寶來利鍍膜過程中的應力分析

來源：發(fā)布時間：2025-01-03

一、應力產(chǎn)生的原因

（一）熱應力

在PVD鍍膜設備鍍膜過程中，由于溫度的變化，基材與膜層之間的熱膨脹系數(shù)若不匹配，就會產(chǎn)生熱應力。當熱膨脹系數(shù)差異存在時，在溫度改變過程中，膜層與基材的伸縮程度不一致，從而在兩者之間形成拉伸或壓縮應力。例如在高溫鍍膜后冷卻階段，若膜層熱膨脹系數(shù)大于基材，膜層冷卻收縮程度大于基材，膜層就會受到拉伸應力，而基材受到壓縮應力；反之則膜層受壓縮應力，基材受拉伸應力。

（二）內(nèi)應力

膜層原子或分子在基材表面重新排列及擴散過程中會引發(fā)內(nèi)應力。在鍍膜時，原子或分子沉積到基材表面并非簡單堆積，而是會進行一定的排列重組以形成穩(wěn)定結構，這一過程中原子間的相互作用和位置調(diào)整會導致內(nèi)部應力的產(chǎn)生。

（三）結構應力

隨著膜層厚度的增加，晶格結構可能發(fā)生變化或者缺陷逐漸積累，進而引起結構應力。膜層厚度的增加會改變原子排列的環(huán)境和條件，可能使原本規(guī)則的晶格結構出現(xiàn)畸變，或者一些原子空位、間隙原子等缺陷不斷累積，這些都會導致應力的產(chǎn)生。

（四）殘余應力

在鍍膜過程中，如果膜層和基材的物理或化學特性差異較大，殘余應力就可能在沉積及冷卻過程中累積。例如，膜層與基材的密度、彈性模量等差異較大時，在沉積過程中原子的沉積方式、相互作用以及冷卻時的收縮情況都會有所不同，從而產(chǎn)生殘余應力。

二、應力的影響

（一）對膜層附著性影響

當應力過大時，膜層的附著性會明顯降低，膜基結合力隨之減弱，導致膜層剝離或脫落。過大的應力會破壞膜層與基材之間的化學鍵合和物理吸附作用，使膜層難以牢固地附著在基材表面。

（二）對膜層機械性能影響

應力過大還會使膜層的斷裂韌性下降，容易出現(xiàn)膜層開裂或剝落現(xiàn)象。并且應力集中區(qū)域更是容易產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋會不斷擴展，嚴重縮短膜層的壽命，使膜層無法在正常工況下長時間穩(wěn)定工作。

（三）對光學和電學性能影響

應力會對膜層的光學和電學性能產(chǎn)生影響，如反射率、透射率、電阻率等。應力可能改變膜層的晶體結構和原子間距，從而影響光在膜層中的傳播特性以及電子在膜層內(nèi)的傳導特性，進而使膜層的光學和電學性能偏離設計要求。

（四）對膜層結構穩(wěn)定性影響

應力過大時，膜層會出現(xiàn)翹曲、變形或晶體結構的變化。特別是在多層鍍膜系統(tǒng)中，不同層之間的應力差異容易引發(fā)界面失效或剝離。由于各層膜的應力情況不同，在相互作用界面處容易產(chǎn)生應力集中，當超過界面結合力時就會導致層間剝離等問題，破壞整個鍍膜結構的穩(wěn)定性。

（五）對膜層耐久性和可靠性影響

應力過大會嚴重影響膜層的長時間穩(wěn)定性，降低其耐腐蝕性、抗磨損性等耐久性指標。應力可能導致膜層表面出現(xiàn)微觀缺陷，這些缺陷為腐蝕介質(zhì)和磨損顆粒提供了侵入通道，加速膜層的損壞，使膜層無法在預期的使用環(huán)境和時間內(nèi)保持性能穩(wěn)定。

三、降低應力的措施

（一）優(yōu)化工藝參數(shù)

通過調(diào)整PVD鍍膜設備鍍膜過程中的工藝參數(shù)，如沉積速率、溫度、氣壓等，可以有效降低表面應力。適當降低沉積速率能使原子或分子有更充足的時間進行有序排列，減少因快速沉積導致的應力累積；合理控制溫度可以減少因溫度變化引起的熱應力，比如采用梯度升溫或降溫策略；調(diào)整氣壓能夠改變原子或分子的運動狀態(tài)和沉積環(huán)境，有助于降低應力。

（二）增加過渡層

在膜層與基材之間增加過渡層是一種常用的降低應力方法。過渡層材料的選擇應使其熱膨脹系數(shù)等物理化學性質(zhì)介于膜層與基材之間，起到緩沖和協(xié)調(diào)作用，減少因兩者性質(zhì)差異導致的應力產(chǎn)生。例如在金屬基材上鍍陶瓷膜時，可先鍍一層與金屬和陶瓷性質(zhì)都有一定相容性的金屬氧化物過渡層。