真空室的結(jié)構(gòu)與性能研究

丁秀芳

（青島環(huán)球集團(tuán)股份有限公司，山東 青島 266400）

真空室的結(jié)構(gòu)與性能研究

丁秀芳

（青島環(huán)球集團(tuán)股份有限公司，山東 青島 266400）

簡單闡述鍍膜真空室的主要結(jié)構(gòu)、性能以及在設(shè)計(jì)制作中的技術(shù)點(diǎn)，深入探討了關(guān)鍵的幾個新型結(jié)構(gòu)。

鍍膜；結(jié)構(gòu)；新型

近幾年來，隨著國家有關(guān)建筑節(jié)能政策方針的大力實(shí)施和玻璃鍍膜工藝的快速發(fā)展，大面積鍍膜技術(shù)被廣泛應(yīng)用到玻璃深加工行業(yè)。目前，最常見的玻璃鏡板的成鏡工藝有化學(xué)鍍銀鏡和真空鍍鋁鏡兩種?；瘜W(xué)鍍銀鏡的生產(chǎn)過程是硝酸銀和氨溶液還原反應(yīng)的過程，由于各種因素的影響，銀的轉(zhuǎn)化率較低，最高也只能達(dá)到85%左右，造成大量貴金屬銀的浪費(fèi)。另外化學(xué)鍍銀鏡的反應(yīng)過程中，產(chǎn)生了大量的廢氣及重金屬，這不僅造成了環(huán)境的污染，廢銀的收集和廢水廢氣的處理也增加了大量的人力物力。因此銀鏡的價(jià)格居高不下，銷售市場受到影響。真空鍍鋁鏡是目前國際上普遍采用的Low-E玻璃鍍膜工藝，鋁鏡生產(chǎn)因其節(jié)約了大量的貴金屬白銀，生產(chǎn)過程中減少了重金屬的排放，相對銀鏡更節(jié)能，更環(huán)保，且生產(chǎn)效率高，價(jià)格較低，鏡片質(zhì)量可媲美銀鏡，因此近幾年來國內(nèi)市場鋁鏡逐漸走俏，并遠(yuǎn)銷東南亞等地區(qū)。隨著真空鍍膜技術(shù)的不斷發(fā)展，從化學(xué)鍍銀鏡到真空鍍鋁鏡是制鏡行業(yè)在工藝方面的一個新突破。

1 真空室的工作原理

真空室采用直流磁控濺射鍍膜技術(shù)，其制備薄膜的原理是：在真空室充入壓強(qiáng)0.1～10Pa的惰性氣體Ar的同時，在陰極靶材下面放置強(qiáng)力磁鐵。在高壓作用下，電子在電場的作用下加速飛向基片，在此過程中電子與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，二次電子受到磁場和電場作用，圍繞靶面作圓周運(yùn)動，在運(yùn)動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜，經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠(yuǎn)離靶材，最終沉積在基片上。磁控濺射就是以磁場束縛和延長電子的運(yùn)動路徑，改變電子的運(yùn)動方向，提高工作氣體的電離率和有效利用電子的能量。因而具有沉積速率高、基片沉積溫度低、成膜粘附性好、易控制、成本低、能實(shí)現(xiàn)大面積制膜的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今工業(yè)化生產(chǎn)中研究最多、最成熟、應(yīng)用最廣的一項(xiàng)成熟技術(shù)，也是薄膜制備中最常用的方法。

2 真空室的技術(shù)關(guān)鍵及新型結(jié)構(gòu)

磁控濺射鋁鏡生產(chǎn)線，是近幾年來逐漸發(fā)展起來的新型裝備，其將各種規(guī)格的玻璃基板進(jìn)行表面清洗烘干后，在真空鍍膜室里采用磁控濺射鍍膜的方式，鍍制高質(zhì)量鋁膜，后經(jīng)表面淋漆等工藝處理，成為高檔鋁鏡。真空室是磁控濺射鋁鏡生產(chǎn)線的核心配置，也是鋁鏡鍍膜工序的主要設(shè)備。真空室的規(guī)格和配置是根據(jù)可鍍鏡板的最大尺寸和生產(chǎn)節(jié)拍來確定，目前最常見的配置可生產(chǎn)3660mm×2440mm鏡板，同時每個節(jié)拍可生產(chǎn)2440mm×1220mm鏡板兩片，最快的生產(chǎn)節(jié)拍可達(dá)到36s。為了提高鍍鏡質(zhì)量和生產(chǎn)效率，目前的真空室通常分為9個室，分別是前預(yù)抽室、前粗抽室、前精抽室、鍍膜室（3個室）、后精抽室、后粗抽室、后預(yù)抽室。

