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離線雙銀Low-E鍍膜玻璃膜系開發淺談
時間:2014/9/11 14:51:07

離線雙銀Low-E鍍膜玻璃膜系開發淺談

     0 引言

     目前國內使用的Low-E鍍膜玻璃產品主要是單銀Low-E鍍膜玻璃,只有少數幾家玻璃加工企業可以生產雙銀Low-E鍍膜玻璃(以下簡稱雙銀Low-E),且具有較成熟的生產技術,而這幾家玻璃企業所生產的雙銀Low-E多為自產自用。隨著國家建筑節能要求的不斷提升,建筑節能性能更高的雙銀Low-E的需求量也在不斷提高。目前國內Low-E玻璃市場中,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:一是雙銀Low-E鍍膜玻璃工藝技術難度較大,生產技術整體不夠成熟;二是雙銀Low-E市場價格較高。所以,只有了解雙銀Low-E膜系的開發過程,解決雙銀Low-E在生產中的關鍵技術問題, 實現雙銀Low-E鍍膜玻璃的產品質量和產量的穩定,才能夠使這種節能性能更高的產品的成本降低,并得到更廣泛的推廣和使用。本文即通過雙銀Low-E膜系開發過程的分析, 明確了在雙銀Low-E鍍膜玻璃膜系的開發過程中應注意的問題,并從實際生產的角度提出了一些對于雙銀Low-E膜系開發的建議。


     1 技術背景

     真空磁控濺射鍍膜技術是通過真空磁控濺射鍍膜機實現的,鍍膜機內由不同級別的真空泵抽氣,在系統內營造出一個鍍膜所需的真空環境,真空度要達到Low-E鍍膜所需的本底真空,一般在(1~5)×10-8 Pa。在真空環境中向靶材(陰極)下充入工藝氣體氬氣(Ar),氬氣在外加電場(由直流或交流電源產生)作用下發生電離生成氬離子(Ar+),同時在電場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。同時被濺射出的二次電子在陰極暗區被加速,在飛向基片的過程中,落入設定的正交電磁場的電子阱中,直接被磁場的洛倫茲力束縛,使其在磁場B的洛倫茲力作用下,以旋輪線和螺旋線的復合形式在靶表面附近作回旋運動。電子e的運動被電磁場束縛在靠近靶表面的等離子區域內,使其到達陽極前的行程大大增長,大大增加碰撞電離幾率,使得該區域內氣體原子的離化率增加,轟擊靶材的高能Ar+離子增多,從而實現了磁控濺射高速沉積的特點。在運用該機理開發Low-E膜系的過程中,要注意以下幾個問題:①保證整體工藝中各個環節的可靠性。具體包括靶材質量、工藝氣體純度、原片新鮮程度、原片清洗質量等基礎因素,這一系列因素會對Low-E鍍膜玻璃產品的*終質量產生影響。②選擇合適的靶材。要建立的膜系是通過對陰極的前后順序布置實現的。③控制好各環節的工藝性能及參數。如適合的本底真空度、靶材適用的濺射功率、工藝氣體和反應氣體用量與輸入均勻性、膜層厚度等?傊,只有控制好以上各因素,才能夠保證所開發的雙銀Low-E鍍膜玻璃具有穩定的顏色、優異的機械性能和可加工性。

     此外,在雙銀膜系開發過程中,原始數據的積累和歸納分析非常重要。原始數據應該包括:膜層結構、各個單層膜的厚度和均勻性調試數據、雙銀Low-E樣片的光學參數、面電阻及理化性能試驗數據等。


     2 雙銀Low-E鍍膜玻璃膜系的開發過程

     雙銀Low-E鍍膜玻璃膜系開發過程中有3個必要條件必須保證:一是硬件的保證。離線雙銀Low-E產品的實現是基于可生產大面積建筑用鍍膜玻璃的真空磁控濺射設備;二是合理的膜層結構設計;趯Ω髂硬牧闲阅艹浞掷斫庹莆盏幕A上,進行合理的膜層結構設計,才能確保產品在機械性能、抗氧化性能、可加工性上的優異表現;三是有清晰的開發流程。明確開發流程各階段的關鍵參數及工作重點,重視原始數據的記錄和分析。

