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1、第三章 玻璃的镀膜,太阳光及光能的性质,紫外光：占太阳辐射能的 4%可见光：46%短波红外光：33%长波红外光：17%短波红外光和长波红外光统称红外光,1、如何减弱透射入室内及交通运输内的阳光强度，使射入的光线柔和而又舒适？2、如何降低太阳辐射能的透射率以降低空调能耗？3、如何减少室内热能从窗户散失，以降低采暖能耗？,问题,本章要求,掌握化学气相沉积法的基本原理，了解其生产工艺设备和优点。掌握溶胶-凝胶法的基本原理及对浸镀溶液的要求，了解浸镀法制品的品种及性能。掌握蒸发法的基本原理，掌握对电阻加热源的要求，掌握薄膜形成的过程。了解蒸发法所用的蒸发材料，了解提高膜的附着强度的措施及该法生产中常见
2、的质量问题及解决方法。掌握磁控溅射法的基本原理及溅射法制备薄膜的特点，掌握阳光控制玻璃Sn-Cr/CrN-Sn膜系各层的作用。掌握喷涂法和制镜的原理，了解化学镀银镜的生产工艺流程。,本章内容,3.1 化学气相沉积法 基质材料表面可以采用一种易挥发的、稳定的化合物在低于基质材料熔点的温度下在其表面成层。该化合物然后经历某些化学反应形成稳定的、附着力强的镀层。本教材定义：气凝胶法化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition），简称CVD法，它是利用气相物质通过化学反应在基体表面上形成固态薄膜的一种成膜技术。,举例,四溴化钛是挥发性的，将气态TiBr4与氢气混合，混合气体加热到
3、1300，让其通过基质表面。加热陶瓷基质材料如氧化硅或氧化铝：TiBr4(g)+H2(g)Ti(s)+4HBr(g)氢气存在下SiCl4在1100-1200时的分解形成硅薄膜：SiCl4(g)+H2(g)Si(s)+4HCl(g)H2和CO2存在下于600-900热解SiCl4：SiCl4(g)+H2(g)+CO2 SiO2(s)+4HCl(g)+2CO(g)硅烷SiH4与氨NH3在900-1100反应制得：3SiH4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12H2(g),化学气相沉积法（CVD）的原理,膜型：硅膜。反应的活化（加热、高频电场、电子轰击或基体表面的催化作用）通过热的玻璃基片实现
4、的，沉积反应处于微正压状态。,CVD法的生产工艺设备,应用于电器元件表面复合材料的生产。生产在浮法线上进行，在锡槽的长度方向上选择符合生产工艺要求的温度区，插入一个镀膜反应器。生产过程：某些物质制成的气体，按一定的配比与载气气体预先混合，将混合气体送入镀膜反应器器壁之下，此气体在该温度下于接近玻璃表面处产生化学反应，反应产物凝结在玻璃表面而形成固体薄膜；镀膜反应器用耐高温材料制成，并用冷却水管进行冷却，能在该温度下长期使用；反应副产物从排气系统排出。,影响CVD法镀膜玻璃质量的因素（反应速率）,沉积反应的总速率是由玻璃基片上的表面反应速率和反应气体向玻璃表面的扩散速率决定的。1、气体物质的浓度
5、、流量：与物质原子向基片表面迁移并结合进入玻璃内层的数量有关；稀小迁移几率少膜薄2、玻璃表面与反应器底面的间距：大膜薄,影响CVD法镀膜玻璃质量的因素（反应速率）,3、安装镀膜反应器处的玻璃温度：高温沉积速率对温度不敏感；低温沉积速率下降膜薄4、反应副产物及未反应物的排出速度：过大不能形成稳定的气流，膜厚不均，甚至不能成膜；过小分解成颗粒状物质，沉积到膜上。5、玻璃拉引速度：不变加大气体物质的流量，膜厚；增大气体物质的流量不变，膜薄,CVD法的优点及前景,优点：1、生产装备简单、投资少、装机功率小、运营费用低、能耗低、产量大、经济效益高。2、一线二用，调节生产灵活。3、产品可以钢化及热弯，膜层
6、及其颜色均不变化，本法只适宜于生产阳光控制膜玻璃。前景,3.2 溶胶凝胶法,一、凝胶浸镀法的原理及膜型 二、凝胶浸镀法的生产工艺流程 三、浸镀溶液 四、产品品种和性能 五、凝胶浸镀法的优缺点,各种溶胶凝胶镀膜方法,浸渍提拉法,旋涂法,喷涂法,泻流涂覆法,层流涂覆法,一、凝胶浸镀法的原理及膜型,1、原理：III、V和VI族合成烃氧基化合物，无机盐类镀膜物质，溶于溶剂醇盐溶液放入玻璃基片一段时间醇盐液水解加热缩聚氧化物膜2、无机盐：氯化物、硝酸盐、乙酸盐等。3、溶剂：乙醇、丙酮及水 4、膜型氧化物（还可以是金属胶体膜层）：非晶相（SiO2）或多晶相（TiO2）5、溶胶的密度不大（不大于1gcm3）
