防反射薄膜（精选4篇）
防反射薄膜 篇1
防反射薄膜[1] (anti-reflection coatings) 是指在一定的波长范围内, 可减少或消除光在界面上的反射, 增强光的透过率的薄膜, 应用领域广泛[1,2,3,4,5]。
透光率高、机械性能好、操作简单、成本较低、适合大规模工业化生产的防反射薄膜研究成为材料领域的热点之一。防反射薄膜通过减少反射区的光强以增加透射区的光强, 从制备原理上将其划分为干涉型防反射薄膜和仿生型防反射薄膜两类。
1 干涉型防反射薄膜
1.1 干涉型防反射薄膜的制备原理
根据光干涉原理和Fresnel方程, 当入射光通过空气到达防反射层界面时, 所产生的界面反射光在一定条件下发生相位逆转相消, 以达到防反射的目的[6]。
目前有单层和多层干涉型防反射薄膜。理想的单层膜必须满足以下条件: (1) 两个界面处反射光的振幅相等, 即nf= (n0ns) 1/2, 式中n0, ns, nf分别是空气、基材和薄膜的折光指数; (2) 在光学体系中, 薄膜的光学厚度为干涉波长的1/4, 即nf×d=λ0/4, 其中d为防反射薄膜的厚度, λ0=2λ1λ2/ (λ1+λ2) , λ1和λ2分别为波长范围的起点和终点值。对于理想的多层膜, 其折光指数和厚度必须满足: (3) n1= (n2ns) 1/2, n2= (n1n3) 1/2, n3= (n2n4) 1/2……np= (n (p-1) n0) 1/2, 式中p为防反射薄膜的层数, n1, n2, n3……np分别指第一层到第p层薄膜的折光指数; (4) n1d1=n2d2=n3d3……=npdp=λ0/4, 其中d1, d2, d3……dp分别为第一层到第p层薄膜的厚度。
由于目前常用基材 (玻璃) 的折光指数为1.52左右, 为满足上述条件, 则要求薄膜的折光指数大约为1.21, 其厚度为纳米级。然而之前常用于制备防反射薄膜的各类聚合物材料[7], 近年来通过引入纳米多孔材料, 利用其中空部分进一步降低薄膜的折光指数以达到防反射的要求。
1.2 干涉型防反射薄膜的制备方法
干涉型防反射薄膜的制备方法主要有蚀刻法、溶胶-凝胶法、层层自组装法和粒子沉积法等。
1.2.1 蚀刻法
1817年弗朗和费 (Fraunhofer) 发现[8], 蚀刻法可用于制备多孔材料, 而后进一步发展成为制备防反射薄膜的常用方法之一。该方法首先将2种物质混合形成共混物, 然后将旋涂了共混物的基质浸至溶剂中, 利用溶剂对2种物质的溶解性差异, 溶解去除其中1种物质 (分散相) , 在基质上得到纳米多孔结构的薄膜。
用于制备无机膜的材料一般为单晶硅和多晶硅, 鉴于无机材料的特点, 无机膜具有化学稳定性好、温度适应范围广、耐污染能力强、机械强度高等特点。Schironea等[9]通过在HF/HNO3中蚀刻单晶和多晶硅得到了多孔硅材料, 该材料波长在400~800nm内, 能够将反射率从8%降低到3%以下, 并且已用于面积超过12.8×12.8cm2的多晶硅太阳能电池上以降低其表面反射。
Walheim等[1]利用环己烷蚀刻聚甲基丙烯酸甲酯 (PM-MA) 和聚苯乙烯 (PS) 的共混物以去除分散相 (PS) 得到了厚度和折光指数分别为106nm和1.225的纳米级多孔防反射薄膜。玻璃片双面涂有该薄膜后, 波长为400~680nm, 透射比从91%增加到99.3%, 在λ=534 nm处透光率达到99.95%。同时, 蒋浩等[10]研究表明:对于上述方法制备的薄膜, 在去除分散相之前, 将玻璃片在100℃预热30min, 可得到机械性能和粘附性较好的防反射薄膜, 该方法处理后, 将薄膜暴露在室外1周且100W超声清洗10min后, 其透光率不受影响。
Kim等[6]用蚀刻法得到了三层宽波长防反射薄膜。Kim等在玻璃上依次旋涂含PMMA体积分率分别为0.3%、0.46%、0.69%的PMMA/PS混合液, 然后将旋涂好的玻璃置于紫外光照射和醋酸中去除PMMA, 得到折光指数从上到下递增的三层防反射薄膜。玻璃表面旋涂该薄膜后, 波长在400~2000nm的可见-近红外区域内, 反射率均低于1%。
1.2.2 溶胶-凝胶法
该方法利用无机盐或金属氧化物作为预聚体, 将预聚体与水、催化剂和溶剂等混合均匀形成溶胶溶液, 在不同的基材上通过浸渍提拉法或旋涂法将溶胶溶液涂膜, 经过凝胶、固化和热处理后, 形成具有纳米级多孔结构的防反射薄膜。
19世纪早期, 用溶胶-凝胶法在实验室制备得到了第一张防反射薄膜, 以SiO2、TiO2为预聚体, 通过浸涂, 400~500℃热处理, 在硅酸盐玻璃基质上得到了TiO2/SiO2-TiO2-SiO2三层结构的薄膜[11,12], 通过改变TiO2/SiO2的比例, 薄膜的折光指数可在1.458到2.22 (550nm处) 之间变化。