     2.1 儀器和設備

     目前,國內雙銀Low-E鍍膜玻璃的膜系開發和生產基本都是在相關生產企業內完成的,一般在開發過程中所需要的儀器和設備見表1。



     2.2 膜層結構設計

     隨著量子化學和凝聚態物理理論上的不斷突破以及計算機技術的飛速發展,人們可以根據所需要的材料結構和性能,設計出滿足要求的材料,即材料設計(materials design)方法,F代膜層的結構設計從原子、分子層次進行,即按照應用目標,可以先運用相關商業軟件(MS或者其他專用軟件)進行設計,獲得預期目標,掌握各個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,匹配順序等對產品綜合性能的影響,再與實際生產經驗相結合,可以科學指導膜層設計,降低研發成本,縮短研發周期。材料制備技術的整體提升,更得以使原子、分子為起點設計的材料合成,在微觀尺度上控制其結構的目標實現。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、調制、膠體化學方法等,使材料研究、薄膜制備設備對設計加以驗證,進而擴大到工業化生產,實現具有自主知識產權的技術研發與生產全過程。

     按照現行國家標準規定,采用磁控濺射法生產的Low-E鍍膜玻璃輻射率e應小于0.15。目前市場上單銀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與膜層材料的電導率s有如下關系:


     從上面關系式中,可以看出膜層材料的輻射率與膜層電導率成反比關系,即膜層電導率越高,膜層的輻射率就越低;而膜層的電導率又主要取決于膜層中功能層金屬材料的類別和厚度。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率、更低的輻射率;同時,因為使用了2層Ag,使得雙銀膜系結構變得更為復雜,在開發雙銀膜系時,合理布置膜層結構變得非常關鍵。正是因為雙銀膜系的膜層數量多,并且各個膜層對鍍膜玻璃的玻璃面顏色、膜面顏色、可見光透過率及顏色影響程度不同,所以,為了使*終產品具有穩定的性能和生產重復性,開發雙銀膜系的過程,一定要對各個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個功能結構層在內的9層至10多層膜層。不同功能結構層可選用的材料不同,例如,介質層可以選用: SiNx、TiOx、ZnSnOx、SnOx、AZO、ZnAlOx等,保護層可以選擇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,如何選擇每個功能結構層的材料至關重要,涉及諸多選擇因素,如:材料的折射率、密度、硬度,對可見光、紅外線的選擇吸收性、反射性,材料的膨脹系數,材料的導電性,不同材料的附著力等。


     2.3 開發流程

     雙銀Low-E膜系的開發過程是一個很系統的過程,這個過程的每個階段有不同的工作重點,每個階段要注意一些原始數據的記錄積累和分析,逐步建立起適合于生產體系的數據庫系統,在需要做生產工藝調整和變動過程中,關注關鍵參數的變化趨勢及其規律性,才能形成生產規范并有效指導穩定生產,只有實現穩定生產,才能有穩定的產品質量,實現提升產品成品率和降低成本的目標。另外,完整的開發過程不僅包括所開發膜系產品的實現,還應包括為幕墻公司和下游玻璃深加工企業提供必要的應用參數和后續加工指導。下游玻璃深加工廠是雙銀Low-E鍍膜玻璃產品的直接使用者,雙銀Low-E鍍膜玻璃的可加工性將在這些工廠里得到檢驗。因此,在開發雙銀Low-E產品的過程中,要不斷模擬和驗證所開發的雙銀Low-E鍍膜玻璃在切割、磨邊、鋼化、廠房環境暴露等情況下,自身的保護層所提供的保護性是否可靠。據筆者經驗和已有數據分析認為:介質保護層厚度和金屬保護層厚度的配比對雙銀Low-E的可加工性有明顯的影響。具體開發流程詳見圖2。


     針對圖2中的流程,應注意以下問題:

     (1) 明確目標參數。目標參數包括雙銀Low-E鍍膜玻璃的可見光透過率T、透過顏色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要滿足現行國家標準規定。

     (2)設計膜層結構、配置靶材。在這個環節要明確各膜層所使用的靶材、各靶材的使用功率、工藝氣體和反應氣體配比。

     (3)控制各單層膜的均勻性。監控各個單層膜厚度以nm為單位,其中,介質層橫向厚度均勻性要在±1.5%以內;金屬層橫向厚度均勻性要控制在±1%以內。

     (4)及時進行初調試環節和調試規律的總結。應重點歸納底層介質層、中間層介質層、頂層介質層對雙銀Low-E鍍膜玻璃顏色參數的影響規律;底層Ag、頂層Ag對雙銀Low-E鍍膜玻璃顏色參數、透過率、面電阻的影響規律;NiCr、NiCrOx等Ag層保護材料對Low-E鍍膜玻璃顏色參數、透過率、抗氧化性的影響規律。一般情況下,單一膜層對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)按目標參數準確調試階段。要結合各個膜層對雙銀Low-E鍍膜玻璃性能的不同影響進行分析,實際調試過程中,膜系開發人員一般會同時調試多個膜層的功率、氣體配比等參數。當調試參數與目標參數非常接近時,一般會采取微調某單一膜層濺射功率,以使調試參數不斷趨近目標參數。

