CN105948535A - 超低辐射镀膜玻璃及其制备方法 - Google Patents

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吕晶
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Abstract

本发明提供一种超低辐射镀膜玻璃及其制备方法。该超低辐射镀膜玻璃包括至少一层红外反射膜层，所述红外反射膜层为银膜层或者银和掺杂元素混合形成的合金膜层；所述红外反射膜层在氪气、氙气、氩气与氪气的混合气体、氩气与氙气的混合气体、氪气与氙气的混合气体中的任一种气体氛围下溅射形成。该玻璃的制备方法至少包括采用氪气、氙气、氩气与氪气的混合气体、氩气与氙气的混合气体、氪气与氙气的混合气体中的任一种气体溅射红外反射膜层。本发明获得的超低辐射镀膜玻璃具有电阻率低、辐射低等特性，满足人们对超低辐射镀膜玻璃的需求。

Description

超低辐射镀膜玻璃及其制备方法
技术领域
本发明属于玻璃技术领域，具体涉及一种超低辐射镀膜玻璃及其制备方法。
背景技术
低辐射镀膜玻璃通常用于汽车玻璃、建筑窗户、玻璃幕墙上。这类型的玻璃在夏天阻止红外辐射进入室内，并减少冬季室内热量向室外扩散，降低建筑整体的能耗。一般地，物体的辐射率等于物体在一定温度下辐射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比。黑体的辐射率等于1，其他物体的辐射率介于0和1之间，且物体的辐射率越低，说明物体向外辐射的能量越低。因此，在建筑门窗和车窗上应用超低辐射镀膜玻璃，可以阻隔大量的红外辐射，减少建筑或汽车的制冷和制热能耗。
但是，随着更高的节能要求被提出，设计师期对低辐射镀膜玻璃也提出了更高的要求，包括可以同时实现高可见光透过率、低辐射率、低遮阳系数、低U值及符合审美的建筑外观。
对于低辐射镀膜玻璃而言，其核心功能层是银膜或银掺杂Ta、Hf、Nb、V、Ti、Mn、Mo、Zn、Si、W、Nd、Pr、Ce、La、Cr、Cu、Ni、Co、Os、Ru、Rh、Ir、Au、Pt、Pd和它们的合金膜层，承担着反射红外线的重任。由于银具有优异的导电特性，银膜也决定着镀膜玻璃产品的最终辐射率和电阻率。在20世纪初期，物理学家哈根和鲁本斯发现大块金属的热辐射(用辐射率ε来表示)与它们的电导率σ密切相关。根据徳路得的发现，用公式描述为从这个公式可以看出金属的辐射率ε与其导电率σ的开方成反比。简单地说，就是电导率σ越高、电阻率R越低，辐射率ε越低。因此，可以用膜层的电阻值表征其辐射率，即红外线反射膜层的电阻率越低，则膜层的辐射率就越低。
但是，设计开发银基低辐射镀膜玻璃时存在着一种矛盾。这种矛盾主要表现在：无法同时兼顾低辐射率和高可见光透过率。因为银膜的性能极大地影响着低辐射镀膜玻璃的透过率和辐射率，银膜越厚，膜层的辐射率越低，但透过性能变差。这样就无法获得高性能的高透产品。但如果能在银膜厚度一致的前提下，进一步降低膜层的电阻率，而不影响膜层的透过率，就可以生产出高性能的低辐射镀膜玻璃；并且，通过降低银膜电阻的方法改善膜层的辐射率性能，从而改善膜层的热工性能在理论上是可行的。
发明内容
为获得膜层厚度一致的镀膜玻璃，降低镀膜玻璃的电阻率和辐射率，本发明实施例提供了一种超低辐射镀膜玻璃及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明实施例的技术方案如下：
一种超低辐射镀膜玻璃，包括至少一层红外反射膜层，所述红外反射膜层为银膜层或者银和掺杂元素混合形成的合金膜层；所述红外反射膜层在氪气、氙气、氩气与氪气的混合气体、氩气与氙气的混合气体、氪气与氙气的混合气体中的任一种气体氛围下溅射形成。
以及，一种如上所述的超低辐射镀膜玻璃的制造方法，该方法至少包括采用氪气、氙气、氩气与氪气的混合气体、氩气与氙气的混合气体、氪气与氙气的混合气体中的任一种气体溅射如上所述的红外反射膜层。
