真空室的結構與性能研究

丁秀芳

（青島環球集團股份有限公司，山東 青島 266400）

真空室的結構與性能研究

丁秀芳

（青島環球集團股份有限公司，山東 青島 266400）

簡單闡述鍍膜真空室的主要結構、性能以及在設計制作中的技術點，深入探討了關鍵的幾個新型結構。

鍍膜；結構；新型

近幾年來，隨著國家有關建筑節能政策方針的大力實施和玻璃鍍膜工藝的快速發展，大面積鍍膜技術被廣泛應用到玻璃深加工行業。目前，最常見的玻璃鏡板的成鏡工藝有化學鍍銀鏡和真空鍍鋁鏡兩種。化學鍍銀鏡的生產過程是硝酸銀和氨溶液還原反應的過程，由于各種因素的影響，銀的轉化率較低，最高也只能達到85%左右，造成大量貴金屬銀的浪費。另外化學鍍銀鏡的反應過程中，產生了大量的廢氣及重金屬，這不僅造成了環境的污染，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，鋁鏡生產因其節約了大量的貴金屬白銀，生產過程中減少了重金屬的排放，相對銀鏡更節能，更環保，且生產效率高，價格較低，鏡片質量可媲美銀鏡，因此近幾年來國內市場鋁鏡逐漸走俏，并遠銷東南亞等地區。隨著真空鍍膜技術的不斷發展，從化學鍍銀鏡到真空鍍鋁鏡是制鏡行業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，其制備薄膜的原理是：在真空室充入壓強0.1～10Pa的惰性氣體Ar的同時，在陰極靶材下面放置強力磁鐵。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，圍繞靶面作圓周運動，在運動過程中不斷的與氬原子發生碰撞，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，經過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠離靶材，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動路徑，改變電子的運動方向，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、能實現大面積制膜的優點，成為當今工業化生產中研究最多、最成熟、應用最廣的一項成熟技術，也是薄膜制備中最常用的方法。

2 真空室的技術關鍵及新型結構

磁控濺射鋁鏡生產線，是近幾年來逐漸發展起來的新型裝備，其將各種規格的玻璃基板進行表面清洗烘干后，在真空鍍膜室里采用磁控濺射鍍膜的方式，鍍制高質量鋁膜，后經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線的核心配置，也是鋁鏡鍍膜工序的主要設備。真空室的規格和配置是根據可鍍鏡板的最大尺寸和生產節拍來確定，目前最常見的配置可生產3660mm×2440mm鏡板，同時每個節拍可生產2440mm×1220mm鏡板兩片，最快的生產節拍可達到36s。為了提高鍍鏡質量和生產效率，目前的真空室通常分為9個室，分別是前預抽室、前粗抽室、前精抽室、鍍膜室（3個室）、后精抽室、后粗抽室、后預抽室。

真空室實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行密封隔離。外部配置真空機組，滑閥泵對粗抽室進行預抽，并獲得真空室內部的一個真空度，羅茨泵和擴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鍵，也是控制鍍膜質量的關鍵。真空系統維持的是一個相對的真空度，鍍膜時真空度要求達到5×10-3Pa，漏率應低于2.5Pa/h。真空度的維持不僅跟真空泵的性能、抽氣能力有關系，同時真空系統內部零部件材料的材質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象，這些都密切關系到真空系統真空度的維持。因此在真空室設計時零部件材料的選用，真空系統抽速的計算和真空泵的選用都非常關鍵。同時對加工過程中零部件的表面質量，焊接過程中的焊接工藝、焊縫質量，真空室內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重要的一個工序，為了提高真空室的密封性，應盡可能地采用氬弧焊和手工電弧焊等焊接設備進行焊接，并盡量保證無漏焊、虛焊、氣孔、縮松、夾渣等焊接缺陷，減少漏點的數量。焊接前應做好焊前的準備工作，例如將焊條烘干除濕，板材內表面拋光去氧化皮，校直并保持平整，焊接區域進行衛生清理，確保板材焊縫處保持干燥且無油污、鐵銹等雜質等等，來保證焊縫的密實性，減少焊接補焊的幾率。焊接時，應合理安排內外焊縫的相對位置，內外焊縫最好能交錯分布，這樣方便真空檢漏，并應盡量減少焊縫的數量，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，真空室在結構設計中應縮短焊縫的總長度，并避免采用十字交叉的焊縫結構。腔體上應盡量減少開孔，需要開孔時，應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，每條焊縫應逐條進行初步檢漏。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行，能夠找出大的漏點，每個漏點應準確找到漏孔的位置，進行補焊。然后組裝真空系統進行抽真空檢漏，組裝時應確保真空室內部已搞好真空衛生，堅決不允許有油污、灰塵存在，系統內表面應保持清潔、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。真空系統要求的極限壓力達到3×10-3Pa時，升壓率應低于1Pa/h。如果真空室進行長時間抽氣后仍然達不到要求的真空度，首先應確保真空泵和真空機組工作是否良好。排除了上述問題，應分析真空系統是否存在大的漏點或者同時存在多個漏點。檢測上述問題的最簡單最常用的方法就是靜態升壓法，真空系統達到一定真空度后，關掉閥門，將真空室與真空機組隔開，采用適當的真空計，每隔一定時間測量容器的壓強，通過壓強曲線來分析是漏氣還是放氣。氮質譜檢漏儀是比較專業的、靈敏度很高的檢漏設備，能夠檢出很小的漏孔，通常被應用于真空系統的最終檢驗。

2.3 新型粗抽室結構

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節拍。為大幅度縮短抽真空的時間，提高生產效率，真空室的結構采用了階梯式設計。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、后真空室每個生產節拍均需抽真空1次、破真空恢復大氣壓1次，玻璃板才能進、出真空鍍膜室，完成連續生產，因此，隨著真空室容積的減少，破真空恢復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

真空鍍膜室破真空恢復大氣壓時，經充氣閥充入的氣流如果直接進入真空室，氣流速度很快、沖擊力大，容易造成玻璃板的破碎，從而導致整條生產線停機，影響正產生產。新型破真空充氣系統在設計上采用雙層槽式分流結構，外分流槽焊在充氣口上，內、外分流槽的小孔互相錯開，防止氣流直接沖擊。內、外分流槽端板分別焊在內、外分流槽的兩端。破真空充氣時，強烈的氣流從充氣閥進入，撞到內分流槽底板后向四周轉向分散，以較慢的流速經內分流槽各小孔流入內、外分流槽之間，最后以緩慢的流速經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的前級充氣孔數量多、面積大，故原先強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

濺射器件系統是真空鍍膜室的關鍵部分，用來實現把靶材沉積到玻璃基片上。其性能關系到沉積速率、薄膜均勻性、濺射穩定性和靶材的利用率等關鍵問題。目前國內的濺射靶采用陰極弧電源進行沉積，所以陰極的設計最為關鍵。新型濺射靶采用旋轉式同軸工作方式。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。旋轉式是磁控靶旋轉而磁鐵不轉，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域。旋轉式磁控靶不僅提高了靶材的利用率，而且濺射均勻。旋轉靶在濺射過程中靶材表面會產生大量的熱，使靶體溫度升高，超出永磁鐵的工作溫度后會導致永磁鐵明顯退磁，從而影響磁場的分布，最終導致鍍膜出現了黑斑、黑邊等質量問題。因此新型磁控靶基體配置循環水冷卻，冷卻水通過水管注入冷卻管內，帶走基體內壁和磁鐵組件的熱量，并經冷卻塔冷卻后循環使用。

3 結語

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

TF769

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1671-0711（2017）05（下）-0079-02