真空室實(shí)際上就是由軋制金屬板材焊接而成的多個相對密封的腔體，內(nèi)部有傳送輥道，每個真空室之間的連接處以及與外界大氣的入口處都有鎖板裝置進(jìn)行密封隔離。外部配置真空機(jī)組，滑閥泵對粗抽室進(jìn)行預(yù)抽，并獲得真空室內(nèi)部的一個真空度，羅茨泵和擴(kuò)散泵獲得并維持鍍膜室的真空度。真空室一般是九室八鎖，除四、五、六室相通外，其他幾個室相互之間是相對密封，僅在玻璃通過時真空鎖才瞬間打開，通過后瞬間關(guān)閉，并與外界是完全隔離。真空室的密封性是控制真空度的關(guān)鍵，也是控制鍍膜質(zhì)量的關(guān)鍵。真空系統(tǒng)維持的是一個相對的真空度，鍍膜時真空度要求達(dá)到5×10-3Pa，漏率應(yīng)低于2.5Pa/h。真空度的維持不僅跟真空泵的性能、抽氣能力有關(guān)系，同時真空系統(tǒng)內(nèi)部零部件材料的材質(zhì)和表面是否存在大的放氣量，焊縫處以及安裝接合處是否存在漏氣和放氣現(xiàn)象，這些都密切關(guān)系到真空系統(tǒng)真空度的維持。因此在真空室設(shè)計(jì)時零部件材料的選用，真空系統(tǒng)抽速的計(jì)算和真空泵的選用都非常關(guān)鍵。同時對加工過程中零部件的表面質(zhì)量，焊接過程中的焊接工藝、焊縫質(zhì)量，真空室內(nèi)部腔體表面的平滑度也都有一定的要求。

2.1 真空室的焊接

真空室的焊接過程是至關(guān)重要的一個工序，為了提高真空室的密封性，應(yīng)盡可能地采用氬弧焊和手工電弧焊等焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，并盡量保證無漏焊、虛焊、氣孔、縮松、夾渣等焊接缺陷，減少漏點(diǎn)的數(shù)量。焊接前應(yīng)做好焊前的準(zhǔn)備工作，例如將焊條烘干除濕，板材內(nèi)表面拋光去氧化皮，校直并保持平整，焊接區(qū)域進(jìn)行衛(wèi)生清理，確保板材焊縫處保持干燥且無油污、鐵銹等雜質(zhì)等等，來保證焊縫的密實(shí)性，減少焊接補(bǔ)焊的幾率。焊接時，應(yīng)合理安排內(nèi)外焊縫的相對位置，內(nèi)外焊縫最好能交錯分布，這樣方便真空檢漏，并應(yīng)盡量減少焊縫的數(shù)量，焊縫長度也不能太長，否則檢漏會增加難度。為了減少翻孔和漏氣量，真空室在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)縮短焊縫的總長度，并避免采用十字交叉的焊縫結(jié)構(gòu)。腔體上應(yīng)盡量減少開孔，需要開孔時，應(yīng)最大限度地避免在焊縫上開孔。

2.2 真空室的檢漏

真空室在焊接工序完成后，每條焊縫應(yīng)逐條進(jìn)行初步檢漏。最簡單的一種辦法就是針劑染色法，這種辦法簡單有效，在焊接的同時可以進(jìn)行，能夠找出大的漏點(diǎn)，每個漏點(diǎn)應(yīng)準(zhǔn)確找到漏孔的位置，進(jìn)行補(bǔ)焊。然后組裝真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空檢漏，組裝時應(yīng)確保真空室內(nèi)部已搞好真空衛(wèi)生，堅(jiān)決不允許有油污、灰塵存在，系統(tǒng)內(nèi)表面應(yīng)保持清潔、干燥，必要時還要在真空條件下加熱烘烤去氣，以加速去氣過程。真空系統(tǒng)要求的極限壓力達(dá)到3×10-3Pa時，升壓率應(yīng)低于1Pa/h。如果真空室進(jìn)行長時間抽氣后仍然達(dá)不到要求的真空度，首先應(yīng)確保真空泵和真空機(jī)組工作是否良好。排除了上述問題，應(yīng)分析真空系統(tǒng)是否存在大的漏點(diǎn)或者同時存在多個漏點(diǎn)。檢測上述問題的最簡單最常用的方法就是靜態(tài)升壓法，真空系統(tǒng)達(dá)到一定真空度后，關(guān)掉閥門，將真空室與真空機(jī)組隔開，采用適當(dāng)?shù)恼婵沼?jì)，每隔一定時間測量容器的壓強(qiáng)，通過壓強(qiáng)曲線來分析是漏氣還是放氣。氮質(zhì)譜檢漏儀是比較專業(yè)的、靈敏度很高的檢漏設(shè)備，能夠檢出很小的漏孔，通常被應(yīng)用于真空系統(tǒng)的最終檢驗(yàn)。

