溶胶凝胶法光学薄膜

溶胶凝胶法光学薄膜

Sol-gel溶胶凝胶法光学增透膜减反射膜的应用和技术前景

溶胶凝胶法镀膜，是利用溶剂挥发速度和胶体流动速度的匹配，在基片上沉着一层物质，这种物质用来实现某种特定功能，往往是光学的、光电的、磁性的、介电的性质。

举个例子，MgF2/SiO2体系三层三波长减反膜，采用梯度折射率结构，实现1053nm、527nm和351nm三个激光波长透射率同时高于99.5%，这个结果是目前世界上化学法镀膜*好的，发表在《AdvancedOptical Materials》中。索光技术团队为了使MgF2溶胶制备**可靠，安排过四个研究生，从乙酸镁和甲醇镁路线出发做*初的尝试，后来发展出sol-solvothermal法得到非常好的可调折射率MgF2溶胶，然后进行了溶剂置换工作，并发展为MgF2/SiO2混合体系，进一步提高了薄膜的折射率可调控性，并改善了薄膜的耐摩擦性。

由此可见，溶胶凝胶法制备光学薄膜其关键在于溶胶控制合成，这对于习惯于依赖设备的人非常难以接受，总觉得难以控制。其实任何生产，只要建立质量体系，严格规范生产，这些都不是问题，*重要的还是能想出来方向的人和试出来配方的人。所以溶胶凝胶法薄膜是个人才密集型领域，不是随便找个工人就能干的，这样就可以解释，为什么中国企业用的少了。

1、索光新材料公司简介，索光新材料基于Sol-Gel 溶胶凝胶技术开发出品种多样的光学薄膜，如减反射膜，超亲水易清洁增透膜，保护膜，晶体防潮膜，，索光新材料薄膜技术研究中心有限公司，专业的光学薄膜研究者和开拓者，技术服务型企业。填补了国内Sol-gel量产能力的空缺及市场经营实力，
  研究中心自成立以来，不断进取，推陈出新，开发出了包括高功率激光减反膜、光伏减反膜、光热减反膜、晶体防潮膜、金属反射镜保护膜、玻璃隔热膜、自清洁膜、疏水光学膜、高精度大口径平流镀膜机（弯月面法）、高精度提拉镀膜机、旋转镀膜机等完整产品线，并为多家科研单位研发了性能优异、功能完善的产品和技术方案。在光学薄膜领域，索光已拥有多年的研发经验和多个国家发明砖利，产品不仅被中国工程物理研究院和企业选用，并出口欧洲、日本、美国、韩国在内的十多个国家和地区。

  索光拥有一支高素质的研发团队，索光研发技术人员90%具有博士学位,为公司的技术研发和产品质量提供了可靠保障。技术负责人徐博士拥有16项国家发明砖利，在多种学术刊物上发表论文近160余篇，承担国家科研项目多项，组织完成两个GF-863课题，制备了性能优越的光学薄膜并获得应用拥有16年的化学法光学薄膜研发的经验。

2 Sol-gel法AR膜技术原理

增透膜增加透射光强度实质是作为电磁波光波在传播过程中，在不同介质的分界面上，由于边界条件的不同，改变了其能量的分布。对于单层薄膜来说，当增透膜两边介质不同时，薄膜厚度为1/4波长的奇数，并且薄膜的折射率时（分别是介质1、介质2的折射率），才可以使入射光全部透过介质。一般光学透镜都是在空气中使用，对于一般折射率在1.5左右的光学玻璃，为使单层膜达到100%的增透效果，可以使n1=1.23,或接近1.23。

光学增透膜的研制，不仅要考虑它的透射率，而且还要考虑它的硬度、耐热性、耐寒性、与玻璃等光体的接合力度、耐光照射性、吸热强度等因素，能满足这么多条件的材料，可想而知要找到是很困难的。由于一般光学介质都是玻璃，并在空气中使用，而且增透膜的折射率应接近1.23。现实中折射率小于氟化镁（折射率为1.38）的镀膜材料很少见，而且像氟化镁能很好地满足各种条件的材料更是**。因此，现在一般都用氟化镁镀制增透膜。随着溶胶-凝胶技术的发展，通过制备多孔的SiO2涂层，可以实现1.0~1.5之间具有不同折射率的增透膜，从而解决了增透涂层折射率的问题，也使增透涂层在太阳能集热管上实现产业化成为可能。

溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物做前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。 |

其*基本的反应是： 

1.水解反应：M(OR)n + H2O → M (OH) x (OR) n－x + xROH 

2. 聚合反应：－M－OH + HO－M－→ －M－O－M－+H2O  
－M－OR + HO－M－→ －M－O－M－+ROH 

溶胶凝胶法制备SiO2增透涂层基本工艺：采用硅酸乙酯类物质做前驱物，采用醇类物质（如乙醇）作为溶剂，经过水解，酸或碱作为催化剂处理后，形成酸溶胶或碱性溶胶。然后通过滚涂法、旋涂法或提拉法等工艺手段，在基体表面制备硅溶胶涂层，经干燥后形成SiO2凝胶，*后在经过严格的热处理工艺，在基体表面形成满足使用要求的多孔SiO2增透涂层。

因此，影响SiO2增透涂层的关键因素主要包括：1.硅溶胶的配置；2.基材前处理；3.镀膜工艺与设备；4.热处理工艺与设备。硅溶胶的种类主要有酸性硅溶胶、碱性硅溶胶和酸碱复合型硅溶胶。不同的硅溶胶制备的SiO2增透涂层性能也有较大的差异。一般而言，碱性硅溶胶增透性能很好，应用到太阳能集热管上单面AR涂层可以提高透射比3.0%，双面AR涂层可以提高透射比达到6.0%以上。但碱性硅溶胶附着力较差，因此不适宜镀制在罩玻璃管的外表。酸性硅溶胶的附着力较好，但折射率较高，应用到罩玻璃管上，单面AR涂层可以增加透射1.5%，双面可增加3.0%。为了使AR涂层不但具有良好的透射比，而且也具有良好的附着力，可以采用酸碱复合法实现AR膜涂层的制备，涂层附着力和透射比均在酸性硅溶胶和碱性硅溶胶AR涂层性能之间。另外，通过改进和优化涂层结构和工艺，可以实现具有良好附着力和增透性能多孔SiO2增透涂层。

由于太阳能集热管是在大气环境下使用。如果太阳能集热管罩玻璃管采用双面AR膜技术，则要求罩玻璃管外表面的AR膜具有非常好的耐候性，不能受气候和环境因素影响，在较长时间内保证AR膜的增透效果，这对AR涂层技术提出了极高的要求。通过实验表明，如果不能很好地处理AR膜涂层的耐候性问题，在较长时间内，在大气中的SiO2增透涂层透射比会迅速下降，甚至导致整个镀有SiO2增透涂层基片的透射比还不如没有增透涂层的玻璃基片。这可能是因为SiO2增透涂层具有多孔特性导致耐候性迅速下降，进而导致透射比迅速下降。就全玻璃真空太阳能集热管而言，如果仅将多孔SiO2涂层镀制在罩玻璃管内表面，则SiO2增透涂层完全不受外部环境的影响，因而可以长期保持良好的增透作用，并与太阳能集热管使用寿命相同。

基于上述原因，在未完全了解AR膜耐候性问题的情况下，可以采用罩玻璃管内镀膜的方法提高罩玻璃管的增透性。图2是AR膜太阳能集热管。

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图2 AR膜太阳能集热管  

如图2所示，为罩玻璃管内表面镀有AR膜的太阳能集热管。由图2可以看出，直线位置具有明显的分界线特征。直线下部为镀有AR膜部分，颜色较深，表面太阳能光谱反射较小，而直线上面未镀膜区域太阳能集热管颜色较浅，表明该段太阳能可见光部分反射较高。在太阳能集热管圆头处预留一部分未镀AR膜区域，使AR膜涂层对比特征更为明显，显示出AR膜集热管明显的外观和高透射特征。

