关于真空沉积在聚丙烯表面的铝层的生长过程及界面粘附性的原子级研究

《Applied Surface Science》：Atomistic insights into coating growth and interfacial adhesion of vacuum-deposited aluminum on polypropylene surfaces

表面氧化调控铝涂层生长及界面结合机制研究。采用反应性分子动力学模拟，系统分析不同氧碳比（1-50%）下极化BOPP表面铝沉积过程及界面结合特性，揭示表面氧含量增加促进铝岛链连接及连续膜形成，降低导电成膜阈值至30% O/C以下，同时增强铝氧碳化学键合，使界面结合能提升约18%，机械剥离强度提高2.3倍，热循环稳定性显著改善。研究为电容器电极工艺优化提供原子尺度理论支撑。

　　

郝杜|刘一泽|刘永森|李卓然|王志强

中国大连理工大学电气工程学院

摘要

金属化双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜作为金属化薄膜电容器中的电极-介质组件。在实际应用中，真空蒸发的铝（Al）涂层可能会出现厚度不均匀和附着力较弱的问题，这可能导致局部脱落或开裂，从而降低设备的可靠性。本文利用反应分子动力学（ReaxFF-MD）模拟研究了表面氧化如何控制铝涂层的生长以及铝/BOPP界面的粘附力。铝原子被沉积在原始表面和极化表面的BOPP上，控制氧碳比（O/C）在1-50%之间。在所有情况下，铝的形成都经历了“岛屿成核→岛屿链连接→连续薄膜”的过程；在极化表面上，成核主要发生在氧原子附近。随着表面氧碳比的增加，导电渗透阈值厚度减小，涂层变得更加光滑。同时，界面混合厚度和界面结合能随着氧碳比的增加而增加，在氧碳比约为30%时达到稳定。剥离和热循环模拟进一步表明，在机械和热负荷下，极化表面比原始BOPP表面具有更稳定的界面。这些发现将表面化学与原子层面的涂层形态和粘附力联系起来，表明改善表面极化的均匀性是减少金属化薄膜电容器中电极缺陷的实际途径。

引言

金属化薄膜电容器被广泛用于电动汽车逆变器、脉冲电源和医疗设备中的能量存储和转换[1]、[2]。在这些电容器中，通常使用双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜作为介电材料，而厚度为20-100纳米的超薄铝（Al）涂层作为金属电极[1]、[3]。由于金属电极的厚度极小，铝涂层在BOPP表面的均匀性和界面粘附力对决定电容器可靠性起着关键作用。在实际运行中，涂层厚度不均匀以及金属电极与聚合物基底之间的粘附力不足经常导致电极开裂或脱落，最终可能导致电容器失效[4]。

在工业生产中，BOPP薄膜上的金属电极通常通过真空热蒸发法制备。在此过程中，铝金属在真空室内快速加热生成金属蒸汽，然后传输到聚合物基底上并凝结形成超薄金属涂层[5]、[6]。尽管这种技术应用广泛，但铝涂层在聚合物表面的生长行为以及控制金属-聚合物界面粘附力的机制尚未完全理解，尤其是在原子和分子层面。Dong等人报告称，铝涂层在聚合物表面上通过岛屿生长模式生长，较高的聚合物表面能会导致更高的金属岛屿密度和更低的连续薄膜形成阈值厚度[7]。其他研究表明，金属涂层与聚合物基底之间的强界面粘附力主要来源于金属-O-C化学键的形成[8]、[9]、[10]。因此，在真空沉积之前，通常会对BOPP薄膜进行电晕放电处理，引入含氧极性官能团，如C-OH、C=O和COOH[11]、[12]、[13]。虽然这些研究建立了表面化学、涂层形态和粘附强度之间的重要关联，但仅通过实验直接了解金属涂层生长和界面键形成的原子过程仍然具有挑战性。

在这项工作中，利用反应分子动力学（MD）模拟提供了关于真空热蒸发过程中铝薄膜生长和金属-聚合物界面相互作用的原子级见解。系统研究了在不同氧碳比（O/C）下，气态铝原子在原始表面和极化BOPP表面的沉积过程，模拟条件代表了真空热蒸发的实际情况。模拟结果再现了文献中报道的关键实验趋势，验证了该建模方法的有效性。基于模拟结果，分析了金属涂层的生长动态、界面结构的特征以及界面粘附力随表面氧碳比的变化。此外，还研究了在机械加载和热循环下的界面响应。本研究提供了对铝涂层生长和铝-BOPP界面相互作用的微观理解，为提高金属化薄膜电容器的可靠性提供了理论基础。

部分摘录

分子动力学与反应力场

分子动力学（MD）模拟为将微观原子运动与宏观材料属性（如温度、应力和密度）联系起来提供了一个原子级框架。在MD中，通过积分运动方程获得原子位置和速度的时间演化，而系统的热力学和机械属性则通过统计平均来评估[14]、[15]。原子之间的相互作用由力场描述，该力场定义了势能表面

铝电极的涂层生长动态

图4展示了铝原子在三种BOPP表面模型上的沉积驱动涂层生长过程：原始表面、氧碳比为15%的极化表面以及氧碳比为50%的极化表面。为了清晰地展示结构演变，使用来自三个相邻周期性盒子的原子在选定的模拟时间点进行了截图。随着铝原子不断被引入模拟盒子并向基底迁移，它们逐渐在表面上积累

对实际加工的启示

上述模拟表明，表面极化对涂层生长动态和电极/薄膜界面特性有显著影响。在工业实践中，空气中的电晕放电处理常被用作BOPP薄膜在金属蒸发前的预处理步骤，主要是因为其成本低且操作简单。然而，空气中的电晕放电本质上是丝状的，放电通道在空间上是局部的

结论

总结来说，BOPP上的较高氧碳比有助于更容易形成铝涂层并增强界面粘附力。随着氧碳比的增加，导电薄膜在更低的阈值厚度下形成，涂层表面变得更加光滑，界面从原始BOPP上的主要是物理接触转变为以铝-O-C键合为主的化学增强粘附。这些变化还提高了在剥离加载和热循环下的界面稳定性，表明界面

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者（郝杜）使用了ChatGPT来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者（郝杜）根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

郝杜：写作——审阅与编辑，撰写初稿，可视化，验证，监督，软件使用，方法论，研究设计，资金获取，形式分析，数据管理，概念构思。刘一泽：可视化，数据管理。刘永森：可视化，验证。李卓然：可视化，数据管理。王志强：项目管理，方法论，研究设计。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：郝杜报告获得了国家自然科学基金的支持。郝杜还报告获得了中央高校基本研究基金的支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响研究结果的财务利益或个人关系

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52507166）和中央高校基本研究基金（DUT25RC(3)024）的支持。