一、 真空镀膜原理

    有些朋友可能使用镀铝膜，有些朋友在生产镀铝膜时有些疑问，而本人做过几年镀铝，对这一行有点了解，应Bruce 的邀请，也正好本人十年前写过一本关于镀铝的基础读本，今天拿出来，与大家共同探讨，错误之处难免，希望大家指正。（QQ：4597951手机：13995864344）

一、
真空镀膜原理

一、真空镀膜简介

真空镀膜已有200年的历史。在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。1935年, 金属纸电容器用的Cd:Mg和Zn的真空蒸发卷绕镀膜研究成功(Bausch,Mansbridge)也就是所谓的物理气相沉积PVD(Physical
Vapour
Depostion)，而到六十年代中期时才成为重要的工业活动。真空获得、真空测量取得的进展是薄膜技术迅速实现产业化的决定性的因素。20世纪70年代各种真空镀膜技术的应用全面实现产业化。从那时起，在工艺的技术方面取得了显著进步，薄膜技术的发展进入黄金时期。1971年，镀铝的香烟包装纸研制成功（Galileo）1991年, 丙烯酸类聚合物上镀膜成功;ZrN装饰膜产业化(Leybold)；1995年，氧化硅阻挡膜取得专利（BOCCT公司）。通过200年的发展，该工艺已广泛使用。在包装领域，主要是在塑料薄膜，纸或纸板上镀一层阻隔层，以改变基材的外观和性能，增加阻气性，遮光性以及金属光泽，为包装产品提供更好的保护。

二、真空镀膜原理

该工艺是在一种特殊的物理状态下（真空状态下）进行，通过加热镀膜材料，使其在极短时间内蒸发，并沉积在基材表面上，形成膜。以此来获得一层极薄的致密金属层的方法，该层与基材紧密结合为一体，达到改善基材性能的目的。之所以要在真空下进行是因为：

①为在一个相对低的温度下蒸发金属，在真空下蒸发金属的温度小于在大气压下（在10-4mbar压力下，铝的蒸发温度大约是1450℃）。

②在几乎完全缺氧的情况下，可以避免氧化现象发生，否则会很快破坏沉积效果。

③为避免蒸发的金属粒子在从蒸发舟到达基材的过程中与空气分子相撞产生冲击，改变运动方向，从而使该工艺的效率太低（MFP被定义为一个空气分子与另一个分子发生碰撞前所经过的距离，有统计数字证明，在在10-4mbar压力下，该值为1米，而在大气压下该值要小于1μm，备注：来源于台湾成功大学一位女教授的资料，时间久远，忘记姓名）。

④为了在金属和基材之间获得最佳附着力，并避免在基材中的气体的分子被蒸镀后产生合并现象。

蒸发镀铝原理：

蒸发个镀铝包括两过程，首先是铝在蒸发舟的蒸发，其次就是铝蒸汽在基材上的凝结结晶。

1、饱和蒸汽压和蒸发速度

在真空环境中把蒸发材料（铝丝）加热熔化后蒸发（或升华），使其蒸汽凝结在衬底基材表面，形成镀层。如图1所示，铝丝加入蒸发舟中，被镀基材（塑料膜或纸张）置于蒸发源上面，当真空度达到5×10-2Pa（国内一般3×10-1Pa以下就可以了）时加热蒸发舟，使镀层材料蒸发，凝结在穿过冷却辊的基材表面。其过程大致如下：

①高真空中，物质一旦加热到高温，相应温度下的饱和蒸汽就在真空腔中散发：

②阻挡蒸汽流的基材如保持较底的温度，蒸汽则在其上形成凝固膜；

③为了弥补凝固的蒸汽，蒸发源要以一定速度供给蒸汽。

一般来说，单位面积蒸发物质的质量符合Langmuir式，蒸发速度可以用下式：

aμ=5.85×10-6Ps(T)(M/T)1/2，

Ps(T)
是温度T时的是镀层材料的饱和蒸汽压（Pa）

M
是镀层材料的摩耳质量

T

是蒸发时的温度（K）

2、镀层与基材的结合

①
镀层的形成。

从材料科学，我们知道材料的表面与内部不同，内部的原子受周围原子的吸引，在衬底材料的表面即相界面上将发生高位能，其超过部分称表面能。当蒸发气体原子进入表面力场后，将与衬底表面原子发生物理、化学、静电力作用，力图降低表面能，这就是产生吸附的原因。实际晶体的位能分布不均匀，在具有晶格缺陷时，晶界处有较高的表面能，蒸气原子将在此处有限吸附，凝结成核，当衬底材料温度低于镀层材料临界温度时，凝结速度大于解吸，凝结区将逐步壮大，最终形成连续膜。

根据晶体物理学我们知道，镀层材料在衬底上凝结时，若温度偏低，镀层结晶时由晶核生产的微晶，形成圆顶状组织，表面粗糙；若温度偏高，则可能引起镀层再结晶，形成圆柱状等轴粘组织，镀层的光学性能和化学性能不稳定，附着性能变差。对于在塑料薄膜上面镀铝来说。在蒸镀是，铝要从1450℃的蒸汽降到该温度范围内，将会放出大量热。为了保护衬底材料，通常要使衬底温度保持在室温，为此在蒸镀时要冷却塑料薄膜。

②镀层与基材的结合。镀层与基材的结合的界面形态一般有下面几种：

（a）物理吸附。
在衬底表面首先发生，其作用力为范德华力，吸附能力0.04~0.4eV，附着力在10-1~103N/mm2之间，吸附过程很快，在很低温度也可以进行。（电晕处理等可使材料表面极化，增加吸附力）

（b）化学吸附。
主要是形成化学键，在塑料镀铝中一般不发生。

（c）机械结合。
当衬底表面粗糙适当，在镀层凝结时可形成与衬底间的机械镶嵌结合。（电晕处理可以加强塑料薄膜的表面粗糙度，有利与铝的附着。）

（d）扩散吸附。
两种材料可溶时发生，互相扩散到对方时，由于材料内聚力的作用，可形成牢固的结合。

（e）表面张力。
在两种材料无化学作用，无扩散时，在表面张力作用下，附着能Ea=Es1+Es2-E12


Es1────— 衬底表面能

Es2────—镀层表面能


E12────—界面能
为了提高附着力，可通过表面处理（塑料薄膜的电晕处理、等离子处理等）增大表面能。

大路老师，我在思考一个问题，如何才能把专业高深的内容，讲得通俗易懂又富有乐趣化。你觉得有什么好的建议么？

讲的已经很清楚了！不错的文章！