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簡述鍍膜玻璃生產(chǎn)過程中色差的控制技巧

2016-04-14 14:25:50 安裝信息網(wǎng)

摘要：通過對離線磁控濺射鍍膜玻璃生產(chǎn)工藝和物體呈色原理的了解，以及各種材料形成的薄膜，對玻璃顏色影響程度的分析，提出了在生產(chǎn)過程中準確、快速地將玻璃色差調(diào)整到最小的方法。
論文關(guān)鍵詞：鍍膜玻璃,磁控濺射,膜系,色差
　　鍍膜玻璃在國內(nèi)使用、生產(chǎn)已經(jīng)有十多年了，其生產(chǎn)主要以離線磁控濺射鍍膜工藝為主，現(xiàn)有引進生產(chǎn)近40條，國產(chǎn)生產(chǎn)線200多條。
　　上世紀引進的近30條生產(chǎn)線和所有國產(chǎn)線，主要生產(chǎn)陽光控制膜系列鍍膜玻璃產(chǎn)品，有幾條經(jīng)過改造的生產(chǎn)線和本世紀引進的7條大型生產(chǎn)線，主要以生產(chǎn)Low-E系列產(chǎn)品為主，生產(chǎn)陽光控制膜玻璃為輔。陽光控制膜玻璃具有良好的裝飾效果和節(jié)能效果，以及較低的價格，因此目前在國內(nèi)中、高檔建筑玻璃市場仍占有主導地位。
　　在陽光控制膜玻璃生產(chǎn)過程中，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多，如耐研磨性能，耐酸堿性能，顏色一致性… …。其中顏色一致性問題，是生產(chǎn)準備過程中和生產(chǎn)過程中最值得關(guān)注的，因為要保證本批產(chǎn)品之間無色差，還要保證本批產(chǎn)品與前批（一個月甚至一年前）產(chǎn)品間無色差，這就需要操作人員對生產(chǎn)工藝參數(shù)作適當調(diào)整，以彌補工藝狀態(tài)不同造成的影響，如靶材濺射溝深淺不同引起濺射效率不同帶來的影響、開始生產(chǎn)時的冷態(tài)靶與生產(chǎn)半小時后的熱態(tài)靶濺射效率不同帶來的影響… …。要調(diào)整鍍膜玻璃的顏色，首先要確定膜系結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)各層膜厚度對成品顏色、透過率的影響，微調(diào)各靶濺射功率和玻璃在鍍膜室的運行速度，使成品與標準樣之間的色差△E≤2CIELAB，這種調(diào)整經(jīng)常會影響生產(chǎn)的正常進行，導致設(shè)備空耗。因此總結(jié)調(diào)整經(jīng)驗，在生產(chǎn)準備時只用兩片調(diào)試片，最多三片，就將工藝參數(shù)調(diào)整到位；在生產(chǎn)過程中根據(jù)△L*、△a*、△b*的漂移，隨時微調(diào)各靶濺射功率和玻璃在鍍膜室的運行速度，使△E*始終保持在盡可能小的狀態(tài)，是每一個操作人員都應該研究的問題。下面對幾種常見膜系的各層膜厚度對成品顏色的影響，進行簡單的分析。
　　2.磁控濺射鍍膜的工藝原理
　　在充入少量工藝氣體的真空室內(nèi)，當極間電壓很小時，只有少量離子和電子存在，電流密度在10－15A/cm2數(shù)量極，當真空室內(nèi)陰極（靶材）和陽極間電壓增加時，帶電粒子在電場的作用下加速運動，能量增加，與電極或中性氣體原子相碰撞，產(chǎn)生更多的帶電粒子，直至電流達到10－6A/cm2數(shù)量極，當電壓再增加時，則會產(chǎn)生負阻效應，即“雪崩”現(xiàn)象。此時離子轟擊陰極，擊出陰極原子和二次電子，二次電子與中性原子碰撞，產(chǎn)生更多離子，此離子再轟擊陰極，又產(chǎn)生二次電子，如此反復。當電流密度達到10-2A/cm2數(shù)量級時，電流將隨電壓的增加而增加，形成高密度等離子體的異常輝光放電，高能量的離子轟擊陰極（靶材）產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。濺射出來的高能量靶材粒子沉積到陽極（玻璃毛坯）上，從而達到鍍膜的目的。
