離線雙銀Low-E鍍膜玻璃膜系開(kāi)發(fā)淺談

      0　引言

 

      目前國(guó)內(nèi)使用的Low-E鍍膜玻璃產(chǎn)品主要是單銀Low-E鍍膜玻璃，只有少數(shù)幾家玻璃加工企業(yè)可以生產(chǎn)雙銀Low-E鍍膜玻璃（以下簡(jiǎn)稱(chēng)雙銀Low-E），且具有較成熟的生產(chǎn)技術(shù)，而這幾家玻璃企業(yè)所生產(chǎn)的雙銀Low-E多為自產(chǎn)自用。隨著國(guó)家建筑節(jié)能要求的不斷提升，建筑節(jié)能性能更高的雙銀Low-E的需求量也在不斷提高。目前國(guó)內(nèi)Low-E玻璃市場(chǎng)中，雙銀Low-E使用量不到單銀Low-E使用量的10％。限制雙銀Low-E推廣和使用的原因主要有兩點(diǎn)：一是雙銀Low-E鍍膜玻璃工藝技術(shù)難度較大，生產(chǎn)技術(shù)整體不夠成熟；二是雙銀Low-E市場(chǎng)價(jià)格較高。所以，只有了解雙銀Low-E膜系的開(kāi)發(fā)過(guò)程，解決雙銀Low-E在生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題， 實(shí)現(xiàn)雙銀Low-E鍍膜玻璃的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的穩(wěn)定，才能夠使這種節(jié)能性能更高的產(chǎn)品的成本降低，并得到更廣泛的推廣和使用。本文即通過(guò)雙銀Low-E膜系開(kāi)發(fā)過(guò)程的分析， 明確了在雙銀Low-E鍍膜玻璃膜系的開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題，并從實(shí)際生產(chǎn)的角度提出了一些對(duì)于雙銀Low-E膜系開(kāi)發(fā)的建議。

 

 

 

      1　技術(shù)背景

 

      真空磁控濺射鍍膜技術(shù)是通過(guò)真空磁控濺射鍍膜機(jī)實(shí)現(xiàn)的，鍍膜機(jī)內(nèi)由不同級(jí)別的真空泵抽氣，在系統(tǒng)內(nèi)營(yíng)造出一個(gè)鍍膜所需的真空環(huán)境，真空度要達(dá)到Low-E鍍膜所需的本底真空，一般在（1~5）×10-8 Pa。在真空環(huán)境中向靶材（陰極）下充入工藝氣體氬氣（Ar），氬氣在外加電場(chǎng)（由直流或交流電源產(chǎn)生）作用下發(fā)生電離生成氬離子（Ar+），同時(shí)在電場(chǎng)E的作用下，氬離子加速飛向陰極靶并以高能量轟擊靶表面，使靶材產(chǎn)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子（或分子）沉積在玻璃基片上形成薄膜。同時(shí)被濺射出的二次電子在陰極暗區(qū)被加速，在飛向基片的過(guò)程中，落入設(shè)定的正交電磁場(chǎng)的電子阱中，直接被磁場(chǎng)的洛倫茲力束縛，使其在磁場(chǎng)B的洛倫茲力作用下，以旋輪線和螺旋線的復(fù)合形式在靶表面附近作回旋運(yùn)動(dòng)。電子e的運(yùn)動(dòng)被電磁場(chǎng)束縛在靠近靶表面的等離子區(qū)域內(nèi)，使其到達(dá)陽(yáng)極前的行程大大增長(zhǎng)，大大增加碰撞電離幾率，使得該區(qū)域內(nèi)氣體原子的離化率增加，轟擊靶材的高能Ar+離子增多，從而實(shí)現(xiàn)了磁控濺射高速沉積的特點(diǎn)。在運(yùn)用該機(jī)理開(kāi)發(fā)Low-E膜系的過(guò)程中，要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：①保證整體工藝中各個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性。具體包括靶材質(zhì)量、工藝氣體純度、原片新鮮程度、原片清洗質(zhì)量等基礎(chǔ)因素，這一系列因素會(huì)對(duì)Low-E鍍膜玻璃產(chǎn)品的最終質(zhì)量產(chǎn)生影響。②選擇合適的靶材。要建立的膜系是通過(guò)對(duì)陰極的前后順序布置實(shí)現(xiàn)的。③控制好各環(huán)節(jié)的工藝性能及參數(shù)。如適合的本底真空度、靶材適用的濺射功率、工藝氣體和反應(yīng)氣體用量與輸入均勻性、膜層厚度等。總之，只有控制好以上各因素，才能夠保證所開(kāi)發(fā)的雙銀Low-E鍍膜玻璃具有穩(wěn)定的顏色、優(yōu)異的機(jī)械性能和可加工性。