硅类无机盐和钛类无机盐也可作为膜用预聚体。Chen等[13]分别以钛醇盐和硅醇盐为预聚体制备TiO2基的溶胶 (高折光指数, 1.96) 和SiO2基的溶胶 (低折光指数, 1.43) , 再通过浸渍提拉法在塑料基材上形成高/低折光指数交替的防反射薄膜, 该薄膜在400~700nm波长范围内可将反射率降低至0.1%以下。
溶胶-凝胶法可在大面积基材上制备防反射薄膜, 通过控制溶胶组分和涂膜工艺条件来调节薄膜的厚度和折光指数。但该过程受溶胶条件、环境温度、退火条件等众多因素的影响且工艺条件复杂, 难以实现对薄膜的厚度和折射指数的精确调控。此外, 该方法所采用的溶胶组分通常是TiO2和SiO2等无机粒子, 在成膜过程中与基材的附着力差, 且热处理也会损害一些基材 (如低玻璃化温度的热塑性材料) 的结构, 从而影响薄膜的稳定性。
1.2.3 层层自组装法
层层自组装法由Decher等[14]首次提出, 近年来被证明是一种制备纳米级涂层的有效方法。通过将基材交替浸入到聚阳离子和聚阴离子溶液中, 利用2种离子之间的静电吸附作用实现层-层吸附, 从而在基材上得到多层复合防反射薄膜。
Rubner等[15]首次将正/负聚电解质聚烯丙基胺盐酸盐 (PAH) /聚丙烯酸 (PAA) 交替自组装在塑料基材上, 再在一定的pH值条件下进行微相分离, 得到折光指数在1.15~1.55之间梯度变化的纳米多孔防反射薄膜, 该薄膜在波长400~700nm处, 透射比为99%, 在520nm处透光率达到99.99%。Shiratori等[16]通过减少浸涂时间和加入氯化镁缩短了上述工艺的操作时间, 当浸涂时间从900s减少到180s, 膜厚保持不变, 且经过盐酸处理后, 薄膜的折光指数也保持不变, 经过改进后, 硅片的反射率从0.7% (900s) 降低到0.2% (180s) 。
孙俊奇等[17]将多孔二甲基二烯丙基氯化铵 (PDDA) /粒径为220nm的SiO2粒子层层自组装在石英玻璃上, 得到在近红外区域 (900~2500nm) 有良好透光率的超憎水有机/无机结构的防反射薄膜。当薄膜结构为 (PDDA/SiO2) 8时, 薄膜在近红外区域内的最高透光率达到98.5%, 相比于原石英基质提高了5%以上。
Robert等[18]用层层自组装法, 在PMMA基质上得到了纳米多孔双层防反射薄膜, 基质交替吸附SiO2/ZnO2做为第一层高折光指数的防反射薄膜, 在此基础上, 进一步交替吸附SiO2/PAH做为第二层低折光指数的防反射薄膜, 从而得到波长为200~800nm的反射率低于2%的双层防反射膜, 在320~450nm处, 薄膜表面反射率接近于零。
基于静电相互作用的层层自组装法, 可在微米/纳米尺寸上对材料的结构和性能进行调控, 选材范围广, 即便在不平整的基材表面上也能附着防反射薄膜, 操作条件为常温常压, 生产成本较低。但该法操作时间长, 生产效率低, 过程极为繁琐, 因此目前该法仅在实验室使用。
1.2.4 粒子沉积法
Hattori等[19]首先在玻璃表面上涂覆多层聚电介质, 再利用静电力作用吸附带反电荷的SiO2粒子, 从而形成由SiO2粒子组成的单层防反射薄膜, 其折光指数为1.25。玻璃双面涂有该薄膜后, 在波长500nm处的透光率达到98.8%。
蒋浩等[20]将PMMA纳米粒子旋涂在玻璃表面, 通过调节旋涂速度和PMMA粒子的粒径来制备具有低折光指数的防反射薄膜。当玻璃单面和双面涂有该薄膜后, 在λ=550nm处的透光率分别为95.7%和99.5%。
粒子沉积法通过控制涂膜液中粒子的粒径和分散液浓度、旋涂速度以调节防反射薄膜的厚度和折光指数。该方法操作过程简单, 影响因素较少。但是在此方法中, 为降低材料的折光指数必须使粒子间保持一定的空隙, 折光指数越低, 所需空隙越大, 当空隙较大时又会引起光的散射, 从而降低薄膜的光学性能, 故此方法对薄膜的折光指数调控范围有限。
2 仿生型防反射薄膜
1967年, Bernhard[21]首次发现飞蛾的眼角膜天生具有防反射的功能, 这是因为“蛾眼”角膜的突出部分 (鼓包) 使其折光指数逐渐改变, 从而可降低或消除多方向的反射光。近年来, 根据“蛾眼”结构的特点制备仿生型防反射薄膜已经成为防反射薄膜研究的热点。
通常制备仿生型防反射薄膜的方法有光刻法、电子束印刷术、纳米印刷术和干涉光刻法等。
Ting[22]用光刻法得到“蛾眼”结构的防反射薄膜, 该薄膜在可见光范围内有良好的防反射效果, 在550nm处的透光率达到95.1%。
Kanamori[23]用电子束印刷术在PMMA基材上得到了周期为200nm, 深度为90nm的“蛾眼”结构的亚波长防反射薄膜, 该薄膜在500~800nm的波长范围内能够有效降低基材的反射, 在600nm处, 透光率从96.1%增加到99.5%。