上述实施例中的超低辐射镀膜玻璃，采用银膜层或银及其掺杂元素形成的合金膜层作为红外反射膜层，该红外反射膜层表面光滑，无岛状微观结构，整体呈团簇状，具有很低电阻率和辐射率，满足人们对玻璃超低辐射的需求。
上述实施例中，超低辐射镀膜玻璃的制造过程中，使用氪气、氙气以及氪气或氙气与氩气的混合气体对红外反射膜层进行溅射，替换了常规的氩气；由于氪气或氙气的分子量比较大，银以团簇形式沉积，可以让银快速成核，并且均匀、连续的生长，形成厚度均匀的膜层，获得了电阻率低、辐射低的超低辐射镀膜玻璃；而且该制作方法避免了使用氩气作为溅射气体时银以单一原子形式沉积出现的膜层呈岛状分布且厚度不均匀，凹凸不平，而使得膜层电阻率大，最终对辐射产生不良影响。通过人们不常用的溅射气体，使生产的玻璃在保障优异膜层质量的同时，满足人们对超低辐射镀膜玻璃的需求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中超低辐射镀膜玻璃的结构示意图；
图2是本发明实施例Kr气、Xe气不同含量下溅射得到的超低辐射镀膜玻璃的膜层辐射率特性曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实例提供了一种超低辐射镀膜玻璃，该超低辐射镀膜玻璃包括玻璃基板1和至少一层红外反射膜层2。
本发明实施例中，红外反射层2可以只有一层，当为一层红外反射层时，其结构如图1所示。当然，也可以是包含多层红外反射层2，当为多层时，两层红外反射层的双银结构的超低辐射镀膜玻璃和三层红外反射层的三银结构的超低辐射镀膜玻璃同样适用。
在一具体实施例中，自所述玻璃基板1表面向外，依次沉积第一Si3N4膜层5、第一NiCr膜层3、由银或银和掺杂元素组成的合金构成的所述红外反射膜层2、第二NiCr膜层4、第二Si3N4膜层6及TiOx膜层7。
合金膜层中的掺杂元素为Ta、Hf、Nb、V、Ti、Mn、Mo、Zn、Si、W、Nd、Pr、Ce、La、Cr、Cu、Ni、Co、Os、Ru、Rh、Ir、Au、Pt、Pd中的至少一种。
进一步优选地，银和掺杂元素的合金中，掺杂元素含量为0.1-5wt％。
作为优选地，红外反射膜层2的厚度为6nm～30nm。
具体地，在任一实施例中，还包括玻璃基板1，玻璃基板1由浮法玻璃构成，玻璃基板1具有相互对立的两面。
从所述玻璃基板1的一表面溅射沉积形成第一Si3N4膜层5。该第一Si3N4膜层5可以阻挡玻璃基板1中的Na+向膜层中渗透，增加膜层和玻璃基片之间的吸附力，提高物理和化学性能，控制膜系的光学性能和颜色。
进一步地，在第一Si3N4膜层5上溅射沉积形成第一NiCr膜层3。该第一NiCr膜层3具有控制膜系的光学性能的作用。
红外反射膜层2在第一NiCr膜层3上溅射而成。然后自红外反射膜层2表面向外，依次溅射沉积第二NiCr膜层4、第二Si3N4膜层6、TiOx膜层7。其中，TiOx膜层7具有耐酸耐碱的性能，以很好的保护整个超低辐射镀膜玻璃的膜层结构。
进一步优选地，第一Si3N4膜层的厚度为28.2～33.1nm；第一NiCr膜层的厚度为1.5～3.0nm；第二NiCr膜层的厚度为1.5～3.0nm；第二Si3N4膜层的厚度为30.5～35.2nm；TiOx膜层的厚度为5.0～10.0nm。
在任一实施例中，红外反射膜层2采用采用氪气、氙气、氩气与氪气的混合气体、氩气与氙气的混合气体、氪气与氙气的混合气体中的任一种气体溅射；而其他膜层结构则在氩气气氛下溅射。由于氪气或氙气的分子量比较大，银以团簇形式沉积，可以让银快速成核，并且均匀、连续的生长，形成厚度均匀的膜层，获得了电阻率低、辐射低的超低辐射镀膜玻璃；而且该制作方法避免了使用氩气作为溅射气体时银以单一原子形式沉积出现岛状结构导致的膜层厚度不均匀，凹凸不平，而使得膜层电阻率大，最终对辐射产生的不良影响。
上述各膜层按顺序结合，从而保障了超低辐射镀膜玻璃的整体性能，能够达到低电阻率及低辐射的效果。
相应地，在上文所述的超低辐射镀膜玻璃的基础上，本发明实施例还提供了本发明实施例超低辐射镀膜玻璃的一种制备方法。作为本发明优选实施例，该超低辐射镀膜玻璃的制备方法包括如下步骤：
