塑料模具基材上磁控濺射鋁膜附著力研究
發布時間：2016-12-26
光學塑料以其性能優異、質量輕、容易加工成型、不腐蝕及價格低廉等特點，越來越廣泛地應用于日常生活、工業及科研等領域。而為了提高光學光學塑料的性能，光學塑料的鍍膜倍受人們的重視。在鍍膜技術中，以真空鍍膜技術在塑料制品的應用上最為廣泛。
通過真空鍍膜技術，使得在塑料表面沉積一層單質金屬層，使其具有表面亮麗、金屬感強，提高光學塑料的使用性能。在光學塑料表面鍍制的單質金屬膜，常發生膜層與基片的附著力差，特別是在磁控濺射中，鍍制鋁膜，最常見的質量的問題是：脫膜、膜層附著力差等，這直接影響到鍍膜塑料的應用。本文從光學塑料的特性出發，通過薄膜附著力理論分析，提出在工藝上改進鋁膜附著力的方法。
1、光學塑料的特性
光學塑料的種類很多，最常用的有：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚苯乙烯(PS)等。一般，光學塑料作為鍍膜基體材料有如下的一些特性。
光學塑料的耐熱性相對于金屬或玻璃差，吸水率高，使得沉積溫度受到限制。其次，光學塑料具有低的表面能，介電性能高，摩擦后易產生靜電，這樣使得表面容易吸附灰塵。塑料表面的清潔程度直接影響到膜層與基片的附著力。此外，光學塑料的熱膨脹系數大，如塑料的熱膨脹系數要比金屬大一個數量級，在成膜過程中或成膜后，由溫度變化產生熱應力，如果應力過大會導致膜層開裂甚至脫落現象。
2、薄膜的附著機理
薄膜附著力是膜層與基板或膜層與膜層之間的鍵合力或鍵合強度，其單位是單位面積上的力或能。根據附著力產生的原可以分為物理吸附與化學吸附兩類。物理吸附能的作用范圍通常在0.05～0.5eV，它主要是由范德華力和靜電力所引起的，而化學吸附能則在0.5～l0eV之間，其作用力在l0的6次方N/平方厘米以上。主要是當基板與薄膜原子之間發生位移或交換時，產生很強的化學吸附鍵合力。其中化學吸附可分為3種類型：(1)由兩相鄰材料之間發生了化學反應所引起的附著力；(2)由擴散所引起的附著力。這是兩種材料接觸而存在濃度梯度時，引起向對方擴散各自的原子，這樣必然引起原子之間的作用力；(3)“類擴散”所引起的附著力。這是由于原子具有較大的動能，當沖擊基片的時候打入基片而引起的“類擴散”。可見，由化學吸附引起的附著力比物理吸附要大得多。
從能量角度來講，將單位面積的薄膜從其基片上剝離下來所需要做的功即是薄膜附著力的量度。因此，薄膜、基片的表面能越高，薄膜基片的界面能越低，則薄膜的附著力也就越高。
3、影響附著力的因素
(1)基片表面粗糙度和結構缺陷對薄膜附著力的影響很大，一般，塑料板材的粗糙度較大，雖然其表面與薄膜易形成機械咬合界面，但是由于塑料本身結構比較疏松，常含有易揮發的低分子物，而在真空狀態下這些低分子物更容易揮發，這樣不僅增加真空系統的負擔，同時這些低分子物與鍍膜材料發生反應，其生成物會降低膜層的附著力。所以，存鍍膜前，光學塑料板材一般要經過硬化處理的。否則，如果直接鍍上一層單質金屬薄膜，這樣常導敏金屬薄膜不連續，不光滑，表面金屬感莘。光學塑料在真空室的放氣量，尤其是在受到輻射熱時的放氣量要比玻璃材料的大很多倍。為_r提高光學塑料表面硬度，改善膜層與光學塑料基片的粘結性能，應在光學塑料上鍍1～1Oum厚度的過渡層。用于磁控濺射鍍膜的光學塑料的過渡層一般是有機材料，與板材形成結合牢固的硬膜層，從而光學塑料板材能夠應用于實際工業生產。經過硬化處理的光學塑料，雖然表面光潔，放氣量減少，但是相對丁玻璃、金屬等放氣量還是很大的，而在沉積區域溫度較高，達使得低分子物揮發量更大，因此，在濺射鍍膜中，在合理的范圍內，應該提高基片的走速，使得光學塑料板材少沉積區域較高溫度的影響，減少放氣量，這樣有利于膜層與基片的附著力。
(2)光學塑料表面的清潔度是影響薄膜附著力的重要因素。如果表面的清潔度不好的話，其表面會有一個污染層，它會使得基片表面的化學鍵達到飽和，沉積薄膜后，其影響到薄膜的附著力。同時光學塑料易產生靜電和吸水率高，減低其表面的界面能。所以，鍍膜前對基片的表面清潔處理是非常重要的。
(3)鍍膜室的本底真空度和工作真空度也是影響薄膜附著力的重要因素。在薄膜附著力中，由化學吸附引起的附著力比物理吸附要大得多，而真空鍍制的薄膜與光學薄膜的表面鍵合主要是擴散型和類擴散型。為此，應使得的濺射粒子具有大的動能和能量去轟擊塑料板材，提高粒子與光學塑料表面的結合能。同時由于真空室里的殘余氣體大多數為水蒸汽、油蒸汽、氫氣、一氧化碳等，殘余氣體的種類不同，會對塑料表面造成不同的污染，其中水蒸汽千¨油蒸汽對薄膜的附著力危害很大。所以在鍍膜時，在合理范圍內，應取高的本底真空度和工作真空度，盡量減少殘余氣體對薄膜附著力的影響。