Zhaoning[24]用纳米印刷术在硅片上得到了折光指数梯度变化的纳米级锥形SiO2防反射薄膜, 二维结构的上述亚波长防反射薄膜在可见光范围内可有效降低基材的反射率, 尤其是在632.8nm处的反射率为0.3%。
Heon Lee[25]用干涉光刻术在太阳能保护层上制备了纳米级“蛾眼”结构PVC防反射薄膜, 该薄膜在400~1000nm的波长范围内有良好的防反射效果, 基材单面和双面涂覆该薄膜后, 透光率分别增加了3%和7%。
目前仿生型防反射薄膜生产设备昂贵, 工艺复杂, 操作条件苛刻, 结构尺寸很难调控, 难以进行大规模生产, 难以实现对薄膜的厚度和折光指数的精确调控等问题;此外“蛾眼”结构的防反射薄膜机械性能差, 光学性能的长期稳定性差, 这些都是制备仿生型防反射薄膜所需要克服的难题。
3 结论
综上所述, 目前防反射薄膜在涂膜材料的应用、工艺条件的改进、适用基材的选择等方面都取得了较快发展, 薄膜的光学性能和机械强度也得到较大提高。目前制备防反射薄膜还存在着以下问题。
(1) 现有的制备方法存在着工艺复杂, 影响因素多, 操作条件苛刻等问题, 难以实现对防反射薄膜的厚度和折光指数的精确调控。
(2) 目前防反射薄膜, 仍然面临着光学性能不稳定, 机械强度差等亟待解决的问题。
针对上述问题, 有采用聚合物中空纳米粒子技术进一步降低材料折光指数的趋势, 通过紫外光照, 加热或臭氧处理等方法对薄膜进行固化, 加入胶黏剂等提高薄膜的机械强度等改进方法。随着防反射薄膜在光学仪器、光电转化器、太阳能电池等领域中应用的日趋广泛, 对其性能提出了更高的要求, 如何改进防反射薄膜的制备方法, 提高其光学性能和机械稳定性已成为防反射薄膜研究的热点。
摘要：综述了干涉型防反射薄膜和仿生型防反射薄膜的制备原理和方法, 重点阐述了上述2种防反射薄膜及其制备方法的研究背景、研究进展及所面临的挑战, 展望了防反射薄膜的发展趋势及应用前景。
关键词：干涉型防反射薄膜,仿生型防反射薄膜,制备方法,聚合物,纳米粒子
防反射薄膜 篇2
当今,手机、笔记本电脑、平板电视的显示屏已普遍使用了平板显示装置,经常在户外使用的手机、笔记本电脑以及常在户内使用的平板电视,由于外界光线在显示器的反射导致了显示屏图文显示不清晰、可视性极差的问题,很有必要改善在各种环境下的视觉效果,因此提高显示装置的可视性已成为提高显示器主要性能的研究重点之一。将反射薄膜用于显示装置的表面上,就是为了防止外界光线在显示屏上的反射所导致的图像对比度降低,提高显示装置的可视性。
根据生产工艺防反射膜可以分为干法和湿法2种。利用溅射、蒸镀等干法生产的防反射膜防反射效果良好,表面硬度、耐刮擦等性能优良。但因使用昂贵的真空镀膜设备、生产成本高、不易大面积化以及生产性低等问题,其售价一直居高不下[1]。湿法防反射膜可以采用卷对卷式的涂布方式生产,能够大面积量产、可大幅降低制造成本、价格较低等优势,逐渐成为近期新产品开发的热点。
湿法防反射膜大体分为2类,一类是AR防反射膜(anti-reflective film)[2],即通过使用多层涂覆设计(multi-coating design),在基材表面设置高折射率层与低折射率层叠加的多层膜,通过调整入射光(L0)于膜表面的反射光(L1)与多膜层各层间的反射光(L2～L3)的相位,以抵消方式进行干扰,降低光的振幅,最终减低反射光(图1);另一类是AG防反射膜,其防反原理是通过涂布防眩光涂层(anti-glare coating)降低反射率—通过在表面上的凸凹形状引起漫反射,防眩原理见图2。因其技术难度低、易于产业化而被广泛应用于显示器领域。然而,其存在的问题是,由于漫反射使高分辨率显示器中的分辨率劣化致使图像质量存在缺陷,市场逐渐趋于萎缩。
AR防反射薄膜的层间结构主要有2种:双层结构和单层结构。崔圭夏等[3]采用了双层结构即高折射率层和低折射率层制备了防反射膜,而长谷川卓司等在透明基膜上直接涂布低折射层制备AR防反射薄膜[4],均能获得理想的反射率。
无论采用何类层间结构,低折层是必不可少的。AR防反射膜在光学上的防反射原理主要是利用光线在不同介质(涂层)中传播而产生干涉效果,通过控制功能性涂层的折射率与厚度的乘积等于入射光波长1/4奇数倍的效应,获得防反射效果[5]。对于单一涂层结构,欲达到最佳的防反射结果,即R达到极小值,依据公式:
