溶膠凝膠法光學薄膜

Sol-gel溶膠凝膠法光學增透膜減反射膜的應用和技術前景

溶膠凝膠法鍍膜，是利用溶劑揮發速度和膠體流動速度的匹配，在基片上沉著一層物質，這種物質用來實現某種特定功能，往往是光學的、光電的、磁性的、介電的性質。

舉個例子，MgF2/SiO2體系三層三波長減反膜，采用梯度折射率結構，實現1053nm、527nm和351nm三個激光波長透射率同時高于99.5%，這個結果是目前世界上化學法鍍膜*好的，發表在《AdvancedOptical Materials》中。索光技術團隊為了使MgF2溶膠制備**可靠，安排過四個研究生，從乙酸鎂和甲醇鎂路線出發做*初的嘗試，后來發展出sol-solvothermal法得到非常好的可調折射率MgF2溶膠，然后進行了溶劑置換工作，并發展為MgF2/SiO2混合體系，進一步提高了薄膜的折射率可調控性，并改善了薄膜的耐摩擦性。

由此可見，溶膠凝膠法制備光學薄膜其關鍵在于溶膠控制合成，這對于習慣于依賴設備的人非常難以接受，總覺得難以控制。其實任何生產，只要建立質量體系，嚴格規范生產，這些都不是問題，*重要的還是能想出來方向的人和試出來配方的人。所以溶膠凝膠法薄膜是個人才密集型領域，不是隨便找個工人就能干的，這樣就可以解釋，為什么中國企業用的少了。

1、索光新材料公司簡介，索光新材料基于Sol-Gel 溶膠凝膠技術開發出品種多樣的光學薄膜，如減反射膜，超親水易清潔增透膜，保護膜，晶體防潮膜，，索光新材料薄膜技術研究中心有限公司，專業的光學薄膜研究者和開拓者，技術服務型企業。填補了國內Sol-gel量產能力的空缺及市場經營實力，
  研究中心自成立以來，不斷進取，推陳出新，開發出了包括高功率激光減反膜、光伏減反膜、光熱減反膜、晶體防潮膜、金屬反射鏡保護膜、玻璃隔熱膜、自清潔膜、疏水光學膜、高精度大口徑平流鍍膜機（彎月面法）、高精度提拉鍍膜機、旋轉鍍膜機等完整產品線，并為多家科研單位研發了性能優異、功能完善的產品和技術方案。在光學薄膜領域，索光已擁有多年的研發經驗和多個國家發明磚利，產品不僅被中國工程物理研究院和企業選用，并出口歐洲、日本、美國、韓國在內的十多個國家和地區。

  索光擁有一支高素質的研發團隊，索光研發技術人員90%具有博士學位,為公司的技術研發和產品質量提供了可靠保障。技術負責人徐博士擁有16項國家發明磚利，在多種學術刊物上發表論文近160余篇，承擔國家科研項目多項，組織完成兩個GF-863課題，制備了性能優越的光學薄膜并獲得應用擁有16年的化學法光學薄膜研發的經驗。

2 Sol-gel法AR膜技術原理

增透膜增加透射光強度實質是作為電磁波光波在傳播過程中，在不同介質的分界面上，由于邊界條件的不同，改變了其能量的分布。對于單層薄膜來說，當增透膜兩邊介質不同時，薄膜厚度為1/4波長的奇數，并且薄膜的折射率時（分別是介質1、介質2的折射率），才可以使入射光全部透過介質。一般光學透鏡都是在空氣中使用，對于一般折射率在1.5左右的光學玻璃，為使單層膜達到100%的增透效果，可以使n1=1.23,或接近1.23。

光學增透膜的研制，不僅要考慮它的透射率，而且還要考慮它的硬度、耐熱性、耐寒性、與玻璃等光體的接合力度、耐光照射性、吸熱強度等因素，能滿足這么多條件的材料，可想而知要找到是很困難的。由于一般光學介質都是玻璃，并在空氣中使用，而且增透膜的折射率應接近1.23。現實中折射率小于氟化鎂（折射率為1.38）的鍍膜材料很少見，而且像氟化鎂能很好地滿足各種條件的材料更是**。因此，現在一般都用氟化鎂鍍制增透膜。隨著溶膠-凝膠技術的發展，通過制備多孔的SiO2涂層，可以實現1.0~1.5之間具有不同折射率的增透膜，從而解決了增透涂層折射率的問題，也使增透涂層在太陽能集熱管上實現產業化成為可能。