 

      此外，在雙銀膜系開(kāi)發(fā)過(guò)程中，原始數(shù)據(jù)的積累和歸納分析非常重要。原始數(shù)據(jù)應(yīng)該包括：膜層結(jié)構(gòu)、各個(gè)單層膜的厚度和均勻性調(diào)試數(shù)據(jù)、雙銀Low-E樣片的光學(xué)參數(shù)、面電阻及理化性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

 

 

 

      2　雙銀Low-E鍍膜玻璃膜系的開(kāi)發(fā)過(guò)程

 

      雙銀Low-E鍍膜玻璃膜系開(kāi)發(fā)過(guò)程中有3個(gè)必要條件必須保證：一是硬件的保證。離線雙銀Low-E產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)是基于可生產(chǎn)大面積建筑用鍍膜玻璃的真空磁控濺射設(shè)備；二是合理的膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；趯?duì)各膜層材料性能充分理解掌握的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能確保產(chǎn)品在機(jī)械性能、抗氧化性能、可加工性上的優(yōu)異表現(xiàn)；三是有清晰的開(kāi)發(fā)流程。明確開(kāi)發(fā)流程各階段的關(guān)鍵參數(shù)及工作重點(diǎn)，重視原始數(shù)據(jù)的記錄和分析。

 

      2.1　儀器和設(shè)備

 

      目前，國(guó)內(nèi)雙銀Low-E鍍膜玻璃的膜系開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)基本都是在相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)完成的，一般在開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需要的儀器和設(shè)備見(jiàn)表1。

 

 

 

      2.2　膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

      隨著量子化學(xué)和凝聚態(tài)物理理論上的不斷突破以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們可以根據(jù)所需要的材料結(jié)構(gòu)和性能，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的材料，即材料設(shè)計(jì)（materials design）方法?，F(xiàn)代膜層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從原子、分子層次進(jìn)行，即按照應(yīng)用目標(biāo)，可以先運(yùn)用相關(guān)商業(yè)軟件（MS或者其他專(zhuān)用軟件）進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得預(yù)期目標(biāo)，掌握各個(gè)因素在膜層中所起的作用，例如各膜層的成玻璃深加工分，厚度，匹配順序等對(duì)產(chǎn)品綜合性能的影響，再與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，可以科學(xué)指導(dǎo)膜層設(shè)計(jì)，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。材料制備技術(shù)的整體提升，更得以使原子、分子為起點(diǎn)設(shè)計(jì)的材料合成，在微觀尺度上控制其結(jié)構(gòu)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。例如，在高真空條件下的磁控濺射、分子束外延、納米粒子組合、調(diào)制、膠體化學(xué)方法等，使材料研究、薄膜制備設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)加以驗(yàn)證，進(jìn)而擴(kuò)大到工業(yè)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)全過(guò)程。

 

      按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用磁控濺射法生產(chǎn)的Low-E鍍膜玻璃輻射率e應(yīng)小于0.15。目前市場(chǎng)上單銀Low-E鍍膜玻璃的e在0.07~0.12，而雙銀Low-E鍍膜玻璃的輻射率e則能夠控制在0.05以下。Low-E鍍膜玻璃的輻射率e與膜層材料的電導(dǎo)率s有如下關(guān)系：

 

