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文|娱秘探

编辑|娱秘探

前言

随着全电动注塑机的快速推广， 光学塑料以其价格低廉、容易实现复杂的形状和质量小等优势， 广泛的应用于医疗、教育和航空航天等领域。

基于光学仪器户外环境使用的要求，光学塑料基底必须面临温度、湿度和日照所带来的复杂问题。

本文将制备不同沉积工艺下的光学塑料基底多层减反射膜，测试在高温高湿、紫外线照射、高温、低温、高低温冲击和户外环境下的老化特性。

光学塑料基底减反射膜的制备与光谱测量

该实验共制备了三组不同工艺变量的光学塑料基底的减反射膜， 并对每个光学塑料镜片进行了编号，工艺变量分别为基底温度、氧分压和离子源参数。

在设置薄膜基底温度方面，由于基底为光学塑料，沉积薄膜时的基底温度不能太高，基板温度的最大值设置为90°C。

光学塑料基底镀膜时，由于膜料与基底热膨胀系数相差较大，在不同基底温度下光学塑料基底多层减反射膜的热应力相差较大，设置不同的基板温度去形成对比。

可以在后续老化性能测试方面得到较为明显差异的结果， 基底温度越高，有利于获得较小消光系数的五氧化三钛薄膜。

在设置氧分压方面，为了制备出光学塑料基底宽带无吸收减反射膜，五种沉积工艺中的氧分压均为1.0×10-2Pａ，氧分压越小，有利于获得较小消光系数的五氧化三钛薄膜。

其余两种沉积工艺中设置不同的氧分压的目的，是为了研究不同氧分压对于老化特性的影响。

在设置离子源参数方面，考虑到镀膜镜片需要进行关于温度、湿度和紫外线老化等多项测试，设置合理的离子源参数，以保证膜基附着力达到要求。

对未镀膜的光学塑料镜片EP8000的透过率和反射率光谱曲线进行测量， 其透过率、反射率和透过率与反射率的求和光谱曲线如下图所示。

在420-880nm波段，基底平均透过率为87.1％，单面平均反射率为6.1％，可以得到双面的平均反射率为12.2％。

透过率与反射率求和后的平均值为99.3％，基底本身有吸收， 基底吸收体现在光谱上的平均值为0.7％。

该实验为单面镀膜，镀膜后7＃镜片的透过率、反射率和透过率与反射率的求和光谱曲线如下图所示。

在420-880nm波段，7＃镜片的平均透过率为91.7％，镀膜面的平均反射率为1.4％，膜层吸收体现在光谱上的平均值为0.1％。

7＃镜片相比于其它沉积工艺的镜片，膜层的吸收最低，体现在光谱上的平均值为0.1％， 最终得到了光学塑料基底宽带无吸收的多层减反射膜。

高温高湿和紫外线老化综合耐性测试

光学塑料镜片的吸水性和紫外线下老化是两个不可避免的问题， 对光学塑料镜片进行高温高湿和紫外线老化测试是两个必要的指标。

测试环境是对于户外环境的拆分，户外环境最主要的三个因素，水、温度和阳光，高温高湿耐性测试满足水和温度的条件，紫外线老化耐性测试满足温度和阳光的条件。

将镜片浸泡造水中放置在紫外线老化试验箱中，满足水、温度和紫外线三个主要因素， 将光学塑料镜片浸泡在水中进行紫外线老化测试 是最为接近户外环境的一种高强度模拟测试。

所有测试结果在显微镜下进行观察检测，镀膜完成后未进行耐性测试的各编号光学塑料镜片。

各编号光学塑料镜片放入冷热冲击试验机中，进行85°C、85RH，时长240H的性能测试，在测试过程中每24H取出观察一次。

光学塑料镜片经过240H的高温高湿老化耐性测试后，镜片表面呈现雾状，但并未发生膜裂现象，1＃和2＃光学塑料镜片， 膜层所受热应力呈现张应力，但是并未发生膜裂情况。