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其中R为光的反射率;n0为空气介质(n0=1);n1为薄膜折射率;n2为基材折射率选择满足undefined条件的材料,由于n0=1,则有undefined,所以,便可使反射率R降为0,实现光波全透过。三醋酸纤维素基材的折射率约在1.5,低折层的折射率1.225,则可实现全波透过。因此开发更低折射率的涂层是近期AR防反射薄膜的研究重点。常见的低折材料是含氟化合物,含氟聚合物由于易于涂布成为低折材料的首选[6]。另外,空气的折射率等于1,引入空气也成为了获得更低折射率的主要方式。引入空气的方法有:(1)在低折射率涂层中添加中空二氧化硅[7],但是中空二氧化硅制备工艺复杂[8,9,10,11],成本高,生产不稳定;(2)利用溶胶-凝胶法[12]或者用氟改性的溶胶-凝胶法[13,14],在薄膜基材上堆积蓬松的二氧化硅,制备以二氧化硅为主体的防反射薄膜。但是其固化薄膜需要长时间加热,并且加热温度至少高于200℃,生产负荷很大[15]。
本文采用含氟单体和纳米硅溶胶作为低折材料,加入溶剂、UV固化单体、引发剂、流平剂等助剂,通过辐射聚合法制备了防反射涂覆液,并且,将涂覆液用线棒涂布在三醋酸纤维素基材上,制备了低反射薄膜。同时研究纳米硅溶胶的分散介质、粒径大小及其用量对防反射薄膜性能的影响。
2 实验部分
2.1 材料及设备
丙烯酸含氟酯(国产);纳米硅溶胶;改性纳米硅溶胶(自制);DPHA(二季戊四醇六丙烯酸)(天津天骄);光引发剂184(天津天骄);流平剂435;丁酮;甲基异丁酮;丁醇;乙酸乙酯。
高速剪切机(上海威宇);5#涂布丝棒(美国RDS);膜厚仪(美国FILMETRICS公司F—20);分光光度计(日本日立公司U—3000);铅笔硬度计(日本三菱);雾度计(WGT—S);光固化光源(蓝天特灯LT—UV102);恒温干燥箱(保定利达电子机箱厂LDP—Ⅱ)。
2.2 防反射涂覆液的配制
室温搅拌下,将一定质量的丙烯酸含氟酯加入到不锈钢容器中,按一定比例依次加入丁酮、甲基异丁酮、丁醇、乙酸乙酯,充分溶解后,再按顺序加入纳米硅溶胶、DPHA、引发剂184、流平剂435,继续搅拌30min,再以1000r/min速度高速剪切分散15min,静置消泡2h,得到防反射涂覆液。
2.2.1 纳米硅溶胶分散介质对比试验
纳米硅溶胶的分散介质分别是丁酮、甲基异丁酮、异丙醇,其他组分相同,按上述配制过程制备防反射涂覆液,进行对比试验。
2.2.2 纳米硅溶胶粒径对比试验
纳米硅溶胶粒径分别为15nm、50nm、100nm,分散介质均为丁酮,其他组分相同,按上述配制过程制备防反射涂覆液,进行对比试验。
改性的纳米硅溶胶粒径分别为15nm、50nm,分散介质均为丁酮,其他组分相同,按上述配制过程制备防反射涂覆液,进行对比试验。
2.2.3 纳米硅溶胶添加量对比试验
纳米硅溶胶采用改性和未改性的,粒径为15nm,分散介质均为丁酮,添加量分别为8%、10%、12%、14%,其他组分相同,按上述配制过程制备防反射涂覆液,进行对比试验。
2.3 防反射薄膜的制备
用5#线棒将上述防反射涂覆液均匀涂覆在厚度为80μm的三醋酸纤维素(TAC)基材上,温度80℃下干燥3min,之后,在氮气保护下,使用光固化装置以照射线量160mJ/cm2进行紫外线照射,使涂层固化,制备涂层干厚100nm的AR防反射薄膜。
2.3 测试评价
2.3.1 涂层折射率测试
将试样裁成10mm×10mm尺寸,试样背面应用黑色胶带粘贴,以减少二次反射。利用光的干涉原理,通过对垂直入射光在薄膜上下表面产生的反射相干光进行光谱分析,计算不同波长光通过薄膜涂层上下界面反射光之间的光程差,测得薄膜涂层的折射率。
2.3.2 防反射薄膜的反射率测试
测试样制作:将黑色油墨(自制)组合物采用丝网印刷机印在防反射薄膜背面,样片自然干燥5min后,放入烘箱在60℃烘干60min,制得AR防反射薄膜测试样品。用分光光度计测定400～700nm波长范围内光谱反射率比。
2.3.3 防反射薄膜的雾度
雾度测试采用G/B2410-80《透明塑料透光率和雾度试验方法》标准。
3 结果与讨论
3.1 防反射薄膜雾度的影响因素
3.1.1 纳米硅溶胶不同分散介质对防反射薄膜雾度的影响
在不同分散介质中纳米硅溶胶的应用效果不同,实验分别选用酮类、醇类溶剂作为纳米硅溶胶分散介质制备防反射涂覆液,在酮类分散介质中的纳米硅溶胶应用效果最好,防反射涂覆液颗粒均匀、稳定性好;而在醇类分散介质中(如异丙醇)应用效果较差,易产生絮凝或分层现象。这是由于纳米硅溶胶表面易与空气中的水分子作用而带有羟基,表现出很强的亲水疏油性,所以,纳米硅溶胶在有机介质中(除醇类有机溶剂)难以均匀分散[16],除了醇类溶剂以外,在其它有机介质中,可以通过改性剂与粒子表面上的羟基发生反应, 从而在粒子表面形成一层能与被填充聚合物分子链发生反应的亲油性基团[17],可避免出现絮凝的产生。由于异丙醇做分散介质的纳米硅溶胶没有对表面的羟基改性,其表面的羟基与其它组分反应造成了防反射涂覆液絮凝或凝聚物或分层现象,致使雾度增大。表1给出了酮类和醇类溶剂做分散介质的纳米硅溶胶制备的防反射薄膜雾度测试值,结果表明酮类和醇类2种分散介质的纳米硅溶胶应用效果差异很大,酮类溶剂分散介质应用效果较好。