      從上面關(guān)系式中，可以看出膜層材料的輻射率與膜層電導(dǎo)率成反比關(guān)系，即膜層電導(dǎo)率越高，膜層的輻射率就越低；而膜層的電導(dǎo)率又主要取決于膜層中功能層金屬材料的類(lèi)別和厚度。雙銀Low-E鍍膜玻璃因鍍了2層Ag，且Ag的總厚度要厚于普通單銀，使膜層有了更高的電導(dǎo)率、更低的輻射率；同時(shí)，因?yàn)槭褂昧?層Ag，使得雙銀膜系結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，在開(kāi)發(fā)雙銀膜系時(shí)，合理布置膜層結(jié)構(gòu)變得非常關(guān)鍵。正是因?yàn)殡p銀膜系的膜層數(shù)量多，并且各個(gè)膜層對(duì)鍍膜玻璃的玻璃面顏色、膜面顏色、可見(jiàn)光透過(guò)率及顏色影響程度不同，所以，為了使最終產(chǎn)品具有穩(wěn)定的性能和生產(chǎn)重復(fù)性，開(kāi)發(fā)雙銀膜系的過(guò)程，一定要對(duì)各個(gè)單層的厚度和均勻性足夠重視。

 

 

      從圖1中，可以看到1套雙銀膜系包括了9個(gè)功能結(jié)構(gòu)層在內(nèi)的9層至10多層膜層。不同功能結(jié)構(gòu)層可選用的材料不同，例如，介質(zhì)層可以選用： SiNx、TiOx、ZnSnOx、SnOx、AZO、ZnAlOx等，保護(hù)層可以選擇NiCr及其氧化物、Cr、Ti及其氧化物等。在多種膜層材料中，也可以選擇一種材料和其它幾種材料的組合。所以，如何選擇每個(gè)功能結(jié)構(gòu)層的材料至關(guān)重要，涉及諸多選擇因素，如：材料的折射率、密度、硬度，對(duì)可見(jiàn)光、紅外線的選擇吸收性、反射性，材料的膨脹系數(shù)，材料的導(dǎo)電性，不同材料的附著力等。

 

 

 

      2.3　開(kāi)發(fā)流程

 

      雙銀Low-E膜系的開(kāi)發(fā)過(guò)程是一個(gè)很系統(tǒng)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的每個(gè)階段有不同的工作重點(diǎn)，每個(gè)階段要注意一些原始數(shù)據(jù)的記錄積累和分析，逐步建立起適合于生產(chǎn)體系的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，在需要做生產(chǎn)工藝調(diào)整和變動(dòng)過(guò)程中，關(guān)注關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)及其規(guī)律性，才能形成生產(chǎn)規(guī)范并有效指導(dǎo)穩(wěn)定生產(chǎn)，只有實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，才能有穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)提升產(chǎn)品成品率和降低成本的目標(biāo)。另外，完整的開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅包括所開(kāi)發(fā)膜系產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)，還應(yīng)包括為幕墻公司和下游玻璃深加工企業(yè)提供必要的應(yīng)用參數(shù)和后續(xù)加工指導(dǎo)。下游玻璃深加工廠是雙銀Low-E鍍膜玻璃產(chǎn)品的直接使用者，雙銀Low-E鍍膜玻璃的可加工性將在這些工廠里得到檢驗(yàn)。因此，在開(kāi)發(fā)雙銀Low-E產(chǎn)品的過(guò)程中，要不斷模擬和驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的雙銀Low-E鍍膜玻璃在切割、磨邊、鋼化、廠房環(huán)境暴露等情況下，自身的保護(hù)層所提供的保護(hù)性是否可靠。據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)和已有數(shù)據(jù)分析認(rèn)為：介質(zhì)保護(hù)層厚度和金屬保護(hù)層厚度的配比對(duì)雙銀Low-E的可加工性有明顯的影響。具體開(kāi)發(fā)流程詳見(jiàn)圖2。

 

 

      針對(duì)圖2中的流程，應(yīng)注意以下問(wèn)題：

 

      （1） 明確目標(biāo)參數(shù)。目標(biāo)參數(shù)包括雙銀Low-E鍍膜玻璃的可見(jiàn)光透過(guò)率T、透過(guò)顏色at、bt，玻面反射率Rg、玻面顏色ag、bg，膜面反射率Rf、膜面顏色af、bf，膜層面電阻，電導(dǎo)率，玻璃面色差DE。一般情況下，DT ±1％、DRg ± 1％、Dag ± 0.8％、Dbg ± 0.8％、Dat ±0.8％、Dbt ±0.8％。雙銀Low-E鍍膜玻璃的非膜面色差DE要滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

 

      （2）設(shè)計(jì)膜層結(jié)構(gòu)、配置靶材。在這個(gè)環(huán)節(jié)要明確各膜層所使用的靶材、各靶材的使用功率、工藝氣體和反應(yīng)氣體配比。