| 樣品序號 | 本底真空度(Pa) | 工作真空度(Pa) | 基片速度(m/min) |
| 1 | 9.0xE-3 | 7.0xE-1 | 0.7 |
| 2 | 9.0xE-3 | 5.0xE-1 | 0.9 |
| 3 | 9.0xE-3 | 3.0xE-1 | 0.7 |
| 4 | 9.0xE-3 | 3.0xE-1 | 0.9 |
| 5 | 9.0xE-3 | 3.0xE-1 | 1.4 |
| 6 | 6.0xE-3 | 3.0xE-1 | 0.9 |
| 7 | 5.0xE-3 | 3.0xE-1 | 0.9 |
| 8 | 5.0xE-3 | 3.0xE-1 | 1.4 |
| 9 | 4.0xE-3 | 3.0xE-1 | 1.4 |
表 1 不同工藝參數下鍍Al膜
4、實驗及附著力測試
本文主要是針對已經經過表面硬化處理的光學塑料(PMMA)進行真空鍍單質金屬鋁膜。本文采用的是磁控濺射鍍膜方式，具有“低溫”、“高速”的特點。設備中的泵組為機械泵+羅茨泵+擴散泵。鍍膜前，先存凈化對經過硬化處理的PMMA板材表面先進行超聲波清洗，主要目的是去除基片表面的灰塵1可能殘留的油漬等異物，并且不含有活性離子，然后用離子風槍吹凈基片表面，即用強離子風清除物體表面的靜電及異物、塵埃等，之后將處理好的板材放進真空室中。抽真空度到預定的本底真空度，充入Ar氣使得真空度達到需要的工作真空度。根據調劑不同的工藝條件對PMMA板材鍍制單質金屬鋁膜(約l2nm)。
為了容易識別各種不同參數下鍍制的樣品，我們給于每次實驗的樣品標于相應的序號，并且．對每次實驗鍍制的樣品進行附著力測試。目前，薄膜附著力的測試方法主要有壓痕法，拉張法以及剝離法等，本文采用的是剝離法的一種，先對用百格刀對薄膜劃出百格，再用3M膠帶用力粘附，膠帶垂直拉起，這樣反復五次，看薄膜的脫落情況，如果脫落的薄膜小于5％部分，則該薄膜的附著力達到很好的效果。從測試的結果來看，從對樣品l～9的測試中，薄膜的附著力總地來說是越來越好，但是成品l～5的測試中，薄膜的附著力較差，遠達不到脫落的薄膜小于5％部分，而在6～9中，薄膜的附著力好，達到脫落的薄膜小于5％部分的要求。從測試的結果來看，本底真空度是鋁薄膜附著力的主要影響因素，在一定范圍內，本底真空度越高，鋁附著力越好；基片速度以及工作真空度對薄膜附著力也起到一定的影響，速度快工作真空度低，有利與薄膜的附著力。鍍膜真空室抽至本底真空度時，主要的殘余氣體是水蒸汽和油蒸汽，幾乎沒有氧氣和氮氣。在真空狀態下，殘余氣體不斷撞擊基片表面，如約在l0-4Pa的高真空狀態下，殘余氣體分子不斷撞擊固體表面，而被固體表面捕獲構成一層分子層需要的時間約為1S。作者認為除了鋁薄膜材料與光學塑料板材(PMMA)固有的特性外，殘余氣體是影響鋁薄膜附著力的主要因素，特別是殘余氣體中的水蒸汽和油蒸汽。再者，光學塑料板材的吸水率大，這樣會降低光學表面的活力，對鋁薄膜與PMMA板材的結合有不利的影響。真空度越高，殘余氣體越少，相應的水蒸汽和油蒸汽越少；基片運行速度快，相應基片受到沉積區域的溫度影響少；工作真空度(實用的濺射工作壓強約為0.3～0.8Pa)越底，分子平均自由程越高，濺射原子達到基片時具有的能量越高。所以在光學塑料板材上鍍制單質金屬鋁薄膜時，第一，基片鍍前進行前處理，使得基片具有好的清潔度，防止塑料板才表面產生靜電，增加其表面活性，這對后續鍍制的薄膜與基片的附著力有很大影響。第二，根據設備，在一定合理的范圍內，選擇高本地真空度和工作真空度以及大的基片運行速度，這對薄膜與光學塑料板材的附著力無不有好處。再者，有條件的話，可以把鍍制好的薄膜進行退火處理，使得膜層與基片間的各種應力得到調整，品格排列規則，使得薄膜處于穩定狀態，這樣有利于提高薄膜的附著力。當然，如果在濺射裝置的抽氣系統上配置分子泵或低溫蹦泵等解決返油現象，這對鍍制薄膜的附著力是很有好處的。
5、結語
在光學塑料表面鍍制的單質金屬膜，常發生膜層與基片的附著力差，特別是在磁控濺射中，鍍制鋁膜。本文光學塑料的特性出發，通過薄膜附著力理論分析，提出在工藝上改進鋁膜附著力的制備工藝。鍍膜前，先對光學塑料表面超聲清洗，然后離子風槍吹凈，使得清潔和去靜電的作用，在一定合理的范圍內，選擇高本地真空度和工作真空度以及大的基片運行速度，這樣可以達到提高薄膜與光學塑料板材的附著力。通過實驗證明其方法的可行性。
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