7、，最终氧化物的密度却较大（23gcm3），溶胶硬膜收缩不均或开裂，然而3m4 m高质量膜证明浸镀膜的收缩主要在厚度方向而不是在平面方向。,一、凝胶浸镀法的原理及膜型,6、以镀Al2O3为例，说明整个化学反应过程：,R烷基,一、凝胶浸镀法的原理及膜型,7、浸镀过程中，薄膜内部同时产生两种力：一种是平行于玻璃基片表面的内聚力，另一种是垂直于玻璃基片表面的粘附力。随着膜厚的增加，内聚力有大于粘附力的趋势，于是薄膜产生很大的张力，这对膜的质量是不利的。某种元素的烃氧基化合物溶液充分水解生成的硅酸盐或钛酸盐，是共价键结合，所以粘合性能良好。,二、凝胶浸镀法的生产工艺流程,玻璃基片人工检验洗涤干燥装片浸镀
8、提升输送烘干加热冷却卸片检验包装入库。提升的最佳速度：1020cm/min升温的速度：710/min；加热至400500；保温0.5h,三、浸镀溶液,1、浸镀溶液应满足下述要求：（1）起始化合物可溶于有机极性溶剂，在少量水的参与下易水解，所得溶液在溶剂挥发后难于结晶，易留下凝胶状非晶态物质。（2）溶液对玻璃基片的润湿性良好，以便使膜牢固地粘合于玻璃表面上，必要时在溶液中加入润湿剂。（3）溶液须有足够的稳定性，存放时间略长一些。溶液呈胶态状，须使用稳定剂，使之稳定。（4）水解所生成的各种氧化物薄膜必须能在较低温度下进行充分脱水。,三、浸镀溶液,配制浸镀溶液的材料是元素周期表中IIIVI族元素，如
9、Al、In、Sn、Ti、Zr、Ta、Cr、Sb等氧化物或几种氧化物的混合液。工业上常用的浸镀溶液:某些烃氧基化合物（或称正酸乙酯）；溶剂一般使用乙醇或丙酮(与玻璃表面不润湿、介电常数小及挥发温度高的溶剂不能采用)。溶质（成膜物质）、溶剂及催化剂的配比也很重要:(1)保证相应的酸或氢氧化物溶液部分或完全水解成胶体；(2)使玻璃基片表面层迅速水解成透明膜。(3)最佳配比还能确保膜层能牢固地粘在玻璃表面。溶液的粘度:（1.52）10-3Pas。,三、浸镀溶液,镀膜溶液有一个成熟过程，即溶质与溶剂完全相互作用甚至部分水解，然后才能使用。加少量的HCl 的作用：促成生成中间化合物，起胶溶剂作用，使溶液长
10、时间稳定；调节PH=56。需水量的计算（根据水解反应式）：溶剂乙醇的浓度由需水量决定。镀膜溶液的需水量还要考虑环境湿度。,四、产品品种和性能,用浸镀法制成的膜层大多用作光学零件的干涉层，折射率范围是1.455(SiO2)2.25(TiO2)。1、阳光控制玻璃（热反射玻璃）：定义：凡是具有反射太阳能作用的镀膜玻璃都可以称为阳光控制玻璃，准确定义为对波长范围3501800nm太阳光具有一定控制作用的镀膜玻璃称为阳光控制玻璃。功能：热反射玻璃第一个功能是节能，其次才是映像装饰功能（单向透视）。,1、阳光控制玻璃（热反射玻璃）：,浸镀膜TiO2，在浸镀液中加入Pd的胶态粒子，最大优点：可见光谱中的透射
11、部分以及反射部分，都给人以柔和的视觉。浸镀膜的抗环境作用和抗划伤能力都很强，可以单片使用。Pd胶态粒子：膜中所含的胶态金属钯是先以Pd2+离子进入溶液中，继而将其还原成金属Pd微粒，具有调节吸收阳光的作用，紫外线因而被大大削弱。其数量要加以控制，因为过分吸收会造成玻璃温度过高，导致遮阳效率降低。理想的阳光控制玻璃：透过率为60，反射率为35。,How Does Window Film Work?,Glass with film,Glass without film,SOLAR CONTROL FILM,SOUTH KOREA,SINGAPORE,SOLAR CONTROL FILM,四、产品品
12、种和性能,2、彩色膜玻璃（1）Fe2O3膜：Fe(OC2H5)3的乙醇溶液。铁酸乙酯每升含Fe2O320g。烘膜温度380450，茶红色。（2）CoO膜：Co(CH3COO)2的乙醇水溶液。醋酸钴每升含CoO15g。450，加热30min，灰茶色。（3）Cr2O3膜：Cr(CH3COO)3H2O的乙醇溶液，醋酸铬每升含Cr2O320g。烘干膜温度400（以380为宜）。此种膜不容易粘牢在基片上，灰绿色。（4）Fe2O3-Cr2O3和Fe2O3-Cr2O3-CoO混合膜：（5）混合膜：硝酸铁、四水醋酸锰、硅酸乙酯、乙醇、正丁醇、醋酸硝酸溶液；350下烘烤15min，茶色。上述六种原料的比例为9：
