一种新型的激光散射测量方法，用于检测PET薄膜在卷对卷制造过程中的张力

《Optics and Lasers in Engineering》：A novel laser scattering measurement method to detect tension in the PET film during the roll-to-roll manufacturing process

本研究提出基于偏振激光散射（PLS）的原位检测方法，用于解决PET薄膜在R2R制造过程中因张力导致的变形和皱褶问题。实验表明，PLS可有效检测张力状态及表面皱褶，其最小可检测应力为6.47 MPa，皱褶高度为8.3 μm，为数字制造提供了创新解决方案。

　　PET薄膜作为一种关键的基底材料，广泛应用于柔性电子设备的制造过程中，尤其是通过卷对卷（Roll-to-Roll, R2R）工艺。其弹性与柔韧的特性使其在运动过程中容易受到蠕变和温度升高的影响，尤其是在R2R系统中，由于反复的卷绕动作，PET薄膜可能会出现变形和褶皱。这些现象不仅影响制造的精度，还可能降低最终产品的稳定性和可靠性。因此，如何在制造过程中实时、有效地监测PET薄膜的张力状态，成为了一个亟待解决的问题。

针对这一挑战，研究团队提出了一种基于偏振激光散射（Polarized Laser Scattering, PLS）的新型在机测量方法，用于检测PET薄膜的张力状态。该方法通过分析激光在PET薄膜表面的散射特性，能够在不接触薄膜的情况下，实现对薄膜内部应力和表面褶皱的高精度检测。实验结果表明，PLS信号与PET薄膜的张力水平和表面褶皱高度之间存在指数关系，这意味着随着张力的增加，PLS信号也会相应增强。通过实验验证，该方法能够检测到的最小张力为6.47 MPa，而最小表面褶皱高度为8.3 μm。这些数值表明PLS方法在实际应用中具有较高的灵敏度和可行性。

当前，对于薄层材料的应力检测已有多种技术被提出并广泛应用。例如，传统的接触式方法通常包括在薄膜表面安装应变片，通过检测电阻变化来测量应变。然而，这种方法存在诸多局限性，如只能获取局部应变信息，可能在接触过程中对薄膜造成损伤，且难以在R2R平台上实现成本有效的应用。此外，拉曼光谱技术是一种常用的光学方法，它通过分析特征峰的频率偏移来评估应力，其中压缩应力导致频率向高值偏移（蓝移），而拉伸应力则导致频率向低值偏移（红移）。尽管拉曼光谱技术具有较高的灵敏度，但由于应力系数的非一致性，通常需要与其他技术结合使用，以提高检测的准确性。

为了实现对大面积薄膜的全场应力检测，激光干涉技术和光栅反射技术也被广泛应用。激光干涉技术能够通过干涉条纹的分析实现高分辨率的定量测量，适用于精密应用，但其数据处理过程较为复杂。光栅反射技术则基于衍射原理，能够通过跟踪光栅周期变化引起的条纹变化，实现对全场应力的实时监测。然而，这种方法对光栅的制造精度和环境稳定性要求较高。光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）技术可以测量薄膜在负载下的内部应变场，但其在深度和横向分辨率之间存在权衡，通常只能达到微米级别的精度，并且对材料的光学特性，如散射系数，具有较高的依赖性。

数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术也被用于研究薄膜的应变和裂纹演化。通过分析图像中的变形，DIC能够提供关于应变分布和裂纹形态的详细信息。然而，对于厚度在亚微米到微米级别的薄膜，实现定量应变场的检测仍然面临挑战。偏振光谱椭偏仪（Spectroscopic Ellipsometry, SE）技术通过分析偏振光与样品的相互作用，能够同时测量薄膜的厚度、光学常数和应力状态。然而，这种方法需要构建精确的光学模型，并且涉及复杂的测量和拟合过程。

此外，基于声弹性理论的应力评估方法也被用于研究薄膜的应力状态。该方法通过分析超声波在薄膜中的传播速度变化来评估应力，具有便携性、操作简便和现场实时检测的优势。然而，这种方法的精度有限，通常仅适用于金属材料。综上所述，现有的应力检测技术在不同应用场景中各有优劣，但在对聚合物薄膜，特别是R2R制造条件下，高效、非接触、实时检测张力应力的研究仍存在显著的空白。

为了解决这一问题，研究团队首次将PLS方法应用于PET薄膜的张力检测。PLS方法通过分析激光在薄膜表面的散射特性，能够实现对薄膜张力状态的非接触式检测。同时，该方法还能够检测薄膜在张力作用下的表面褶皱。为了验证PLS方法的有效性，研究团队还采用了有限元方法进行模拟。实验结果表明，PLS方法在检测薄膜张力和表面褶皱方面具有较高的灵敏度和准确性。通过实验数据，研究团队进一步验证了PLS方法在实际应用中的可行性。

PLS方法的引入不仅填补了聚合物薄膜张力检测技术的空白，也为R2R制造过程中的在线检测提供了新的解决方案。在柔性电子设备的制造过程中，薄膜的张力状态直接影响设备的性能和可靠性。因此，能够实时、有效地监测薄膜的张力状态，对于提高制造精度和产品质量具有重要意义。此外，PLS方法的非接触特性使其在工业生产中具有更高的适用性，避免了传统接触式方法对薄膜造成的损伤。

研究团队在实验过程中，对PET薄膜的张力状态进行了系统的检测，并结合有限元模拟验证了PLS方法的准确性。实验结果表明，随着张力的增加，薄膜的张力水平和表面褶皱高度均呈现出明显的上升趋势。同时，PLS信号的变化也与这些物理参数的变化密切相关，进一步验证了PLS方法在检测薄膜张力和表面褶皱方面的有效性。通过这一方法，研究团队不仅能够实时监测薄膜的张力状态，还能够评估其在不同张力条件下的变形行为。

此外，PLS方法的应用还拓展了其在其他领域的潜力。例如，在半导体制造过程中，PET薄膜常用于作为衬底材料，而PLS方法能够有效检测薄膜的内部应力和表面缺陷，为后续的加工和质量控制提供重要的参考信息。在生物医学领域，PET薄膜也被广泛用于柔性传感器和可穿戴设备的制造，而PLS方法能够提供对这些薄膜张力状态的实时监测，有助于提高设备的稳定性和可靠性。

综上所述，PLS方法在PET薄膜张力检测中的应用具有重要的研究价值和实际意义。该方法不仅能够实现非接触式的高效检测，还能够同时评估薄膜的表面褶皱，为柔性电子设备的制造提供了新的技术支持。未来，随着PLS方法的进一步优化和应用，其在工业生产中的潜力将得到更充分的发挥，为提高制造精度和产品质量提供更可靠的技术保障。