 

      （3）控制各單層膜的均勻性。監(jiān)控各個(gè)單層膜厚度以nm為單位，其中，介質(zhì)層橫向厚度均勻性要在±1.5％以?xún)?nèi)；金屬層橫向厚度均勻性要控制在±1％以?xún)?nèi)。

 

      （4）及時(shí)進(jìn)行初調(diào)試環(huán)節(jié)和調(diào)試規(guī)律的總結(jié)。應(yīng)重點(diǎn)歸納底層介質(zhì)層、中間層介質(zhì)層、頂層介質(zhì)層對(duì)雙銀Low-E鍍膜玻璃顏色參數(shù)的影響規(guī)律；底層Ag、頂層Ag對(duì)雙銀Low-E鍍膜玻璃顏色參數(shù)、透過(guò)率、面電阻的影響規(guī)律；NiCr、NiCrOx等Ag層保護(hù)材料對(duì)Low-E鍍膜玻璃顏色參數(shù)、透過(guò)率、抗氧化性的影響規(guī)律。一般情況下，單一膜層對(duì)鍍膜玻璃的某一光熱性能和抗氧化性能的影響具有差異性。

 

      （5）按目標(biāo)參數(shù)準(zhǔn)確調(diào)試階段。要結(jié)合各個(gè)膜層對(duì)雙銀Low-E鍍膜玻璃性能的不同影響進(jìn)行分析，實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，膜系開(kāi)發(fā)人員一般會(huì)同時(shí)調(diào)試多個(gè)膜層的功率、氣體配比等參數(shù)。當(dāng)調(diào)試參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)非常接近時(shí)，一般會(huì)采取微調(diào)某單一膜層濺射功率，以使調(diào)試參數(shù)不斷趨近目標(biāo)參數(shù)。

 

      （6）定標(biāo)階段。此階段應(yīng)匯總?cè)缦聰?shù)據(jù)：工藝參數(shù)（靶材配置、靶材功率、工藝氣體配比、工藝速度）、調(diào)試樣玻璃面和膜面顏色參數(shù)、表面電阻、玻璃面45°角色差值。

 

      （7）調(diào)試樣品參數(shù)至少要經(jīng)過(guò)3次以上重復(fù)再現(xiàn)、每次2 h以上連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，才可以確認(rèn)新調(diào)試的雙銀Low-E膜系可以投入生產(chǎn)。

 

      （8） 為客戶(hù)提供雙銀Low-E中空玻璃的U值、Sc值。隨著對(duì)居民建筑節(jié)能性要求的不斷提高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外窗和玻璃幕墻的傳熱系數(shù)U和遮陽(yáng)系數(shù)Sc提出了更為嚴(yán)苛的限值要求。另外，鍍膜玻璃生產(chǎn)企業(yè)有必要為后續(xù)玻璃深加工企業(yè)提供雙銀Low-E鍍膜玻璃加工指導(dǎo)書(shū)。

 

 

 

      3　開(kāi)發(fā)過(guò)程及實(shí)際投產(chǎn)需要注意的問(wèn)題

 

      雙銀膜系的開(kāi)發(fā)目的就是獲得一套工藝穩(wěn)定、光學(xué)參數(shù)性能優(yōu)良、機(jī)械性能和抗氧化性能較好的雙銀膜系產(chǎn)品。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為雙銀Low-E膜系開(kāi)發(fā)過(guò)程及實(shí)際投產(chǎn)過(guò)程中需要注意以下問(wèn)題：

 

      （1）確定合理的目標(biāo)參數(shù)。雙銀Low-E的輻射率一般能做到0.05甚至更低，其面電阻一般也可以做到3Ω以下，這個(gè)參數(shù)主要取決于Ag層的厚度； 雙銀Low-E鍍膜玻璃的透過(guò)率一般在50％~70％之間；考慮到安裝到幕墻后的顏色，雙銀Low-E鍍膜玻璃的玻璃面顏色ag一般在0~-5之間、玻面bg一般在-5~-10之間。選擇合適的目標(biāo)參數(shù)的重要原則是：既要有利于工藝上的實(shí)現(xiàn)，又要在將來(lái)的使用中給建筑師和業(yè)主以舒適的視覺(jué)效果。

