光学塑料真空镀膜附着力机理与工艺研究

作者：潘永强,卢进军,万菁昱  西安工业学院光电科学与工程系,陕西西安 710032

摘 要: 依据光学塑料的基本特性,研究光学塑料真空镀膜过程中附着力的有关问题。论述薄膜生长过程中影响薄膜附着力的各种因素,针对其相关因素作了具体的理论分析。在真空镀膜实验的基础上,提出了一种提高真空镀膜附着力的具体方法。

关键词: 光学塑料;薄膜;附着力;真空镀膜

中图分类号:O484.41-34      文献标识码:A

引言

光学塑料的应用已在光学领域中占据了相当重要的地位。为了进一步提高光学塑料的机械性能和光学性能,光学塑料的镀膜越来越受到人们的重视。薄膜对光学塑料基底的附着力直接影响薄膜的各种性能。此外,由于薄膜在镀制过程中其结构受到工艺等因素的影响致使薄膜内部产生一定的内应力;同时,因基片材料与薄膜材料之间热膨胀系数的不同,还会使薄膜产生热应力,应力过大将会使膜层开裂甚至脱落,因此在光学塑料的镀膜中,其薄膜的附着力和应力仍是值得研究的课题。本文从光学塑料的特性出发,通过薄膜附着力的理论分析,提出了用等离子体轰击技术来提高薄膜附着力的一种方法。

1 光学塑料的特性

光学领域最常用的光学塑料有:聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸脂(PC)3种热塑性塑料。为了在光学塑料上进行真空镀膜,必须充分了解光学塑料和膜料的理化性能及其相互关系,以采取相应的措施,扬长避短。下面着重讨论与真空镀膜工艺有关的光学塑料的特性[1]。

塑料透镜在成型过程中容易产生内应力且不易消除。当内应力很大时,膜料沉积到基底表面后,内应力会转移到膜层上来,从而大大降低膜层的稳定性,甚至使膜层开裂起皱。因此,必须采取措施尽量减小内应力,同时应使所镀膜层尽可能经受得起这种内应力而不开裂或脱落。其次,光学塑料表面具有高阻抗的特性,它摩擦后容易产生静电。若塑料镜片带上了静电,就会使塑料表面吸附灰尘,这些灰尘不易用吹气球吹去也不易用纱布擦掉,从而使膜层产生麻点或开裂。另外,由于光学塑料的耐热性差和吸水性大,所以给光学塑料真空镀膜和提高膜层附着力带来很大的困难。此外,光学塑料的热膨胀系数大,如果光学塑料和薄膜材料的热膨胀系数差异太大,就会在成膜过程中或成膜后,因温度变化而产生应力导致膜层开裂,甚至使膜层和光学塑料基底之间产生剥落现象。

2 膜层的附着力

2.1 附着力的定义

所谓附着力,又称结合力,就是膜层以多大的强度附着或结合在基片上。Mittal把附着力分为两种[2]:一是基础附着力;二是实际附着力。基础附着力是薄膜和基片保持接触,在其界面处的结合力,本来起源于离子键、共价键、金属键、氢键和范德瓦尔斯键等。但这样定义的附着力与我们研究的附着力相差甚远,实际上对这种附着力不可能完成理论计算和测量。实际附着力包含两个物理概念:其一,把单位面积的薄膜从基片上剥离下来所需的力定义为附着力;其二,把上述过程中所需的能量称为附着能。美国材料试验协会(ASTM)把附着力定义为[3]:两个表面通过化学价力或机械紧固或二者共同作用而合在一起的条件。薄膜的附着力与表面能W[4]有关,即

式中,S1和S2分别为光学塑料和沉积薄膜的表面能;S12是界面能,或正或负。这些结合力可能是范德华力、静电力或化学亲和力,它们在整个界面都是有效的,其值在0.1至10ev之间,其中,物理吸附提供的能量达0.5ev,在10-1至103N/cm2之间;化学键合所提供的能量在0.5至10ev之间,相应附着力为106N/cm2。从而可看出化学键合是决定附着力大小的重要因素。

2.2 影响薄膜附着力的因素

(1)光学塑料表面的清洁度是影响薄膜附着力的重要因素。油脂、脱模剂、污垢同其它物质一样首先会使膜层掺杂而产生应力。此外,光学塑料由于其易带静电和具有较大的吸水性,从而降低光学塑料表面的活力,这也是影响薄膜与光学塑料表面结合的重要原因。为了使光学塑料表面清洁,提高其表面活力,我们使用专门的清洁剂,在不损伤光学塑料表面的条件下,对光学塑料表面进行清洗,祛除表面污垢和油脂。采取一定能量的等离子体在镀前对光学塑料表面进行轰击,不仅可以起到清洁光学塑料表面和去静电的作用,而且在合适的等离子体能量下还会激活光学塑料表面,提高光学塑料表面能,使之具有相当数量的悬挂键,为薄膜的化学键合提供充分的条件。

(2)化学键合的状况是影响光学塑料薄膜附着力的内在因素。真空镀制的膜层与光学塑料的表面键合主要是扩散型和准扩散型。扩散型和准扩散型的特点是薄膜与光学塑料表层的晶格和组分发生变化,其结果是薄膜附着力获得的根本保证。采用等离子体轰击技术,增加沉积到光学塑料表面的粒子和光学塑料表面本身的能量及结合的能量,是提高光学塑料真空镀膜附着力的有效措施。

