學鍍膜材料研究

光學鍍膜材料研究

摘要：隨著科學技術的發展進步，人們對於光學領域的研究越來越廣泛。而光學鍍膜技術又是光學研究中的重要課題。因此透過對光學鍍膜材料的研究來促進光學鍍膜的發展是亟待解決的難題。透過對於光學鍍膜材料性質特點的研究，來尋求未來光學材料的發展研究方向以及促進光學鍍膜技術的飛速發展，使之能夠更好地為人類社會的進步做貢獻。

關鍵字：光學鍍膜材料發展

一、引言

能源、資訊和生物技術被稱為現代社會的三大支柱，而材料科學又是能源、資訊和生物技術的基礎。隨著近幾年鍍膜技術的發展，推動了鍍膜材料的發展和完善。薄膜材料與薄膜技術形成了密不可分的相輔相成關係，並在我們的日常生活中發揮著重要作用。眼睛的保護膜、濾光膜、防紫外線膜；相機鏡頭保護膜、增透膜、增反膜；寶石上的膜層；汽車玻璃、幕牆玻璃的增反膜；光纖外壁反射膜等都在我們的生活中發揮著極其重要的作用。在我們的生活發生巨大變化的同時，我們也迫切需求光學鍍膜技術的急速發展。因此對於光學鍍膜材料的研究成為我們首要研究發展的課題。

二、光學鍍膜材料的分類及特點

目前，光學鍍膜材料常用品種已達60餘種，而且其品種、應用功能還在不斷被開發。

（一）、光學鍍膜材料的分類：

1、從化學組成上，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、強度和相位，使光線按預定要求傳輸，也可吸收或透過一定波長範圍的光線而調整光譜成份。

（2）光功能材料：這種材料在外場（力、聲、熱、電、磁和光）的作用下，光學性質會發生變化，因此可作為探測、保護和能量轉換的材料（如AgCl2，WO3等）。

（二）光學鍍膜材料的特點

從化學結構上看，固體材料（薄膜）中存在著以下鍵力：離子鍵、共價鍵、金屬鍵、分子鍵（或範德華鍵）。由於化學鍵的特性，決定了不同薄膜材料或薄膜具有以下不同特點：

（1）氧化物膜料大都是雙電荷（或多電荷）的離子型晶體結構，因此，決定了氧化物膜料具有熔點高、比重大、高折射率和高機械強度。它們的折射率一般在1。46~2。7之間。它們也被稱作硬介質光學材料。

（2）而氟化物中除含有離子鍵外，大多含有一定的結合力相對弱的分子鍵，而且氟離子的單電荷性都決定了氟化物膜料具有低熔點、小比重、低折射率和較差的機械強度（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光學薄膜材料。

（3）金屬或合金含有大量的自由電子，當光射到金屬或合金表面時，光子同電子雲的表面層相互作用，使得金屬中的電子得到能量而本徵激發，顯示金屬特有的光澤。一般金屬具有較強的反光性和吸光性，因此金屬（或合金）材料一般作為反光薄膜材料或光調節材料。

（三）光學鍍膜材料的表觀顏色

光學鍍膜材料的本徵顏色，是其對自然光譜的作用效果。

1、一般化合物（氧化物和氟化物）是粉末或團聚態，由於內部組織中沒有多餘的價電子，並且其結構是多孔、粗糙的，造成了對光譜的散射和表面均勻反射。因此多數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、光滑等良好的內部結構，在無吸收的情況下，光譜中多色光會均勻透過，因此，單晶體化合物一般是無色透明的；而多晶體內部由於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的反光性、不透明性和銀灰色外觀。

4、低價氧化物（如TiO、ZrO、AlO等），由於失氧作用，其內部不同程度地存在著沒有配對的自由電子或是不對稱離子結構，它們的結構介於氧化物和金屬之間，因此，它們往往出現一定的導電性和金屬化顏色。低價氧化物往往呈現灰色、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象。

三、鍍膜材料製備方法簡介

鍍膜材料製備的主要方法可概括為：

1、溼法（水法）製備工藝：

酸（鹼）溶法、液相萃取法、分餾法、結晶法。

2、火法高溫製備工藝：

熱還原法、物理汽相沉積（PVD）法、化學汽相沉積（CVD）法、液相外延生長法（LEC）、熱等靜壓成型法、高溫燒結法（或熔鍊法）。

一般材料的製備都是採用特定的溼法工藝和火法工藝相結合的方法，而且不同材料的製備工藝也有所不同。為了說明材料的製備工藝，圖1給出了兩種工藝製備二氧化鈦（TiO2）的簡易流程（見圖1）。

四、典型鍍膜材料介紹

（一）二氧化鋯（ZrO2）

ZrO2是普遍採用的一種膜料，它具有較高的折射率、膜層吸收小以及膜層牢固、抗腐蝕等許多優良特性，但它鍍膜時的鑽坑現象和工藝、材料的不穩定性導致了膜層折射率的不穩定，從而限制了它的廣泛應用。