     (6)定標階段。此階段應匯總如下數據:工藝參數(靶材配置、靶材功率、工藝氣體配比、工藝速度)、調試樣玻璃面和膜面顏色參數、表面電阻、玻璃面45°角色差值。

     (7)調試樣品參數至少要經過3次以上重復再現、每次2 h以上連續穩定生產,才可以確認新調試的雙銀Low-E膜系可以投入生產。

     (8) 為客戶提供雙銀Low-E中空玻璃的U值、Sc值。隨著對居民建筑節能性要求的不斷提高,相關標準對外窗和玻璃幕墻的傳熱系數U和遮陽系數Sc提出了更為嚴苛的限值要求。另外,鍍膜玻璃生產企業有必要為后續玻璃深加工企業提供雙銀Low-E鍍膜玻璃加工指導書。


     3 開發過程及實際投產需要注意的問題

     雙銀膜系的開發目的就是獲得一套工藝穩定、光學參數性能優良、機械性能和抗氧化性能較好的雙銀膜系產品。根據實際生產經驗,筆者認為雙銀Low-E膜系開發過程及實際投產過程中需要注意以下問題:

     (1)確定合理的目標參數。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,這個參數主要取決于Ag層的厚度; 雙銀Low-E鍍膜玻璃的透過率一般在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。選擇合適的目標參數的重要原則是:既要有利于工藝上的實現,又要在將來的使用中給建筑師和業主以舒適的視覺效果。

     (2)膜層總體結構設計合理。膜層結構是雙銀Low-E鍍膜玻璃的*核心的技術指標。只有膜層結構設計合理,才能開發出理化性能優異、使用性能穩定的鍍膜玻璃。另外,不同靶材的工藝氣體和反應氣體的配比和總量會對工藝穩定性、膜層應力、膜層耐酸性、膜層耐磨性、生產效率和生產節能性產生影響。

     (3)重視雙銀Low-E膜層結構中單層膜厚度及均勻性對其整體性能的影響。雙銀Low-E膜層數較單銀Low-E多,各膜層對*終產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*終產品的顏色均勻性會有明顯的影響,所以在調試雙銀工藝前,應該首先對單層膜的厚度均勻性進行調節并且了解單層膜的厚度范圍。其中,對于非金屬介質層的單層均勻性,一般可以通過鍍膜玻璃膜面顏色參數bf值的均勻性來衡量;而包括Ag和NiCr在內的金屬膜層的單層均勻性,一般可以通過鍍膜玻璃透過率T值的均勻性來衡量。

     (4)在初調試階段,有必要總結每個膜層對產品理化性能的影響,尤其是各膜層對鍍膜玻璃顏色和機械性能的影響規律,這項工作在后期準確調試中會起到重要的指導意義。

     (5)按照目標參數進行準確調試。在這個階段,我們是要在以上各階段工作的基礎上,通過工藝條件的監控、工藝參數的調整,*終實現具有目標參數和優異理化性能的產品。所以,在這個階段重點工作應包括:調試過程參數記錄、調試樣品性能測試結果和*終工藝參數的確定。

     (6)性能測試及通過連續性生產驗證產品穩定性。這個階段工作意義重大:首先,通過性能測試可以了解定樣雙銀Low-E產品的各項性能指標,測試方法可以參照國標進行;同時,也為后續產品性能的提高和改進提供了方向,對于某項性能短板進行改進。因為雙銀Low-E膜系的復雜性,*終產品的性能對設備狀態、工藝參數、真空度等條件有較高要求,只有通過連續性生產驗證,具有可重復實現性的膜系才能在后續真正實現投產。

     (7)關注用戶使用情況,及時給予技術支持。要考慮目前國內玻璃深加工行業的現狀,實際各加工廠的技術條件和加工實力差異很大。因此,筆者建議具有生產雙銀Low-E能力的玻璃加工企業,對新開發的雙銀Low-E鍍膜產品編制詳細的《加工指導書》,對下游玻璃深加工廠的加工條件給出加工要求,在必要時給予技術支持。這樣,雙銀Low-E鍍膜玻璃在國內建筑中,會得到更廣泛的推廣,也可以為整個社會節省更多的能量。


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