13、7：18：75：5：4.5。,四、产品品种和性能,3、汽车后视镜：浸镀三次，形成三层膜，其膜系为TiO2-SiO2-TiO2。欧洲用得很多，其特色是对比度好，可降低反射眩光，司机对反射光不感到刺眼。,四、产品品种和性能,4、减反射玻璃（增透玻璃反反射玻璃）：浸镀减反射膜，此种膜在一定波长范围内，其表面的反射率小，而透射率增加，透射率增加于光学表面上的一层或多层介质膜或金属上，单层膜折射率（n1）的理想值是所加表面两边折射率（n0，n2）乘积的平方根，即：,4、减反射玻璃（增透玻璃/反反射玻璃）,平板玻璃的折射率nG1.511.52，浸镀单层膜是不够的，因最低折射率致密膜材料SiO2的折射率为1
14、.45。产生零反射:底层取n底=1.79，将SiO2与高折射率氧化物TiO2（ZrO2、CeO2）混合即可获得该折射率的浸镀液;中间层n中=2.2，镀TiO2膜;顶层取n顶=1.45，镀SiO2膜。两面浸镀三层减反射膜（增透膜）玻璃的积分反射率在1以下，一般平板玻璃的反射率为7。,4、减反射玻璃（增透玻璃）,应用：仪表、刻盘及字画的盖玻璃，还能起到保护的作用；高级橱窗、博物馆、艺术馆、陈列馆等,应用于TiO2薄膜自洁净玻璃生产的溶胶凝胶镀膜生产线,四、产品品种和性能,5、凝胶浸镀法镀膜玻璃的主要性能（1）遮阳系数用浸镀法生产的3mm厚镀反射膜的阳光控制玻璃的遮阳系数为0.260.56。（2）热
15、传导率 镀反射膜的阳光控制玻璃单片的K值一般为4.25.2W/(m2K)。相同厚度未镀膜的单片普通玻璃的K值为5.8 W/(m2K)。,五、凝胶浸镀法的优缺点,1、优点：（1）设备简单，造价低，不需要昂贵的真空系统，投资少；（2）两面同时浸镀，强化镀膜效果或减少所需层数；（3）化学键结合，膜层附着强，牢固性好；（4）容易实现镀多层膜已获得所需的膜层；（5）玻璃的内壁（玻璃管的内壁）镀膜也十分容易；（6）烘膜温度低（380500），不会变形。2、缺点：浸镀液很难保持其浓度长期稳定不变。尺寸很小或棱角多的制品不宜用浸镀法镀膜。,3.3蒸发法,一、真空蒸镀法 的原理二、三、真空蒸发镀膜玻璃的品种,生
16、产工艺,1、蒸发源,2、蒸发材料,3、薄膜形成过程,4、镀膜条件对膜层的影响,5、提高膜的附着强度的措施,6、生产中常见的质量问题及解决办法,一、真空蒸镀法 的原理,真空蒸镀法是利用真空状态下分子运动特性的一种工业镀膜方法。物质所在空间的压力等于它在这一温度下的饱和蒸气压时，此物质就会大量蒸发出蒸气分子。在真空室内，物质达到饱和蒸气压的温度将大大降低举例：金属铝在大气压（0.1MPa）下需要加热到 2467才能大量蒸发。但如果在真空度为10-4Pa的空间里，仅需要加热到768，铝就可以蒸发。,一、真空蒸镀法的原理,真空蒸镀法就是利用各种金属在真空中，气体分子的平均自由程加大导致蒸发速度加快的特
17、性进行镀膜工艺的方法。具体实施的方法是：将待镀膜的洁净的玻璃基片置入真空室中，同时将所镀的金属（一般用金属丝）放入真空室中的钨丝圈内。将真空室抽至高真空（一般为510-21.310-3Pa），此时向钨丝圈通电，它产生的高温足以使所放入的金属丝在此真空度下完全蒸发。金属蒸气质点沉积在玻璃表面上，形成一层具有一定粘结强度的金属膜。,一、真空蒸镀法的原理,玻璃基片在真空室的放置方法有两种：一种是每两片玻璃为一组，叠着放置，相靠的一面没有金属膜，向外的一面则镀上一层金属膜。另一种是两片玻璃相对垂直放置，中间排列若干组钨丝圈及金属丝，相向的一面镀上金属膜。若蒸发的金属是铝而膜层又较厚时，所制得的产品为铝
18、镜。若蒸发的金属为热反射膜膜料，而膜层的厚度又较薄时，则所制得的产品为热反射膜玻璃。,二、真空蒸镀法的生产工艺,工艺流程：G基片人工检验切裁洗涤干燥装片（蒸发源十膜材）镀膜（抽真空）出片检验包装入库 铝膜：底漆面漆镜片。所涂的底漆、面漆，其商品名为镜背漆。热反射镀膜玻璃不需涂漆。用真空蒸镀法生产镀膜玻璃目前是间歇式生产。,高真空镀铝镜镀膜机,蒸发式真空镀膜机,二、真空蒸镀法的生产工艺,1、蒸发源（1）定义：真空设备中对蒸发材料进行加热的零件（2）种类：电阻加热源、电子束加热源,电阻加热源,直接,间接,综合型,单股丝状螺旋形,多股丝状螺旋形,凹形舟,方形舟,圆锥形单股丝,坩埚和加热体，加热体装在
19、坩埚外面,加热体一部分装在坩埚外面，一部分插入粉状蒸发材料中,几种典型结构,真空蒸发法镀膜设施示意图,二、真空蒸镀法的生产工艺,（3）对电阻加热源的几点要求：A、蒸发源加热体的材料必须有足够低的蒸气压;B、蒸发源材料熔点必须高于蒸发材料的熔点;C、应具有稳定的化学性能;D、必须能装载要蒸发的蒸发材料。,蒸发铝：钨、钼、钽（间歇）和石墨（连续）钨:在加热到蒸发温度时，会因结晶而变脆。钨和水蒸气起反应，会形成挥发性氧化物WO3石墨电极:在高温下铝会渗入石墨中，使坩埚膨胀而破裂，因而使用寿命较短，一般为12h。新型的蒸发源氮化硼合成导电陶瓷蒸发源,常用蒸发源的形状及应用实例,2、蒸发材料,（1）具备
