，制造大型真空设备还会使用复合钢板。复合钢板是以碳钢为基体、以不锈钢为复层制成的，它既满足真空性能的要求，又节省了大量不锈钢材料。
③ 有色金属。有色金属因为其自身的特殊性质，在真空系统中广泛使用，常见的有镍、铜、铝、钛等。金属镍可作为真空器件中的吸气剂、热屏蔽罩及多种机械构件的基体材料。镍之所以在真空技术中被广泛应用，是因为镍具有以下优点。
a.镍的熔点高，蒸汽压低，抗拉强度高，机械加工性好，易成型，且价格相对低廉。
b.镍有相当好的抗各种腐蚀能力。另外，镍包覆层（厚镀覆或无微孔的镀镍层）可使其他材料表面具有与镍相近的抗腐蚀性。
无氧铜可用作蒸汽流泵的喷嘴、挡油障板、冷阱、密封、电极等，是真空技术中应用较多的材料。在高真空及超高真空中最常用的是无氧铜。因为普通铜中溶解的氧气在低于铜的软化点温度下不能被释放出来，而无氧铜具有非常低的氧含量且不含氧化亚铜，在受热时不产生脆裂，故适合在超高真空中使用。又因为无氧铜具有良好的真空气密性，对气体的溶解度低，在室温下不渗透氢气和氦气，而且对氧气和水蒸气的敏感性差、塑性又好，因此被广泛地用作超高真空系统中可拆卸的密封垫片。紫铜很软，不容易加工出高精度公差，因此被用于制作真空磁控溅射镀膜机的导线。黄铜具有良好的塑性，可在机械加工和压力加工下制成形状复杂的零件，但是，当温度超过150℃时会放气从而影响真空度，污染真空环境，一般只能在低真空度环境中使用。青铜的机械强度高，可用来制造真空设备中所用的弹性元件、涡轮等。
铝是一种易成型且有良好导电、导热性能的非磁性材料，因此常用作真空室内的轻型支架、放电电极、扩散泵的喷嘴、导流管、挡油障板、分子泵中的叶片及耐腐蚀镀层等。纯铝非常软，可用作密封垫片材料。铝的机械强度在200℃左右时迅速下降，并且蒸汽压相对较高，只能用于300℃以下的烘烤真空系统中。但铝的焊接较难，一般要求真空钎焊等特殊的条件。铝一般应用在真空磁控溅射镀膜机的导向辊，替代铜鼻作为铝接线鼻及操作平台底部的防滑板。
钛的强度高、质量轻、耐腐蚀，在真空工程金属材料中的地位举足轻重。钛易于加工且无磁性，是理想的结构材料。钛在超高真空抽气系统中作为吸气剂而被广泛应用，因为钛对活性气体的吸附性很强。此外，钛表面上有氧化膜保护层，因而具有抗腐蚀性。钛应用在真空磁控溅射镀膜机的收/放卷辊中心轴。
④ 塑料。真空系统中主要使用的塑料为聚四氟乙烯（PTFE）。PTFE结构致密，渗透率非常低，在室温下的蒸汽压和放气率都很低，真空性能优异。PTFE可用作真空动密封的无油轴承材料，但必须避免因摩擦过热而损坏。PTFE的弹性和压缩性较差，因此，一般只用作带槽法兰的垫片材料。PTFE具有良好的电绝缘性能，它的电阻率极高，电介质损耗很低，特别适用于各种需要绝缘的场合。PTFE可用作真空磁控溅射镀镍设备的绝缘框、电极的绝缘套、螺栓绝缘套、密封圈。
⑤ 其他工作环节使用的真空材料。在设备维修保养和检修过程中会使用到以下真空材料。
a.真空泵的工作介质：机械泵油、扩散泵油、扩散喷射泵油等。
b.辅助密封材料：根据真空密封位置和真空度的不同，真空辅助密封材料主要分为密封蜡、密封脂、密封泥和密封漆。
c.真空黏结剂：环氧树脂、厌氧胶等。
2．真空室
真空室包括下卷料室内部辅助部件、上卷料室内部辅助部件、磁控溅射室、机架、两侧操作平台、检漏口、预留真空检测口、观察窗等。
1）下卷料室内部辅助部件
下卷料室的直径需要确认以下尺寸：原料海绵的规格型号和海绵卷的最大直径、设计卷料车架两侧的宽度、收卷辊的直径，以及海绵与卷料车之间应预留的余量。累计上述尺寸即可确定下卷料室内壁的直径。
卷料车的尺寸由海绵的最大直径和宽度决定。
下卷料室的长度是卷料车的长度加上收卷辊传动连接和固定装置的长度尺寸，须确定卷料车与下卷料室门之间的距离，三者总和即下卷料室内壁的长度尺寸。下卷料室的上方安装下导向辊，导向辊的质量与海绵拉伸程度相关联，长度需要满足海绵的幅宽。下卷料室门采用圆弧设计或平板设计，外侧焊接加强筋。
2）上卷料室内部辅助部件
