Surface Defect Visibility on Low-Emissivity Coatings After Heat Treatment

La consommation et la gestion de l'énergie gouvernent notre monde. Les revêtements à faible émissivité (« lowe coatings ») sont un type de revêtement fonctionnel déposé sur le verre architectural, destiné à être utilisé sur des fenêtres, tant pour des applications résidentielles que non résidentielles. Ils filtrent essentiellement les radiations infrarouges entrantes et sortantes des bâtiments, rendant ainsi la fenêtre plus thermiquement efficace et réduisant simultanément les coûts liés au chauffage et à la climatisation qui découlent de la mauvaise isolation typique des fenêtres non revêtues. Les revêtements à faible émissivité existent déjà depuis quelques décennies maintenant et se présentent, sous leur forme optimale, comme une série de couches extrêmement minces disposées dans une configuration diélectrique/métal/diélectrique. L'utilisation d'une fine couche métallique, le matériau le plus utilisé étant l'Ag pour ses propriétés optiques favorables dans les régions infrarouge et visible, est essentielle dans la conception du revêtement final. Ce verre revêtu doit être « trempé », c'est-à-dire traité thermiquement à haute température pendant de courtes périodes afin d'obtenir un verre renforcé thermiquement qui peut être utilisé en toute sécurité pour les bâtiments. Cependant, entre le dépôt du revêtement et le processus de trempe du verre, des défauts peuvent être générés à la surface des revêtements lors de la manipulation manuelle et robotique, du nettoyage et du polissage des produits. Sous l'effet du traitement thermique, ces défauts, qui peuvent être complètement invisibles avant le traitement, peuvent devenir très visibles, pouvant mener au rejet total du produit et rendant le contrôle de la qualité des produits difficile à gérer. Cette étude défini ces objectifs autour de cette problématique: reproduire des défauts de rayures visibles sur les revêtements, développer des techniques pour observer et quantifier l'apparition de défauts sur les revêtements avant et après le traitement thermique (HT), et proposer un modèle de dégradation pour l'intensification des défauts observés après le traitement thermique. L'analyse microstructurale et chimique, à l'aide de la microscopie AFM, SEM, TEM et des images EDS, a révélé différents modes de défaillance sur les échantillons après les tests de rayures. Des cas de déformation plastique, de fissuration par traction, ainsi que de délamination partielle et totale ont été observés sur les échantillons testés, variant en occurrence et en densité en fonction de la charge appliquée lors des tests de rayures.

Abstract

Energy consumption and management are very important in our world. Low-emissivity (low-e) coatings are a type of functional coating deposited on architectural glass, to be used on windows, for residential and non-residential applications. They effectively filter infrared radiation from entering and exiting buildings, rendering the window more thermally efficient, and, simultaneously, reducing resulting heating and cooling costs that arise from the typically poor insulation properties of un-coated windows. Low-e products have been around for a few decades now and consist, in their optimal form, as a series of extremely thin layers arranged in a dielectric/metal/dielectric arrangement. The use of a thin metallic layer, the most used material being Ag for its favorable optical properties in the infrared and visible region, is critical in the design of the overall coating. Such coated glass most often needs to be tempered, i.e. heat-treated at high temperatures for short periods in order to obtain thermally toughened glass that can be safely applied to buildings. However, between the deposition and tempering process of the glass, defects can be generated on the surface of the coatings via manual and robotic manipulation, cleaning, and polishing of the glass products. Following the heat treatment (HT), these defects, which can be completely invisible prior to heating, can become highly visible, leading to rejection of the product as well as rendering the quality control of the products difficult to manage. This work based its objectives around the following subject matter: reproduce noticeable scratch defects on low-e coatings, develop techniques to observe and quantify the appearance of as-coated and heat-treated defects on the coating, and propose a degradation model for the intensification of the defects observed post-HT. Topological and chemical analysis using AFM, SEM, TEM, and EDS imagery revealed various failure modes occurring on the samples following the scratch tests. Instances of plastic deformation, tensile cracking, partial and full delamination were all observed on the tested samples, varying in density and occurrence as a function of the applied load during scratch testing.