20、的条件A、采用丝状蒸发源时，要与蒸发源材料湿润；B、蒸发温度必须低于蒸发源所能承受的最高温度，杂质含量低；C、具有良好的化学稳定性和真空热稳定性；D、与基片的结合牢固；E、在真空中放气少，且不存在挥发物质;F、对蒸发源及设备不产生腐蚀；G、使用方便、易于获得。,Do you know?,地壳中含量最高的金属元素人体中含量最高的金属元素目前世界年产量最高的金属元素导电、导热性最好的金属元素熔点最高的金属元素熔点最低的金属元素,铝,钙,铁,银,钨,汞,（2）常用的金属蒸发材料介绍,A、铝：Tm660，Te1100，化学性能活泼，高温时与陶瓷材料发生化学反应，与难熔金属形成低熔点合金。蒸发源：钨丝或
21、钼丝的电阻加热式B、铬：Tm1900，但在1397，蒸气压可达到1Pa，附着力强，蒸发源：凹形舟、方形舟、圆锥形单股丝；蒸发源材料：钨C、铜：Tm1080，1Pa，Te1257，导电率高，可焊性好，但易氧化，附着力小，蒸发源采用电阻加热式：钨螺旋丝或钨、钼、钽蒸发舟。,（2）常用的金属蒸发材料介绍,D、镍：Tm1452，1Pa，Te1527，常与铬形成镍铬合金，增强附着力较差的金属。蒸发源：氧化铍和氧化铝坩埚；一般采用较粗的钨丝做成的螺旋形电阻加热源。E、钯：Tm1550，1Pa，Te1462，保护层，附着力小，用钛或铬作底层。蒸发源：钨丝状螺旋形电阻加热源。F、金：Tm1063，1Pa，Te
22、1397，保护膜层的顶层，附着力不强，用钛或铬作底层。蒸发源：钨或钼的丝状螺旋形或圆锥形电阻加热式。,（2）常用的金属蒸发材料介绍,G、钛：Tm1667，1Pa，Te1737，附着剂，吸气剂。蒸发源：钨丝状螺旋形或圆锥形电阻加热式。H、锌：Tm420，1Pa，Te408，常用蒸发银蒸气来预先敏化基片的表面。银膜的平均膜厚0.1nm就可获得满意的结果，银原子充当锌原子的成核中心，使锌膜的生长、薄膜结构和膜的性能较好。蒸发源：舟形坩埚,常用蒸发材料、用途及蒸发源,薄膜形成过程示意图,3、薄膜形成过程,3、薄膜形成过程,（1）成核小岛阶段：核的直径约2nm，核间距离为30nm 左右。两个各自独立存在
23、的原子吸附的原子越来越多接触处逐渐变大原子连成小岛。（2）聚结阶段：原来的小岛各自为中心进行扩大连接而形成大岛。（3）大岛与大岛的边沿不规则地相连，形成网状薄膜、沟道、通路、孔眼阶段（4）成膜阶段：此薄膜在微观上其厚度并不是均匀一致的，而是凹凸不平的。,3、薄膜形成过程,4、镀膜条件对膜层的影响,（1）真空室压力对膜层的影响高真空，减少残余气体的分子数、增大残余气体分子的平均自由程，碰撞机会减少 当真空度低时，会出现下述两种情况：a吸附残余气体分子，与蒸发材料的蒸气分子产生化合作用，影响膜的质量。b碰撞几率增加，消耗动能，吸附能降低。膜层松散无力，严重时出现粉末状的附着，易脱落。（2）膜层沉积
24、速率的选择适当提高蒸发源的温度、增大蒸发面积。（3）蒸发源、蒸发材料的表面必须清洁,5、提高膜的附着强度的措施,膜层附着强度：膜层附着在基片表面上的牢固程度 影响膜层附着强度 因素：,膜应力,热应力：蒸发材料与基片的热膨胀系数不同,内应力,沉积内应力：放热，聚结、收缩,附加内应力：膜产生氧化作用,剪应力,潮湿气体、油污、尘埃,吸附水分子层或油分子层,形成没有膜层的砂眼（针孔）,5、提高膜的附着强度的措施,1）提高基片温度：排除、转化、增加（铝镜50）2）选择合适的工作压力：10-2Pa3）采用较小的蒸发角度：604）选择适当的膜厚：40100nm5）对基片有一定的要求：A、平整度高，光学变形小
25、；B、化学稳定性好；C、热稳定性及抗热冲击性能好；D、具有一定的机械强度；E、热膨胀系数应与薄膜膨胀系数接近，防止薄膜产生应力而剥落。6）基片镀膜前需认真处理：清洗、干燥和贮存7）成膜前用电子或离子对基片轰击、加热：50100,6、生产中常见质量问题及解决办法,膜层附着力小,原因,a、真空度低,b、玻璃表面不干净,c、蒸发源钨丝氧化及蒸发材料铝丝受污染,d、扩散泵返油,解决办法：真空度 10-2Pa，含铝量99.9；（烧碱液泡洗，自来水冲洗，干燥）。停2030s，方可充气。,镜片有针孔,原因：尘埃多，玻璃表面粘附颗粒状杂物，清洗不彻底，或清洗后存放时再次粘附颗粒状杂物。,解决办法：严格清洗玻璃
