СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛООТРАЖАЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ НА СТЕКЛЕ Российский патент 2001 года по МПК C23C14/18 C23C14/48 C03C17/09 

Изобретение относится к способам нанесения теплоотражающих покрытий на стекло напылением в вакууме.

Известен способ получения теплоотражающих покрытий [1] методом магнетронного напыления. Данным методом получают сверхтонкие слои металлов 1-B группы, металлов 4,5,6-B групп, пленки полупроводниковых оксидов SnO₂, In₂O₃ (например, TiO₂-Cu-TiO₂). Перед напылением покрытия использовали режим ионной очистки.

Известен способ изготовления экзотермического стекла [2], в котором также методом магнетронного напыления наносят слои металла, выбранного из группы хром, никель, серебро, алюминий, медь толщиной 1000A, а также сплава содержащего, мас.%: индий 90; олово 10. Данный способ выбран как прототип.

Изучение свойств покрытий, полученных магнетронным напылением, показало, что они имеют недостаточную коррозионную стойкость и адгезию, которая сильно зависит от качества предварительной подготовки стекла. Поэтому к недостаткам прототипа можно отнести сложную многоэтапную подготовку стекла перед напылением - обработка спиртом, дистиллированной водой, ацетоном, сушка в печи при 200^oC.

Задача настоящего изобретения - получение теплоотражающего адгезионно-прочного покрытия на стекле, обладающего одновременно коррозионной стойкостью и износостойкостью.

Технический результат достигается за счет плавного перехода границы покрытия со стеклянной подложкой, с одной стороны, и между слоями в покрытии, с другой.

Поставленная задача решается тем, что, как и в известном способе нанесения покрытия на стекло, стекло предварительно очищают, а теплоотражающее покрытие наносят путем напыления в вакууме.

В отличии от известного в предлагаемом способе процесс напыления в течение всего времени нанесения покрытия сопровождают ионной обработкой.

Кроме того, для напыления покрытия используют вакуумное напыление либо дуговое, либо магнетронное.

Кроме того, покрытие напыляют трехслойное, первый слой - буферный, второй - отражающий, третий - защитный.

Кроме того, для напыления буферного и защитного слоя осуществляют вакуумное распыление по крайней мере одного катода, выполненного из металла, выбранного из группы, состоящей из алюминия, титана, олова в среде смеси газов кислород и аргон в отношении 0,2 - 0,8 и рабочем давлении 0,3 - 0,66 Па.

Кроме того, для напыления отражающего слоя осуществляют вакуумное распыление по крайней мере одного катода, выполненного из металла, выбранного из группы, состоящей из меди и серебра в среде аргона при рабочем давлении 0,3 - 0,66 Па.

Кроме того, ионную обработку, совмещенную с процессом напыления буферного и защитного слоя проводят пучком ионов кислорода, а при напылении отражающего слоя пучком ионов аргона с ускоряющим напряжением 8-10 кВ, плотностью тока 0,3 - 1 · 10^-4A/см² и рабочем давлении 0,3 - 0,66 Па в течение всего процесса напыления.

Кроме того, очистку стекла проводят в два этапа, в течение первого этапа, до помещения его в вакуумную камеру, проводят очистку моющими средствами, второй этап очистки проводят в вакууме и чистят пучком ионов аргона при ускоряющем напряжении до 1 кВ, плотностью тока не менее 1 · 10^-4 A/см² и рабочем давлении 0,3-0,66 Па не более 5 мин.

В данном изобретении для нанесения теплоотражающего покрытия на стекло использована совмещенная технология. Улучшение физико-химических свойств покрытий, непрерывно бомбардируемых высокоэнергетическими газовыми ионами, по-видимому, связано с протеканием во время роста пленки процессов радиационно-стимулированной диффузии и ионностимулированного перемешивания атомов на границе пленка - подложка и напыляемых слоев, а также в областях межфазных границ и внутри кристаллической решетки. В результате это приводит, с одной стороны, к плавному переходу границы покрытия со стеклянной подложкой и одной фазы в другую через ряд твердых растворов и, следовательно, к увеличению адгезии покрытия с подложкой и между слоями в покрытии, с другой стороны, к упрочнению кристаллов внутри слоя за счет образования в них микровыделений, близких к фазовому составу соседним слоям, что способствует увеличению износостойкости покрытия в целом. Повышение химической стойкости покрытия связано с уменьшением количества микропор в покрытии за счет ионной обработки.

