光學(xué)鍍膜材料論文

光學(xué)鍍膜材料研究摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，人們對(duì)于光學(xué)領(lǐng)域的研究越來越廣泛。而光學(xué)鍍膜技術(shù)又是光學(xué)研究中的重要課題。因此通過對(duì)光學(xué)鍍膜材料的研究來促進(jìn)光學(xué)鍍膜的發(fā)展是亟待解決的難題。通過對(duì)于光學(xué)鍍膜材料性質(zhì)特點(diǎn)的研究，來尋求未來光學(xué)材料的發(fā)展研究方向以及促進(jìn)光學(xué)鍍膜技術(shù)的飛速發(fā)展，使之能夠更好地為人類社會(huì)的進(jìn)步做貢獻(xiàn)。關(guān)鍵字：光學(xué)鍍膜材料發(fā)展一、引言能源、信息和生物技術(shù)被稱為現(xiàn)代社會(huì)的三大支柱，而材料科學(xué)又是能源、信息和生物技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著近幾年鍍膜技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了鍍膜材料的發(fā)展和完善。薄膜材料與薄膜技術(shù)形成了密不可分的相輔相成關(guān)系，并在我們的日常生活中發(fā)揮著重要作用。眼睛的保護(hù)膜、濾光膜、防紫外線膜；相機(jī)鏡頭保護(hù)膜、增透膜、增反膜；寶石上的膜層；汽車玻璃、幕墻玻璃的增反膜；光纖外壁反射膜等都在我們的生活中發(fā)揮著極其重要的作用。在我們的生活發(fā)生巨大變化的同時(shí)，我們也迫切需求光學(xué)鍍膜技術(shù)的急速發(fā)展。因此對(duì)于光學(xué)鍍膜材料的研究成為我們首要研究發(fā)展的課題。二、光學(xué)鍍膜材料的分類及特點(diǎn)目前，光學(xué)鍍膜材料常用品種已達(dá)60余種，而且其品種、應(yīng)用功能還在不斷被開發(fā)。

（一）、光學(xué)鍍膜材料的分類：

1、從化學(xué)組成上，薄膜材料可分為：

氧化物類：Al2O3、SiO、SiO2、TiO2、Ti2O3、ZrO2等

氟化物類：MgF2、BaF2、YF3、Na3AlF6等

其它化合物類：ZnS、ZnSe、PbTe等

金屬（合金）類：Al、Cr、Ti、Ag、Al-Ti、Ni-Cr等

2、從材料功能分，鍍膜材料可分為：

（1）光介質(zhì)材料：起傳輸光線的作用。這些材料以折射、反射和透射的方式改變光線的方向、強(qiáng)度和相位，使光線按預(yù)定要求傳輸，也可吸收或透過一定波長(zhǎng)范圍的光線而調(diào)整光譜成份。

（2）光功能材料：這種材料在外場(chǎng)（力、聲、熱、電、磁和光）的作用下，光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，因此可作為探測(cè)、保護(hù)和能量轉(zhuǎn)換的材料（如AgCl2,WO3等）。（二）光學(xué)鍍膜材料的特點(diǎn)

從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，固體材料（薄膜）中存在著以下鍵力：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、分子鍵（或范德華鍵）。由于化學(xué)鍵的特性，決定了不同薄膜材料或薄膜具有以下不同特點(diǎn)：

（1）

氧化物膜料大都是雙電荷（或多電荷）的離子型晶體結(jié)構(gòu)，因此，決定了氧化物膜料具有熔點(diǎn)高、比重大、高折射率和高機(jī)械強(qiáng)度。它們的折射率一般在1.46~2.7之間。它們也被稱作硬介質(zhì)光學(xué)材料。

（2）

而氟化物中除含有離子鍵外，大多含有一定的結(jié)合力相對(duì)弱的分子鍵，而且氟離子的單電荷性都決定了氟化物膜料具有低熔點(diǎn)、小比重、低折射率和較差的機(jī)械強(qiáng)度（膜層較軟）。它們的折射率一般在1.35~1.47之間，它們也被稱為軟介質(zhì)光學(xué)薄膜材料。

（3）

金屬或合金含有大量的自由電子，當(dāng)光射到金屬或合金表面時(shí)，光子同電子云的表面層相互作用，使得金屬中的電子得到能量而本征激發(fā)，顯示金屬特有的光澤。一般金屬具有較強(qiáng)的反光性和吸光性，因此金屬（或合金）材料一般作為反光薄膜材料或光調(diào)節(jié)材料。

（三）光學(xué)鍍膜材料的表觀顏色

光學(xué)鍍膜材料的本征顏色，是其對(duì)自然光譜的作用效果。1、

一般化合物（氧化物和氟化物）是粉末或團(tuán)聚態(tài)，由于內(nèi)部組織中沒有多余的價(jià)電子，并且其結(jié)構(gòu)是多孔、粗糙的，造成了對(duì)光譜的散射和表面均勻反射。因此多數(shù)情況下觀察到的化合物是白色的。