26、，减少粉尘飞扬，尽快投入生产，长期存放使用前要重新擦洗，短期存放需加罩封严。,6、生产中常见质量问题及解决办法,膜层不均匀,原因：蒸发源不工作或漏放铝丝；位置不合理；接触不良；脱落等,解决办法：更换，调整位置，装足蒸发材料放好,镜片溅铝（铝滴）,螺旋形蒸发源钨丝螺距过大：粘不住往下脱落,控制升温速度，增加铝丝的预热和蒸发时间,镜片溅铝：在真空镀铝制镜生产中，有时出现镜片上有铝滴,原因,钨丝升温太快,部分熔化，部分未熔化，润湿不充分,易产生气泡或发生飞溅,解决办法,蒸发源钨丝的螺距控制在34mm以内,6、生产中常见质量问题及解决办法,绕射,低真空度下室壁及工件架严重污染，易吸附水蒸气、油气及脏物
27、。镀膜时，释放出来。,解决办法,a提高蒸发前的初始真空度,b定期清洗镀膜室内壁及工件架,c减少玻璃基片至室壁的距离,d、布蘸上干净水或7的氢氧化钠擦,绕射：蒸发材料铝蒸气分子在迁移沉积到玻璃表面的途中，与残余气体分子及污染物所释放的气体分子相碰撞，致使一部分铝蒸气分子产生漫射而落到镜片正面的边缘，这就是绕射，也叫黑边。,原因：,6、生产中常见质量问题及解决办法,原因,扩散泵或前级泵抽速低,挡油器发生故障，挡油效果不好,扩散泵冷却水管脱焊，泵体冷却不好,扩散泵冷却水压力低或断水,高真空阀内壁附着的扩散泵油太多,解决办法,a调整扩散泵和前级泵的抽速,b焊好泵体外的冷却水管,c增大泵体冷却水带走的热
28、量,d擦净高真空阀内的油,e扩散泵油最好用硅油，装入量标牌装油量的10,彩虹（雾状返油）,6、生产中常见质量问题及解决办法,水印、水迹、霉点、纸纹、手纹,原因,水印：镀铝前玻璃上水分干后留下的痕迹，花纹状，灰色，不反光,水迹：洗涤干燥过程，水流或小点状，四周有白色物，不反光,霉点：玻璃发霉，白点，严重时灰色，四周呈不规则形状，不发光,纸纹：包装纸受潮与玻璃表面起化学反应，波浪形，灰色，不反光。,手纹：裸手触摸玻璃，油污、汗渍留在玻璃上,解决办法,a清洗用水水质要求4DH（德国硬度），风刀吹散，风刀的角度一般以5左右效果最好。,b玻璃运入车间后，要严格进行检查，有霉点、纸纹的玻璃不能使用。,c不
29、许裸手接触玻璃，接触玻璃时必须带上清洁、干燥的手套。,d采取增加抛光及擦洗工序办法，先采用轻度抛光将霉点、纸纹等去掉，然后用强力洗涤干燥机擦洗，用去离子水冲洗。,三、真空蒸发镀膜玻璃的品种,玻璃镜,按蒸发材料,铝镜,银镜,按产品的外形：平面镜、凸镜、凹镜,按产品的颜色,透明玻璃 无色膜无色镜片,本体着色玻璃无色膜彩色镜片（茶色、宝石蓝）,透明玻璃彩色膜彩色镜片（仿金镜）,热反射玻璃（阳光控制玻璃）：金黄、粉红、蓝、绿、紫及无色,中港城：世界最大的金色玻璃幕墙建筑物,中港城-China Hong Kong City 中港城是目前全世界最大的金色玻璃幕墙建筑物。六层高的大型商场，包括五星级皇家太平
30、洋酒店、中国客运码头、巴士和的士总站。中港城有一条天桥连接九龙区最大的休闲公园-九龙公园。,3.4阴极溅射,一、概述二、真空的基本原理三、溅射工艺四、磁控溅射原理及溅射法制备薄膜的特点五、磁控溅射镀膜玻璃品种及性能,一、概述,1971，平面阴极发明：速率高、任何方向1975，第一个用于汽车顶棚玻璃的溅射玻璃生产线（BOC Coating Technology)，1977，第一片建筑镀膜玻璃1983，美，银基低辐射镀膜玻璃民用住宅1989，圆柱旋转阴极问世，圆桶状，速率更高，可溅射氧化硅或氮化硅,二、真空的基本原理,抽真空的机械设备：机械泵（粗抽泵）利用旋片、活塞、棘爪10-1Pa 高真空泵组1
31、0-110-5Pa,途径,低温泵半导体工业10-6Pa,扩散泵 玻璃镀膜 便宜、易操作、速度快，维修保养费用低,蜗轮分子泵 大面积的镀膜 保养费用较高且抽速低,10-2Pa是镀膜过程最典型的气压，每秒可以形成一个单分子层，大部分原子的直径约为0.3nm，背景杂质也以每秒0.3nm的厚度竞相形成。因此，镀膜前玻璃的清洁度非常重要。,三、溅射工艺,溅射是一个使在气体等离子体（或发光放电）中形成的离子加速向靶冲击的动力传递过程。等离子体由导入真空系统的氩气、氧气、氮气或其他气体构成。离子的能量主要来自加在靶表面的直流电压的负极，这些能量再分配给靶材表面的原子，使一些获得了足够能量的原子从靶体表面逸出