步骤S01：前处理，清洗浮法玻璃，将清洗好的浮法玻璃作为玻璃基板，并将所述清洗后的浮法玻璃送入真空室，保持真空室真空度在8×10-6mbar以上；
步骤S02、膜层沉积处理，控制溅射真空度小于5×10-5mbar，溅射时气压约为10-3mbar，在氩气气氛下，在所述浮法玻璃基板表面依次沉积如下膜层：第一Si3N4膜层5、第一NiCr膜层3；
步骤S03、红外反射膜层沉积处理，控制溅射真空度小于5×10-5mbar，溅射时气压为5×10-4mbar～5×10-2mbar，在氪气、氙气、氩气与氪气的混合气体、氩气与氙气的混合气体、氪气与氙气的混合气体中的任一种气体的气氛下，在第一NiCr膜层3表面沉积红外反射膜层2；
步骤S04、膜层沉积处理，控制溅射真空度小于5×10-5mbar，溅射时气压约为10-3mbar，在氩气气氛下，在所述浮法玻璃基板表面依次沉积如下膜层：第二NiCr膜层4、第二Si3N4膜层6、TiOx膜层7。
具体地，上述步骤S01中，采用Benteler清洗机对浮法玻璃进行清洗。
具体地，步骤S02在溅射镀膜过程中，采用德国冯·阿登那公司生产的磁控溅射镀膜设备控制溅射的真空度。
具体地，步骤S03在溅射镀膜过程中，当溅射气体为混合气体时，氪气、氙气占混合气体总体积不小于10％且小于100％。在氩气和氪气形成的混合气体或者氩气与氙气形成的混合气体中，当氪气或者氙气占混合气体总体积小于10％时，由于氩气占主要，溅射的银基本以银原子的形式沉积，并不能实现本发明降低膜层电阻率、辐射率的目的，而大于10％时，则有相应的效果。当混合气体为氪气和氙气的混合气体时，两者以任意比例进行混合均可以实现银以团簇的形式发生沉积。
图2显示了混合气体中氪气、氙气的含量对本发明实施例镀膜玻璃辐射率的影响。而辐射率是衡量物体表面以辐射的形式释放能量相对强弱的能力，其值介于0和1之间。样品的区别在于溅射气氛不同，不同气体含量百分比下，膜层辐射率特性表现不同。
由图2可知，当采用纯氪气溅射时，可以获得最好的辐射率特性。这是因为采用氪气溅射银靶或银掺杂Ta、Hf、Nb、V、Ti、Mn、Mo、Zn、Si、W、Nd、Pr、Ce、La、Cr、Cu、Ni、Co、Os、Ru、Rh、Ir、Au、Pt、Pd和它们的合金靶时，银原子并不是以单一原子形式进行沉积，而是以团簇形式沉积，形成红外反射膜层。以团簇形式沉积，可以让银快速成核，并以更加均匀、连续的方式生长，使得银膜层以更快地或在较薄的厚度成膜。而采用纯氙气溅射时，虽然获得的辐射率特性不如氪气溅射，但远远优于纯氩气溅射，这是因为氙气分子量过大，致使银成大团的团簇溅落生长，使银膜的晶粒尺寸生长过大，从而使得银膜表面粗糙度增加。
从数据中还可以获知，溅射气体中氪气(Kr)、氙气(Xe)的比例小于10％时，对于膜层的辐射率影响不大，而大于10％后影响幅度开始增大。
本发明实施例超低辐射镀膜玻璃红外反射膜层的制造过程中，使用氪气、氙气以及氪气或氙气与氩气的混合气体对红外反射膜层进行溅射，替换了常规的氩气；由于氪气或氙气的分子量比较大，银以团簇形式沉积，可以让银快速成核，并且均匀、连续的生长，形成厚度均匀的膜层，获得了电阻率低、辐射低的超低辐射镀膜玻璃；而且该制作方法避免了使用氩气作为溅射气体时银以单一原子形式沉积出现的膜层厚度不均匀，凹凸不平，而使得膜层电阻率大，最终对辐射产生不良影响。通过该工艺，获得的玻璃在钢化处理前(也称热处理前)，由氪气溅射的玻璃辐射率降低10～17％；由氙气溅射的玻璃辐射率降低7～12％；经过热处理后，由氪气溅射的玻璃辐射率降低至8～14％；由氙气溅射的玻璃辐射率降低至4～9％。通过人们不常用的溅射气体，使生产的玻璃在保障优异膜层质量的同时，满足人们对超低辐射镀膜玻璃的需求。
以下通过多个实施例来举例说明本发明实施例超低辐射镀膜玻璃的原理、作用以及达到的功效。
实施例1
