2022年光学塑料材料

1、光学塑料材料辛企民 2022 年一,光学塑料大致分类：塑料材料一般分为热塑性和热固性塑料；光学塑料大部分为热塑性塑料,常用的有：聚甲基丙烯酸甲脂（ PMMA）聚苯乙烯（PS）聚碳酸脂（PC）等；热塑性塑料指的是可反复加热仍可塑的塑料；热固性塑料：指的是在所用的合成树脂在加热初期软化,具有 可塑性,连续加热就随着化学反应燮硬使外形固定不再发生变 化；常用的材料有：烯丙基二甘醇碳酸脂（CR-39）树脂眼镜片环氧光学塑料均属于热固性塑料；二,主要的光学塑料1, 聚甲基丙烯酸甲脂（Polymethyl methacrylate 简称 PMMA,也称 Acrylic）摩尔量约为 50 万-100 的影响

2、）万,（摩尔量对聚合物的性能有很大nd=1.491,色散系数 Vd=57.2, 是“ 王冕” 材料,透过率约 92%,加速老化后 240H透过率仍能达到 92%,在室外使用 10 年后只降到 88%,能透过波长 270nm以上的紫外光；PMMA能透过 X射线和 Y射线,其薄片能透过 射线和 射线,但是能吸取中子线；PMMA密度为 1.19kg/m3 ,在 20*10 9Pa 时的平均吸水率为 2%,在全部光学塑料中它的吸水率最高,弹性模量为 3.16*10 9Pa,泊 松比为 0.32, 抗张强度为 462-703 *10 9Pa.PMMA 的线形膨胀 系数为 8.3*10-5 K-1比 K9

3、玻璃大 10 倍, 但 PMMA从高温冷却时的光学记忆即组件恢复到它原先尺寸的性能要比玻璃好 dn/dt 为, 它的折射率随温度的变化-8.5*10-5, 比 K9 玻璃大出约30 倍, 但是它是负值 . 热导率为0.192W/m*k, 比 热 容 为 1465J/kg*k, 105, 熔化温度为 180.它 的 玻 璃 化 温 度 为PMMA耐稀无机酸去污液 , 油脂和弱碱的性能优良 , 耐浓无机酸中 等, 不耐醇 , 酮, 溶于芳烃 , 氯化烃有机溶剂 , 为强碱及温热的 NaOH,KOH所腐蚀 , 与显影液不起反应 .PMMA有优良的耐气候性 , 在热带气候下曝晒多年 , 它的透亮度和

4、色泽变化小 .PMMA目前于广泛被用于制造照相机, 摄录一体机 , 投影机 , 光盘读出头以及军用火控和制导系统中的非球面透镜和反射镜 , 仍用来制造菲涅尔透镜 , 微透镜数组 , 隐形眼镜 , 光纤, 光盘基板等零件.2, 聚苯乙烯 Polystyrene 简称 PS,也称 Styrene这是一种火石类热塑性光学塑料 , 尽管它的抗紫外辐射性能 , 抗划伤性能都不如 PMMA,但它折射率高 ,nd=1.59 1.660, 阿贝系数小 Vd=30.8, 所以当它和 PMMA组合时可以成为对 F和 C谱线进行校正的消色差透镜 镜仍要更好一些 ., 二级光谱的校正一般比玻璃的消色差透它的透过率为

5、88%,它的双折射率较大 , 在阳光作用下聚苯乙烯 简单变黄 .PS 能自由着色 , 无嗅无味无毒 , 不致产生霉菌 , 吸濕性小吸只有 0.02%.PS热变形温度为 70-98 , 与配方及后处理有关 , 它的最高连续使用温度为 60-80 , 成型收缩率为0.45%,其零件经退火处理可削减内应力仍可提高机械强度 , 无前因热变形温度 , 采纳退火清楚度一般比实际的热变形温度低5-6 .PS 的导热系数不随温度发生变化 , 因此能作良好的冷冻绝热材料 .PS的比热容温度有明显变化 , 是塑料中比热较低的一种 , 在高真空中和在 330-380 内将猛烈地热降解放出 43%的挥发物 ,41%为