32、。能量传递的效率与离子和靶材原子的相对质量有关，原子逸出靶材表面所需要的能量取决于靶材蒸发的潜在热量。,四、磁控溅射原理及溅射法制备薄膜的特点,溅射源（阴极）：靶材、永久磁铁、阴极板、边部屏蔽板，绝缘板、垫板等,平面靶的剖面图,磁控溅射过程,真空室的气体抽空，阴极接负高压，阳极接正电压，充入工作气体（氩气），溅射工作压力达到10-410-5 Pa时，在阴极前面产生辉光放电，氩发生电离，产生氩离子和电子，形成等离子区；氩离子在正交电磁场的作用下飞向阴极，在很短距离的阴极电位下降区获得很大的能量，在到达阴极前轰击靶材，根据动能传递作用，将能量传递给靶材的中性原子（或分子），使其脱离附近的其它原子（
33、或分子）而从靶面弹射出来。在溅射的粒子中，中性靶原子或分子带着大能量在基片表面上沉积而形成膜层。,1、磁控溅射原理,磁控溅射是在溅射装置中设置磁场以控制电子运动方向，束缚电子运动轨迹，从而提高工作气体的电离几率和有效地利用电子能量，提供大量的轰击靶材的正离子，形成高密度的等离子区，由于正离子轰击靶材而产生溅射，溅射粒子的中性靶原子在基片上沉积成膜，而其中的二次电子进入等离子区参与电离碰撞，不断地补充大量的正离子，二次电子在其能量将耗尽时，被阳极吸引而导出真空室。二次电子：入射电子进入样品后，把样品中的核外电子激发出来，激发的电子具有足够的逸出功，电子会跑出来，称为二次电子，其能量低50eV,用
34、于工业生产镀膜玻璃的磁控溅射方法的原理,2、磁控溅射需要使用哪两类材料？,溅射气体,工作气体：惰性气体氩、氪、氙受电场作用，电离为正离子和电子，正离子轰击靶材产生溅射,反应气体：氧气、氮气、硫化氢、甲烷,溅射材料,形状：矩形板、圆形板、辊形、圆盘形或棒形,阳光控制镀膜玻璃、玻璃镜、导电膜玻璃：非磁性导电材料铬、钛、锡、锌、铜、铝、铋、不锈钢、铟锡合金等,低辐射镀膜玻璃：采用金、银、铜或铅等靶材,金属、半导体、合金、卤化物（通常是氟化物）、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物，元素周期表中IIIV族单质和IIVI族化合物及金属陶瓷都适于作靶材,3、溅射法制备薄膜的特点,（1）膜厚可控性和重复性好（2）
35、膜层与基片的附着力强（3）可以制造特殊材料的膜层（4）膜层纯度高（5）磁控溅射速率高、基片温度低,五、磁控溅射镀膜玻璃的品种及性能,磁控溅射镀膜玻璃的分类,外形,性能,平面镀膜玻璃，产品的外形是平板形的,弯形镀膜玻璃（弧形），外形是弯形的，拱高可达400mm;,（1）阳光控制玻璃,（2）低辐射膜玻璃,（3）玻璃镜,（4）导电膜玻璃,（5）反反射膜玻璃,（6）低辐射阳光控制膜玻璃,2、磁控溅射镀膜玻璃的性能,（1）阳光控制玻璃,13层，透射率、反射率变化，可见光及太阳辐射能透射率降低、反射率增高，(太阳能控制玻璃，热反射玻璃),各层膜具有什么作用？,a CrCrN膜层：对阳光控制玻璃的透射率、反
36、射率起主导作用，它是膜系的主功能层，决定着整个膜系的遮阳系数。,溅射电功率和膜层的透射率呈线性关系。随着溅射电功率的增加，透射率逐渐减少。这说明随着CrCrN膜层厚度的增加，透射率减小。,a CrCrN膜层,溅射电功率和膜层反射率呈线性关系，与表面电阻不呈线性关系。随着CrCrN膜层厚度的增加，反射率增加，表面电阻逐渐下降。,b第一层SnO2膜,测定条件：保持第二层SnO2膜层厚度不变，并恒定膜系的光透射率为201.5。通过逐步增加第一层SnO2膜的厚度，鉴别反射光的颜色,第一层SnO2膜厚与膜系反射色关系,b第一层SnO2膜,当在较高反射率的膜面上涂加一层反射率较低的膜层时，会降低整个膜系的
37、反射率，而且表面上反射率较低的膜层越厚，其影响越大；金属膜层的反射率比该介质膜层的高,c第二层SnO2膜,测定条件：当仅镀Cr-CrN及第二层SnO2膜，并保持透射率不变（透射率保持在201.5）,原因：由于第二层SnO2膜位于反射率较高的Cr-CrN膜的后面，增加了膜系的厚度，而使膜系的反射率增加。这层 SnO2膜致密度较高，是Cr-CrN膜较理想的保护膜层。,阳光控制玻璃各层膜的作用,第一层膜的厚度决定镀膜玻璃反射光的颜色；第二层膜的厚度决定镀膜玻璃的透射率和反射率；第三层膜对镀膜玻璃的膜层主要起保护作用，其厚度对镀膜玻璃的反射率也有一定的影响。,结论,LowE：(Low Emissivi