一种超低辐射镀膜玻璃及其制备方法。其中，超低辐射镀膜玻璃包括玻璃基板和沉积于玻璃基板表面的功能膜层；所述功能膜层至少包括依次从6mm厚的玻璃基板向外逐层沉积而成的第一Si3N4膜层、第一NiCr膜层、红外反射膜层、第二NiCr膜层、第二Si3N4膜层及TiOx膜层。
该超低辐射镀膜玻璃的红外反射膜层在纯氪气气氛下进行，该超低辐射镀膜玻璃的制备工艺如下：
所有腔室的本底真空＜5×10-5mbar，溅射时气压约为10-3mbar。
溅射介质膜层，采用中频交流电压和双旋转阴极在氩氮混合气氛下溅射沉积，真空磁控溅射设备功率为60kw，中频电源频率为40kHz。其中，制备Si3N4膜层，采用中频电源溅射双旋转阴极SiAl靶(Si:Al＝90:10)，氩氮体积比保持在1.2:1。制备TiOx膜层时，采用中频电源溅射氧化钛陶瓷靶，氩氧体积比保持在32:1；详细参数见表1所示。
表1 纯氪溅射红外反射膜层的工艺参数
膜层材料 膜厚nm 镀膜速度cm/min 功率Kw Ar/sccm Kr/sccm N2/sccm O2/sccm
Si3N4 28.2 500 238 600 / 500 /
NiCr 2.0 500 8.3 800 / / /
Ag 14.5 500 12.0 / 600 / /
NiCr 1.5 500 8.3 800 / / /
Si3N4 35.2 500 302 600 / 500 /
TiOx 10.0 500 25 800 / / 25
膜层溅射后直接对产品进行性能测试，测试结果详见表4所示，并对产品进行钢化，钢化后再测试，测试结果详见表4。
实施例2
一种超低辐射镀膜玻璃及其制备方法。其中，超低辐射镀膜玻璃包括玻璃基板和沉积于玻璃基板表面的功能膜层；所述功能膜层至少包括依次从6mm厚的玻璃基板向外逐层沉积而成的第一Si3N4膜层、第一NiCr膜层、红外反射膜层、第二NiCr膜层、第二Si3N4膜层及TiOx膜层。
该超低辐射镀膜玻璃的红外反射膜层在纯氙气气氛下进行，该超低辐射镀膜玻璃的制备工艺如下：
所有腔室的本底真空＜5×10-5mbar，溅射时气压约为10-3mbar。
溅射介质膜层，采用中频交流电压和双旋转阴极在氩氮混合气氛下溅射沉积，真空磁控溅射设备功率为60kw，中频电源频率为40kHz。其中，制备Si3N4膜层，采用中频电源溅射双旋转阴极SiAl靶(Si:Al＝90:10)，氩氮体积比保持在1.2:1。制备TiOx膜层时，采用中频电源溅射氧化钛陶瓷靶，氩氧体积比保持在32:1；详细参数见表2所示。
表2 纯氙溅射红外反射膜层的工艺参数
膜层材料 膜厚nm 镀膜速cm/min 功率/Kw Ar/sccm ×e/sccm N2/sccm O2/sccm
Si3N4 28.2 500 238 600 / 500 /
NiCr 2.0 500 8.3 800 / / /
Ag 14.5 500 11.8 / 500 / /
NiCr 1.5 500 8.3 800 / / /
Si3N4 35.2 500 302 600 / 500 /
TiOx 10.0 500 25 800 / / 25
膜层溅射后直接对产品进行性能测试，测试结果详见表4所示，并对产品进行钢化，钢化后再测试，测试结果详见表4。
对比例1
一种超低辐射镀膜玻璃及其制备方法。其中，超低辐射镀膜玻璃包括玻璃基板和沉积于玻璃基板表面的功能膜层；所述功能膜层至少包括依次从6mm厚的玻璃基板向外逐层沉积而成的第一Si3N4膜层、第一NiCr膜层、红外反射膜层、第二NiCr膜层、第二Si3N4膜层及TiOx膜层。
该超低辐射镀膜玻璃的红外反射膜层在纯氩气气氛下进行，该超低辐射镀膜玻璃的制备工艺如下：
所有腔室的本底真空＜5×10-5mbar，溅射时气压约为10-3mbar。
溅射介质膜层，采用中频交流电压和双旋转阴极在氩氮混合气氛下溅射沉积，真空磁控溅射设备功率为60kw，中频电源频率为40kHz。其中，制备Si3N4膜层，采用中频电源溅射双旋转阴极SiAl靶(Si:Al＝90:10)，氩氮体积比保持在1.2:1。制备TiOx膜层时，采用中频电源溅射氧化钛陶瓷靶，氩氧体积比保持在32:1；详细参数见表3所示。
表3 纯氩溅射红外反射膜层的工艺参数