(3)在光学塑料表面上事先打底膜,也是提高光学塑料与膜层附着力的主要工艺措施之一。大量的研究表明,有些材料相互之间的附着力好,而另外一些材料相互之间的附着力却很差。基于这种现象,我们在镀制所需膜层前,先在光学塑料表面蒸镀一层800-1200nm的SiO2膜。由于SiO2膜层属于硬质膜,可以经得起光学塑料内应力的影响,还可使SiO2从光学塑料表面的悬挂键中夺取氧而形成化学键,并使其具有较强的化学键力,从而极大地提高光学塑料与膜层的附着性能。

3 实验方法

以下主要针对PMMA和PS光学塑料的真空镀膜工艺加以探讨和论述。

3.1 镀前处理

将光学塑料基片用氢氧化钠(60g/l)、碳酸钠(20g/l)和磷酸钠(30g/l)的溶液在30-70℃下浸泡20-30min[5],然后依次用自来水和去离子水各冲洗2-3遍,室温下使水分挥发尽后放入烘箱中加热到80℃左右并保持2h,以减少光学塑料成型过程中的内应力和光学塑料吸附的水汽。

3.2 真空镀膜

将预处理好的光学塑料基片放入真空室中,抽真空在本体真空为5×10-3Pa时,充入Ar气使真空度达2×10-3Pa,打开等离子体源并调节使等离子体的离子能量大约为100ev,轰击10min后熔料蒸镀膜层。蒸镀时采用电子枪蒸发技术可以尽量减少热辐射对光学塑料的影响。蒸镀膜层时,仍然用等离子体源进行辅助沉积,镀完后再用等离子体轰击5min左右,以减小薄膜和光学塑料基片之间的应力。从真空室取出零件后放入烘箱中加热到80℃左右并保持2h。

3.3 附着力测试

对于同一种薄膜使用不同的测试方法,测出的附着力值不完全相同。这里我们依据GB1320288的要求,采用手持式擦试具,橡皮摩擦头外裹两层清洁干净脱脂纱布保持4.9N的压力对膜层进行摩擦。擦试具与被测表面垂直,顺着同一轨迹往复擦拭,其往复擦拭的次数与镀前等离子体轰击的离子能量的关系如图1所示。

从图1可以看出,随着轰击等离子体离子能量的增加,膜层所能经受的往复摩擦的次数迅速增加;当离子能量为80ev左右时,其往返摩擦次数达25次,已达到国标标准;当离子能量大于100ev时,其增加逐渐变缓。所以,在镀膜工艺中我们选择等离子体的离子能量是80-100ev。这完全满足离子辅助沉积光学膜层离子能量为10-100ev[6]的要求。

此外,我们还采用了剥离强度大于2.94N/cm2的玻璃胶带纸进行了膜层剥离实验。用玻璃胶带纸粘牢镀膜表面后,把玻璃胶带纸从零件边缘朝镀膜表面垂直方向慢慢拉起,膜层无脱落现象,符合要求。

4 提高附着力的制备工艺

(1)加强光学塑料零件镀前处理工艺并采用一定能量的等离子体进行表面轰击和等离子体辅助镀膜,以增大光学塑料的表面自由能,增大膜层分子的迁移率,由此来增大薄膜的结晶颗粒,不仅可使它们尽可能在平衡位置附近凝结,又可深入到光学塑料表层形成化学键合,增大膜层与光学塑料基片的附着力。其中,轰击离子的离子能量和轰击时间是两个重要的参数。研究表明,轰击离子的能量一般不超过100ev;为了减少热辐射的影响,离子轰击的时间不宜过长,这在很大程度上与所镀膜系有关。

(2)镀后的光学塑料零件继续用等离子体轰击和进行退火处理,既有膜层的相互作用,又有膜层再结晶的结构变化,从而降低膜层的内应力,增加膜层的物理结合和化学吸附。当然,保持真空室的清洁以及合适的抽气速率和蒸发速率也有利于提高膜层的附着力。

5 结束语 

结合光学塑料的基本特性,通过对附着力机理的理论分析和实验研究,我们采用专门的清洗剂和真空镀膜技术,使用霍尔等离子体源以一定能量的等离子体对光学塑料表面在镀前进行离子轰击,并且使用等离子体进行辅助沉积和镀后轰击、退火等工艺,从而在PMMA和PS光学塑料上制备了具有较好附着力的薄膜,进一步扩宽了光学塑料的应用领域。

参考文献

[1] 郑武成,安连生.光学塑料及其应用[M].北京:地质出版社,1993.

[2] 田民波,刘德令.薄膜科学与技术手册[M].北京:机械工业出版社,1991.

[3] 李国英.表面工程手册[M].北京:机械工业出版社,2001.

[4] PULKERHK.CoatingonGlass[M].ElsevierScience Publisher,BV,1984.

[5] 潘永强.光学塑料元件耐磨涂层的制备工艺研究[J].西安工业学院学报,2000(4):282-285.

[6] WEnsiger.Ionsourceforionbeamassistedthin2film deposition[J].RevSciInstrum,1992,63(11):5217-5233

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