автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Дизайн изделий с тонкопленочным вакуумным покрытием стеклом

Полный текст автореферата диссертации по теме "Дизайн изделий с тонкопленочным вакуумным покрытием стеклом"

На правах рукописи

СКж

Мерзлякова Александра Алексеевна

ДИЗАЙН ИЗДЕЛИЙ С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМ ВАКУУМНЫМ ПОКРЫТИЕМ СТЕКЛОМ

Специальность 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З ОКТ 2013

Ижевск 2013

005534168

005534168

Работа выполнена на кафедре «Технология промышленной и художественной обработки материалов» в ФБГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Черных Михаил Михайлович, декан факультета «Реклама и дизайн» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Соколова Марина Леонидовна, профессор кафедры «Компьютерный дизайн» МГУПИ

кандидат технических наук, доцент, Ившин Константин Сергеевич, профессор кафедры «Промышленный дизайн» УДГУ

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) Фе-

деральный университет»

Защита состоится «-^3» октября 2013 г. в М-ООна заседании диссертационного совета Д 212.119.04 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, Москва, ул. Стромынка, д.20, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Автореферат разослан 22 сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. А.Э. Дрюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Современный потребитель становится все более требовательным и взыскательным к дизайну художественно-промышленных изделий, чему во многом способствуют развитие промышленных технологий и разработка новых материалов с улучшенными эстетическими свойствами. Важными средствами декорирования изделий являются цвет и блеск. Особое внимание потребителей привлекают изделия с высокой насыщенностью и яркостью цвета. Технологией, обеспечивающей такую насыщенность и яркость цвета покрытия, является тонкопленочное вакуумное напыление порошка стекла на ситалл. Это покрытие широко применяется в электронной промышленности при изготовлении микросхем и до настоящего времени не использовалось в целях декорирования. Тонкая прозрачная пленка стекла, осажденная на предварительно нанесенный слой хрома, является своеобразным фильтром, пропускающим кратный толщине покрытия диапазон волн отраженного света и обеспечивает насыщенный цвет и высокую степень блеска покрытия. Возможность варьирования толщины пленки за счет изменения времени напыления позволяет получать заданный цвет.

Причина, сдерживающая широкое внедрение тонкопленочного покрытия стеклом ситал-ла в практику декорирования художественно-промышленных изделий, заключается в отсутствии исследований в данном направлении и, как следствие, практических рекомендаций по проектированию изделий и их производству. Поэтому исследование декоративных возможностей тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом, разработка рекомендаций по дизайну изделий и производственному внедрению актуальны.

Цель работы. Повышение декоративных свойств художественно-промышленных изделий за счет тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом материала изделия (на примере си-талла).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ изделий, декорируемых покрытиями, и видов применяемых покрытий;

2. Изучение декоративных свойств тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом поверхности материалов (на примере ситалла). Сравнение с декоративными свойствами альтернативных покрытий и цветных материалов;

3. Выявление взаимосвязи между декоративными свойствами тонкопленочного вакуумного покрытия материалов стеклом и технологическими факторами вакуумного напыления покрытия;

4. Изучение возможности совмещения тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом с другими технологиями декорирования;

5. Разработка рекомендаций по изготовлению художественно-промышленных изделий с применением тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом.

Научная новизна.

1. Установлено, что тонкопленочное вакуумное покрытие стеклом обеспечивает насыщенный и яркий цвет, зеркальный блеск поверхности изделия и возможность получения основных и переходных цветов цветового круга.

2. Чистота цветов тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом достигает 92% чистоты спектральных цветов, а степень блеска достигает 62% степени блеска зеркальной поверхности хромового покрытия.

3. Разработаны и систематизированы в виде классификации технологии декорирования художественно-промышленных изделий, основанные на вакуумном напылении тонкой пленки стекла.

4. Напыление на неподвижную подложку позволяет получить новый декоративный эффект в виде радужного контура вокруг зоны напыления, расширяющий возможности дизайна изделий.

Практическая значимость.

1. Предложенная технология существенно улучшает цветовые характеристики покрытия и открывает новое направление в дизайне художественно-промышленных изделий.

2. Упрощается получение заданного цветового тона за счет возможности управления толщиной напыляемой пленки стекла.

3. Разработан дизайн и технология изготовления ювелирных изделий и сувениров

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка из 70 наименований, изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выполнения работы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрывается ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе «Состояние вопроса и постановка задач исследования» рассмотрено место и значение тонкопленочного вакуумного напыления порошка стекла на ситалл в совокупности существующих декоративных покрытий. Проведен обзор наиболее распространенных технологий декорирования поверхностей. Разработана их классификация, учитывающая основные эстетические параметры цвет и блеск, а также возможность разностороннего применения посредством отделки изделий различного назначения (сувениры, предметы мебели, бижутерия и т.д.). Определены основные преимущества предлагаемого тонкопленочного вакуумного напыления: яркий, насыщенный цвет и зеркальный блеск, а также неограниченный цветовой ряд получаемого покрытия.