38、ty Coating）是一种对波长范围4.525m的远红外线有较高反射比的镀膜玻璃。使照射于玻璃的远红外光被膜层反射，反射是双向的，它即可以阻止玻璃产生的热辐射进入室内，又可以将室内物体产生的热辐射反射回来，总之它是将热能向热源方向反射的。,（2）低辐射膜玻璃,（2）低辐射膜玻璃,总的透射能量（T）加反射的能量（R）加玻璃吸收的能量（A）应该等于100的玻璃入射能量：TR+A100在远红外线中，T0，这时辐射量（E）等于吸收量（A）,则：辐射量100反射量 低辐射或LowE膜就是高热能反射率的膜,（2）低辐射膜玻璃（Low Emissivity Coating),Low-E玻璃各层膜的作用如何
39、？,SnO2膜：其作用同阳光控制膜系中的介质膜；金属膜是低辐射膜系中的主功能膜层铝膜（12nm）：防止银膜等金属膜在生产过程中发生氧化，对银膜起保护作用；对整个膜系的性能没有多大影响。,银膜的作用如何？,银膜的作用如何？,金属膜层的表面电阻随厚度的增加而逐渐减少，无线性关系；表面电阻与其辐射率的关系呈线性关系，表面电阻大，辐射系数大；厚度与透射率呈线性关系，随着膜厚的增加，透射率下降。,Low-E玻璃有哪些品种?,单银低辐射玻璃：不能单片使用，不易加工双银低辐射玻璃：中、高纬度地区阳光控制低辐射玻璃：冬季寒冷、夏季炎热地区改进型单银低辐射玻璃：冬季寒冷地区,Low-E玻璃的应用：汽车风挡玻璃及
40、窗玻璃；工业冷藏柜的中空玻璃橱门；微波炉及烤炉的门玻璃；聚光灯及碘钨灯等各种配套用盖板玻璃；扫描用的复印机面版玻璃；照相制版等玻璃。,高透型LOW-E玻璃,适用范围：1、寒冷的北方地区。冬季太阳热辐射透过玻璃进入室内增加室内的热能，而室内的暖气、家电、人体等发出的远红外被阻隔反射回室内，有效地降低暖气能耗；2、适用于外观设计透明、通透、采光自然的建筑物，有效避免“光污染”危害；3、制作成中空玻璃（膜面在第3面）使用节能效果更加优良。,补充材料（深圳信义玻璃有限公司）,产品特性：1、较高的可见光透射率：采光自然，效果通透；2、较高的太阳能透过率，透过玻璃的太阳热辐射多；3、极高的中远红外线反射率
41、：优良的隔热性能，较低U值（传热系数）。,济南机场,遮阳型LOW-E玻璃,适用范围：1、适用于南方地区及北方地区。该产品不仅冬季限制部分太阳热能进入室内，在夏季则能限制更多的太阳能进入室内，因为冬季太阳能的强度仅为夏季的1/3左右，因而保温性能并未受到影响。从节能效果看，遮阳型不低于高透型；2、其丰富的装饰性能起到一定的室外实现的遮蔽作用，适用于各类型建筑物；3、制作成中空玻璃节能效果更加明显。,产品特性：1、适宜的可见光透过率，对室外的强光具有一定的遮蔽性；2、较低的太阳能透过率，有效阻止太阳热辐射进入室内；3、极高的中远红外线反射率，限制室外的二次热辐射进入室内。,上海港汇,可异地加工LO
42、W-E玻璃 普通LOW-E玻璃的膜系结构中，金属膜层是其主功能膜层，其质地较软，与其他膜层结合力较弱，因此要求在成膜后短时间内必须合成中空玻璃使用。通过改良LOW-E玻璃的膜层结构，增强膜层的附着力与膜层结构的稳定性，从而可制造出可异地加工的LOW-E玻璃与可钢化的LOW-E玻璃。,1、安全性：钢化或半钢化处理，既增强玻璃的抗热冲击力，预防玻璃的热应力破裂，又提高玻璃的使用寿命。2、超强隔音，隔热要求：在LOW-E中空玻璃中充装惰性气体。,成都MOTOROLA中心,市场预测,价格因素、政府节能政策和建筑法规、人们的收入提高等因素，会导致LOW-E玻璃的使用大幅度提高。供给增加导致价格降低。三年
43、左右时间，即到2011年底，单银玻璃的价格由现在的90-110元/平米将下降到45-50元/平米，下降幅度50%左右；双银LOW-E玻璃的价格将从现在的180-200元/平米，在3-5年内下降到55-60元/平米；原因:供给增.如信义预计产能3000万.南玻已做好降价准备如55元/平米供给弹性。上海北玻的镀膜线4000万/条V.S.1.2亿平米(进口线)能源价格的提高节能标准的提高，如沈阳1.8-2.5 W/m2.K人们的收入水平提高,LOW-E玻璃的市场细分,低辐射膜玻璃与阳光控制镀膜玻璃性能比较,（3）玻璃镜,在玻璃表面镀上一层反射率很高的金属膜层,（3）玻璃镜,第一面镜：人物的影像不透过
44、玻璃直接由金属膜层反射出来而显出影像，也称单向观察用镜；金属膜层是硬金属铬或镍铬合金膜：硬、耐磨、抗风化、耐用，其可见光入射率为55左右；适宜于用来制造高级装饰镜及汽车的后视镜。第二面镜：人物的影像透过玻璃后再由金属层反射出来而显出影像铝膜及银膜；化学镀银法及真空蒸镀法蒸发铝所制得的玻璃镜均是第二面玻璃镜,（4）导电膜玻璃,导电膜玻璃是既导电又透明的镀膜玻璃,膜层结构,三层膜：介质膜金属膜介质膜,两层膜：介质膜金属膜,透明的材料：如SnO2、In2O3、Au、Pt、CaS、CdO、ZnO、ZnS、CdS、LaBa、钨青铜等60余种薄膜，但能满足透明又导电两方面要求的以 SnO2、In2O3为好