上卷料室的设计尺寸与下卷料室一致，上卷料室外侧焊接加强筋，上卷料室不用考虑海绵的进出操作。因此，不设计卷料车，而在两端配置横向支架定位收卷辊，上卷料室的下方安装上导向辊。
3）磁控溅射室
磁控溅射室内部宽度与靶基距（镍靶与基材之间的距离）相关，高度与阴极靶的尺寸以及阴极靶之间的间距有关，长度与海绵的最大宽度有关。内壁可设置不锈钢内衬板，以节省内壁清理时间，外壁设计冷却水道以降低磁控溅射室温度。镀膜室的设计还需配置真空度检测、温度检测、观察窗等。
4）机架
机架整体为框架结构，机架内侧用于上、下卷料室和磁控溅射室的固定和定位。周围4根立柱采用组合式，底部和顶部焊接成整体式，组成固定整机的机架。机架左右两侧安装操作平台，前后两侧安装检修平台，立柱垂直连接处采取圆弧设计，以避免灰尘累积。机架底部四周预留安装孔，与地面紧密接触，不留缝隙，预防主机底部粉尘积累不易清理。
5）两侧操作平台
磁控溅射室两侧设计操作平台，方便操作员进行接带和清理磁控溅射室。台面安装铝合金材质防滑板，平台周围安装不锈钢安全围栏，平台安装一个高20mm的挡板，防止粉尘散落在生产区域地面。楼梯的斜度按照规定配置，楼梯的不锈钢扶手作镜面抛光，楼梯踏板安装卷边的铝合金材质防滑板。
6）检漏口确定
在主抽气管道、罗茨真空泵入口管道、前级泵进气管道配置检漏口（KF25接口），并安装手动高真空挡板阀，方便连接检漏仪。
7）预留真空检测口确定
在前级真空管道、主抽气管道、扩散泵出口管道、冷阱、磁控溅射室、上卷料室、下卷料室配置真空测量点。
8）观察窗配置
应依据观察角度设计观察窗数量。为避免增加真空室漏点，建议观察窗数量宜少不宜多。上、下卷料室各设计一个玻璃视窗，磁控溅射室采用翻盖的玻璃视窗，在磁控溅射阴极靶开始通电时打开，一般情况下处于关闭状态。
3．真空泵组
真空泵组的布置如图4-6所示。
图4-6 真空泵组的布置示意
1）真空泵的选用原则 [23]
（1）真空泵的极限真空度比真空设备的真空度高0.5～1.0个数量级。
（2）根据工作压强范围选择正确的真空泵。
（3）在工作压强范围内，真空泵应能够抽空真空设备中的所有气体。
（4）正确组合真空泵组。必要时需要几种泵组合起来，互相补充才能满足抽气要求。
（5）考虑真空设备对油污染的要求，根据气体成分选择相应的真空泵。
（6）考虑真空泵工作时产生的振动对工艺过程及环境有无影响。
（7）预估真空泵的使用成本是否合理。
2）主泵的选用
设计一套工作稳定的真空系统，主泵的选择尤其重要。按照生产时的工作真空度和真空室容积，再参照真空系统作为选取主泵的主要依据。在聚氨酯海绵模芯真空磁控溅射镀膜机中，采用扩散真空泵和涡轮分子真空泵都能保证真空室处于最佳工作压力范围，但实际生产条件不能满足涡轮分子真空泵的运行工况，因而选取扩散真空泵为主泵。扩散真空泵一般壳体为不锈钢，部件为金属。由于聚氨酯海绵真空磁控溅射镀膜的基材为海绵，在抽气过程和磁控溅射过程中会产生一定的放气量，故可根据下列经验公式估算的结果确定主泵的型号和选择主泵的抽速。
式中， S 为抽速； t 为时间； V 为真空室容积。
基于节能降耗要求，建议扩散真空泵选用节能型炉盘，如电磁炉等。
3）前级泵组的选用
当主泵选定后，按照与主泵相适应的前级泵的抽气速率，选择罗茨真空泵+滑阀真空泵的组合。考虑磁控溅射过程中海绵会放气，则选择增大抽气速率。
4）粗抽泵组的选用
对照旋片式真空泵和滑阀真空泵的抽空曲线，考虑故障率、维护成本、噪声以及海绵放气等因素，在真空泵组与生产区隔离后，对粗抽泵选择滑阀泵。
5）真空抽气管道
扩散泵上方设置了冷阱，主抽气管道尺寸不能小于主泵入口直径。前级真空管道按照前级泵的进、排气口径要求配置，进气管道原则上尽可能短，少用接头和弯头。
4．阴极靶
1）矩形平面靶的结构
磁控溅射阴极靶设计为矩形平面靶，由极靴板、冷却水道、磁铁、冷却板、密封圈、靶材等组成。镍板作为靶材，安装在磁控溅射靶座上，中间通水冷却。磁控溅射靶座和磁控溅射室分别连接磁控溅射电源的负极和正极。靶材的后面安装永磁体，中心部分的磁场方向与外圈钕铁硼磁钢的磁场方向相反。这样，在靶面上产生由外向里（或由里向外）的磁场方向。
