塑料模具基材上磁控溅射铝膜附着力研究
发布时间：2016-12-26
光学塑料以其性能优异、质量轻、容易加工成型、不腐蚀及价格低廉等特点，越来越广泛地应用于日常生活、工业及科研等领域。而为了提高光学光学塑料的性能，光学塑料的镀膜倍受人们的重视。在镀膜技术中，以真空镀膜技术在塑料制品的应用上最为广泛。
通过真空镀膜技术，使得在塑料表面沉积一层单质金属层，使其具有表面亮丽、金属感强，提高光学塑料的使用性能。在光学塑料表面镀制的单质金属膜，常发生膜层与基片的附着力差，特别是在磁控溅射中，镀制铝膜，最常见的质量的问题是：脱膜、膜层附着力差等，这直接影响到镀膜塑料的应用。本文从光学塑料的特性出发，通过薄膜附着力理论分析，提出在工艺上改进铝膜附着力的方法。
1、光学塑料的特性
光学塑料的种类很多，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，光学塑料作为镀膜基体材料有如下的一些特性。
光学塑料的耐热性相对于金属或玻璃差，吸水率高，使得沉积温度受到限制。其次，光学塑料具有低的表面能，介电性能高，摩擦后易产生静电，这样使得表面容易吸附灰尘。塑料表面的清洁程度直接影响到膜层与基片的附着力。此外，光学塑料的热膨胀系数大，如塑料的热膨胀系数要比金属大一个数量级，在成膜过程中或成膜后，由温度变化产生热应力，如果应力过大会导致膜层开裂甚至脱落现象。
2、薄膜的附着机理
薄膜附着力是膜层与基板或膜层与膜层之间的键合力或键合强度，其单位是单位面积上的力或能。根据附着力产生的原可以分为物理吸附与化学吸附两类。物理吸附能的作用范围通常在0.05～0.5eV，它主要是由范德华力和静电力所引起的，而化学吸附能则在0.5～l0eV之间，其作用力在l0的6次方N/平方厘米以上。主要是当基板与薄膜原子之间发生位移或交换时，产生很强的化学吸附键合力。其中化学吸附可分为3种类型：(1)由两相邻材料之间发生了化学反应所引起的附着力；(2)由扩散所引起的附着力。这是两种材料接触而存在浓度梯度时，引起向对方扩散各自的原子，这样必然引起原子之间的作用力；(3)“类扩散”所引起的附着力。这是由于原子具有较大的动能，当冲击基片的时候打入基片而引起的“类扩散”。可见，由化学吸附引起的附着力比物理吸附要大得多。
从能量角度来讲，将单位面积的薄膜从其基片上剥离下来所需要做的功即是薄膜附着力的量度。因此，薄膜、基片的表面能越高，薄膜基片的界面能越低，则薄膜的附着力也就越高。
3、影响附着力的因素
(1)基片表面粗糙度和结构缺陷对薄膜附着力的影响很大，一般，塑料板材的粗糙度较大，虽然其表面与薄膜易形成机械咬合界面，但是由于塑料本身结构比较疏松，常含有易挥发的低分子物，而在真空状态下这些低分子物更容易挥发，这样不仅增加真空系统的负担，同时这些低分子物与镀膜材料发生反应，其生成物会降低膜层的附着力。所以，存镀膜前，光学塑料板材一般要经过硬化处理的。否则，如果直接镀上一层单质金属薄膜，这样常导敏金属薄膜不连续，不光滑，表面金属感莘。光学塑料在真空室的放气量，尤其是在受到辐射热时的放气量要比玻璃材料的大很多倍。为_r提高光学塑料表面硬度，改善膜层与光学塑料基片的粘结性能，应在光学塑料上镀1～1Oum厚度的过渡层。用于磁控溅射镀膜的光学塑料的过渡层一般是有机材料，与板材形成结合牢固的硬膜层，从而光学塑料板材能够应用于实际工业生产。经过硬化处理的光学塑料，虽然表面光洁，放气量减少，但是相对丁玻璃、金属等放气量还是很大的，而在沉积区域温度较高，达使得低分子物挥发量更大，因此，在溅射镀膜中，在合理的范围内，应该提高基片的走速，使得光学塑料板材少沉积区域较高温度的影响，减少放气量，这样有利于膜层与基片的附着力。
(2)光学塑料表面的清洁度是影响薄膜附着力的重要因素。如果表面的清洁度不好的话，其表面会有一个污染层，它会使得基片表面的化学键达到饱和，沉积薄膜后，其影响到薄膜的附着力。同时光学塑料易产生静电和吸水率高，减低其表面的界面能。所以，镀膜前对基片的表面清洁处理是非常重要的。