3.1.2 纳米硅溶胶粒径对防反射薄膜雾度的影响
纳米硅溶胶的粒径大小对薄膜的光线透过影响很大,纳米粒子粒径在1～100nm之间,小于可见光的波长,对薄膜透明度影响较少[18]。影响雾度的因素除了材料本身、制作工艺之外,树脂间的相容性、折射率差异以及组分间配比等因素均会对雾度产生影响[19];由于防反射涂覆液中各组分折射率的差异和加工工艺的影响,防反射薄膜涂覆层中加入粒径100nm的硅溶胶后雾度较高,而加入小于50纳米硅溶胶后其雾度较小。表2给出了不同粒径纳米硅溶胶对防反射薄膜雾度的影响,从表中看出,加入粒径100nm纳米硅溶胶的薄膜雾度明显升高。
因此,本研究制作防反射膜涂覆液中所用纳米硅溶胶的粒径控制在50nm以下。
3.1.3 改性纳米硅溶胶添加量对防反射薄膜雾度的影响
由于带有甲基丙烯酰基的倡联剂,易于和其他带有丙烯酰基的含氟有机物发生聚合反应,因此自制了用偶联剂改性纳米硅溶胶应用于防反射涂覆液中,制备防反射薄膜。在防反射涂覆液中改性纳米硅溶胶添加量与防反射薄膜雾度的关系见图3和表3。
从图3和表3中可以看出,薄膜的雾度随着改性纳米硅溶胶添加量的增大而升高,当改性纳米硅溶胶的添加量为10%时,雾度达到最高,之后随着改性纳米硅溶胶添加量的逐渐增大,薄膜雾度也逐渐降低,即纳米硅溶胶添加量在12%～16%时雾度较低。这是由于防反射涂覆液各组分之间的配比不同影响了防反射膜的雾度[19]。
3.2 纳米硅溶胶添加量对低折层折射率的影响
3.2.1 纳米硅溶胶添加量对低折层折射率的影响
在防反射涂覆液中加入未用偶联剂改性纳米溶胶,其添加量和防反射薄膜低折层折射率的影响关系见图4。
由图4可以看出,不论未改性纳米硅溶胶的添加量为多少,其折射率基本大于1.40。根据防反射原理,要获得理想的防反射效果,折射率至少低于1.40。因此,未改性纳米硅溶胶对防反射膜的研究没有实际意义。
3.2.2 改性纳米硅溶胶添加量对低折层折射率的影响
在防反射涂覆液中偶联剂改性纳米溶胶,其添加量和防反射薄膜低折层折射率的影响关系见图5。
从图5中可以看出,改性纳米硅溶胶的添加量与折射率的关系基本符合二次函数曲线。随着改性纳米硅溶胶的添加量逐渐增大,涂层的折射率逐渐减小,当改性纳米硅溶胶的添加量为12%时,出现了折射率最小值,随着改性的纳米硅溶胶的添加量逐渐增大,涂层的折射率反而会升高。这是由于改性剂和硅溶胶结合,从而最终形成无机网络与有机网络通过共价键连接的杂化材料[20],正是无机、有机网络的存在,使得涂层更蓬松,提高了涂层的孔隙率。由于多孔SiO2 涂层折射率与膜的孔隙率有如下关系[21]:
np2=(n2-1)(1-p)+1
式中np为多孔薄膜的折射率;n为致密材料的折射率;p为薄膜中非散射孔洞所占的体积百分比;p决定着n的大小。因此,随着改性纳米硅溶胶添加量的增加,涂层的孔隙率提高,从而降低了折射率。但是随着纳米硅溶胶添加量的不断增加,无机与有机网络逐渐密集,这些网络之间空隙减少,折射率也随之降低。
3.3 纳米硅溶胶对防反射薄膜反射率的影响
3.3.1 改性纳米硅溶胶添加量对防反射薄膜反射率的影响
在防反射涂覆液中偶联剂改性纳米溶胶的添加量和防反射薄膜反射率的影响关系见图6。反射曲线1～4分别是改性纳米硅溶胶的添加量为8%、10%、12%、14%时的反射率。
1:8%;2:10%;3:12%;4:14%
由图6中可以看出,改性纳米硅溶胶的添加量为12%时反射率最低。防反射膜的制备是将TAC基材作为高折层,将本文研究的涂层作为低折层,涂层干厚控制在100nm左右。上述结果可解释为,按照防反射膜的防反射原理[5]:
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由于不同添加量的改性纳米硅溶胶涂层折射率不同,最终造成薄膜的反射率会不一样。
3.3.2 改性纳米硅溶胶粒径对防反射薄膜反射率的影响
在防反射涂覆液中改性的不同粒径纳米硅溶胶添加量和防反射薄膜反射率的影响关系见图7。
1:15nm/12%;2:50nm/12%;4:50nm/14%
图7中曲线1为改性硅溶胶颗粒粒径为15nm、添加量为12%的反射曲线,曲线2为颗粒粒径为50nm、添加量为12%的反射曲线,曲线3为颗粒粒径为50nm、添加量为14%的反射曲线,由于粒径越大比表面积越小,故在相同的防反射效果情况下,改性纳米硅溶胶的粒径越大,其添加量要多,所以选择粒径为15nm、改性的纳米硅溶胶作为防反射膜的低折材料。
4 结论
防反射薄膜 篇3
关键词：沥青加铺层,反射裂缝,疲劳试验,MTS,应力吸收层