2）阴极靶安装方式
阴极靶的靶材采用冷扎制成的镍板，要求其外形尺寸合适，目视平整，无弯曲，表面色泽均匀，无斑点污染。
在磁控溅射靶的靶门上开孔，采用镶嵌的安装方式，靶体穿过靶门上的孔，定位杆、顶杆、绝缘板分别交错安装在磁控溅射室的两侧靶门上。调整靶体安装位置时，要求阴极靶的四周间隙均匀，靶体与真空室采用绝缘框进行绝缘。为防止操作人员触电，靶体后面必须安装安全防护罩。阴极靶靶体剖面示意如图4-7所示。
1—定位杆 2—阴、阳极间隙 3—靶材 4—冷却板 5—冷却水道 6—顶杆
7—绝缘板 8—绝缘框 9—阴极靶门 10—安全防护罩
图4-7 阴极靶靶体剖面示意
3）阴极靶的冷却方式
根据阴极靶的温度和冷却方式对冷却水温度的要求，计算、选择冷却水的流量和冷却水管的截面积，设计冷却方式和安装方式。冷却方式有两种：间接冷却和直接冷却。
（1）间接冷却即冷却水通过水管与磁铁、阴极靶面接触进行热交换，其优点是冷却水道与真空室分开，真空室无漏水现象产生；缺点是冷却效果差，要求冷却水的温度低，使制冷机的能耗增加。
（2）直接冷却即冷却水直接与磁铁和靶面进行热交换，优点是需要的冷却水温度不必太低，能耗小；缺点是真空室存在漏水风险。
4）冷却板的选择
冷却板的选择需考虑导电性能、冷却效果、密封效果，一般适宜选择铜箔；缺点是容易破损，存在漏水风险。考虑到特种泡沫镍的防铜要求，铜箔和铜板均不能采用，从导电性能考虑，故选择铝板。但是，铝板容易氧化和变形，需要有足够的备件，安排检修计划适时更换。铝板的厚度和平整度与靶面磁场强度有关；铝板作为靶体冷却水道的盖板，其密封处的表面粗糙度与靶体的密封性能关系密切。
5）靶材的安装方式
靶材为耗材，使用一定时间后，靶材的刻蚀跑道深度增加，必须更换。靶材有整块平面靶和镶嵌靶两种形式。整块平面靶更换周期长，有利于减少真空室内壁气体吸附，缩短抽空时间；镶嵌靶的靶材利用率高，有利于生产成本降低，但存在镶嵌处发热的现象，更换频繁，增加操作工劳动强度。
靶材的安装方式既要固定住靶材，不产生发热情况，又要方便拆卸，减轻操作工的劳动强度。靶材的固定有两种形式：
（1）间接冷却阴极靶靶材（镍板），采用中间固定的方式，即在镍板中间钻孔，镍板放置在靶体表面，螺杆穿过中间孔，螺母固定，要求从中间往两端边紧固。
（2）直接冷却阴极靶靶材（镍板）采用四周边缘压条固定方式，即两端采用短压条，中间使用几根长压条组合，要求紧固螺栓必须沉头在压条里面，避免发生尖端放电。
5．传动系统
1）动力引入装置
动力引入装置示意如图4-8所示，包括电动机、电磁离合器、制动器、联轴器、磁流体、支撑架等部件。各部件功能如下：电动机主要用于在制品的走带；电磁离合器用于保证中心轴与电动机的连接与断开；制动器作为张力反作用于在制品，避免在制品走带时弯曲；联轴器连接动力传动轴与磁流体中心轴，具有调整间隙的功能。装配时所有装置的中心必须处于同一水平线，因此，对部件加工精度和装配精度要求很高。
1—电动机 2—电磁离合器 3—制动器 4—联轴器 5—磁流体
图4-8 动力引入装置示意
2）收/放卷辊
收/放卷辊示意如图4-9所示，它既是海绵的载体，也是模芯的载体，通过复卷机将海绵卷绕到收/放卷辊上，然后将收/放卷辊送入下卷料室实施镀膜。在上、下卷料室，收/放卷辊采用齿轮与动力引入装置连接。收/放卷辊的总质量与镀镍后的在制品（带材）宽度变窄量的关系十分密切，其总质量越小，带材宽度变窄量越小。必须结合带材放卷尾端机械阻力和带材宽度变窄量的要求，确定收/放卷辊的辊筒和中心轴的材质和尺寸。
必须考虑收/放卷辊的适用性、互换性，所有真空磁控溅射镀膜机的收/放卷辊尺寸统一，与其配套的辅助设施，如运输车的宽度、复卷机的宽度、料架的宽度等都源自收/放卷辊的相关尺寸和固定方式。
1—齿轮 2—辊筒 3—中心轴
图4-9 收/放卷辊示意
3）导向辊