Анализ существующих литературных источников выявил отсутствие информации по исследованию декоративных свойств покрытия, что привело к необходимости рещения ряда задач. Их решение позволило определить основные технологические параметры, влияющие на получение качественного покрытия, установить теоритические связи и экспериментальные зависимости между параметрами напыления и соотношением декоративно-защитных характеристик.

Проведен анализ ряда научных публикаций по современным представлениям дизайна и колориметрии. Рассмотрено влияние цвета и блеска на эстетическое восприятие поверхности.

Во второй главе «Исследование эстетических свойств тонкопленочного покрытия стеклом» рассматриваются характеристики цвета, которые представляют собой качественно и количественно измеряемые световые стимулы, способные вызывать в организме человека физиологические процессы и через них - различные эмоциональные реакции. Для качественной и количественной характеристики цвета используют такие понятия, как цветовой тон, насыщенность (чистота) и светлота (яркость). Цветовой тон и насыщенность являются качественными характеристиками цвета. Количественную сторону цвета определяет светлота (яркость).

Исследование характеристик цвета выполнено на спектрофотометре СФ-26 на следующих видах покрытий и материалов желтого, зеленого и фиолетового цветов: тонкопленочном покрытии, полученном вакуумным напылением порошка стекла на ситалл (толщина пленки составила желтого цвета - 0,22 мкм, зеленого цвета - 0,35 мкм, фиолетового цвета - 0,44 мкм), акриловом пластике с глянцевой поверхностью Бепозап, непрозрачных стеклах с лаковым покрытием на одной стороне ЬасоЬе1, витражной краской ЬеГгапс&Вои^еспз, архитектурной пленкой БипТек, а также на цветных стеклах для фьюзинга 31агЧ31а83. Размеры образцов в плане составили 60x48 мм.

По результатам измерения коэффициента отражения рассчитаны координаты цветности рассматриваемых цветов и построены соответствующие графики, которые позволяют качественно характеризовать цвет, определив его чистоту.

Образцы для исследования, имеющие желтый цвет, представлены на рисунке 1, а результаты исследования - на рисунке 2.

а б в г д

Рисунок 1 - Образцы для исследования желтого цвета а - цветное стекло, б - тонкопленочное вакуумное напыление стекла на ситалл, в - витражная краска на стекле, г - пластик акриловый, д - архитектурная пленка на стекле.

Из рисунка 2 следует, что тонкопленочное вакуумное покрытие стеклом (линия 1), имеет наибольшее среди всех образцов значение коэффициента отражения - 15,3%, т.е. наибольшую яркость. В зеленой части спектра коэффициент отражения покрытия интенсивно растет, продолжает расти в желтой части и достигает максимума в красной. Характер полученного графика подтверждает соответствие цвета образца желтому. Согласно аддитивному синтезу преобладание волн зеленого и красного спектра дают желтый цвет. Спектр графика в области чувствительности глаза человека достаточно узкий, поэтому цвет покрытия воспринимается насыщенным. На плоском трехцветном графике (рисунок 3) координаты цветности тонкопленочного вакуумного напыления порошка стекла расположены в зоне высокой чистоты цвета (более 90%).

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента отражения от длины волны в образцах желтого цвета

Несколько меньше значение коэффициента отражения (11,9%) наблюдается у архитектурной пленки (линия 2 на рисунке 2). Пик графика находится в диапазоне длин волн, соответствующих желтому цвету. Спектр узкий, что обеспечивает хорошее восприятие цвета глазом человека. Чистота цвета данного материала составляет 75%. Координаты цветности расположены в желто-зеленой зоне.

Еще меньшее значение р (8,5%) имеет цветное стекло (линия 3 на рисунке 2). Широкий спектр графика и наличие спада в диапазоне волн желтого цвета указывают на его малую насыщенность и чистоту цвета 60%. Самые низкие величины коэффициента отражения и монотонный, широкий спектр наблюдались у акрилового пластика и витражной краски (линии 4 и 5 на рисунке 2), что свидетельствует о низкой яркости, а также чистоте и насыщенности их цвета. Следует отметить, что в ультрафиолетовом диапазоне спектра коэффициенты отражения витражной краски, пластика и тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом имеют пики при узком спектре. Эффект может быть использован дизайнерами при ультрафиолетовой подсветке.

Образцы зеленого цвета приведены на рисунке 4, а результаты исследования на рисунке 5. Зависимость спектрального коэффициента отражения, полученная на образце с тонкопленочным вакуумным напылением (линия 1), подтверждает соответствие цвета образца зеленому. Такой максимум у исследуемого покрытия наблюдается в диапазоне длин волн 525, ..., 535 нм. Значительно больший (9%), чем у пластика, витражной краски и непрозрачного лака коэффициент отражения тонкопленочного покрытия стеклом указывает на высокую яркость зеленого цвета покрытия. Оно наряду с витражной пленкой (линия 2) имеет самый узкий набор отраженных длин волн и, следовательно, наибольшую насыщенность зеленого цвета. Чистота цвета

х

Рисунок 3 - Координаты цветности образцов желтого цвета

тонкопленочного вакуумного покрытия составляет 75%, что немного меньше значения этого показателя у витражной пленки, и значительно больше, чем у всех остальных материалов (рисунок 6).