45、，并以掺锡氧化铟（Indium-Tin-Oxide,简称ITO膜）透明导电膜为最佳。,特点：可见光区（350750nm）具有透射率高（75）与导电性能好（电阻率可达10-310-4cm）。对紫外线具有吸收能力，对微波具有衰减能力（85）等优良特性。,ITO膜性质与生产工艺参数的关系,导电膜玻璃的应用,太阳能电池板、液晶调光玻璃、电加热玻璃、电磁屏蔽玻璃等，主要应用于冰柜，保鲜柜和冷库的透明门、高温环境下的透明隔热墙以及用作液晶显示屏等领域。,太阳能电池屋顶,调光玻璃：又叫电致变色玻璃，通过改变电流的大小可以调节透光率，实现玻璃从透明到不透明的调光作用。调光玻璃是将有弥散分布液晶的聚合物放入两片
46、涂抹了透明导电膜的玻璃之间，经夹层而制成的。两个导电膜相当于2个平面电极。,调光玻璃,调光玻璃的调光原理是：在自然状态下（断电不加电场），它内部液晶的排列是无规则的，液晶的折射率比外面聚合物的折射率低，入射光在聚合物上发生散射，呈乳白色，即不透明。当加上电场（通电）以后，有弥散分布液晶的聚合物内液滴重新排列，液晶从无序排列变为定向有序排列，使液晶的折射率与聚合物的折射率相等，入射光完全可以通过，形成透明状态。,电磁屏蔽玻璃演播室,浴室防雾镜,（5）反反射膜玻璃,（减反射膜玻璃、增透膜玻璃、无反射膜玻璃）,补充材料,阳光主要由可见光、红外线和紫外线组成玻璃对这三种射线的反射量、吸收量和透射量与阳
47、光总通量的比率被分别称为光反射率、光吸收率和光透过率，用于表征玻璃的光学性能。对红外线来说，玻璃对它的反射量、吸收量和透射量与红外线总通量的比率被分别称为能反射率、能吸收率和能透过率，用于表征玻璃的热学性能。,热性能：镀膜玻璃或窗玻璃的过滤能力或镀膜控制入射阳光能量的能力，其作用在于控制或冷或热的室外温度(T0)和期望的室内温度（Ti）间的温差。,2、磁控溅射镀膜玻璃的性能参数,基本概念,热性能,热总获取量是进出建筑物的能量流的净矢量和，包括两个基本因素：（1）衡量进入建筑物的净太阳光辐射（衡量镀膜透射太阳能的能力）的遮阳系数（SC）或G值（2）度量传导和对流效应的U或K值，U或K值由建筑物室
48、内外温差决定,窗户系统的全部热属性，即热总获取量，可以用以下两部分的和来表达：热量总获取量=A BA透射辐射吸收再辐射；B传导对流。“A”部分是透射的和吸收的阳光辐射，一般被称为阳光热获取量。它与由透射、反射和镀膜吸收的直接转化的能量有关。“B”部分包括度量窗玻璃安装对热的传递能力的传导和对流（热能通过气流的转移）。由于建筑物的内外温差，热能将从温度高的表面向温度低的表面流动。,（1）遮阳系数(SC-Shading Coefficient）,遮阳系数（SC）镀膜玻璃的阳光热获取系数(SHGC)1/8英寸玻璃的阳光热获取量（SHGF）SHGC 入射阳光能量中被窗玻璃直接透射、吸收和再辐射的百分比
49、 SHGF18英寸玻璃的阳光热获取量（阳光热获取因子）阳光热获取量SHGC 阳光辐射量SCSHGF阳光辐射量,（1）遮阳系数（SC）,在欧洲，遮阳系数（SC)和阳光热获得因子（SHGF）相乘，并用一个G值（G-Value衡量能进入建筑物的净阳光照射量或膜系传递阳光照射能力的一个因子）表示（等于镀膜玻璃的SHGC）。G SC SHGF SHGCSC是太阳能通过某种玻璃进入室内的总量与通过厚度3mm的普通无色玻璃的总量之比，即SC=G/0.89G为通过某种玻璃的太阳能总量；0.89为通过3mm厚的普通无色玻璃的太阳能总量,（2）U-Value and K-Value,热传导性用来衡量窗玻璃安装传导
50、热的能力，这种能力被称为U值或K值，表示某一给定的温差下传导的能量。（U-Value：传导和对流传递的全部热量的因数，该值由建筑物的内外温度差决定，主要在美国使用）（K-Value：通过传导和对流传递的全部热量的因数。该值由建筑物的内外温差决定，主要在欧洲使用）,（2）U-Value and K-Value(Wm-2K-1),QcondU（或K）（T0Ti）ST0室外温度；Ti 室内温度；S玻璃面积主要影响热量传导性或U值的是玻璃表面的辐射率，它用来衡量膜面吸收或辐射热量的能力。玻璃辐射能量的波长取决于它的温度（玻璃表面越热，辐射的波长越短，能量越高）。,2、磁控溅射镀膜玻璃的性能,（1）控光