膜层材料 膜厚nm 镀膜速度cm/min 功率/Kw Ar/sccm N2/sccm O2/sccm
Si3N4 28.2 500 238 600 500 /
NiCr 2.0 500 8.3 800 / /
Ag 14.5 500 12.4 800 / /
NiCr 1.5 500 8.3 800 / /
Si3N4 35.2 500 302 600 500 /
TiOx 10.0 500 25 800 / 25
膜层溅射后直接对产品进行性能测试，测试结果详见表4所示，并对产品进行钢化，钢化后再测试，测试结果详见表4。
表4示出了该实施例1、2及对比例1钢化前后的颜色参数值，即光学性能的表征。以及电学性能的表征，面电阻值。
表4 实施例1～2及对比例1溅射红外反射膜层的产品性能
注：表4中Tvis代表可见光透射比；a*(T)b*(T)分别代表透过色中的a*和b*值；Rg代表玻面反射比，a*(Rg)、b*(Rg)分别代表玻面反射色中的a*和b*值；R□代表面电阻，是均匀厚度薄膜电阻的量度，用ohms/square(Ω/□)来计量；ε代表辐射率是衡量物体表面以辐射的形式释放能量相对强弱的能力。
由表1、表2、表3和表4的结果可知，相比于纯氩溅射，采用氪气、氙气溅射银膜层，可以提升膜层的辐射率特性。钢化处理前(也称热处理前)，采用氪气溅射可以使辐射率降低13％左右，采用氙气溅射可以使辐射率降低10％左右；经过热处理后，采用氪气溅射可以使辐射率降低10％左右，采用氙气溅射可以使辐射率降低6％左右。
热处理前和热处理后，采用氪气或者氙气溅射影响辐射率的程度跟低辐射膜层(或称红外反射膜层)材料、膜层结构、膜层厚度、气体总量、气体配比等等因素有关。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超低辐射镀膜玻璃，包括至少一层红外反射膜层，其特征在于：所述红外反射层为银膜层或者银和掺杂元素混合形成的合金膜层；所述红外反射膜层在氪气、氙气、氩气与氪气的混合气体、氩气与氙气的混合气体、氪气与氙气的混合气体中的任一种气体氛围下溅射形成。
2.如权利要求1所述的超低辐射镀膜玻璃，其特征在于：所述掺杂元素为Ta、Hf、Nb、V、Ti、Mn、Mo、Zn、Si、W、Nd、Pr、Ce、La、Cr、Cu、Ni、Co、Os、Ru、Rh、Ir、Au、Pt、Pd中的至少一种。
3.如权利要求1所述的超低辐射镀膜玻璃，其特征在于：所述红外反射膜层的厚度为6nm～30nm。
4.如权利要求1所述的超低辐射镀膜玻璃，其特征在于：所述银和掺杂元素的合金中，掺杂元素的含量为0.1-5wt％。
5.如权利要求1～4任一所述的超低辐射镀膜玻璃，其特征在于：还包括玻璃基板，自所述玻璃基板表面向外，依次沉积第一Si3N4膜层、第一NiCr膜层、由银或银和掺杂元素组成的合金构成的所述红外反射膜层、第二NiCr膜层、第二Si3N4膜层及TiOx膜层。
6.如权利要求5所述的超低辐射镀膜玻璃，其特征在于：所述第一Si3N4膜层的厚度为28.2～33.1nm；和/或所述第一NiCr膜层的厚度为1.5～3.0nm；和/或所述第二NiCr膜层的厚度为1.5～3.0nm；和/或所述第二Si3N4膜层的厚度为30.5～35.2nm；和/或所述TiOx膜层的厚度为5.0～10.0nm。
7.一种超低辐射镀膜玻璃的制造方法，其特征在于：至少包括采用氪气、氙气、氩气与氪气的混合气体、氩气与氙气的混合气体、氪气与氙气的混合气体中的任一种气体溅射如权利要求1～6任一所述的红外反射膜层。
8.如权利要求7所述的超低辐射镀膜玻璃的制造方法，其特征在于：所述混合气体中，氪气或氙气占混合气体总体积不小于10％且小于100％。
9.如权利要求7所述的超低辐射镀膜玻璃的制造方法，其特征在于：所述溅射腔室的真空度小于5×10-5mbar，溅射时气压5×10-4mbar～5×10-2mbar。
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