3  AR膜实验及分析 

图3为太阳能集热管对比测试数据图表，如图3-A所示，为单支太阳能集热管罩玻璃不同点内表面单面镀AR膜透射曲线。其中未镀膜透射比为0.900，镀膜罩玻璃管透射比0.931之间，平均透射比增加3%。

图3-B为同一管3种情况的测试数据，包括太阳能集热管带外管吸收，内管选择性吸收涂层吸收比，和罩玻璃管的透射比。其中A为罩玻璃管有AR膜，B为没有AR膜的太阳能集热管。图3B可以看出A管内管吸收比0.917，比B管吸收比0.921低0.4%，罩玻璃透射则增加3%，而B管A管带外管太阳能集热管平均吸收比为0.891，比B管高出2.2%。如果消除内管吸收比差异的影响，带外管透射比应在2.5%左右。由此可见通过增加罩玻璃透射比可以增加太阳能集热管吸收性能。

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 A 罩玻璃管透射曲线  B  集热管吸收、透射数据表

图3太阳能集热管对比测试数据图表

  通过对两支太阳能集热管空晒对比测试，测试结果显示。从环温开始，在温升30℃的条件下，镀有AR膜太阳能集热管空晒温度比无AR膜太阳能集热管提高1℃，两支太阳能管空晒对比*终温差在4℃～6℃之间。

  通过对太阳能集热管热损和性能对比测试。两支太阳能集热管热损均为0.71，发射比为0.06，没有差异。

  通过对两支太阳能集热管进行老化对比测试，测试结果显示，吸气剂镜面消失率没有显著差异。

  由此可见。采用罩玻璃管内表面镀AR膜，能够显著提高集热管集热性能

4  AR膜涂覆工艺流程

在集热管行业，采取的提拉工艺可以快速的实现集热管的高效镀膜，而在平板的光伏玻璃行业，则采取的是棍涂的工艺，使得加权透射比提高3%左右

下管:将镀膜的太阳能集热管罩玻璃管取下，准备进行下一批镀膜工序。

由此可见，采用上述方法可以简单、方便、快捷地在罩玻璃内表面制备AR膜，工艺简单，生产方便，成本低廉，能够满足大规模生产需要。

该工序可以在太阳能集热管装配前实施，完全可以融合到现有的太阳能集热管生产线中，而不需要做过多改进。但要求罩玻璃管内表面比较洁净，生产环境比较洁净，才能保证良好的镀膜质量。

6总结

采用SoL-gel法制备太阳能集热管罩玻璃管AR膜将是近几年太阳能集热管涂层技术主要研究和发展方向。在太阳能集热管罩玻璃管内表面制备AR涂层可以有效提高太阳能集热管的技术和性能指标，具有明显的外观特征和高透射性能，不影响太阳能集热管的热损和真空品质。生产设备简单，成本低廉，便于产业化生产。

【本文部分内容选自中科院徐耀博导博文/索光新材料**科学家、南京诚远太阳能韩成明】

 索光新材料的溶胶凝胶薄膜系列

MgF2/SiO2体系三波长减反膜（高功率固体激光器使用）

SiO2基疏水疏油闭孔减反膜（污染环境中使用）

MgF2减反膜（氟磷酸盐玻璃、光学镜头使用）

疏水MgF2/SiO2体系双层宽谱带减反膜(显示屏)

层状聚合物光学晶体保护膜（频率转换器件使用）

SiO2基宽谱带减反射膜（太阳能器件、展柜玻璃、显示屏使用）

PMO减反膜（PI基柔性显示器件使用）

VO2隔热膜（建筑玻璃、汽车玻璃使用）

TiO2/SiO2、ZrO2/SiO2高反膜（反射镜使用）

上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件 的高科技企业，公司成立２００５年，专业的光电镀膜公司，公司产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。

采用德国薄膜制备工艺，形成了一套具有严格工艺标准的闭环式流程技术制备体系，能够制备各种超高性能光学薄膜，包括红外薄膜、增透膜，ARcoating, 激光薄膜、特种薄膜、紫外薄膜、x射线薄膜，应用领域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、医用激光器、红外制导、面部识别、VR/AR应用,博物馆，低反射橱窗玻璃，画框等。