2.3 新型粗抽室結(jié)構(gòu)

鍍膜工序除抽真空的時間，其他動作占用的時間是固定不變的。因此，抽真空時間的長短決定了生產(chǎn)節(jié)拍。為大幅度縮短抽真空的時間，提高生產(chǎn)效率，真空室的結(jié)構(gòu)采用了階梯式設(shè)計(jì)。粗抽室的蓋板為下凹型，傳動軸之間填充方管，有效地減少了粗抽真空室空氣所占的實(shí)際容積，盡量地減小了粗抽的空間，從而大幅度地縮短了抽真空的時間。同時，前、后真空室每個生產(chǎn)節(jié)拍均需抽真空1次、破真空恢復(fù)大氣壓1次，玻璃板才能進(jìn)、出真空鍍膜室，完成連續(xù)生產(chǎn)，因此，隨著真空室容積的減少，破真空恢復(fù)大氣壓所需的時間也少了，從而大幅度縮短了工作時間，提高了生產(chǎn)效率。（注：粗抽真空所需要的時間與真空室容積成正比，真空室容積越小，抽氣時間也就越短）。

2.4 新型破真空充氣系統(tǒng)

真空鍍膜室破真空恢復(fù)大氣壓時，經(jīng)充氣閥充入的氣流如果直接進(jìn)入真空室，氣流速度很快、沖擊力大，容易造成玻璃板的破碎，從而導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停機(jī)，影響正產(chǎn)生產(chǎn)。新型破真空充氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用雙層槽式分流結(jié)構(gòu)，外分流槽焊在充氣口上，內(nèi)、外分流槽的小孔互相錯開，防止氣流直接沖擊。內(nèi)、外分流槽端板分別焊在內(nèi)、外分流槽的兩端。破真空充氣時，強(qiáng)烈的氣流從充氣閥進(jìn)入，撞到內(nèi)分流槽底板后向四周轉(zhuǎn)向分散，以較慢的流速經(jīng)內(nèi)分流槽各小孔流入內(nèi)、外分流槽之間，最后以緩慢的流速經(jīng)外分流槽各小孔流入真空室中。由于各后級充氣孔均比相應(yīng)的前級充氣孔數(shù)量多、面積大，故原先強(qiáng)烈的充氣氣流被分割為多股低速氣流，沖擊力大大降低，不會對玻璃造成損壞。

2.5 磁控濺射器件

濺射器件系統(tǒng)是真空鍍膜室的關(guān)鍵部分，用來實(shí)現(xiàn)把靶材沉積到玻璃基片上。其性能關(guān)系到沉積速率、薄膜均勻性、濺射穩(wěn)定性和靶材的利用率等關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)的濺射靶采用陰極弧電源進(jìn)行沉積，所以陰極的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。新型濺射靶采用旋轉(zhuǎn)式同軸工作方式。同軸式是在把多段小條形永磁鐵平行靶軸安裝于基體上，兩級磁力線閉合于靶材表面，增加了離子與靶材的碰撞幾率，提高了濺射率。旋轉(zhuǎn)式是磁控靶旋轉(zhuǎn)而磁鐵不轉(zhuǎn)，濺射時形成若干與靶軸平行的電火花，形成條形輝光放射區(qū)域。旋轉(zhuǎn)式磁控靶不僅提高了靶材的利用率，而且濺射均勻。旋轉(zhuǎn)靶在濺射過程中靶材表面會產(chǎn)生大量的熱，使靶體溫度升高，超出永磁鐵的工作溫度后會導(dǎo)致永磁鐵明顯退磁，從而影響磁場的分布，最終導(dǎo)致鍍膜出現(xiàn)了黑斑、黑邊等質(zhì)量問題。因此新型磁控靶基體配置循環(huán)水冷卻，冷卻水通過水管注入冷卻管內(nèi)，帶走基體內(nèi)壁和磁鐵組件的熱量，并經(jīng)冷卻塔冷卻后循環(huán)使用。

3 結(jié)語

隨著國家相關(guān)政策的頒布以及東南亞地區(qū)等市場需求的日益增加，鍍膜玻璃已進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)模式，市場占有率逐年增多，因此給鍍膜設(shè)備的整體性能、智能化模式、高效能等提出了新的要求。技術(shù)人員應(yīng)該盡快地掌握新技術(shù)新工藝，來提高設(shè)備的自動化程度以及綜合性能，保證市場的需求。

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1671-0711（2017）05（下）-0079-02