а б в г д е

Рисунок 4 - Образцы зеленого цвета а - тонкопленочное вакуумное напыление стекла на ситалл, б — витражная краска на стекле, в — пластик акриловый,

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента отражения от длины волны в образцах зеленого цвета.

Образцы покрытий и материалов фиолетового цвета представлены на рисунке 7, а результаты их исследования на рисунке 8.

а

б

г

Рисунок 7 - Образцы фиолетового цвета а - тонкопленочное вакуумное напыление стекла на ситалл, б - витражная краска на стекле, в - пластик акриловый, г - цветное стекло

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента отражения от длины волны в образцах фиолетового цвета.

Зависимость коэффициента отражения образца с тонкопленочным покрытием (линия 1) показывает соответствие цвета образца фиолетовому. Сравнительно большие значения коэффициент отражения тонкопленочного покрытия в диапазоне длин волн фиолетового цвета дают основание утверждать о высокой яркости покрытия, а узкий отраженный спектр - о наибольшей насыщенности среди сравниваемых образцов.

Сопоставляя коэффициенты отражения и ширину отраженного спектра тонкопленочного вакуумного покрытия желтого, зеленого и фиолетового цветов (см. рисунки 2, 4 и 6) приходим к утверждению Медведева В.Ю.: «Желтый цвет наименее насыщен в спектре, к краям спектра насыщенность повышается, но по светлоте (яркости) желтый доминирует над другими спектральными цветами» показывающему согласованность результатов исследования, с положениями теории цвета.

Помимо цвета важным эстетическим свойством покрытия является блеск, характеризуемый коэффициентом зеркального отражения. Он был измерен на трехугловом блескомере Е1соте1ег 401. За эталон в 100% принята зеркальная поверхность, полученная вакуумным напылением хрома на поверхность ситалла. Исследование выполнено на тех же образцах (см. рисунки 1, 4 и 7). Результаты приведены на рисунке 9, из которого следует, что блеск тонко-

пленочного вакуумного покрытия существенно превышает блеск других материалов, уступая лишь витражной пленке.

б

J

акриловый цветное стекло

в

Рисунок 9 - Сравнение степени блеска исследуемых образцов различных цветов: а - желтого, б - зеленого, в - фиолетового

Эстетическое восприятие в целом изучали методом экспертной оценки. Результаты исследования подтверждают, что тонкопленочное вакуумное напыление по комплексу показателей цвета и блеска обеспечивает наиболее благоприятное эстетическое восприятие. Оценка близка к максимальной. Витражная пленка, имевшая наибольшие показатели яркости и блеска

по эстетическому восприятию уступает тонкопленочному покрытию порошком стекла и цветному стеклу.

Тонкопленочное вакуумное покрытие порошком стекла выгодно отличается от альтернативных покрытий и материалов, используемых для декорирования, как по насыщенности, яркости цвета, так и по блеску. Существенными преимуществами покрытия являются возможность получения широкого ряда цветов и оттенков, возможность подбора цветовой палитры изделия регулированием толщины напыляемой пленки стекла.

В третьей главе «Влияние условий нанесения покрытия на его качество» рассмотрены основные режимы работы вакуумного оборудования, которые непосредственно влияют на качество получаемого тонкопленочного покрытия стеклом. Определены рациональные режимы обработки: температуры нагрева подложки, расстояния от подложки до испарителей хрома и порошка стекла, степень вакуума при напылении, толщины хрома и пленки стекла.

Выбор правильного температурного режима нагрева подложки влияет на адгезию со слоем хрома. Рациональный диапазон температур составляет 230-260°С. При меньших значениях хром недостаточно прочно закрепляется на подложке, при больших - увеличивается время напыления без улучшения качества покрытия.

Рекомендуемые расстояния: 150±10 мм до испарителя хрома и 250±10 мм до испарителя порошка стекла. При больших значениях увеличивается расход материала из-за распыления в пространстве установки, при меньших - неравномерность толщины покрытия.

Максимально достигаемой степени вакуума на установке данного типа, является значение 5*10"6мм.рт.ст. при высокой степени чистоты деталей установки и герметичности элементов откачивающих насосов. Загрязнение деталей установки ведет к выделению газов и снижению степени вакуума, вплоть до 5*10"5мм.рт.ст. Установлено, что рабочим диапазоном вакуумной установки, обеспечивающей нанесение качественного покрытия без пузырей и трещин, являются значения степени вакуума от 5*10"6мм.рт.ст. до 2*10"5мм.рт.ст.

При осаждении хрома на поверхности образуется слой окислов, который активно сцепляется с материалом подложки или другим напыляемым слоем. Толщину пленки хрома определяли по величине электрического сопротивления пленки по стандартной методике. На основе полученных данных сделан вывод о том, что рациональным значением толщины слоя хрома является величина, колеблющаяся в пределах от 0,05мкм до 0,075 мкм, которая соответствует удельному сопротивлению 20-30 Ом/п. При меньших значениях толщины пленки хрома происходит плохое сцепление с пленкой стекла, что приводит к получению некачественного покры-

тия; при значениях толщины пленки хрома больших 0,05 мкм происходит ее отслоение и увеличивается время травления изделия.