溶膠－凝膠法就是用含高化學活性組分的化合物做前驅體，在液相下將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學反應，在溶液中形成穩定的透明溶膠體系，溶膠經陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網絡結構的凝膠，凝膠網絡間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經過干燥、燒結固化制備出分子乃至納米亞結構的材料。 |

其*基本的反應是： 

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

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

溶膠凝膠法制備SiO2增透涂層基本工藝：采用硅酸乙酯類物質做前驅物，采用醇類物質（如乙醇）作為溶劑，經過水解，酸或堿作為催化劑處理后，形成酸溶膠或堿性溶膠。然后通過滾涂法、旋涂法或提拉法等工藝手段，在基體表面制備硅溶膠涂層，經干燥后形成SiO2凝膠，*后在經過嚴格的熱處理工藝，在基體表面形成滿足使用要求的多孔SiO2增透涂層。

因此，影響SiO2增透涂層的關鍵因素主要包括：1.硅溶膠的配置；2.基材前處理；3.鍍膜工藝與設備；4.熱處理工藝與設備。硅溶膠的種類主要有酸性硅溶膠、堿性硅溶膠和酸堿復合型硅溶膠。不同的硅溶膠制備的SiO2增透涂層性能也有較大的差異。一般而言，堿性硅溶膠增透性能很好，應用到太陽能集熱管上單面AR涂層可以提高透射比3.0%，雙面AR涂層可以提高透射比達到6.0%以上。但堿性硅溶膠附著力較差，因此不適宜鍍制在罩玻璃管的外表。酸性硅溶膠的附著力較好，但折射率較高，應用到罩玻璃管上，單面AR涂層可以增加透射1.5%，雙面可增加3.0%。為了使AR涂層不但具有良好的透射比，而且也具有良好的附著力，可以采用酸堿復合法實現AR膜涂層的制備，涂層附著力和透射比均在酸性硅溶膠和堿性硅溶膠AR涂層性能之間。另外，通過改進和優化涂層結構和工藝，可以實現具有良好附著力和增透性能多孔SiO2增透涂層。

由于太陽能集熱管是在大氣環境下使用。如果太陽能集熱管罩玻璃管采用雙面AR膜技術，則要求罩玻璃管外表面的AR膜具有非常好的耐候性，不能受氣候和環境因素影響，在較長時間內保證AR膜的增透效果，這對AR涂層技術提出了極高的要求。通過實驗表明，如果不能很好地處理AR膜涂層的耐候性問題，在較長時間內，在大氣中的SiO2增透涂層透射比會迅速下降，甚至導致整個鍍有SiO2增透涂層基片的透射比還不如沒有增透涂層的玻璃基片。這可能是因為SiO2增透涂層具有多孔特性導致耐候性迅速下降，進而導致透射比迅速下降。就全玻璃真空太陽能集熱管而言，如果僅將多孔SiO2涂層鍍制在罩玻璃管內表面，則SiO2增透涂層完全不受外部環境的影響，因而可以長期保持良好的增透作用，并與太陽能集熱管使用壽命相同。

基于上述原因，在未完全了解AR膜耐候性問題的情況下，可以采用罩玻璃管內鍍膜的方法提高罩玻璃管的增透性。圖2是AR膜太陽能集熱管。

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圖2 AR膜太陽能集熱管  

如圖2所示，為罩玻璃管內表面鍍有AR膜的太陽能集熱管。由圖2可以看出，直線位置具有明顯的分界線特征。直線下部為鍍有AR膜部分，顏色較深，表面太陽能光譜反射較小，而直線上面未鍍膜區域太陽能集熱管顏色較淺，表明該段太陽能可見光部分反射較高。在太陽能集熱管圓頭處預留一部分未鍍AR膜區域，使AR膜涂層對比特征更為明顯，顯示出AR膜集熱管明顯的外觀和高透射特征。