2、

晶體化合物材料具有均勻、無氣孔、光滑等良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在無吸收的情況下，光譜中多色光會(huì)均勻透過，因此，單晶體化合物一般是無色透明的；而多晶體內(nèi)部由于有晶界和晶體缺陷的存在，往往是半透明的。

3、

金屬中自由電子的存在，使得照射光子發(fā)生能量改變，因此這種作用造成了金屬或合金材料具有較強(qiáng)的反光性、不透明性和銀灰色外觀。

4、

低價(jià)氧化物（如TiO、ZrO、AlO等），由于失氧作用，其內(nèi)部不同程度地存在著沒有配對(duì)的自由電子或是不對(duì)稱離子結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)介于氧化物和金屬之間，因此，它們往往出現(xiàn)一定的導(dǎo)電性和金屬化顏色。低價(jià)氧化物往往呈現(xiàn)灰色、黑色和其它顏色。如Ti3O5呈紫黑色，TiO為金黃色。其他化合物，如氟化物、某些硫化物也有類似現(xiàn)象。三、

鍍膜材料制備方法簡(jiǎn)介

鍍膜材料制備的主要方法可概括為：

1、

濕法（水法）制備工藝：

酸（堿）溶法、

液相萃取法、分餾法、結(jié)晶法。

2、

火法高溫制備工藝：

熱還原法、

物理汽相沉積（PVD）法、化學(xué)汽相沉積（CVD）法、

液相外延生長(zhǎng)法（LEC）、熱等靜壓成型法、高溫?zé)Y(jié)法（或熔煉法）。

一般材料的制備都是采用特定的濕法工藝和火法工藝相結(jié)合的方法，而且不同材料的制備工藝也有所不同。為了說明材料的制備工藝，圖1給出了兩種工藝制備二氧化鈦（TiO2）的簡(jiǎn)易流程（見圖1）。

四、

典型鍍膜材料介紹

（一）

二氧化鋯(ZrO2)

ZrO2是普遍采用的一種膜料，它具有較高的折射率、膜層吸收小以及膜層牢固、抗腐蝕等許多優(yōu)良特性，但它鍍膜時(shí)的鉆坑現(xiàn)象和工藝、材料的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了膜層折射率的不穩(wěn)定，從而限制了它的廣泛應(yīng)用。（二）

鈦氧化物系列（TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO）

二氧化鈦（TiO2）理論研究和鍍膜實(shí)踐均已證實(shí)，TiO2在高溫，真空狀態(tài)下容易發(fā)生分解失氧或歧化反應(yīng)：

TiO2

（高溫真空）→TiO+

Ti2O3+

Ti3O5+……

○這一現(xiàn)象在TiO2鍍膜鍋底剩料中不難發(fā)現(xiàn)，其中各組份重新氧化成TiO2的條件是完全不一樣的。它們氧化程度的不同，決定了成膜后TiO2膜對(duì)光吸收的大小。因此，直接用TiO2蒸發(fā)鍍膜，工藝條件和膜層性能的重現(xiàn)性也是比較難以控制的。近年來，根據(jù)TO2分解或歧化機(jī)理制成了TiO、Ti2O3、Ti3O5鍍膜材料，可有效地替代TiO2鍍膜。根據(jù)國(guó)內(nèi)外目前對(duì)材料的鍍膜結(jié)果測(cè)試，Ti3O5性能最為穩(wěn)定，使用效果最佳。

（三）

中折射混合膜料（C1膜料）

在鍍膜實(shí)踐中，現(xiàn)成材料的折射率很難滿足膜系設(shè)計(jì)的要求，這就需要對(duì)材料進(jìn)行有效地組合。目前單元材料中，低價(jià)折射率（n＜1.60)和高折射率（n＞1.80）的材料較多，而折射率在1.60～1.80之間的高質(zhì)量材料比較難找。我們根據(jù)羅倫茨—羅倫茲色散理論，對(duì)單元化合物材料進(jìn)行了化學(xué)當(dāng)量相熔，組成了多組份的中折射膜料（C1膜料）。五、光學(xué)鍍膜的應(yīng)用（一）隔熱方面的應(yīng)用“隔熱”是指對(duì)紅外光區(qū)的有效阻隔。隔熱膜一般是由PET基材復(fù)合而成的薄膜，帶有的水溶性壓敏膠，它能緊緊貼住玻璃碎片，當(dāng)發(fā)生碰撞或敲打擋風(fēng)玻璃時(shí)，玻璃碎片不會(huì)脫落飛濺。對(duì)此，專業(yè)的解釋是隔熱膜本身有多余3層的功能材料，厚度達(dá)到大于0.051mm，能承受國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)97.1105磅的撞擊測(cè)試。隔熱膜又被稱為防曬隔熱膜，“防曬”是指能有效阻隔紫外線達(dá)90%以上。第三代產(chǎn)品運(yùn)用了很多新技術(shù)，如“磁控鍍膜”、“微米技術(shù)”、“納米技術(shù)”、“航天科技”等，紫外線阻隔率提高到90%~100%左右，紅外線阻隔率提高到30%~95%左右，膠的粘性更強(qiáng)，從而達(dá)到既降低膜的厚度又提高了防爆性能的效果.