在现阶段, 我国存在大量的水泥混凝土路面正在或者面临不同程度的维修, 在旧有水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土层是普遍采用的旧路改造措施。在内蒙古地区, 加铺沥青的路面上的设计存在着诸多问题, 其中最主要的是旧有路面与沥青加铺层间粘结强度不足, 在车载及自然因素作用下, 产生坑槽、反射裂缝等多种病害, 道路使用状况迅速恶化, 尤其是对山区道路而言, 其破坏更加严重。本文对内蒙古地区沥青混凝土层的路面问题进行了分析, 给一些工程提出了借鉴意见。
国内外学者对于加铺层反射裂缝方面的问题进行了大量的理论和实际研究, 并且取得了一定的成果, 然而由于该问题的复杂性和重要性, 很多成果难以用来指导实际应用, 目前世界各国尚未有统一的规范和标准。本试验在总结已有研究成果的基础上, 采用不同的抗反射裂缝处治方式, 应用MTS材料试验系统进行室内模拟试验, 探索和丰富这方面的研究。通过该实验, 内蒙古地区工程的建设的质量将得到提高
1 试验方法
为了改进内蒙古地区路面沥青加铺层的现状, 可以先通过实验对其进行研究。试件采用车辙试样成型机成型, 按车辙试验标准进行拆模、养护, 然后在MTS材料试验系统上进行加载。试验选取的加载方式:正上方加载, 沿试件的顶部接缝处施加均布荷载, 采用频率为10Hz, 半正弦波的波形进行加载, 且相邻波形间无间歇。为了模拟车辆超载情况或加速试验破坏, 预加5000N的荷载 (由计算可得轮胎内压为1.4MPa) , 再以10Hz的频率施加1000N的循环荷载。把试件在连续重复荷载下完全裂开, 即裂缝发展到沥青加铺层表面时, 作为疲劳损坏的评定标准。MTS试验温度为15℃。试验模型如图1所示。
从这个图表中, 我们可以很容易看出车辆对沥青加铺层造成的压力, 进而对内蒙古地区部分路面的状况进行一个彻底的了解, 改进沥青加铺层材料的质量。
2 试验原材料的性能
要保证试验的科学, 就必须准备好材料。试验所需材料的材料有:橡胶板采用质量良好的氯丁橡胶板;采用强度等级C30的水泥混凝土板;沥青混凝土加铺层采用满足技术标准的壳牌70#普通基质沥青, 矿料、沥青混合料级配均满足相关规范要求, 油石比为4.9%。粘结层分别选用壳牌70#普通基质沥青、乳化沥青、SBS改性沥青均满足相关规范要求。夹层选择聚酯玻纤布、防水卷材、橡胶沥青应力吸收层三种材料。将材料准备好以后, 可以开始下一步的试验。
3 试验设计及结果分析
3.1 试验设计及试验结果
为了能够直观地对试验结果有一个了解, 本文将得到的数据建立了一个表格。沥青加铺层反射裂缝弯拉型疲劳试验设计及试验结果如下表1。
3.2 试验结果分析
1) 如表1结果可知, A2、A3、A4等三种粘结材料相对于直接加铺沥青的A1, 加铺层完全裂开所须加载次数明显增加, 分别提高50.5%、211.3%、159.2%, 对裂缝的扩展起到明显的限制作用, 而A3效果更好, 即使相对于A2也能提高207%, 能在很大程度上延长加铺层的使用寿命;
2) 比较表1中三种夹层材料与不加任何夹层材料的试验数据, 三种夹层材料的都能很大的延缓反射裂缝的发展, 提高加铺层疲劳寿命。相对于无夹层的加铺层B1, B2、B3、B4的效果分别提高118.6%、195.8%、89.7%。防水卷材在施工温度下能够更好地与粘结材料和加铺层粘结在一起, 分散或抵消一部分应力的作用, 延缓反射裂缝的发展, 因而, 疲劳加载次数更多;
3) 优选最佳的粘结材料, 夹层材料, 进行试验结果的验证。由以上试验结果可知分别选取刻槽的处理方式, SBS改性沥青的粘结材料和防水卷材作为夹层的组合, 制作相同的试件, 按照同样的试验方法得出的试验结果MTS平均加载次数达到了18.48万次。
4 结论
综上所述, 本文对试验的结果进行了一个全面的总结。通过以上试验及及试验结果可知:试验所选用的不同的抗反射裂缝处治方式都能够在一定程度上延缓反射裂缝的发展, 提高加铺层的耐疲劳次数, 进而延长内蒙古地区路面工程的使用寿命;试验选用的SBS改性沥青、防水卷材处治是各种状况下抗反射裂缝效果最好的, 各种状况下耐疲劳次数分别提高达211.3%、195.8%, 这有利于路面的建设;在进行试验的过程中, 我们发现优选以上两种处治方式进行设计的加铺层效果最好, 这不仅仅极大地提高了疲劳加载次数, 而且延缓了反射裂缝的发展, 对改善加铺层路用性能效果显著, 可以应用在内蒙古地区的路面建设中。
在进行这项课题的研究过程中, 试验比较分析了不同处治方式的防反射裂缝的效果, 较好的评价了不同状态下抗反射裂缝的能力, 使有MTS材料试验机进行疲劳加载试验, 能够为今后的研究提供参考。本文提供的数据都可靠性强, 试验结果相对科学, 可以在工程中得到应用。试验结论将为内蒙古地区的旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层理论研究和工程应用提供依据。
参考文献
[1]中华人民共和国行业标准.公路沥青路面设计规范 (JTGD50-2006) .北京:人民交通出版社, 2006.