导向辊示意如图4-10所示，其材质为铝材，表面滚花，由在制品牵带转动，整体动态质量需要控制，避免在制品拉窄。需要配置2根导向辊，安装在磁控溅射室的上方和下方，其安装位置必须确保在制品处于磁控溅射室的中间，装配过程中要求进行平行度和水平度校正，保证在制品走带平稳、端边无跑偏。导向辊的两端必须配置防尘罩，避免弥散的镍灰致使轴承转动不灵活。并且，还要安装由聚四氟乙烯制作的螺栓绝缘套，与导向辊绝缘，导向辊设计成悬浮状态。
1—固定装置 2—导向辊 3—防尘罩
图4-10 导向辊示意
6．循环冷却系统
1）分水器
分水器示意如图4-11所示，它具有两套进/出水系统：一套冷冻水系统供日常生产使用；一套自来水系统在应急处置时启用，进水和回水分开布置。冷冻水系统和自来水系统均安装截止阀，进水管进行保温处理，进水总阀门安装电磁阀控制和流量计并以电磁阀控制。进水总管理上安装水压电接点和水温检测装置。配置不同直径的水管，每个水管采用快速接头连接，每个分水接口安装截止阀并做好标识，同时需预留分水接口。经过靶的回水管路要安装电磁阀，每个回水管路要安装水流保护开关，水流开关与阴极靶在通电后能互锁。
图4-11 分水器示意
2）真空泵组冷却
前级泵进/出水管的管径为12mm，扩散真空泵进/出水管的管径为16mm，进水管设置阀门；回水管安装水流保护开关，水管要求做好相应标识。
3）磁控溅射室冷却
为降低磁控溅射室内部温度，一般在磁控溅射室内部设计冷却水管，外部敷设冷却水套，再制作保温层防止冷凝水滴落。在靶门外部四周设计冷却水回路，在阴极靶四周开设冷却水回路，带走阳极产生的热量。
4）真空室内部冷却
使用不锈钢水管作为冷却盘形管，安装在磁控溅射室上方和下方，盘形管紧贴真空室内壁，用于降低真空室的温度。
7．除尘系统
为满足生产区域洁净的要求，在设计中必须配置镍灰的收集和避免镍尘扩散设施。
1）清理除尘与劳保防护
在清理磁控溅射室时，使用专用的打磨和吸尘装置，使用以软管连接的吸尘器，防止未完全吸入的镍灰飞扬。还要设计操作员头部佩戴的防护罩，由防护罩顶部通入空气，便于空气往下流通。同时也要注意气体往外溢出时，避免操作员将镍灰吸入体内，影响身体健康。
2）清理平台镍灰
吸尘器布置在生产区域外围，吸气软管配置在磁控溅射室两侧的平台护栏处，以利于不同时间段的清理工作。例如，抽真空时清理操作台面，进行辅助工作时，清理真空室内壁。
3）真空室的清理需配置镍灰收集装置
清理磁控溅射室时应注意镍灰的收集，避免镍灰飞扬。具体操作如下：将吸气挡板安装在磁控溅射室，利用6根直径为200mm的软管与收集装置连接，排气口安装过滤网。启动轴流通风机进行现场抽气除尘。收集装置选择轴流通风机：规格为800mm，流量为13000～25000m 3 /h，压力为482～175Pa，功率为4kW，转速为1450r/min。为防止生产区域的不洁净空气进入真空室，须在厂房顶部设计新风送风口，风量比镍灰收集装置小，可避免粉尘扩散到其他生产区域。
8．控制系统 [24]
真空磁控溅射镀膜机的控制系统采用工业可编程序控制器（PLC），其可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富，是工业中常用的数字技术自控电子设备。由于真空磁控溅射镀膜机体积大，设备分散，若采用将设备的信号直接送至CPU，即采用集中控制（DCS）的方式，则离主机比较远的较弱的模拟信号会有较大的线路压降，并且易受周围电磁干扰。此外，铺设大量的控制电缆也会增加材料、人工、调试成本。
在控制系统中，聚氨酯海绵传动系统和张力系统是保证海绵导电化处理的关键技术之一 [25] 。生产过程海绵的放卷、带材的走带、海绵模芯的收卷基本要求简述如下：在整个磁控溅射过程，镀前的海绵和镀后的模芯不能承受任何外力，牵引、放卷、收卷、走带的传动线速度必须一致，即海绵、在制品、模芯在走带过程中必须是“零张力”传动，其走带速度能有效地控制海绵上的镍沉积量 [26] 。
对控制系统的具体要求如下 [27] ：
1）控制的目的和要点