　　3.鍍膜玻璃改變顏色的原理。
　　3.1物體呈現(xiàn)顏色的原理
　　物體的顏色取決于物體對各種波長光線的吸收、反射和透視能力。物體分消色物體和有色物體。
　　3.1.1消色物體的顏色
　　消色物體指黑、白、灰色物體，它對照明光線具有非選擇性吸收的特性，即光線照射到消色物體上時，被吸收的入射光中，各種波長的色光是等量的；被反射或透射的光線，其光譜成分也與入射光的光譜成分相同。當白光照射到消色物體上時，反光率在75%以上，即呈白色；反光率在10%以下，即呈黑色；反光率介于兩者之間，就呈深淺不同的灰色。
　　3.1.2有色物體的顏色
　　有色物體對照明光線具有選擇性吸收的特性，即光線照射到有色物體上時，入射光中被吸收的各種波長的色光是不等量的，有的波長被吸收得多，有的波長被吸收得少。白光照射到有色物體上，其反射或透射的光線與入射光線相比，不僅亮度有所減弱，光譜成分也改變了，因而呈現(xiàn)出各種不同的顏色。對可見光選擇吸收是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。
　　3.2膜層材料的種類及對玻璃顏色的影響
　　組成陽光控制膜玻璃的膜層材料，常見的有氮化鈦、氧化鈦、不銹鋼、氧化不銹鋼、氮化不銹鋼、鉻、氧化鉻、氮化鉻、氧化錫等。這些材料根據(jù)與玻璃附著力的大小，對顏色影響程度，耐研磨性能的不同和耐酸堿性能的好壞，或單獨使用或組合使用，形成各種不同膜系的鍍膜玻璃產(chǎn)品。這些產(chǎn)品按改變顏色的原理分為兩大類，第一類屬可見光吸收型鍍膜玻璃，包括上述大多數(shù)膜層材料構(gòu)成的產(chǎn)品；第二類屬可見光干涉型鍍膜玻璃，指在玻璃表面第一層膜或第二層膜（第一層膜很�。檠趸�、氧化鉻、氧化錫，并且膜層足夠厚，第二或三層膜為阻擋層或保護層，有的還有第四、五層，主要起調(diào)節(jié)玻璃可見光透光率和保護膜層作用，對玻璃顏色也有一定的調(diào)節(jié)作用。
　　3.3什么是色差
　　根據(jù)陽光控制鍍膜玻璃國家標準GB/T18915.1-2002，每片玻璃之間的色差△Eab*＞3.0 CIELAB即為不合格品。
　　
　　L*、L1*為玻璃亮度，L*為標準樣值，L1*為測試樣值，數(shù)值越大，表示玻璃越亮，L1*－L*>0表示測試樣比標準樣亮。a*、a1*為兩片玻璃的紅、綠值，a*為標準樣值，a1*為測試樣值，數(shù)值為正且越大，表示玻璃越紅；數(shù)值為負且絕對值越大，表示玻璃越綠。a1*－a*＞0(a1*、a*均為正值)，表示測試樣比標準樣紅，數(shù)值越大，表示越紅；淺析鍍膜玻璃生產(chǎn)過程中色差的控制技巧（a1*、a*均為負值），表示測試樣比標準樣綠，絕對值越大，表示越綠。b*、b1*為兩片玻璃的黃、蘭值，b*為標準樣值，b1*為測試樣值，數(shù)值為正且越大，表示玻璃越黃；數(shù)值為負且絕對值越大，表示玻璃越蘭。b1*－b*＞0(b1*、b*均為正值)，表示測試樣比標準樣黃，數(shù)值越大，表示越黃；（b1*、b*均為負值），表示測試樣比標準樣蘭，絕對值越大，表示越蘭。