隔熱膜具有隔熱、安全防爆、隔紫外線、防劃傷、防眩光、增強(qiáng)私密性、清晰度高、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。

（二）相機(jī)鏡頭，眼鏡的應(yīng)用鍍膜常用在相機(jī)鏡頭、近視、遠(yuǎn)視、老花鏡等矯正眼鏡上使用。鍍膜是在表面鍍上非常薄的透明薄膜。目的是希望減少光的反射，增加透光率，抗紫外線并抑低耀光、鬼影；不同顏色的鍍膜，也使的成像色彩平衡的不同。此外，鍍膜尚可延遲鏡片老化、變色的時(shí)間。現(xiàn)代鏡頭上的鍍膜大而化之可以分成兩種，一種叫增透膜，是增加光線透過率的，而另一種鍍膜則是改變鏡頭的色彩光譜透過特性的，比如一支鏡頭種某一片鏡片所用的光學(xué)材料雖然折射率等等指標(biāo)很好，但卻存在偏黃現(xiàn)象，那就給它鍍上一層光譜遮斷膜，把偏色糾正回來，而現(xiàn)在鍍膜技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以補(bǔ)償一些較為廉價(jià)的光學(xué)材料的不足之處，鏡頭的設(shè)計(jì)已經(jīng)不必像過去一樣使用昂貴的特殊配方光學(xué)玻璃來完成，所以新的鏡頭一般都是在每個(gè)鏡片的空氣接觸面上都有多層鍍膜的，這也從另一方面凸顯了鍍膜對(duì)于鏡頭的重要作用。（三）寶石的修復(fù)及鑒定寶石學(xué)中的優(yōu)化處理和其鑒定方法一直是個(gè)熱門話題,本義采用了全新的鍍膜手段“高頻濺射法”在多種寶石晶體表面鍍上二氧化鋯膜層,以此提高寶石表面光澤,同時(shí)修復(fù)寶石表面輕微劃痕,并利用摩氏硬度法,反射率對(duì)比法和元素分析法(SEMEDS)對(duì)鍍膜的寶石進(jìn)行表面分析,表征寶石樣品表面膜層的寶石學(xué)特性,其中包括膜層硬度、反射率(光澤強(qiáng)度)和元素組成。六、光學(xué)鍍膜的發(fā)展前景近10年來，世界光學(xué)鍍膜工業(yè)得到持續(xù)發(fā)展。今后10年，有關(guān)這方面的軍用和民用業(yè)務(wù)將大幅度上升而成為又一工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)對(duì)于光學(xué)鍍膜材料的研究也將成為熱點(diǎn)。未來社會(huì)所提倡的節(jié)能環(huán)保也必將促進(jìn)光學(xué)鍍膜這一技術(shù)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人們未來的日常生活將越來越離不開光能這一綠色資源。而對(duì)光學(xué)鍍膜材料的要求也會(huì)越來越高。光學(xué)鍍膜材料的研究依然是鍍膜技術(shù)的重中之重。因此鍍膜技術(shù)未來的發(fā)展前景還很遠(yuǎn)大，需要我們共同為之努力！七、結(jié)束語同鍍膜工藝一樣，鍍膜材料工藝也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。所有的鍍膜材料都需要通過鍍膜工藝去實(shí)踐、去檢驗(yàn)，因此，材料制備和鍍膜工藝的有機(jī)結(jié)合，對(duì)鍍膜光學(xué)的發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生積極的影響。參考文獻(xiàn)：王武育等，稀有金屬，1997，21（3）：212。田民波等，薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊(cè)（上）。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991：311，369。汪小蘭，有機(jī)化學(xué)，北京：人民教育出版社，1982：86。Moriakiwakaki,光學(xué)材料手冊(cè)。化學(xué)工業(yè)出版社2009.12李翠香,新結(jié)構(gòu)蒸發(fā)鍍膜材料。中國(guó)包裝報(bào)2003年6、羅清岳，光學(xué)薄膜制成技術(shù)與應(yīng)用。電子資訊時(shí)報(bào)2006年7、邵剛勤，羅志平