（二）鈦氧化物系列（TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO）

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

TiO2 （高溫真空）→TiO+ Ti2O3+ Ti3O5+……○

這一現象在TiO2鍍膜鍋底剩料中不難發現，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，決定了成膜後TiO2膜對光吸收的大小。因此，直接用TiO2蒸發鍍膜，工藝條件和膜層效能的重現性也是比較難以控制的。近年來，根據TO2分解或歧化機理製成了TiO、Ti2O3、Ti3O5鍍膜材料，可有效地替代TiO2鍍膜。根據國內外目前對材料的鍍膜結果測試，Ti3O5效能最為穩定，使用效果最佳。

（三）中折射混合膜料（C1膜料）

在鍍膜實踐中，現成材料的折射率很難滿足膜系設計的要求，這就需要對材料進行有效地組合。目前單元材料中，低價折射率（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之間的高質量材料比較難找。我們根據羅倫茨—羅倫茲色散理論，對單元化合物材料進行了化學當量相熔，組成了多組份的中折射膜料（C1膜料）。

五、光學鍍膜的應用

（一）隔熱方面的應用

“隔熱”是指對紅外光區的有效阻隔。隔熱膜一般是由PET基材複合而成的薄膜，帶有的水溶性壓敏膠，它能緊緊貼住玻璃碎片，當發生碰撞或敲打擋風玻璃時，玻璃碎片不會脫落飛濺。對此，專業的解釋是隔熱膜本身有多餘3層的功能材料，厚度達到大於0。051mm，能承受國際標準97。1105磅的撞擊測試。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90%以上。第三代產品運用了很多新技術，如“磁控鍍膜”、“微米技術”、“奈米技術”、“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，從而達到既降低膜的厚度又提高了防爆效能的效果。 隔熱膜具有隔熱、安全防爆、隔紫外線、防劃傷、防眩光、增強私密性、清晰度高、綠色環保等特點。（二）相機鏡頭，眼鏡的應用

鍍膜常用在相機鏡頭、近視、遠視、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，抗紫外線並抑低耀光、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、變色的時間。現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材料雖然折射率等等指標很好，但卻存在偏黃現象，那就給它鍍上一層光譜遮斷膜，把偏色糾正回來，而現在鍍膜技術的發展已經可以補償一些較為廉價的光學材料的不足之處，鏡頭的設計已經不必像過去一樣使用昂貴的特殊配方光學玻璃來完成，所以新的鏡頭一般都是在每個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於鏡頭的重要作用。

（三）寶石的修復及鑑定

寶石學中的最佳化處理和其鑑定方法一直是個熱門話題，本義採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，同時修復寶石表面輕微劃痕，並利用摩氏硬度法，反射率對比法和元素分析法（SEMEDS）對鍍膜的寶石進行表面分析，表徵寶石樣品表面膜層的寶石學特性，其中包括膜層硬度、反射率（光澤強度）和元素組成。

六、光學鍍膜的發展前景

近10年來，世界光學鍍膜工業得到持續發展。今後10年，有關這方面的軍用和民用業務將大幅度上升而成為又一工業發展趨勢。同時對於光學鍍膜材料的研究也將成為熱點。未來社會所提倡的節能環保也必將促進光學鍍膜這一技術的發展。隨著科學技術的進步和發展，人們未來的日常生活將越來越離不開光能這一綠色資源。而對光學鍍膜材料的要求也會越來越高。光學鍍膜材料的研究依然是鍍膜技術的重中之重。因此鍍膜技術未來的發展前景還很遠大，需要我們共同為之努力！

七、結束語

同鍍膜工藝一樣，鍍膜材料工藝也是一門實踐性很強的學科。所有的鍍膜材料都需要透過鍍膜工藝去實踐、去檢驗，因此，材料製備和鍍膜工藝的有機結合，對鍍膜光學的發展將會產生積極的影響。

參考文獻：

1、王武育等，稀有金屬，1997，21（3）：212。

2、田民波等，薄膜科學與技術手冊（上）。北京：機械工業出版社，1991：311，369。

3、汪小蘭，有機化學，北京：人民教育出版社，1982：86。

4、Moriaki wakaki ，光學材料手冊。化學工業出版社2009。12

5、李翠香， 新結構蒸發鍍膜材料。中國包裝報2003年

6、羅清嶽，光學薄膜製成技術與應用。電子資訊時報2006年

7、邵剛勤，羅志平。氧化鋯系列噴塗粉末的製備及應用。表面技術，1996，252：30～341

8、林樹嘉等，真空鍍膜技術，北京：國防工業出版社，1964：25。

9、宋維錫，金屬學，北京：冶金工業出版社，1980：86。

10、H。G。F溫克勒，晶體構造和晶體性質，北京：科學出版社，1960。

11、鍾迪生，真空鍍膜，瀋陽：遼寧大學出版社，2001。

12、Brauer G 編，何澤人譯，無機制備化工手冊，北京；化學工業出版社，1959：123。