　　4調(diào)整鍍膜玻璃顏色的方法
　　4.1膜層厚度的計算方法
　　鍍膜玻璃的膜層厚度，可以通過儀器準確測量。單層膜的厚度測量非常簡單，多層膜中各層膜的厚度測量比較麻煩，不能直接測量，需要模擬各層膜的參數(shù)，分別鍍在玻璃上形成單層膜，進行分別測量。這種方法主要用于實驗室內(nèi)的定量科學研究，生產(chǎn)工廠一般無人采用。在需要得到膜層厚度數(shù)據(jù)時，工業(yè)生產(chǎn)中常用估算法，即：
　　膜層厚度（Å）=DDR×功率÷（速度×周長） … … ⑴
　　DDR：動態(tài)沉積速率，單位Å.mm2/w.s
　　功率：濺射電源濺射時的總功率，單位w
　　速度：玻璃在鍍膜室內(nèi)的運行速度，單位mm/s
　　周長：單個靶材的濺射溝槽周長，單位mm
　　速度、功率、周長都可以精確測量，只有DDR會隨靶材濺射溝槽的深淺、濺射電源功率、鍍膜室工藝氣體壓力等的變化而變化。
　　例如氮化鈦的典型動態(tài)沉積速率DDR為400Å.mm2/w.s，靶的濺射功率170kw，設(shè)備標稱鍍膜玻璃寬度2134mm（靶材的濺射溝槽周長5344mm），玻璃在鍍膜室運行速度106mm/s，則沉積在玻璃表面的氮化鈦膜層厚度＝400×170000÷（106×5344）＝120 Å
　　在式⑴中，動態(tài)沉積速率DDR和濺射溝槽周長都是常數(shù)，其比值可以用系數(shù)K來表示，
　　膜層厚度＝K×功率÷速度＝K*C … … ⑵
　　C（w.s/mm）＝功率（w）÷速度（mm/s）
　　從式⑵中可以看出，膜層厚度隨靶材濺射功率的增加而增加，隨玻璃運行速度的增加而減小，若玻璃運行速度的增加幅度和靶材濺射功率的增加幅度相同，則膜層厚度不變。在生產(chǎn)過程中為了提高生產(chǎn)效率，我們希望玻璃運行速度盡可能快，但濺射功率不能無窮大，有一個上限，因此總是先將功率定為最大值，然后調(diào)節(jié)速度。
　　4.2 幾種常見膜系顏色的調(diào)整方法
　　4.2.1 玻璃/氮化鈦膜系
　　氮化鈦膜層C值(w.s/mm)
　　可見光透過率(%)
　　L*
　　a*
　　b*
　　9655
　　7.0
　　47.62
　　2.13
　　9.74
　　7179
　　12.8
　　51.0
　　-2.18
　　3.81
　　4375
　　23.6
　　46.38
　　-2.79
　　-5.66
　　3182
　　30.9
　　40.53
　　-2.44
　　-7.82
　　2523
　　37.2
　　36.02
　　-2.15
　　-8.04
　　2059
　　42.2
　　32.37
　　-1.93
　　-7.33
　　1761
　　46.7
　　29.91
　　-1.50
　　-6.54
　　1522
　　50.0
　　28.32
　　-1.36
　　-5.55
　　從上表可以看出, 隨著玻璃表面氮化鈦膜層厚度(C值)的減小,鍍膜玻璃可見光透過率越來越高，L*值越來越小，表示玻璃越來越不亮；a*值先逐漸降低，過轉(zhuǎn)折點后逐漸升高，呈小V形曲線，轉(zhuǎn)折點在可見光透過率23.6％－30.9％之間；b*值先逐漸降低，過轉(zhuǎn)折點后逐漸升高，也呈V形曲線，轉(zhuǎn)折點在可見光透過率37.2％－42.2％之間。
　　4.2.2 玻璃/氮化不銹鋼/氮化鈦膜系
　　氮化不銹鋼膜層C值(w.s/mm)
　　氮化鈦膜層C值(w.s/mm)
　　可見光透過率(%)
　　L*
　　A*
　　b*
　　696
　　1685
　　18.1
　　53.03
　　-1.75
　　-0.91
　　696
　　1413
　　18.7