Толщина пленки стекла определяет цвет поверхности изделия. Толщина зависит от времени напыления (таблица 1). Толщину пленки определяли по цвету по известным рекомендациям, используемым в микроэлектронной промышленности.

Таблица 1 - Зависимость цвета пленки стекла от времени напыления на вращающейся и неподвижной карусели.

№ Цвет пленки Толщина Время напыления, мин

Вращающаяся Неподвижная ка-

покрытия, мкм карусель русель

1 синий 0,11 6,0 1,0

2 золотистый 0,22 20,0 1,30

3 оранжевый 0,25 27,0 1,50

4 малиновый 0,27 29,0 1,65

5 фиолетовый 0,29 30,0 1,80

6 голубой 0,31 33,0 1,95

7 зеленый 0,35 37,0 2,25

Толщина пленки стекла в диапазоне от 0,05 до 0,85 мкм обеспечивает получение всех длин волн видимого спектра, т.е. цветов от красного до фиолетового. Дальнейшее увеличение толщины пленки стекла ведет к повышению порядка интерференции и повторению цветов со снижением насыщенности и яркости. При высоких порядках интерференции цвета приближаются к темно-серому (рисунок 10)

а б в

Рисунок 10 - Изменение синего цвета тонкой пленки стекла в зависимости от порядка интерференции (а - 1-ый порядок; б - 2-ой порядок; в - 3-ий порядок)

Для получения равномерного по цвету и толщине покрытия применяется корректирующая диафрагма. Её устанавливают между испарителем и подложкой в непосредственной близости от подложки. Для проведения исследования были рассмотрен стандартный комплект диафрагм, применяемый на производстве микроэлектроники. Подобран необходимый профиль

корректирующей диафрагмы, напыление через которую позволило получить равномерный цвет без переходов и полос на поверхности всей подложки.

В четвертой главе «Возможности совмещения тонкопленочного покрытия ситалла стеклом с другими технологиями декорирования» Технологические процессы изготовления художественных изделий с тонкопленочным напылением хрома и стекла можно разделить по способу оформления декоративного рисунка на пять групп: с использованием диафрагм с набором отверстий, с применением лазерного гравирования, абразивной обработки, фотолитографии и трафаретной печати (рисунок 11).

Рисунок 11 - Классификация способов оформления декоративного рисунка

Для создания фактурной поверхности применили абразивную обработку. Подложки подверглись воздействию двух видов абразива: песка и оксида алюминия. Результат эксперимента представлен на рисунках 12, 13. При увеличении времени воздействия значительно возросли показатели шероховатости, и снизился блеск поверхности. Данный вид обработки позволил получить визуально различимую фактуру, которая наиболее проявляется при полном снятии пленки стекла с ситалла. Усиление данного эффекта достигается при нанесении покрытия на фактурную поверхность.

Рисунок 12 - Фото образца напыленной ситалловой подложки после гидропескоструйной обработки в несколько этапов

Для более тонкой абразивной обработки применили АІ2О3. В результате обработки были получены высокие значения шероховатости (в сравнении с необработанным материалом) и значительное снижение блеска (рисунок 13). В данном случае отсутствует визуально различимая фактура. Но данный метод является наиболее щадящим по степени воздействия на подложку и не требует дополнительной защиты ситалла.

Рисунок 13 - Фото образца напыленной ситалловой подложки после тонкой абразивной обработки в несколько этапов

Для получения изображений на поверхности ситалла подложки подвергли лазерной обработке до и после напыления пленки стекла (рисунок 14) и выяснили, что с увеличением времени воздействия возрастает шероховатость и уменьшается блеск. При повторном напылении пленки стекла, на участки гравированные лазером, значение блеска увеличивается. Данный прием позволяет получить эстетически привлекательный эффект мерцания. На образцах с абразивной обработкой наоборот. После осаждения порошка стекла блеск поверхности уменьшился.

Рисунок 14 - Фото ситалловых подложек после лазерной обработки: - до напыления пленки стекла по слою хрома; б - после напыления пленки стекла; в -нанесенной пленкой стекла на лазерную гравировку

Изменение формы отверстия корректирующей диафрагмы позволяет получать на подложке различные изображения (таблица 2).

Таблица 2 - Пример применения диафрагм с различным рисунком отверстий

Диафрагма

Изображение после напыления

При соблюдении определенного значения расстояния между подложкой и диафрагмой, можно изменять размеры и пропорции напыляемого изображения (рисунок 15, таблица 3).

Рисунок 15 - Диафрагма с хаотичным рисунком (диаметры отверстий: 6мм; 5мм; 4мм; Змм; 2мм)

Таблица 3. - Влияние изменения расстояния между диафрагмой и подложкой на получение рисунка

Расстояние между диафрагмой и подложкой, мм

Результат напыления порошка стекла на подложку

Для создания природных рисунков и фактур применили специальный трафарет и абразивную обработку. Получены имитации кожи рептилии и поверхности натурального камня (рисунок 16). На оборудовании для лазерного гравирования изготовлена имитация древесины, мрамора, а также шкуры леопарда (рисунок 17). На примере шкуры леопарда рассмотрена возможность получения изображения с различным процентом черного цвета. При 60% и более содержания черного цвета в электронном макете на ситалле гравируется изображение без сколов, с четкими контурами (рисунок 1В).