3＃-7＃光学塑料镜片，膜层所受热应力较小，未发生膜裂现象，光学塑料镜片经过高温高湿耐性测试后，各编号光学塑料镜片经过高温高湿耐性测试后透过率均有所下降。

1＃-3＃镜片膜层沉积时，随着基底温度的上升，膜层可以有效抵抗水汽的进入，3＃-5＃镜片膜层沉积时，随着氧分压的增大，水汽更容易进入膜层，导致透过下降幅度更大。

5＃-7＃镜片膜层沉积时的离子源的电流和电压逐渐增大，膜层可以有效抵抗水汽的进入，提高基底温度、离子源参数，降低氧分压有利于得到有效抵抗水汽侵入的膜层。

将光学塑料基底放入紫外线加速耐候试验机中，紫外辐射灯的工作波段为320-400nm， 分别进行抗紫外线老化耐性测试和浸泡在水中的紫外线老化耐性测试。

光学塑料基底在紫外线老化240H后，出现整体发黄的现象，但是表面并没有出现特殊现象。

基底浸泡在水中受紫外线老化48H后，基底除了整体发黄外，基底表面的边缘出现类似于树粧年轮状的细密的条纹，中心未出现这种情况。

对比耐性测试前后基底的折射率，在420-880nm波段，光学塑料基底的平均折射率为1.65，在经过紫外线老化后光学塑料基底的平均折射率为1.60，折射率下降0.5。

光学塑料基底浸泡在水中受紫外线照射的镜片的平均折射率为1.62，折射率下降0.3。由此可以说明 紫外线老化对于光学塑料基底的折射率产生了一定的影响。

对比耐性测试前后光学塑料基底的透过率和反射率， 光学塑料基底分别经过紫外线老化和浸泡在水中受紫外线老化后，透过率光谱曲线非常相近。

紫外线老化测试后的光学塑料基底相比于测试前在420-600nm波段透过率有所下降，在600-880nm波段透过率略有上升。

在420-880mn波段测试前平均透过率为由87.1％，紫外老化测试后平均透过率为85.9％，透过率下降1.2％。

在420-880nm波段，基底的平均反射率为6.1％，紫外线老化测试后基底的平均反射率为5.4％，平均反射率下降0.7％，反射率整体下降。

浸泡在水中受紫外线照射的基底的 平均反射率为5.5％，平均反射率下降0.6％。

分别将基底、经过紫外线化测试的和浸泡在水中，受紫外线照射测试镜片的，透过率和双面反射率求和。

在420-880nm波段，光学塑料基底EP8000受紫外线照射后吸收增大， 受紫外线照射和浸泡在水中受紫外线照射后的吸收基本一致。

光学塑料镜片EP8000在受紫外线照射后，镜片内部发生了老化反应，双酚Ａ型环氧树脂吸收紫外线之后，会产生羰基并形成发色团，从而导致镜片发黄，折射率下降，吸收增大。

紫外线老化耐性测试

将高温高湿老化后的各编号光学塑料镜片放入耐性测试， 每24H观察一次，紫外线老化测试后，所有镜片略微发黄，各编号镜片出现了不同程度的局部白斑和白线，无膜裂现象。

紫外线照射环境下的温度为60°C，对于膜层基底温度为30°C的1＃镜片来说，膜层热应力呈张应力，对于膜层基底温度为60°C的2＃镜片来说，膜层只受除热应力之外的应力。