泡沫镍的生产采用聚氨酯海绵制作电铸模芯，因此，模芯的孔结构和孔尺寸决定了泡沫镍的诸多性能。海绵、在制品若变形，则会使模芯的孔结构和孔尺寸发生变化，而海绵本身又具有良好的伸缩特性，海绵经真空磁控溅射镀镍后便逐渐成为“准金属镍网体”，即成为负载了不同镀镍量的在制品。而在制品一旦承受过度拉伸或压缩，就容易产生隐形断裂，这些缺陷会保留在模芯中，给后续的电铸工序留下隐患。因此，除了保持控制系统各运行环节的线速度一致，在走带、卷绕的传动过程中张力控制也至关重要。但是，仅仅采用张力开环控制的方式，仍然不能完全规避在制品的镍网被拉裂的风险，还必须在控制张力的同时，依靠传动与控制系统的综合联动机制，使镀镍过程以“零张力”传动，才能避免在制品被拉伸变形、镍网产生隐形断裂的风险。
2）系统的传动与控制（走带速度控制）
走带能正、反向进行，走带的传动速度为0～20m/min，无级可调。速度偏差小于1%。在加速和减速过程，应渐增、渐减，平稳运行。走带速度不仅可设定、显示和检测，而且可微调；速度需均匀恒定、无爬行，并且调整简便。能实现自动走带和转向，既可手动干预，又可转换为自动，且能继续执行中断后的程序。
此外，须配有空辊检测装置，放卷到最后0.5m时引带布不放完，适度拉伸海绵，准备下一步工作（转向或出料）。系统的传动与控制原理如图4-12所示。
① 在图4-12（a）中，1和4为主动辊、2和3为导向辊。
② 通过变频器、电机、电磁离合器、磁粉制动器、控制电源、编码器的协调联动实现卷绕运行。
③ 导向辊上的编码器用于测量导向轴的转速，对在制品的线速度进行运算和比较。
④ 放卷端电磁离合器脱开，制动器动作，通过对放卷端导向辊上编码器脉冲电流的控制，达到控制海绵张力的目的。
⑤ 收卷端利用导向辊上编码器的脉冲检测速度，根据脉冲数和速度设定的差值变化控制变频器的频率，从而保证收卷端的线速度。
以上收下放的卷绕为例，上收：2号编码器判断速度，调节变频器；1号编码器计算圈数，如果中途换向或者停止再启动，就可起到决定反向张力判定的作用。下放：4号编码器计算圈数，通过计算后的数据来调整制动器的电流大小，起到控制张力的目的；3号编码器在此过程中不起作用。
图4-12 系统的传动与控制原理
控制系统的时间响应可以划分为两个过程：动态和稳态。动态指系统从初始状态到接近最终状态（目标值）的响应时间；稳态过程是指当时间 t 趋于无穷大时系统的输出状态 [28] 。为了研究系统的时间响应，必须讨论动态和稳态两个过程的特点和性能。对于速度控制，其微分方程为
式中， C （ t ）为输出量， V （ t ）为输入量， T 为时间常数。速度控制系统的结构如图4-13所示，其闭环传递函数为
式中， Φ （ s ）为闭环传递函数； C （ s ）为反馈值； R （ s ）为给定值； s 为速度； K 为与系统性质有关的比例常数； T s 为响应时间， T s =1/ K 。
图4-13 速度控制系统的结构
通过实验与仿真系统在单位脉冲输入作用下的响应，比较系统输出曲线特性，可以看出，一种曲线是包括间隙影响的系统输出曲线，即间隙包含在闭环回路内；另一种曲线是不包含间隙的影响。显然，间隙与回程将使系统精度受到影响。系统的输出位置相对于输入位置产生动态滞后，幅度也发生变化。因此，在选择测量装置反馈信号的位置时，选择在传动链即闭环系统以内。为了提高速度控制系统精度，在走带控制系统中加入了测量元件，传感器采用旋转编码器，通过检测导向辊上海绵的线速度进行间接测量，构成了速度控制的闭环控制系统，根据测量要求实现上、下走带的速度检测。
实现调速的常用方法是在普通的三相交流机上模拟直流电机控制转矩的规律。以矢量变换控制实施该控制原理，矢量控制即磁场与力矩互不干涉，按指令进行力矩控制的方式。其基本思路是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则建立起来的。变频调速器的各项技术指标由于矢量控制的应用得到了很大的提高。
