一、应力产生的原因

(一)热应力

在PVD镀膜设备镀膜过程中,由于温度的变化,基材与膜层之间的热膨胀系数若不匹配,就会产生热应力。当热膨胀系数差异存在时,在温度改变过程中,膜层与基材的伸缩程度不一致,从而在两者之间形成拉伸或压缩应力。例如在高温镀膜后冷却阶段,若膜层热膨胀系数大于基材,膜层冷却收缩程度大于基材,膜层就会受到拉伸应力,而基材受到压缩应力;反之则膜层受压缩应力,基材受拉伸应力。

(二)内应力

膜层原子或分子在基材表面重新排列及扩散过程中会引发内应力。在镀膜时,原子或分子沉积到基材表面并非简单堆积,而是会进行一定的排列重组以形成稳定结构,这一过程中原子间的相互作用和位置调整会导致内部应力的产生。

(三)结构应力

随着膜层厚度的增加,晶格结构可能发生变化或者缺陷逐渐积累,进而引起结构应力。膜层厚度的增加会改变原子排列的环境和条件,可能使原本规则的晶格结构出现畸变,或者一些原子空位、间隙原子等缺陷不断累积,这些都会导致应力的产生。

(四)残余应力

在镀膜过程中,如果膜层和基材的物理或化学特性差异较大,残余应力就可能在沉积及冷却过程中累积。例如,膜层与基材的密度、弹性模量等差异较大时,在沉积过程中原子的沉积方式、相互作用以及冷却时的收缩情况都会有所不同,从而产生残余应力。

二、应力的影响

(一)对膜层附着性影响

当应力过大时,膜层的附着性会显著降低,膜基结合力随之减弱,最终导致膜层剥离或脱落。过大的应力会破坏膜层与基材之间的化学键合和物理吸附作用,使膜层难以牢固地附着在基材表面。

(二)对膜层机械性能影响

应力过大还会使膜层的断裂韧性下降,容易出现膜层开裂或剥落现象。并且应力集中区域更是容易产生微裂纹,这些微裂纹会不断扩展,严重缩短膜层的寿命,使膜层无法在正常工况下长时间稳定工作。

(三)对光学和电学性能影响

应力会对膜层的光学和电学性能产生影响,如反射率、透射率、电阻率等。应力可能改变膜层的晶体结构和原子间距,从而影响光在膜层中的传播特性以及电子在膜层内的传导特性,进而使膜层的光学和电学性能偏离设计要求。

(四)对膜层结构稳定性影响

应力过大时,膜层会出现翘曲、变形或晶体结构的变化。特别是在多层镀膜系统中,不同层之间的应力差异容易引发界面失效或剥离。由于各层膜的应力情况不同,在相互作用界面处容易产生应力集中,当超过界面结合力时就会导致层间剥离等问题,破坏整个镀膜结构的稳定性。

(五)对膜层耐久性和可靠性影响

应力过大会严重影响膜层的长时间稳定性,降低其耐腐蚀性、抗磨损性等耐久性指标。应力可能导致膜层表面出现微观缺陷,这些缺陷为腐蚀介质和磨损颗粒提供了侵入通道,加速膜层的损坏,使膜层无法在预期的使用环境和时间内保持性能稳定。

三、降低应力的措施

(一)优化工艺参数

通过调整PVD镀膜设备镀膜过程中的工艺参数,如沉积速率、温度、气压等,可以有效降低表面应力。适当降低沉积速率能使原子或分子有更充足的时间进行有序排列,减少因快速沉积导致的应力累积;合理控制温度可以减少因温度变化引起的热应力,比如采用梯度升温或降温策略;调整气压能够改变原子或分子的运动状态和沉积环境,有助于降低应力。

(二)增加过渡层

在膜层与基材之间增加过渡层是一种常用的降低应力方法。过渡层材料的选择应使其热膨胀系数等物理化学性质介于膜层与基材之间,起到缓冲和协调作用,减少因两者性质差异导致的应力产生。例如在金属基材上镀陶瓷膜时,可先镀一层与金属和陶瓷性质都有一定相容性的金属氧化物过渡层。

(三)选择合适的材料

精心挑选膜层和基材材料,尽量使两者的热膨胀系数、弹性模量等物理化学特性相匹配,从而降低因材料差异引起的应力。在设计镀膜体系时,要充分考虑材料的综合性能,不能仅关注膜层的功能特性而忽视其与基材的匹配性。

(四)热处理

对镀膜后的样品进行适当的热处理,可以消除或减少部分应力。通过加热使原子获得足够能量进行重新排列和应力松弛,然后缓慢冷却,有助于稳定膜层结构并降低应力。但热处理的温度、时间等参数需要根据具体的膜层和基材材料进行优化确定。

(五)调整膜厚度

合理控制膜层厚度也能降低应力。避免膜层过厚导致的结构应力和残余应力过大问题,可通过理论计算和实验探索找到最佳的膜层厚度范围,在满足膜层功能要求的前提下,尽量降低应力水平。