　　51.97
　　-1.59
　　-0.23
　　696
　　978
　　19.0
　　49.71
　　-1.37
　　0.71
　　174
　　1685
　　25.4
　　44.78
　　-1.41
　　-2.30
　　174
　　1413
　　27.6
　　43.35
　　-1.31
　　-1.90
　　174
　　978
　　29.2
　　40.57
　　-1.12
　　-0.31
　　130
　　1685
　　40.4
　　32.23
　　-1.81
　　-6.48
　　130
　　1413
　　45.9
　　29.78
　　-1.46
　　-5.61
　　130
　　978
　　59.3
　　26.44
　　-1.19
　　-3.43
　　從上表可以看出，保持玻璃表面第一層氮化不銹鋼膜層厚度(C值)不變,隨著第二層氮化鈦膜層厚度(C值)的減小,鍍膜玻璃可見光透過率越來越大，L*值越來越小，表示玻璃越來越不亮；-a*值略有減小，幅度不大，表示玻璃越來越不綠；- b*值越來越小,表示玻璃越來越不蘭。保持玻璃表面第二層氮化鈦膜層厚度(C值)不變，隨著第一層氮化不銹鋼膜層厚度(C值)的減小,鍍膜玻璃可見光透過率越來越大，L*值越來越小，表示玻璃越來越不亮；-a*值先逐漸下降，過轉(zhuǎn)折點后逐漸上升，呈小V形曲線，幅度不大，轉(zhuǎn)折點在可見光透過率27％左右；- b*值越來越大，表示玻璃越來越蘭。
　　4.2.3 玻璃/不銹鋼/氮化鈦膜系
　　不銹鋼膜層C值(w.s/mm)
　　氮化鈦膜層C值(w.s/mm)
　　可見光透過率(%)
　　L*
　　a*
　　b*
　　264
　　2264
　　9.2
　　64.86
　　-2.77
　　-0.64
　　132
　　2264
　　17.7
　　54.14
　　-2.05
　　-2.19
　　75
　　2264
　　26.4
　　44.64
　　-1.82
　　-4.67
　　264
　　1509
　　9.9
　　63.78
　　-2.67
　　-0.11
　　132
　　1509
　　20.1
　　50.90
　　-1.93
　　-1.01
　　75
　　1509
　　30.8
　　40.24
　　-1.39
　　-2.65
　　264
　　755
　　10.1
　　61.92
　　-2.54
　　0.68
　　132
　　755
　　22.2
　　47.47
　　-1.61
　　-0.33
　　75
　　755
　　36.8
　　35.23
　　-0.99
　　-0.70
　　從上表可以看出，保持玻璃表面第一層不銹鋼膜層厚度(C值)不變,隨著第二層氮化鈦膜層厚度(C值)的減小,鍍膜玻璃可見光透過率越來越大，L*值越來越小，表示玻璃越來越不亮；-a*值越來越小，表示玻璃越來越不綠；- b*值越來越小，表示玻璃越來越不蘭。保持玻璃表面第二層氮化鈦膜層厚度(C值)不變，隨著第一層不銹鋼膜層厚度(C值)的減小,鍍膜玻璃可見光透過率越來越大，L*值越來越小，表示玻璃越來越不亮；-a*值越來越小，表示玻璃越來越不綠；- b*值越來越大（b*值越來越�。�，表示玻璃越來越蘭。
　　4.2.4 玻璃/氮化不銹鋼/氧化鈦膜系
　　氮化不銹鋼膜層C值(w.s/mm)
　　氧化鈦膜層C值(w.s/mm)
　　可見光透過率(%)
　　L*
　　a*
　　b*
　　1176
　　1132
　　15.5
　　54.6
　　-1.66
　　2.04
　　566
　　1132
　　34.8
　　35.76
　　-0.84
　　0.39
　　321
　　1132
　　52.6
　　26.12
　　-0.72
　　-1.52
　　1176