防反射薄膜 篇4
在CO2激光切割铝、铜等高反射材料的过程中,经常会发生严重的激光反射现象。这个问题已经困扰激光行业多年,严重制约了激光切割加工领域的进一步扩展。
众所周知,工业CO2激光器是一种受激辐射、谐振放大的大功率激光发生器,通过放电所注入的电能按一定比率转换为光能。通常激光器的输出窗口镜片具有按一定比例部分反射和透射光束的特性。部分反射是为了维持谐振腔内激光光束的有效振荡,而部分透射则输出激光进行各种不同的加工应用。在进行切割加工时,激光器会按照机床数控系统的指令给谐振腔一定的放电功率,谐振腔再按正常的能效比和透射比输出激光束,激光束沿机床光路系统被引导至工件表面进行激光切割。
铜、铝材料对于CO2激光是具有高反射性的材料,其反射率分别为99%和98%。当对其进行切割加工时,尤其是在打孔的最初时间内,由于其高反射率和高导热性,阻碍了激光束“穿透”材料的表面,由此可能产生明显的剧烈反射,从而造成部分光束沿原来的路径返回重新进入谐振腔。返回的光束会进一步增大腔内谐振光束的功率,同时增大激光器的输出功率。更大的输出功率将会导致更大的反射,使得激光器功率在极短的时间内形成一个剧烈的峰值,造成激光束功率与模式的不稳定,从而导致激光波形和输出功率出现振荡,进而影响切割效果。同时,反射光束带来的腔内能量会严重损坏激光腔、腔内镜片和光束传输镜片,使得维修费用和维修时间大幅度提高。
为了防止在激光切割系统中由于光束反射导致的不稳定和损坏,光路系统中必须设计防反射装置对反射光进行隔离。该装置可以在传输高功率激光的同时,局部吸收反射光,把激光器发出的光按照正常方式传输到工件。而对由于材料反射等原因导致的反射光束进行隔离吸收,避免其返回到激光腔内部,从而保护激光器腔内的镜片。
2 防反射装置的设计原理
防反射装置的设计原理就是利用光束传输的波动特性,通过在装置中正确设计防反射镜片的安装方式,以及与圆偏振镜片的合理配置,从而达到隔离反射光束、吸收反射光能量的目的。
选用的防反射镜片也称为薄膜吸收反射镜。它是一块镀有多层的可反射输出光、同时又吸收反射光束的薄膜的镜片。这种镜片的基座通常是铜,硅不能承受反射光产生的高温。经过金刚石车床车削、抛光后,在基座表面镀上多层特殊的覆盖薄膜。该薄膜专为以大于98.5%的效率反射S-偏振光、吸收P-偏振光而设计,能够有选择性地、正常地反射激光器输出的光束,而对反射回来的光束则进行消耗吸收。这种薄膜可以承受几千瓦功率的连续波激光能量,可以在极短的时间内吸收大量的能量而几乎没有损伤。
为了理解该原理是如何运用在激光系统中的,必须了解一下典型的激光系统的设计、安装及其激光器的偏振性。
当入射光束与反射光束组成的平面与激光的偏振方向垂直时,该光束可称之为S-偏振。反之,当入射光束与反射光束组成的平面与激光的偏振方向平行时,该光束可称之为P-偏振。
CO2激光器通常产生线偏振激光束,光路传输系统通过圆偏振镜会把线偏振转化成为圆偏振(圆偏振在任何光束方向上都是由等量的S-偏振和P-偏振组成的,因此在所有垂直于光束的方向上都会具有相同成份的偏振,无论切割方向是X方向还是Y方向,都将以均一的方式去除材料)。在这种模式的光束传输系统中,从工件上反射回来的能量也会通过圆偏振镜转变成线偏振。如果在光路中的防反射镜片已被正确定向,使得出射光束相对于该镜片为S-偏振,反射回来的光束相对于这块镜片一定是P-偏振,则可以被吸收,达到与激光器隔离的目的。
为了材料加工,偏振镜将激光器输出的线偏振光(S-偏振光)转换成圆偏振光。因为工件反射导致入射和反射的圆偏振光旋转方向相反,圆偏振镜会可逆地将反射光转换成偏振面旋转90°的平面偏振光(P-偏振光)。为了吸收反射光,防反射镜片放置在激光束传输系统中激光器与圆偏振镜之间,这样对于防反射镜片而言,输出的激光就是S-偏振光。输出光束被防反射镜片反射后继续在光束传输系统中传播,经工件反射表现为P-偏振光的反射光则被防反射镜片上的膜层吸收,带有直接水冷却的铜基座会在降低温度的同时消耗掉光束的能量。
简单小结一下:
(1)CO2激光器产生线偏振激光束,光路传输系统通过圆偏振镜片,会把线偏振转成为圆偏振。
