納米多孔二氧化硅減反膜的制備、改性及應(yīng)用研究.pdf

1、溶膠-凝膠鍍膜法是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型光學(xué)薄膜制備技術(shù)。與傳統(tǒng)物理氣相沉積鍍膜法(PVD)相比，溶膠-凝膠法制備的光學(xué)薄膜具有易于控制的納米多孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)的折射率、較高的激光損傷閾值、優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。此外，溶膠-凝膠法鍍膜設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作，可以在大尺寸以及各種形狀不規(guī)則的基底上進(jìn)行，成本低廉，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。本論文基于溶膠-凝膠鍍膜工藝，成功制備了具有納米多孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅(SiO2)光學(xué)減反膜，實(shí)

2、現(xiàn)了溶膠-凝膠過(guò)程的穩(wěn)定化和結(jié)構(gòu)控制，系統(tǒng)地研究了薄膜光學(xué)性能、表面疏水性能、耐刮擦性能和耐候性能的改進(jìn)，并討論了溶膠-凝膠SiO2減反膜在三個(gè)主要方向的應(yīng)用前景。論文第1章介紹了本研究工作在三個(gè)主要應(yīng)用方向的研究背景、意義和現(xiàn)狀，介紹了溶膠-凝膠技術(shù)的歷史發(fā)展、化學(xué)過(guò)程、影響因素、優(yōu)勢(shì)和不足以及主要應(yīng)用，并重點(diǎn)介紹了幾種常用的溶膠-凝膠鍍膜工藝的原理、操作和應(yīng)用現(xiàn)狀。論文第2章介紹了SiO2體系溶膠-凝膠過(guò)程中的主要化學(xué)

3、反應(yīng)和動(dòng)力學(xué)機(jī)理。通過(guò)引入溶膠分形體、體分形維數(shù)和滲流等概念，討論了溶膠絮狀體中常見(jiàn)的幾種顆粒/團(tuán)簇的生長(zhǎng)模型的結(jié)構(gòu)特征和分形描述。重點(diǎn)討論了在不同催化條件、pH值和老化時(shí)間下的SiO2體系溶膠-凝膠過(guò)程中顆粒/團(tuán)簇的生長(zhǎng)、交聯(lián)情況以及空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。論文第3章詳細(xì)介紹了溶膠-凝膠法制備大口徑納米多孔SiO2減反膜的完整工藝。通過(guò)對(duì)工藝過(guò)程中原材料和設(shè)備選取、基底表面處理、制備步驟、原料配比、反應(yīng)參數(shù)、恒溫恒濕條件、老

4、化和存貯環(huán)境等問(wèn)題的研究，實(shí)現(xiàn)了工藝的最優(yōu)化和穩(wěn)定化。通過(guò)對(duì)不同制備條件下溶膠顆粒度的表征，探討了溶膠在長(zhǎng)期貯存中的穩(wěn)定性。使用反射式掃描橢偏光譜儀和紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)研究了薄膜光學(xué)常數(shù)的色散關(guān)系以及在玻璃基底上的減反射效果。使用透射電子顯徼鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡表征了溶膠和薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌，并通過(guò)工藝參數(shù)和反應(yīng)條件的優(yōu)化控制成功實(shí)現(xiàn)了薄膜結(jié)構(gòu)的控制和折射率的連續(xù)可調(diào)。采用表面化學(xué)裁剪工藝實(shí)現(xiàn)了薄膜表面的

5、疏水化，并通過(guò)紅外光譜等手段分析了薄膜修飾前后表面的基團(tuán)信息，討論了薄膜疏水性能提高的機(jī)理。采用獨(dú)創(chuàng)的堿/酸兩步催化法和氨氣氛后處理等方法成功提高了薄膜的機(jī)械強(qiáng)度，并對(duì)薄膜的耐刮擦性能進(jìn)行了表征。通過(guò)對(duì)普通環(huán)境下貯存5年后的薄膜樣品進(jìn)行光學(xué)和機(jī)械性能測(cè)量，證明了溶膠-凝膠薄膜具有很好的耐侯性能，符合日常環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用要求。最后，形成了溶膠-凝膠工藝制備SiO2減反射薄膜的一般標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步大規(guī)模工業(yè)化量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。論

6、文第4章主要探討了溶膠-凝膠SiO2減反膜在高功率激光系統(tǒng)光學(xué)元件、顯示系統(tǒng)以及太陽(yáng)能電池保護(hù)玻璃三個(gè)主要方向的應(yīng)用前景。通過(guò)精確控制薄膜厚度及折射率，成功制備了高功率激光器用大口徑(300×300mm)減反膜，實(shí)現(xiàn)了釹玻璃激光基頻(1064nm)和三倍頻(355nm)波長(zhǎng)反射率峰值均低于0.2％的性能要求。經(jīng)測(cè)量，兩步法制備的薄膜激光損傷閾值高于24J/cm2(1064nm，lns)，完全符合應(yīng)用要求。此外，研究了KDP類(lèi)晶

7、體防潮用SiO2/聚對(duì)二甲苯復(fù)合薄膜的制備。測(cè)試結(jié)果表明與鍍制在KDP晶體上的單層聚對(duì)二甲苯防潮膜相比，復(fù)合膜系在1064nm和355nm波長(zhǎng)的透射率分別提高了8％和12％。闡述了光學(xué)減反膜膜系設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。運(yùn)用Essential Macleod膜系設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了在可見(jiàn)光波段具有寬帶減反效果的雙層折射率梯度減反膜系，并成功在玻璃基底上制備了堿性/酸性溶膠-凝膠SiO2雙層寬帶減反膜，使基底在可見(jiàn)光區(qū)平均反射率降低至0.4

8、4％。此外，在常用光學(xué)樹(shù)脂聚碳酸酯(PC)表面進(jìn)行鍍膜研究，鍍膜后基底在中心波長(zhǎng)的反射率僅為0.15％。探討了薄膜在太陽(yáng)能電池保護(hù)玻璃上的應(yīng)用。為適應(yīng)戶(hù)外應(yīng)用要求，在玻璃表面鍍制折射率約為1.3的SiO2減反膜，鍍膜后玻璃基底在400～800nm波段的整體透過(guò)率上升5％以上，使電池的能量轉(zhuǎn)換效率得到較大的提高。論文第5章為本工作的總結(jié)與展望，對(duì)工作的主要結(jié)論、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和進(jìn)一步工作方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要的討論。關(guān)鍵詞：溶膠-凝膠法