　　1698
　　15.0
　　56.19
　　-1.58
　　1.90
　　566
　　1698
　　33.8
　　36.11
　　-0.92
　　0.30
　　321
　　1698
　　51.5
　　29.05
　　-0.54
　　-1.90
　　1176
　　2075
　　14.5
　　55.21
　　-1.58
　　1.43
　　566
　　2075
　　33.7
　　36.46
　　-0.77
　　-0.64
　　321
　　2075
　　50.0
　　27.92
　　-0.63
　　-3.49
　　從上表可以看出，保持玻璃表面第一層氮化不銹鋼膜層厚度(C值)不變，隨著第二層氧化鈦膜層厚度(C值)的增加，鍍膜玻璃可見光透過率越來越小，幅度不大；L*值先升后降，呈上拋物線形狀，幅度不大；a*值基本不變，b*值越來越小，表示玻璃越來越蘭。保持玻璃表面第二層氧化鈦膜層厚度(C值)不變，隨著第一層氮化不銹鋼膜層厚度(C值)的增加，鍍膜玻璃可見光透過率越來越小，L*值越來越大，表示玻璃越來越亮；-a*值越來越大，表示玻璃越來越綠，但變化幅度不大；b*值越來越大，表示玻璃越來越不蘭或泛黃。
　　4.2.5 玻璃/氮化鈦/氧化鈦膜系
　　氮化鈦膜層C值(w.s/mm)
　　氧化鈦膜層C值(w.s/mm)
　　可見光透過率(%)
　　L*
　　a*
　　b*
　　6727
　　2264
　　24.2
　　54.86
　　-6.03
　　-2.06
　　6727
　　3019
　　24.5
　　56.69
　　-6.22
　　-2.10
　　6727
　　4324
　　24.7
　　57.43
　　-6.54
　　-2.70
　　2439
　　2264
　　48.3
　　43.89
　　-4.90
　　-11.75
　　2439
　　3019
　　48.7
　　44.49
　　-4.99
　　-12.32
　　2439
　　4324
　　48.9
　　47.12
　　-5.24
　　-12.53
　　1415
　　2264
　　61.2
　　37.80
　　-3.60
　　-8.64
　　1415
　　3019
　　61.7
　　40.11
　　-3.81
　　-9.39
　　1415
　　4324
　　62.2
　　42.60
　　-3.87
　　-10.54
　　從上表可以看出，保持玻璃表面第一層氮化鈦膜層厚度(C值)不變,隨著第二層氧化鈦膜層厚度(C值)的減小，鍍膜玻璃可見光透過率略有減小，L*值越來越小，表示玻璃越來越不亮；-a*值略有減小，幅度不大，表示玻璃越來越不綠；-b*值越來越小，表示玻璃越來越不蘭；可見光透過率越低，L*、a*、b*化幅度越小，可見光透過率越高，L*、a*、b*變化幅度越大。保持玻璃表面第二層氧化鈦膜層厚度(C值)不變，隨著第一層氮化鈦膜層厚度(C值)的減小，鍍膜玻璃可見光透過率越來越大，L*值越來越小，表示玻璃越來越不亮；-a*值越來越小，表示玻璃越來越不綠；-b*值呈上拋物線形狀，開始越來越大，過轉(zhuǎn)折點后越來越小，轉(zhuǎn)折點在可見光透過率45％左右，變化幅度很大。
　　結(jié)束語：在調(diào)節(jié)鍍膜玻璃顏色時，我們首先要掌握各種膜系中，各層膜對顏色的影響程度和趨勢，當影響程度和趨勢與以往經(jīng)驗有較大差距時，應注意工藝氣氛是否不同，如剛進行過屏蔽噴砂，鍍膜室剛從大氣狀態(tài)抽到高真空狀態(tài)，工藝氣體流量、工藝室壓力過高過低… …。排除這些因素后，玻璃色差的調(diào)整趨勢仍然與以往經(jīng)驗不同，就要考慮是否出現(xiàn)屏蔽“熱漏”故障或所用靶材、工藝氣體純度等有問題。
　　.