Магнетронное и дуговое вакуумное напыление, в частности, использованное для напыления металлов и оксидов с одновременным облучением пучком ионов с заявляемыми режимами облучения и напыления позволило получить на стекле трехслойные теплоотражающие покрытия, например, SnO₂ + Cu + SnO₂, Al₂O₃ + Cu + Al₂O₃, TiO₂ + Cu + TiO₂ толщиной 450 - 600 нм. Например, режим вакуумного дугового напыления выбирался индивидуально для каждого материала катода. Основными критериями служили ток дуги (для меди до 80A, для олова до 50A) на катоде дугового испарителя, температура плавления материала катода, а также скорость напыления оксидного либо металлического слоя.

Были применены следующие режимы источника ионов: ускоряющее напряжение 8 - 10 кВ, плотность тока 0,3 - 1 · 10^-4 A/см², рабочее давление 0,3 - 0,66 Па в течение всего процесса напыления.

Величина ускоряющего напряжения выбрана из условия энергетических потерь при прохождении ионов покрытия. Для достижения эффекта перемешивания пограничных слоев покрытия и стекла достаточно, чтобы максимум упругих потерь энергии ионов располагался на границе пленка - подложка [3]. В то же время плотность тока ионов должна быть достаточно высокой, чтобы вызвать появление радиационно-стимулированных процессов, в результате которых достигаются эксплуатационные характеристики теплоотражающего покрытия, и не быть таковой по величине, чтобы скорость распыления V_р покрытия ионным пучком не оказалась сравнима со скоростью напыления V_н [4]. Расчет режимов совмещенной ионнолучевой обработки покрытия, получаемого дуговым или магнетронным напылением, дает следующее соотношение скоростей напыления и распыления: V_н (3 - 5) V_р.

В дальнейшем изобретение поясняется примером конкретного его выполнения.

В качестве подложки для напыления использовали натриево-кальциево-силикатное стекло марки М1 толщиной 4 мм и размерами 100 x 100 мм. Напыление покрытия проводили в вакуумной камере установки ННВ-6,6И1 с использованием двух дуговых испарителей с медным и оловянным (алюминиевым и титановым) катодами. В качестве источника высокоэнергетических ионов использовали широкоапертурный источник газовых ионов "Дионис-2" с диаметром ионного пучка 200 мм. Его ось была перпендикулярна осям дуговых испарителей и совпадала с осью вращения подложки. В точке пересечения осей помещали стеклянную подложку под углом 45^o, которую вращали со скоростью 10 об/мин. Таким образом зона напыления покрытия находилась под воздействием ионного пучка в течение всего процесса напыления покрытия. Режимы совмещенного с ионнолучевой обработкой напыления теплоотражающих покрытий приведены в табл. 1.

Теплоотражающие покрытия исследовали на изменения коэффициентов пропускания видимого света и отражения инфракрасного излучения, прочности сцепления покрытия со стеклом, химическую стойкость и износостойкость.

В табл. 2 приведены среднестатистические результаты измерений, по вышеуказанным характеристикам, не менее 10 подложек каждого типа покрытия.

Коэффициенты пропускания видимого света рассчитывались по спектрам оптического пропускания образцов с покрытиями в области длин волн 310-860 нм, которые записывались с помощью спектрофотометра SPECORD М40.

Коэффициенты отражения инфракрасного излучения рассчитывались по спектрам отражения инфракрасного излучения в области длин волн 2,5-15 мкм, записанные с помощью спектрофотометра ИКС-29 с приставкой ИПО-76.

Прочность сцепления покрытия с подложкой определяли штифтовым методом с записью кривой отрыва на машине растяжения ИМАШ-20-75, химическую стойкость покрытия определяли при выдержке в 0,5% растворе серной кислоты, износостойкость - по времени истирания покрытия на машине трения при вращении со скоростью 500 об/мин контртела в виде резинового наконечника, обернутого батистовой тканью, и при нагрузке 200 г на него. Для сравнения такие же измерения проводились на промышленных стеклах с теплоотражающим покрытием фирмы Interpane (магнетронное напыление).