在磁控溅射真空镀膜机的传动与控制系统中，采用带脉冲编码器（PG）的矢量控制变频器进行控制。通过电流矢量同时控制电机的一次电流及相位，但是分别独立控制磁场电流和力矩电流，可以实现在极低速时的平滑运行和高力矩精度的速度力矩控制 [25] 。
此外，还有线速度补偿机构对收/放卷的线速度进行动态补偿，从而使收/放卷传动速度保持一致。从下至上，上电机作为主传动，即上收下放，上收卷变频电机转数的控制基于机构给定的线速度和收卷的直径变化进行控制。导向辊2的轴端面安装的编码器作为速度检测与速度反馈，对同一线速度的主动辊进行控制。从上至下，下电机作为主传动，即下收上放。下收卷变频电机转数的控制基于给定的线速度和下收卷的直径变化进行控制。导向辊1的轴端面安装的编码器作为速度检测与速度反馈，对相同线速度的主动辊进行控制。
在触摸屏控制程序中进行线速度补偿，把从下至上、从上至下的线速度微差值通过触摸屏设定补偿值输入PLC，由PLC对主传动变频电机的转数进行微调。
3）张力控制 [29]
稳定的张力控制是保证真空磁控溅射镀镍的产品质量和生产连续运转的前提。如果张力太大会使在制品发生形变，破坏其孔结构，甚至出现在制品镍网（孔棱）断裂的故障；如果张力太小，在制品就不能收紧，严重影响镀镍膜层的均匀性和在制品与模芯的平整度。因此，不仅降低了产品质量，也会使在制品在磁控溅射镀镍的过程出现跑偏、打滑、缠带、吊带等严重影响生产连续进行的故障。
在张力控制系统中，其控制难度主要体现在以下两方面：
（1）强耦合性。对海绵和在制品而言，其线速度和张力是一对强耦合的物理量，速度的变化必将引起张力的变化，张力变化也将引起速度的变化。随着放卷的连续进行，放卷海绵的卷径不断变小，系统惯性也随之变小，因此控制的适时性（称为“实时性”）要求增强。而且真空磁控镀膜机速度快，镀膜过程连续不间断，因而控制系统的适时调整、稳定精准性能必须经受得住考验。
（2）系统复杂。卷绕系统是由很多辊子组成的系统，它们之间相互影响，导致海绵和在制品的张力控制相当复杂。因此，系统的张力控制考虑以下3个因素：
① 张力控制方式的选择。张力控制有两种方式：直接张力控制和间接张力控制。
a.直接张力控制。通过张力检测仪器测量传动过程中在制品的张力并进行反馈，与原设定的张力值比较后进行调节，以实现恒张力控制的方式。
b.间接张力控制。通过对机构机理的分析，建立张力控制数学模型，找出影响张力的相关物理量，并进行检测和实施控制的方式。
这两种方式各有利弊，直接张力控制理论上控制精度较高，但其控制存在一定的滞后且有较大的张力波动。而且当海绵或在制品的抗拉强度较差时，这种波动可能会导致在制品损坏。同时，磁控溅射镀镍过程中大量的镍原子和原子团的飞溅，对张力的检测和控制带来很大的困难。通常选择间接张力控制方式，该方式无须额外增加控制设施，操作稳定性好，只需解决张力给定和张力控制的问题，初始张力的给定值可以通过聚氨酯海绵的规格确定，而张力控制可以通过调节张力控制器的输出电流进行调整。
② 初始张力的给定。在生产过程中，由于聚氨酯海绵在规格上的差异，故海绵的屈服强度以及弹性模量会不断变化，初始张力的确定存在一定的困难。根据海绵和模芯上、下卷绕镀膜机的结构和镀膜工艺（上、下磁粉制动器采用12N·m），当海绵向上传动走带时，下初始张力设定为5%～8%；当海绵向下传动时，上初始张力设定为12%～15%。为了克服重力对张力的影响，上初始张力设定值比下初始张力设定值要高4～5个百分点。
③ 恒张力的控制。在海绵和模芯上、下卷绕的过程中，由于惯性的影响及重力的作用，加上机械阻力上、下不同，从而提出了恒张力控制系统问题。为了使上、下卷绕过程中的张力保持恒定，需要在收、放卷期间随着卷轴直径的变化而相应的改变其转矩，使收、放卷过程的张力保持恒定值，力矩、张力和卷径呈线性关系，即
式中， M 为磁粉制动器输出力矩（单位为N·m）； F 为磁粉制动器的输出力（单位为N）； R 为海绵放卷半径（单位为m）； K 为输出力矩与输入电流比例系数； I 为输入给磁粉制动器的电流（单位为A）。