а б

Рисунок 16 - Имитация поверхности натурального камня (а) и шкуры репти ли (б)

С помощью фотолитографии получен рисунок шкуры зебры. Помимо природных имитаций частичное стравливание пленки стекла по шаблону позволяет получать различные орнаменты и любые другие изображения (рисунок 19).

а б в

Рисунок 17 - Имитации природных фактур и рисунков выполненные с помощью лазерного гравирования (а - мрамор, б - древесина, в - шкура леопарда)

60 % 80% 100%

Рисунок 18 - Имитация шкуры леопарда с различным процентом содержания черного цвета

а б

Рисунок 19 - Изображения выполненные на ситалле с помощью фотолитографии (а -имитация шкуры зебры, б - этнический орнамент)

В пятой главе «Практические рекомендации и результаты внедрения» представлены результаты производственного опробования. С применением исследуемой технологии изготовлен ряд изделий различного назначения, в т.ч. ювелирное украшение «Колье», фирменный сувенир для факультета Реклама и Дизайн» Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова (ИжГТУ), значок нагрудный, посвященный 5-летию факультета «Реклама и дизайн» ИжГТУ и значок нагрудный, посвященный XI Всероссийскому конкурсу художественных работ студентов (рисунок 20). На основании проведенных исследований описан технологический процесс получения покрытия с заданными параметрами. Исследована возможность получения орнамента с применением фигурной диафрагмы (рисунок 21). За счет применения неподвижной карусели и регулирования расстояния от подложки до диафрагмы получили интересные цветовые переходы по контуру орнамента (таблица 4).

Рисунок 20 - Изделия, изготовленные с применением тонкопленочного вакуумного напылени пленки стекла на ситалл: а - ювелирное украшение «Колье», б - фирменный сувенир факультета «Реклама и дизайн»

хг-^х Г ~

уг-г-У

Рисунок 21- Диафрагма для напыления орнамента на ситалл (размер большего элемента 30x30мм, маленького 18x18мм)

Таблица 4 - Влияние изменения расстояния между диафрагмой и подложкой на рисунок орнамента

Расстояние между

диафрагмой и под- 0 10 20 30

ложкой, мм

Продолжение таблицы 4

Результат напыле ния порошка стек ла на подложку

Чем больше расстояние между диафрагмой и подложкой, тем больше размеры орнамен-тообразующих элементов и цветовой переход более плавный. И, соответственно, чем ближе трафарет к подложке, тем контур орнамента более приближен к размерам отверстия в диафрагме и цветовой переход более четкий или вообще отсутствует. На каждые 10мм увеличения расстояния между диафрагмой и подложкой размеры большого орнамента увеличивается на 1мм, а размеры малого орнамента на 0,5 мм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложено применять тонкопленочное вакуумное покрытие стеклом материала основы (на примере ситалла) для декорирования объектов дизайна. Получаемое покрытие отличается от альтернативных покрытий и материалов, используемых для декорирования, повышенными насыщенностью и яркостью цвета и блеском.

2. Чистота цвета тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом достигает 92% чистоты спектрального цвета, степень блеска 62% степени блеска зеркальной поверхности хромового покрытия, а возможность управления толщиной пленки обеспечивает получение основных и переходных цветов цветового круга.

3. Разработаны и систематизированы в виде классификации технологии декорирования объектов дизайна, основанные на совмещении вакуумного напыления тонкой пленки стекла с лазерным гравированием, струйно-абразивной обработкой, фотолитографией и трафаретной печатью. Разработанные технологии и достигнутые декоративные эффекты открывают новое направление в дизайне художественно-промышленных изделий.

4. Установленные режимы обработки позволяют обоснованно проектировать технологические процессы формирования покрытия с заданным цветовым тоном.

5. Разработанные технологические процессы изготовления ювелирных изделий и сувениров подтверждают возможность широкого использования тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом в практике.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Токарева А.А.*, Черных М.М. Декоративные возможности тонкопленочных вакуумных покрытий ситалла//Дизайн. Материалы. Технологии. -2010. -№2(13) -С. 37-44

2. Мерзлякова А.А., Черных М.М. Возможности изготовления ювелирных изделий из ситалла с тонкопленочным вакуумным покрытием порошком стекла// Дизайн. Материалы. Технологии. - 2011. - №1(16) - С. 44-48

3. Мерзлякова А.А., Черных М.М. Эстетические свойства тонкопленочного вакуумного покрытия ситалла порошком стекла // Дизайн. Материалы. Технологии. - 2012. - №4(24) - С. 3842

Статьи, опубликованные в сборниках научных трудов конференций

1. Токарева, А.А. Разработка сувенирного значка для IX всероссийского конкурса работ студентов с применением вакуумного напыления / А. Токарева // Всероссийская ежегодная научно-технической конференция «Наука - производство - технологии - экология» (Киров, 2008).