 

      （2）膜層總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。膜層結(jié)構(gòu)是雙銀Low-E鍍膜玻璃的最核心的技術(shù)指標(biāo)。只有膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，才能開(kāi)發(fā)出理化性能優(yōu)異、使用性能穩(wěn)定的鍍膜玻璃。另外，不同靶材的工藝氣體和反應(yīng)氣體的配比和總量會(huì)對(duì)工藝穩(wěn)定性、膜層應(yīng)力、膜層耐酸性、膜層耐磨性、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)節(jié)能性產(chǎn)生影響。

 

      （3）重視雙銀Low-E膜層結(jié)構(gòu)中單層膜厚度及均勻性對(duì)其整體性能的影響。雙銀Low-E膜層數(shù)較單銀Low-E多，各膜層對(duì)最終產(chǎn)品的理化性能的影響敏感性不同。另外，雙銀Low-E中，單層膜的厚度均勻性對(duì)最終產(chǎn)品的顏色均勻性會(huì)有明顯的影響，所以在調(diào)試雙銀工藝前，應(yīng)該首先對(duì)單層膜的厚度均勻性進(jìn)行調(diào)節(jié)并且了解單層膜的厚度范圍。其中，對(duì)于非金屬介質(zhì)層的單層均勻性，一般可以通過(guò)鍍膜玻璃膜面顏色參數(shù)bf值的均勻性來(lái)衡量；而包括Ag和NiCr在內(nèi)的金屬膜層的單層均勻性，一般可以通過(guò)鍍膜玻璃透過(guò)率T值的均勻性來(lái)衡量。

 

      （4）在初調(diào)試階段，有必要總結(jié)每個(gè)膜層對(duì)產(chǎn)品理化性能的影響，尤其是各膜層對(duì)鍍膜玻璃顏色和機(jī)械性能的影響規(guī)律，這項(xiàng)工作在后期準(zhǔn)確調(diào)試中會(huì)起到重要的指導(dǎo)意義。

 

      （5）按照目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)試。在這個(gè)階段，我們是要在以上各階段工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)工藝條件的監(jiān)控、工藝參數(shù)的調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)具有目標(biāo)參數(shù)和優(yōu)異理化性能的產(chǎn)品。所以，在這個(gè)階段重點(diǎn)工作應(yīng)包括：調(diào)試過(guò)程參數(shù)記錄、調(diào)試樣品性能測(cè)試結(jié)果和最終工藝參數(shù)的確定。

 

      （6）性能測(cè)試及通過(guò)連續(xù)性生產(chǎn)驗(yàn)證產(chǎn)品穩(wěn)定性。這個(gè)階段工作意義重大：首先，通過(guò)性能測(cè)試可以了解定樣雙銀Low-E產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，測(cè)試方法可以參照國(guó)標(biāo)進(jìn)行；同時(shí)，也為后續(xù)產(chǎn)品性能的提高和改進(jìn)提供了方向，對(duì)于某項(xiàng)性能短板進(jìn)行改進(jìn)。因?yàn)殡p銀Low-E膜系的復(fù)雜性，最終產(chǎn)品的性能對(duì)設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)、真空度等條件有較高要求，只有通過(guò)連續(xù)性生產(chǎn)驗(yàn)證，具有可重復(fù)實(shí)現(xiàn)性的膜系才能在后續(xù)真正實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)。

      

      （7）關(guān)注用戶(hù)使用情況，及時(shí)給予技術(shù)支持。要考慮目前國(guó)內(nèi)玻璃深加工行業(yè)的現(xiàn)狀，實(shí)際各加工廠的技術(shù)條件和加工實(shí)力差異很大。因此，筆者建議具有生產(chǎn)雙銀Low-E能力的玻璃加工企業(yè)，對(duì)新開(kāi)發(fā)的雙銀Low-E鍍膜產(chǎn)品編制詳細(xì)的《加工指導(dǎo)書(shū)》，對(duì)下游玻璃深加工廠的加工條件給出加工要求，在必要時(shí)給予技術(shù)支持。這樣，雙銀Low-E鍍膜玻璃在國(guó)內(nèi)建筑中，會(huì)得到更廣泛的推廣，也可以為整個(gè)社會(huì)節(jié)省更多的能量。