由式（4-11）可知，在确定磁粉制动器输出力矩 M 与输出电流的比例系数 K 后，如果能保证输入磁粉制动器的电流 I 与放卷半径 R 的变化呈线性比例关系，那么 F 就会保持某一恒定值。对半径变化的检测，通过安装在主动辊上的编码器实现。
对参数的设置与实现恒张力控制可作如下分析：
放卷辊得到的阻力矩由两部分组成：机械部分的阻力， P 0 = C 为常数，磁粉制动器的阻力矩，即
式中， q 为磁粉制动器的输出力， d 为海绵放卷的直径。故放卷辊的总阻力矩为
因此，海绵上的张力为
改进前的张力特性曲线如图4-14所示，从图中可以看出，放卷海绵的直径 d 小到一定程度时，张力 F 失控。因此，仅仅以纯数字模型的方式并不能完全实现恒张力的控制，常常需要辅以苦干行之有效的经验数据和技术措施，对数字模型进行调整和补充，以达到理想状态。对上述张力失控的解决方法就是以试验为基础、引入经验数据和处理措施的具体例子，即当海绵连续放卷且卷径小到一定程度时，关掉张力控制器，使 P 1 =0。在磁控溅射镀镍过程中可观察到在制品没有出现跑偏、打滑、吊带等现象时，便可以认为找到张力理想时的直径 d 0 ，即2 C / d 0 = q ，所以 d 0 =2 C / q ， C = q × d 0 /2。在触摸屏上设定海绵卷径的工艺参数时，参数不能设定为放卷海绵的直径 d ，而应设定为放卷海绵的直径与理想时的直径之差，即设定值为 d-d 0 。实践证明，恒张力控制是在数学模型的基础上辅以若干行之有效的经验数据和技术措施而建立的一个更完善的恒张力控制系统，可稳定地实现生产过程的恒张力走带。按类似上述方法处理（如海绵卷径参数的设定）后，对应的张力特性曲线如图4-15所示。
图4-14 改进前的张力控制曲线
图4-15 改进后的张力特性曲线
通过以上的改进和设置后，在镀膜过程张力基本上能按照理想方式进行控制。
4）系统工艺气体的流量控制
为了保证溅射率的稳定，使用质量流量控制器（MFC）为聚氨酯海绵模芯的真空磁控溅射镀镍工艺提供稳定的气体流量。它是磁控溅射系统中重要的工艺控制部件。
（1）MFC的工作过程。MFC采用毛细管传热温差量热原理测量气体的质量流量，无须温度和压力补偿。将传感器测得的流量信号与设定值比较后，通过闭环控制实现对调节阀流量的控制，并使之与设定的流量相等。
MFC的工作原理可由式（4-24）表达：
式中， q 为气流导致的热量变化； F 为质量流量； C p 为恒定压力下的比热；Δ T 为湿度差。
（2）MFC主要性能指标。MFC的性能好坏主要体现在测量及控制精度、可重复性、线性度、稳定性、响应时间以及稳定时间、过冲与下冲等。
图4-16是质量流量计控制响应曲线，可见其输出的响应在开始阶段存在振荡，过一段时间后才趋于平稳。振荡即形成过冲和下冲，这些参数指标应尽可能小，才能更准确地控制输出气体流量。
图4-16 质量流量计控制响应曲线
5）控制系统的人机界面
整个系统可以实时显示线速度及各种测量参数，通过触摸屏的人机界面进行“交流”控制。控制系统所需的各种参数，如传动速度、上/下初始直径、镀镍层厚度、海绵的长度等参数可实时地直接从触摸屏上读取和调整，包括工艺数据的检测与保存、生产批次的标注。此外，还应具有设备故障报警、工艺参数超限报警、自动保护与停机功能。
除上述主机外，聚氨酯海绵真空磁控溅射镀镍辅助设施主要包括复卷机和冷水机组。
1．复卷机
复卷机如图4-17所示。
1）用途
用于聚氨酯海绵及海绵模芯的复卷、分卷及双端裁边。
图4-17 复卷机
2）操作流程
复卷机主要有两个功能，一是将聚氨酯海绵复卷成大卷并裁边，二是将大卷的模芯分成小卷并裁边。
（1）进行聚氨酯海绵复卷裁边时，将整卷聚氨酯海绵固定在复卷辊上，放入放卷支承端，将裁刀调至所要求的宽度（裁边时要保证两边边料密度相等），并将裁刀处于能裁切的状态，开启裁刀轴下传动辊，将聚氨酯海绵牵引至收卷端，将收卷端放入收卷辊并开启运转镀膜辊进行复卷与裁边。