3  AR膜實驗及分析 

圖3為太陽能集熱管對比測試數據圖表，如圖3-A所示，為單支太陽能集熱管罩玻璃不同點內表面單面鍍AR膜透射曲線。其中未鍍膜透射比為0.900，鍍膜罩玻璃管透射比0.931之間，平均透射比增加3%。

圖3-B為同一管3種情況的測試數據，包括太陽能集熱管帶外管吸收，內管選擇性吸收涂層吸收比，和罩玻璃管的透射比。其中A為罩玻璃管有AR膜，B為沒有AR膜的太陽能集熱管。圖3B可以看出A管內管吸收比0.917，比B管吸收比0.921低0.4%，罩玻璃透射則增加3%，而B管A管帶外管太陽能集熱管平均吸收比為0.891，比B管高出2.2%。如果消除內管吸收比差異的影響，帶外管透射比應在2.5%左右。由此可見通過增加罩玻璃透射比可以增加太陽能集熱管吸收性能。

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 A 罩玻璃管透射曲線  B  集熱管吸收、透射數據表

圖3太陽能集熱管對比測試數據圖表

  通過對兩支太陽能集熱管空曬對比測試，測試結果顯示。從環溫開始，在溫升30℃的條件下，鍍有AR膜太陽能集熱管空曬溫度比無AR膜太陽能集熱管提高1℃，兩支太陽能管空曬對比*終溫差在4℃～6℃之間。

  通過對太陽能集熱管熱損和性能對比測試。兩支太陽能集熱管熱損均為0.71，發射比為0.06，沒有差異。

  通過對兩支太陽能集熱管進行老化對比測試，測試結果顯示，吸氣劑鏡面消失率沒有顯著差異。

  由此可見。采用罩玻璃管內表面鍍AR膜，能夠顯著提高集熱管集熱性能

4  AR膜涂覆工藝流程

在集熱管行業，采取的提拉工藝可以快速的實現集熱管的高效鍍膜，而在平板的光伏玻璃行業，則采取的是棍涂的工藝，使得加權透射比提高3%左右

下管:將鍍膜的太陽能集熱管罩玻璃管取下，準備進行下一批鍍膜工序。

由此可見，采用上述方法可以簡單、方便、快捷地在罩玻璃內表面制備AR膜，工藝簡單，生產方便，成本低廉，能夠滿足大規模生產需要。

該工序可以在太陽能集熱管裝配前實施，完全可以融合到現有的太陽能集熱管生產線中，而不需要做過多改進。但要求罩玻璃管內表面比較潔凈，生產環境比較潔凈，才能保證良好的鍍膜質量。

6總結

采用SoL-gel法制備太陽能集熱管罩玻璃管AR膜將是近幾年太陽能集熱管涂層技術主要研究和發展方向。在太陽能集熱管罩玻璃管內表面制備AR涂層可以有效提高太陽能集熱管的技術和性能指標，具有明顯的外觀特征和高透射性能，不影響太陽能集熱管的熱損和真空品質。生產設備簡單，成本低廉，便于產業化生產。

【本文部分內容選自中科院徐耀博導博文/索光新材料**科學家、南京誠遠太陽能韓成明】

 索光新材料的溶膠凝膠薄膜系列

MgF2/SiO2體系三波長減反膜（高功率固體激光器使用）

SiO2基疏水疏油閉孔減反膜（污染環境中使用）

MgF2減反膜（氟磷酸鹽玻璃、光學鏡頭使用）

疏水MgF2/SiO2體系雙層寬譜帶減反膜(顯示屏)

層狀聚合物光學晶體保護膜（頻率轉換器件使用）

SiO2基寬譜帶減反射膜（太陽能器件、展柜玻璃、顯示屏使用）

PMO減反膜（PI基柔性顯示器件使用）

VO2隔熱膜（建筑玻璃、汽車玻璃使用）

TiO2/SiO2、ZrO2/SiO2高反膜（反射鏡使用）

上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件?的高科技企業，公司成立２００５年，專業的光電鍍膜公司，公司產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

采用德國薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴格工藝標準的閉環式流程技術制備體系，能夠制備各種超高性能光學薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating, 激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜，應用領域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫用激光器、紅外制導、面部識別、VR/AR應用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫框等。