2. Токарева, А.А. применение абразивной обработки для усиления рельефности фактуры ситалла при напылении пленки стекла / А. Токарева //

VI Международная конференция «Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования» (Ижевск, 21-23 апреля 2010 г.).

3. Tokareva A. Application of abrasive processing for creation of imitations of natural invoices on pol-ycrystalline glass with application of the thin-film vacuum dusting / A. Tokareva // Second forum of young researchers. In the framework of International Forum "Education quality-2010" - 2010. - C. 270-272

'Фамилия «Токарева» изменена на «Мерзлякову» в 2010 году

Текст диссертации на тему "Дизайн изделий с тонкопленочным вакуумным покрытием стеклом"

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

ДИЗАЙН ИЗДЕЛИЙ С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМ ВАКУУМНЫМ ПОКРЫТИЕМ СТЕКЛОМ

Специальность 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201362540

На правах рукописи

Мерзлякова Александра Алексеевна

Научный руководитель: д.т.н., профессор М.М. Черных

Ижевск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................11

1.1. Цвет и блеск как средства гармонизации объектов дизайна...... 11

1.1.1. Цвет в дизайне.......................................................15

1.1.2. Блеск в дизайне......................................................21

1.2. Эстетические свойства неметаллических материалов и покрытий.......................................................................24

1.2.1. Эмалирование........................................................24

1.2.2. Лакокрасочные покрытия..........................................25

1.2.3. Архитектурная пленка.............................................26

1.2.4. Акриловый пластик.................................................27

1.2.5. Искусственный камень - симинал...............................28

1.2.6. Вакуумные покрытия...............................................29

Выводы по главе.....................................................................39

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭСТЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ СТЕКЛОМ...............40

2.1. Исследование насыщенности цвета.........................................40

2.1.1. Методика исследования............................................40

2.1.2. Результаты исследования..........................................51

2.2. Исследование блеска...........................................................59

2.2.1. Методика исследования..........................................59

2.2.2. Результаты исследования.........................................60

2.3. Комплексное влияние цвета и блеска на эстетическое

восприятие.............................................................................62

Выводы по главе....................................................................67

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ НАНСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ЕГО

КАЧЕСТВО..................................................................68

3.1. Температура нагрева подложки.............................................69

3.2. Расстояние между подложкой и испарителем хрома и порошка стекла...................................................................................70

3.3. Степень вакуума................................................................71

3.4. Толщина пленки хрома........................................................71

3.5. Толщина пленки стекла.......................................................72

3.6. Профиль корректирующей диафрагмы....................................74

3.7. Эксплуатационные свойства.................................................77

Выводы по главе.....................................................................86

ГЛАВА 4. ВОЗМОЖНОСТИ СОВМЕЩЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ СИТ АЛЛА СТЕКЛОМ С ДРУГИМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ ДЕКОРИРОВАНИЯ............................87

4.1. Классификация совмещенных технологий................................87

4.2. Варианты совмещения покрытий...........................................88

Выводы по главе....................................................................105

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ВНЕДРЕНИЯ...............................................................106

5.1. Практические рекомендации...............................................106

5.1.1. Получение этнического орнамента с помощью тонкопленочного вакуумного напыления пленки стекла на ситалл с применением фигурной диафрагмы................................107

5.1.2. Технологический процесс получения покрытия хром-стекло с заданными параметрами..............................................111

5.1.3. Технологический процесс изготовления художественно-

промышленного изделия «Колье» с использованием.............113

тонкопленочного вакуумного покрытия ситалла пленкой стекла

5.1.4. Изготовление фирменного сувенира факультета «Реклама и дизайн» Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова...............................................117

Выводы по главе....................................................................123

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.....................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................125

»

ВВЕДЕНИЕ

Для повышения функциональных и эстетических свойств объектов дизайна успешно используются различные покрытия.

Металлические покрытия обеспечивают стойкость к агрессивным средам, высокую прочность, твердость, износостойкость и другие важные качества изделий, но имеют узкую цветовую гамму.

Более широкими колористическими возможностями для достижения цветовой гармонии изделий обладают неметаллические покрытия. Их применение упрощает производственный процесс, сокращает издержки и сроки выполнения заказов. Однако неметаллические покрытия также не лишены недостатков. В силу особенности свойств и ряда технологических ограничений неметаллические покрытия в большинстве случаев имеют средние или даже низкие показатели насыщенности цвета и блеска -важнейших средств гармонизации изделий.

Необходимость повышения конкурентоспособности отечественной продукции, совершенствование ее дизайна обуславливают разработку новых видов покрытий с повышенными декоративными свойствами и совершенствование технологий их нанесения.

Существенное повышение насыщенности и яркости цвета, получение заданного цветового тона обеспечивает тонкопленочное вакуумное покрытие поверхности изделий стеклом. За счет явления интерференции света в тонкой пленке стекла возможно получение цветов близких к спектральным.

Данное покрытие широко применяется в микроэлектронной промышленности, однако в качестве до настоящего времени не применялось. Отсутствие научно обоснованных рекомендаций по разработке дизайна изделий с тонкопленочным покрытием стеклом и проектированию технологических процессов декорирования изделий делает актуальными и

задачу исследования декоративных свойств покрытия, разработки дизайна изделий и рекомендаций по обеспечению заданных свойств покрытия в условиях производства.