(3)镀膜室的本底真空度和工作真空度也是影响薄膜附着力的重要因素。在薄膜附着力中，由化学吸附引起的附着力比物理吸附要大得多，而真空镀制的薄膜与光学薄膜的表面键合主要是扩散型和类扩散型。为此，应使得的溅射粒子具有大的动能和能量去轰击塑料板材，提高粒子与光学塑料表面的结合能。同时由于真空室里的残余气体大多数为水蒸汽、油蒸汽、氢气、一氧化碳等，残余气体的种类不同，会对塑料表面造成不同的污染，其中水蒸汽千¨油蒸汽对薄膜的附着力危害很大。所以在镀膜时，在合理范围内，应取高的本底真空度和工作真空度，尽量减少残余气体对薄膜附着力的影响。
| 样品序号 | 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 不同工艺参数下镀Al膜
4、实验及附着力测试
本文主要是针对已经经过表面硬化处理的光学塑料(PMMA)进行真空镀单质金属铝膜。本文采用的是磁控溅射镀膜方式，具有“低温”、“高速”的特点。设备中的泵组为机械泵+罗茨泵+扩散泵。镀膜前，先存净化对经过硬化处理的PMMA板材表面先进行超声波清洗，主要目的是去除基片表面的灰尘1可能残留的油渍等异物，并且不含有活性离子，然后用离子风枪吹净基片表面，即用强离子风清除物体表面的静电及异物、尘埃等，之后将处理好的板材放进真空室中。抽真空度到预定的本底真空度，充入Ar气使得真空度达到需要的工作真空度。根据调剂不同的工艺条件对PMMA板材镀制单质金属铝膜(约l2nm)。
为了容易识别各种不同参数下镀制的样品，我们给于每次实验的样品标于相应的序号，并且．对每次实验镀制的样品进行附着力测试。目前，薄膜附着力的测试方法主要有压痕法，拉张法以及剥离法等，本文采用的是剥离法的一种，先对用百格刀对薄膜划出百格，再用3M胶带用力粘附，胶带垂直拉起，这样反复五次，看薄膜的脱落情况，如果脱落的薄膜小于5％部分，则该薄膜的附着力达到很好的效果。从测试的结果来看，从对样品l～9的测试中，薄膜的附着力总地来说是越来越好，但是成品l～5的测试中，薄膜的附着力较差，远达不到脱落的薄膜小于5％部分，而在6～9中，薄膜的附着力好，达到脱落的薄膜小于5％部分的要求。从测试的结果来看，本底真空度是铝薄膜附着力的主要影响因素，在一定范围内，本底真空度越高，铝附着力越好；基片速度以及工作真空度对薄膜附着力也起到一定的影响，速度快工作真空度低，有利与薄膜的附着力。镀膜真空室抽至本底真空度时，主要的残余气体是水蒸汽和油蒸汽，几乎没有氧气和氮气。在真空状态下，残余气体不断撞击基片表面，如约在l0-4Pa的高真空状态下，残余气体分子不断撞击固体表面，而被固体表面捕获构成一层分子层需要的时间约为1S。作者认为除了铝薄膜材料与光学塑料板材(PMMA)固有的特性外，残余气体是影响铝薄膜附着力的主要因素，特别是残余气体中的水蒸汽和油蒸汽。再者，光学塑料板材的吸水率大，这样会降低光学表面的活力，对铝薄膜与PMMA板材的结合有不利的影响。真空度越高，残余气体越少，相应的水蒸汽和油蒸汽越少；基片运行速度快，相应基片受到沉积区域的温度影响少；工作真空度(实用的溅射工作压强约为0.3～0.8Pa)越底，分子平均自由程越高，溅射原子达到基片时具有的能量越高。所以在光学塑料板材上镀制单质金属铝薄膜时，第一，基片镀前进行前处理，使得基片具有好的清洁度，防止塑料板才表面产生静电，增加其表面活性，这对后续镀制的薄膜与基片的附着力有很大影响。第二，根据设备，在一定合理的范围内，选择高本地真空度和工作真空度以及大的基片运行速度，这对薄膜与光学塑料板材的附着力无不有好处。再者，有条件的话，可以把镀制好的薄膜进行退火处理，使得膜层与基片间的各种应力得到调整，品格排列规则，使得薄膜处于稳定状态，这样有利于提高薄膜的附着力。当然，如果在溅射装置的抽气系统上配置分子泵或低温蹦泵等解决返油现象，这对镀制薄膜的附着力是很有好处的。
5、结语
在光学塑料表面镀制的单质金属膜，常发生膜层与基片的附着力差，特别是在磁控溅射中，镀制铝膜。本文光学塑料的特性出发，通过薄膜附着力理论分析，提出在工艺上改进铝膜附着力的制备工艺。镀膜前，先对光学塑料表面超声清洗，然后离子风枪吹净，使得清洁和去静电的作用，在一定合理的范围内，选择高本地真空度和工作真空度以及大的基片运行速度，这样可以达到提高薄膜与光学塑料板材的附着力。通过实验证明其方法的可行性。
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