Из приведенных в табл. 2 данных видно, что предлагаемое изобретение позволяет получить теплоотражающие покрытия (1-4) по оптическим и теплотехническим характеристикам, не отличающиеся от покрытий (5), а по прочности сцепления с подложкой, химической стойкости и износостойкости превосходящие в 3-5 раз. При этом в исследованном интервале режимов напыления и материалов наилучшим комплексом свойств обладают покрытия SnO₂ + Cu + SnO₂, хотя покрытия Al₂O₃ + Cu + Al₂O₃ и TiO₂ + Cu + TiO₂ имеют более высокую износостойкость. Поэтому такие стекла с теплоотражающим покрытием можно использовать для остекления жилых и производственных зданий как в стеклопакетах, так и в обычных рамах. При изготовлении стеклопакетов не требуется заполнение аргоном из-за высокой химической стойкости покрытия. При одинарном остеклении такие стекла можно применять в наружных и внутренних рамах, которые в процессе эксплуатации подвергаются регулярной мойке безабразивными моющими средствами.

Источники информации
1. Абрамов О.В., Зюзин Н.А., Либерман А.Б., Гиматдинов И.Г. Магнетронные теплоотражающие покрытия. - Вакуумная техника и технология, т.6, N 1, с. 19-22, 1996.

2. Патент РФ N 2075537, С 23 С 14/08, 14/18, БИ N 8, 1997 г.

3. Готт Ю.В. Взаимодействие частиц с веществом в плазменных исследованиях. - М.: Атомиздат, 1978, с.272.

4. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. - М.: Атомиздат, 1968, с. 347.

Изобретение относится к способам нанесения теплоотражающих покрытий на стекло напылением в вакууме. Сущность изобретения: стекло предварительно очищают, а теплоотражающее покрытие наносят путем напыления в вакууме, совмещая процесс напыления с ионной обработкой. Покрытие напыляют состоящим из трех слоев, а именно буферного, отражающего и защитного. Для нанесения покрытия используют дуговое или магнетронное напыление. Покрытие, получаемое по предлагаемому изобретению, обладает химической стойкостью и износостойкостью, а также адгезионной прочностью. Поэтому стекла с таким теплоотражающим покрытием возможно использовать для остекления жилых и производственных зданий как в стеклопакетах, так и в обычных рамах. 6 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ формирования теплоотражающего покрытия на стекле, включающий очистку стекла и нанесение покрытия путем напыления в вакууме, отличающийся тем, что процесс напыления в течение всего времени нанесения покрытия сопровождают ионной обработкой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве напыления в вакууме используют дуговое или магнетронное напыление. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что напыляют покрытие, состоящее из трех слоев, а именно буферного, отражающего и защитного. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для напыления буферного и защитного слоев осуществляют вакуумное распыление по крайней мере одного катода, выполненного из металла, выбранного из группы, состоящей из алюминия, титана, олова, в среде смеси газов кислорода и аргона в отношении 0,2 - 0,8 и рабочем давлении 0,3 - 0,66 Па. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что напыления отражающего слоя осуществляют вакуумное распыление по крайней мере одного катода, выполненного из металла, выбранного из группы, состоящей из меди и серебра, в среде аргона при рабочем давлении 0,3 - 0,66 Па. 6. Способ по пп.3 - 5, отличающийся тем, что ионную обработку при напылении буферного и защитного слоев проводят пучком ионов кислорода, а при напылении отражающего слоя - пучком ионов аргона при ускоряющем напряжении 8 - 10 кВ, плотности тока 0,3-1х10^-4А/см² и рабочем давлении 0,3 - 0,6 Па в течение всего процесса напыления. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку стекла осуществляют по крайней мере в 2 этапа, в течение первого этапа до помещения его в вакуумную камеру проводят очистку моющими средствами, второй этап очистки проводят в вакууме и чистят пучком ионов аргона с ускоряющим напряжением до 1 кВ, плотностью тока не менее 1х10^-4А/см² и рабочим давлением 0,3 - 0,66 Па не более 5 мин.