（2）进行模芯分卷裁边时，将模芯卷辊置于复卷机的放卷支承端，将裁刀调至所要求的宽度（裁边时要保证两侧边料宽度相等），并将裁刀处于能裁切的状态，开启裁刀轴下传动辊，将模芯牵引至收卷端，收卷端放入收卷辊进行收卷与裁边。
3）设备结构及性能要求
（1）对设备的要求：复卷与裁边同步进行。对复卷机各部分的要求如下：
放卷端与收卷端均能放置复卷辊与镀膜机的收/放卷辊。放卷端与收卷端需具有能放置最大直径为1100mm卷材的空间。收卷辊的收卷最大直径的前方，在产品的底面设置照明灯，以便观察产品质量。收/放卷及裁边装置机架做成整体式，收卷辊、放卷辊支承点高度控制在1m以下，以方便收/放卷的上下取放。收卷端与放卷端分别设置接带平台。
裁刀在未工作状态时应能调至离产品10mm以上的高度，在产品不裁切时能顺利通过，刀架调整采用气动式。裁切刀移动丝杆必须密封，以免油污外泄而污染产品，丝杆密封后应设加油装置，以方便加油。裁边余料及裁边过程产生的粉渣不能落于地面，设置接尘与防尘装置，能方便收集处理及防止粉尘扩散。裁刀必须安装安全防护装置。
（2）对电气控制部分的要求：收/放卷设置纠偏装置，复卷裁边过程能自动纠偏；要求恒张力，恒线速度控制，能自动调整裁切宽度；张力、线速度、裁切宽度均由显示屏设定与显示，控制柜独立隔离设置。
4）防铜防尘要求
出于特种泡沫镍产品的需要，整体设备的防铜是一项重要内容，整体设备中除电动机内的漆包线外，不能含有任何铜质零/部件，电缆线及线鼻均采用铝质的，所有按钮均采用全塑或铝质的。安装在机体上的纠偏控制器及张力控制器必须严格密封，达到IP65等级。对裁切过程产生的粉尘，要求使用防扩散的收集装置。
2．冷水机组
1）用途
冷水机组是一种制造低温水的制冷装置。真空磁控溅射镀膜机的冷水机组利用冷冻水为介质，通过冷却水管、冷却水道、冷却水套的方式进行热交换，将真空泵、阴极靶、磁控溅射室的温度维持在所需的工作温度。为确保真空磁控溅射镀膜机能连续正常工作，一般在冷水系统的水管上设计增加备用的自来水供水系统，作为冷水机组异常故障时的应急处理措施。
2）组成部件
真空磁控溅射镀膜机的冷水机组可分为水冷式和风冷式。水冷式冷却水系统包括压缩机（主机）、冷凝器、蒸发器、冷却水循环泵、冷却塔、冷冻水箱、冷冻水循环泵、冷却水管及保温材料、水处理装置、压力表、流量计、控制系统及开关箱等；风冷式冷却水系统包括压缩机（主机）、冷凝器、蒸发器、冷却风机、冷冻水箱、冷冻水循环泵、冷却水管及保温材料、水处理装置、压力表、流量计、控制系统及开关箱等。
3）技术要求
真空磁控溅射镀膜机的冷水机组技术要求如下：
（1）每台冷却水量为10m 3 /h。
（2）冷却水压为0.25～0.4MPa。
（3）冷水进出口温差为5℃。
（4）要求冷水机组的运行工况包括机组输入功率（kW）、电源、名义制冷量（kW）、制冷剂及充注量、噪声（dB）、机组质量（kg）、机组外形尺寸等；根据绿色制造要求，冷水循环泵电动机选用节能型电动机。
4）冷水机组选型原则
冷水机组需要兼顾含真空磁控溅射镀膜机在内的所有需要降温的设备累计的制冷量。建议选用结构紧凑且压缩机、电动机、冷凝器、蒸发器和自控元件等都组装在同一框架上的冷水机组。
冷水机组之间要考虑相互切换使用的可能性。可采用不同类型、不同容量的机组搭配的组合以利节能。
5）冷水机组的维护和保养
（1）电器部分的维护和保养。电控箱环境湿度小于90%，要注意防尘，每年至少进行一次除尘；电控箱内严禁存放杂物；每年至少进行一次电气线路检查：触摸屏的显示和操作是否正常、所有电源接线是否牢固、电路板是否发热、感温探头工作是否正常、开关是否运行正常、热保护器是否动作等；严禁腐蚀性液体和油性液体溅到触摸屏表面。
（2）制冷系统的维护和保养。压缩机的检查：运行电流是否正常、运行声音是否正常、绝缘电阻是否正常；压缩机冷冻油更换；干燥过滤器滤芯更换；检查机组运行参数是否正常；检查管路是否存在泄漏点及制冷剂是否足够。
（3）循环水系统的维护和保养。热交换器水道清洗；水管道上安装的过滤器清洗和冷冻水箱清洗；检查水管是否漏水；保温层是否完好；循环泵电动机运行是否正常。