(2)在这种模式的激光传输系统中,从工件上反射回来的光束也会可逆地通过圆偏振镜转变成线偏振光,但反射光偏振方向与出射光的偏振方向垂直。
(3)如果在光路中的圆偏振镜和防反射镜已被正确定向,使得出射光相对于防反射镜片为S-偏振,经过材料表面的反射以后,反射光与出射光的圆偏旋向相反,再经过圆偏振镜的“线偏-圆偏光”可逆转换,反射光相对于防反射镜片则变为P-偏振光。根据防反射光学薄膜的特性,反射光被有效吸收而不再向激光器方向传播,杜绝了反射光对激光器造成危害。
(4)使用防反射装置的要求:
(1)入射到镜片上的偏振光必须是S-偏振光;(2)在光路中要有圆偏振镜片,能把线偏振光转变成圆偏振光;(3)应用于10.6μm波长和45°入射/反射角的激光传输系统中。
(5)防反射镜片的特性使得它能够反射S-偏振光束,吸收P-偏振光束。
3 防反射装置
基于上述各项光学原理,我们设计了一种激光器防反射装置。该装置包括镜座支架、偏振反射镜片组、防反射镜片等。偏振反射镜片组和防反射镜片分别固定在机床外光路两端的支架上。防反射镜片的应用提供了一种解决反射光造成光路系统元器件损坏问题的方法。通过改动CO2激光传输系统使之包含这些部件,可以增加激光源的稳定性,减小激光腔和光束传播镜片的损坏,最重要的是可以加工出质量稳定的铜、铝板材成品。
防反射镜片的安装方法根据激光类型和所用的激光传输系统的不同而不同。设计在何处安装、如何安装防反射镜片,应按如下方法确定:
(1)必须首先确定所选激光器输出光的线偏振方向(垂直、水平或45°)。(1)防反射镜片反射的是出光S-偏振,假设激光器出光是垂直偏振,镜片在水平面上反射光束,向左或向右均可。(2)如果激光器产生水平偏振光,那么防反射镜片就在垂直面上反射,向上或向下反射。(3)最后,比较困难的是45°平面偏振光,防反射镜片必须定位在相对垂直面成45°的位置上,斜向上或斜向下反射光。
(2)安装圆偏振镜。整个光路系统中必须在安装防反射装置之前安装一个圆偏振镜。为了使这两个部件共同工作,吸收反射光,防反射装置必须安装在激光器与圆偏振镜之间。圆偏振镜的安装位置从理论上讲可以在光路中防反射镜片与聚焦镜之间的任何一处,但通常情况下将它作为聚焦镜之前的最后一片反射镜。
在激光器前设置防反射镜片装置,既保证了激光光束的正常应用,又对工作表面反射回的光束进行吸收,使其不能进入激光器而损坏激光器的内部元件,很好地保护了激光器的安全和激光器输出激光的稳定性,大大提高了激光切割机的性能,减少了维护成本和时间,使激光器在加工中得到更好的应用。
值得一提的是,即使在光路设计中做到了以上要求,并不意味着就可以顺利切割铜、铝等高反射材料。因为受多种因素影响,防反射装置只能在一定程度上隔离反射回来的光束,而在反射较为强烈时仍然不能绝对保证腔内镜片不受伤害。因此,在正确安装和调整镜片的基础上,还需对整个光路系统做如下工作:
(1)选配专为激光切割机光路冷却而设计的精密水冷却机,为光路提供稳定、精确的水温控制;采用内置冷却水路、具有多层超薄镀膜的特殊水冷铜镜,可以解决压力变形和热变形对径厚比要求的矛盾,使镜面吸收的热量及时传导出去,避免反射镜的热积累,使镜片整体处在较低温度的平衡状态,反射表面无热变形,从而保证光束传输的质量。
(2)导光系统采用容积不变的伸缩的密封管路,减少光路内部与外部的空气交换,避免外部尘埃和空气进入;同时,用于冷却光学镜片的经多级过滤的洁净干燥气体连续引入光路内部,使整个光路系统始终处于弱正压状态,进一步保证外部自然环境空气不能进入导光系统。
(3)正确调整如焦点位置、气体压力和脉冲参数、切割速度、切割功率等工艺参数,并要求机床具备稳定可靠的焦点自动调节功能。
只有这样,才可能全面有效地避免CO2激光器切割铜、铝等有色金属时引起的反射问题,扩大CO2激光切割的加工范围。
摘要：在CO2激光切割铝、铜等有色金属过程中,经常发生工件反射现象。为防止在激光切割系统中由于光束反射导致的不稳定和损坏,光路系统中必须设计防反射装置进行隔离。本文从理论上阐述了该装置的设计原理、结构形式以及安装方法。
关键词：机械制造,防反射技术,CO2激光切割系统,偏振性
参考文献