Степень разработанности темы

Как показал анализ литературных источников, информация по исследованию тонкопленочного вакуумного покрытия порошком стекла с точки зрения применения его в качестве декоративного и покрытия, с помощью которого возможно изготавливать сувенирную продукцию не представлена. В работах Кудинова В.В., Ореховой В.В., Витязя П.А., Барбашиной Ю.А., Дегтярева М.А., Макшанчикова И.А. и др. [1-7] речь идет исключительно о покрытиях, наносимых на поверхность металлов различными способами (таблица 2). Большинство из приведенных покрытий служат для обеспечения износостойкости, защиты от коррозии и создания теплозащитного слоя. Только электролитическое металлопокрытие, химическое металлопокрытие, химическое покрытие и вакуумное осаждение применяют в декоративных целях. Стоит отметить, что материал, наносимый для улучшения эстетических качеств изделий, имеет ограниченную цветовую гамму.

В работах Барбашиной Ю.А. [4, 5] представлены варианты цветов существующих декоративных вакуумно-плазменных покрытий, которые изменяются в зависимости от применяемого материала на основе титана наносимого технологией вакуумно-плазменного напыления. Цветовой тон изменяется от золотистого и коричневого до серого и синего. Еще более узкий цветовой спектр получаемого покрытия показан в работе Дегтярёва М.А. [7] при исследовании плазменного покрытия металлическими порошками на основе меди. В данном случае цвет

изменяется от желто-зеленого до оранжевого. Применение металла при покрытии изделий накладывает ряд ограничений на получение требуемых эстетических параметров, потому что влечет за собой необходимость изменения большого числа технологических настроек или даже выбора материала.

Тонкопленочное вакуумное напыление порошка стекла на ситалл позволяет получать покрытие, обладающее широким цветовым спектром, который варьируется в зависимости от времени напыления и еще некоторого ряда параметров. Высокая степень блеска данного покрытия выгодно отличает его от других. Исследование взаимосвязи характеристик блеска и цвета вакуумного напыления порошка стекла на ситалл позволит разработать технологические рекомендации для дизайнера.

Цель и задачи диссертационной работы

Повышение декоративных свойств художественно-промышленных изделий за счет тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом материала изделия (на примере ситалла).

Задачи исследования:

1. Анализ изделий, декорируемых покрытиями, и видов применяемых покрытий;

2. Изучение декоративных свойств тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом поверхности материалов (на примере ситалла), сравнение с декоративными свойствами альтернативных покрытий и цветных материалов;

3. Выявление взаимосвязи между декоративными свойствами тонкопленочного вакуумного покрытия материалов стеклом и технологическими факторами вакуумного напыления покрытия;

4. Изучение возможности совмещения тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом с другими технологиями декорирования;

5. Разработка рекомендаций по изготовлению художественно-промышленных изделий с применением тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом.

Научная новизна работы

1. Установлено, что тонкопленочное вакуумное покрытие стеклом обеспечивает насыщенный и яркий цвет, зеркальный блеск поверхности изделия и возможность получения основных и переходных цветов цветового круга.

2. Чистота цвета тонкопленочного вакуумного покрытия стеклом достигает 92% чистоты спектрального цвета, а степень блеска достигает 62% степени блеска зеркальной поверхности хромового покрытия.

3. Разработаны и систематизированы в виде классификации технологии декорирования художественно-промышленных изделий, основанные на вакуумном напылении тонкой пленки стекла.

4. Напыление на неподвижную подложку позволяет получить новый декоративный эффект в виде радужного контура вокруг зоны напыления, расширяющий возможности дизайна изделий.

Практическая значимость работы

1. Предложенная технология существенно улучшает цветовые характеристики покрытия и открывает новое направление в дизайне художественно-промышленных изделий.

2. Упрощается получение заданного цветового тона за счет возможности управления толщиной напыляемой пленки стекла.

3. Разработан дизайн и технология изготовления ювелирных изделий и сувениров.

Методология и методы исследования

Теоретической и методологической основой исследования послужили метод анализа, метод классификации, метод экспертной оценки, метод спектрофотометрии, измерение исследуемых параметров проводилось по общепринятым методикам с использованием стандартных измерительных средств и методов статистической обработки полученных данных.

Апробация работы и внедрение результатов

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Токарева A.A., Черных М.М. Декоративные возможности тонкопленочных вакуумных покрытий ситалла// Дизайн. Материалы. Технологии. - 2010. - №2(13) - С. 37-44

2. Мерзлякова A.A., Черных М.М. Возможности изготовления ювелирных изделий из ситалла с тонкопленочным вакуумным покрытием порошком стекла// Дизайн. Материалы. Технологии. - 2011. - №1(16) - С. 44-48

3. Мерзлякова А.А., Черных М.М. Эстетические свойства тонкопленочного вакуумного покрытия ситалла порошком стекла // Дизайн. Материалы. Технологии. - 2012. - №4(24) - С. 38-42

Статьи, опубликованные в сборниках научных трудов конференций

1. Токарева, А.А. Разработка сувенирного значка для IX всероссийского конкурса работ студентов с применением вакуумного напыления / А. Токарева // Всероссийская ежегодная научно-технической конференция «Наука - производство - технологии - экология» (Киров, 2008).