对于膜层基底温度为90°C的3＃-7＃镜片来说，膜层热应力为压应力，但是未出现膜裂现象。

对比高温高湿测试后和紫外线老化测试后， 光学塑料镜片的透过率光谱曲线。

紫外线老化后的1＃、2＃、3＃和7＃光学塑料镜片，在420-550nm波段透过率有所下降，在550-880nm波段透过率略有上升。

4＃光学塑料镜片，在420-570nm波段透过率有所下降，平均下降值为0.6％，在570-880nm波段透过率略有上升。

5＃光学塑料镜片，在420-540nm波段透过率有所下降，平均下降值为2.4％，在540-880nm波段透过率略有上升。

6＃光学塑料镜片，在420-600nm波段透过率有所下降，平均下降值为1.6％， 在600-880nm波段透过率略有上升。

紫外线照射后，各编号光学塑料镜片的透过率光谱曲线出现了不同程度的红移，紫外线老化引起光学塑料基底折射率下降和吸收增大，从而导致镜片透过率光谱曲线变化。

将紫外线老化耐性测试后的各编号光学塑料镜片浸泡在水中， 放入紫外线加速耐候试验机中，每4H观察一次。

第一次观察时，1＃-6＃光学塑料镜片发生了极为严重的膜裂，7＃镜片无膜裂现象，在加水之后进行紫外线老化对于膜层及基底有两点影响。

水汽与膜层发生反应，导致残余应力发生改变，水汽到达基底与薄膜的连接界面，影响膜基附着力。

水汽与膜层发生反应引起残余应力的变化在一定范围内，对于出现膜裂现象不是主要原因。

在镜片浸泡在水中受紫外线照射的情况下， 水汽会参与老化反应，并且加速了老化反应的进程，从而导致膜层开裂。

通过减小氧分压，增大基底温度和离子源参数，可以有效抵抗膜层开裂，测试48H后，7＃镜片最边缘一圏出现细密的裂纹，随着时间的推进，老化反应会不断的加重导致膜裂。

高温、低温、高低温冲击和户外老化综合耐性测试

光学塑料镜片的热膨胀系数较大，容易受温度的影响，从而导致膜裂甚至脱膜现象的发生，进行温度耐性测试是一个必要的指标，户外环境耐性测试一种综合老化测试。

镜片是镀膜完成后未进行耐性测试的各编号光学塑料镜片， 镜片上的白点可能是塑料镜片成型过程中本身内部产生的缺陷或者是落在表面的灰尘。

镜片上的划痕是在移动、运输和保存过程中产生的损伤。

将各编号光学塑料镜片放入高温老化试验机中，进行性能测试，在测试过程中每24H取出观察一次。

1＃镜片和6＃镜片发生了膜裂现象，在第一次观察时，1＃镜片和6＃镜片发生了膜裂，其余镜片无膜裂情况，截止高温耐性测试实验结束，其余镜片依旧无膜裂。

1＃镜片与6＃镜片膜裂的原因是， 膜基附着力较差与膜层所受张应力的综合结果。

将各编号光学塑料镜片放入冷热冲击试验机中，进行性能测试，在测试过程中每24H取出观察一次。

各编号光学塑料镜片， 在经过低温耐性测试之后并未发生膜裂现象。

其中2＃镜片膜层基底温度为60°C，其余镜片膜层基底温度为90°C，环境温度为-30°C，热应力方向为压应力且压应力较大，但并未发生膜裂现象。

将各编号光学塑料镜片放入冷热冲击试验机中，进行性能测试，循环120次，用时240H，在测试过程中每24H取出观察一次。

各编号光学塑料镜片，在经过高低温冲击耐性测试之后并未发生膜裂现象。

各编号光学塑料镜片在高低温冲击的过程中，基底和膜层一直在不停地膨胀和收缩，基底与膜层不断地相对膨胀和相对收缩， 无膜裂的结果体现了良好的膜基附着力和抗疲劳性能。

户外耐性测试是一项综合性的测试，包含温度、湿度、紫外线、酸碱和风沙异物等因素， 户外耐性测试结果才是最终的性能体现。

各编号塑料镜片进行户外环境的下耐性测试，在测试过程中每24H观察一次。

在户外环境下诱导膜裂现象发生的主要因素就是温度、湿度和紫外线， 水汽在一定程度上参与且加速老化反应，引起膜层开裂。

在光学塑料基底上沉积薄膜时，通过减小氧分压，增大基底温度和离子源电压电流，获得有效抵抗膜层开裂。

笔者观点

笔者认为，通过对光学塑料基底减反射膜老化特性的研究， 有助于确定其在各种极端条件下的稳定性和性能表现， 从而更好地满足实际应用需求。

通过更好地理解光学塑料在极端环境中的表现，可以指导相关领域的设计和应用。

在不同领域的广泛应用需要不断的研究和技术改进，以确保其在各种环境下都能够表现出卓越的性能。

参考文献

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