2. Токарева, А. А. применение абразивной обработки для усиления рельефности фактуры ситалла при напылении пленки стекла / А. Токарева // VI Международная конференция «Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования» (Ижевск, 21-23 апреля 2010 г.).

3. Tokareva A. Application of abrasive processing for creation of imitations of natural invoices on polycrystalline glass with application of the thin-film vacuum dusting / A. Tokareva // Second forum of young researchers. In the framework of International Forum "Education quality-2010" - 2010. - C. 270-272

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Цвет и блеск как средства гармонизации объектов дизайна

Окружающий нас мир это сложная и разнообразная экосистема, где человеку отведено определенное место. Для полноценного существования в нем ему приходится непрерывно принимать и обрабатывать большое количество информации, определяющей его поведение и поступки. Посредством ощущений люди познают окружающий мир, воспринимая его через органы чувств. Особое место в общей совокупности восприятия занимает цветовое явление, как наиболее важное для физического и психологического состояния человека. Давно доказано, что цвет способен нести эмоциональную нагрузку и выполнять символическую роль в определенных случаях. Таким образом, человечество пришло к выводу о необходимости управления цветом. В XVII в. Ньютоном была определена субъективная область цветовых явлений и описана рядом количественных составляющих, которые, в дальнейшем, были подвергнуты научному анализу.

Технический прогресс привел к тому, что воспроизведение заданного цвета не представляет большого труда, а требует только некоторых знаний в области цветоведения.1 Создание гармоничного образа изделия подразумевает неразрывную связь между множеством понятий, в числе которых присутствуют цвет и цветосочетание. Они в свою очередь, обладая объективными характеристиками, позволяют формировать гармоническую предметную среду [8].

1 Цветоведение изучает и раскрывает основные закономерности в области цветовых

Современный дизайнер обладает большим набором инструментов, дающим ему возможность проектировать те или иные изделия без каких-либо технологических ограничений. Широкий спектр материалов для изготовления и декорирования продуктов производства применяется повсеместно. За счет применения определенных декоративных покрытий и материалов производитель может акцентировать внимание на своем продукте.

Разработка концепции изделия представляет собой сложный творческий процесс, обобщающий такие действенные факторы, как промышленное оборудование, технология, материалы и эстетика для создания изделий, которые сочетают в себе все потребности и желания пользователя.

Считается, что из двух предметов с одинаковым назначением человек выберет наиболее красивый, как более удобный по его мнению. Внешне привлекательные предметы на вид кажутся более простыми в использовании. Более практичные, но внешне менее привлекательные разработки пользуются меньшей популярностью у потребителя [9]. Гармоничный облик в изделии достигается посредством удачного сочетания многих факторов [10,11] (рисунок 1). Выбор технологии декорирования определяет ряд возможностей при разработке концепции и дизайна изделия. Как видно из схемы, представленной на рисунке 1, к средствам гармонизации формы объекта относятся материал и физические средства формообразования. С выбором материала всегда неразрывно связаны его эстетические и технологические параметры. Желая приобрести или заказать то или иное изделие, потребитель, в первую очередь, определяет внешний облик продукта, который характеризуется, в том числе цветом и блеском, как одними из наиболее важных аспектов человеческого мироощущения. «Цвет способен

полностью изменить визуальное восприятие предмета и поразительным образом подчеркнуть его форму. Он может сделать разработку визуально более интересной и эстетичной, усилить упорядоченность и придать смысл ее элементам». [9,10].

Рисунок 1 - Взаимосвязь средств гармонизации формы

Влияние цвета и блеска при выборе покрытия или материала для декорирования сложно переоценить. Цвет и блеск в значительной мере влияют на восприятие продукта потребителем [8-12].

Большую группу художественно-промышленных изделий составляют изделия, выполненные из неметаллических материалов - стекла, керамики, пластмассы и др., либо содержащие неметаллические покрытия - пленки, эмали и др. В данную группу входят украшения, предметы интерьера, сувениры, предметы мебели и посуда (рисунок 2-7).

а б

Рисунок 2 - Изделия, декорированные горячей эмалью: а - ювелирный гарнитур; б - фигурка животного

а б

Рисунок 3 - Применение самоклеющейся пленки в интерьере: а - в отделке настенных часов; б - в отделке стен

а б

Рисунок 4 - Изделия, выполненные в технике фьюзинг: а - комплект украшений; б - настенные часы

а б

Рисунок 5 - Применение цветного стекла в интерьере: а - оформление массивных конструкций; б - декорирование мебели

а б в

Рисунок 6 - Изделия из керамики: а - украшение шейное; б - посуда;

в - сувениры

а б в

Рисунок 7 - Изделия из акрилового пластика: а - декоративный элемент интерьера; б - подставки под канцелярские принадлежности; в - стул

1.1.1. Цвет

Каждый цвет вызывает у человека определенные ассоциации, которые влияют не только на его психологическое, эмоциональное и физиологическое состояние [13]. Еще древние ученые по