6、苯乙烯 ,2%是甲苯 , 并残留下二聚三聚四聚及多聚物为 57%.PS 能耐某些矿物油 , 有机酸 , 碱, 盐, 低能醇及它们的水溶液 , 受很多酮类 , 高级脂肪酯等腐蚀而软化 苯及苯乙烯单体等 ., 溶于芳烃 , 如苯 , 甲苯 , 乙PS 是最耐辐射的聚合物之一 , 要合性能发生变化须施加很大量的辐射能 .PS 是树脂中易成型加工的品种之一, 具有成型温度和分解温度相差大 , 熔融粘度低 , 尺寸稳固的特点 , 可用模压成型 , 也大量用 于注塑成型 , 但它的脆性比其它光学塑料大 , 因此易开裂 , 在切浇口时应留意防止破裂, 它仍能用一般的金属或木材加工工具进行机械加工 , 如钻,

7、 锯, 切等.PS除与 PMMA组成消色差的透镜外仍用于复制光栅组件 .为改善 PS的性能 , 开发出一些改良品种 , 如由 70%的聚苯乙烯和 30%和丙烯酸甲脂共聚形成新的光学塑料 NAS.另一种共聚物是丙烯腈苯乙烯的共聚物称为 SAN,主要用在工 程塑料制品 , 光学上主要用作窗口 , 基本保持了 PS的透亮度 , 但 仍有发黄的趋势 ,nd=1.567, 最高使用温度 75-90 , 热变形温 度 82-105 , 线 形 膨 胀 系 数 6.5 6.7* 10-5 K-1, 密 度 为 1.06kg/m3-1.08kg/m3.3, 聚碳酸脂 Polycarbonate 称 PC综合性

8、能优良的热塑性塑料, 有良好的耐热性 , 耐寒性 , 并在较宽温度范畴内 -135 -+120 保持高的机械强度 , 尺寸稳固 性好, 温度上升到 105时材料的线性尺寸增加 0.07%,有很高的 冲击强度 , 延展性好 , 具有匀称的成型收缩率 , 吸水率低 , 在水中 浸泡 24H 仅增重 0.13%,但不易进行机械加工 , 注塑成型是最常 用的方法 .密度为 1.20kg/m3, 本色呈淡黄色 , 加点淡蓝色后得到无色透亮制品.nd=1.586,vd=34.0,透过率为 88%,PC的机械特性是韧而剛 ,無缺口抗衝擊強度在熱塑性塑膠中名列前茅 , 成型收縮率穩定 在 0.5%-0.7%.

9、機械性能性能數值性能數值密度1.2kg/m3線膨脹係數7.0*10-5K-1熱變形溫度吸水率0.24%135-143 長期使用最高溫度拉伸強度61.74MPa110電阻率彎曲強度93.1MPa108 *m擊穿電壓強度缺口耐衝擊強度 127.4J/m90mv/m耐電弧性表面硬度M70120/s熱性能性能數值性能數值-1結晶熔點263可燃性自熄平 均 線 膨 脹 係 數熔融溫度220-230 25-85 K-16.53*10-5 K脆化溫度-100玻璃化溫度145-150載荷下變形溫度181.8986*104Pa時138最高使用溫度 13545.4746*104Pa時143比熱容1172J/kg.

10、k熱導率0.1975w/m.kPC 在室温下耐水 , 稀酸 , 氧化剂 , 仍原剂 , 盐, 油, 脂肪烃的腐蚀 , 不耐碱 , 胺, 酮, 芳香烃的腐蚀 , 在很多有机液体为蒸气中溶胀 ,并导致应力开裂 , 溶于二氯甲烷 , 二氯霉素乙烷 , 甲酚, 二恶烷中 , 长期致于水中会水解破裂导致脆化 .PC在水中正常吸濕性為 0.15%,溫水中肖水為 0.35%,沸水中吸 水為 0.58%,能耐 60 攝氏度的水溫 .由於 PC的光學常數與 PS相像, 所以可以和 PMMA組成消色差透 鏡.光學塑膠的折射率是波長 算: m的函數 , 可以用以下公式計 n2 =A0+A12+A2-2+A3-4+A

11、4-6+A5-8三種塑膠係數如下 :係數PMMAPS-2PC-2A02.1859362.4459842.428386A18.0*10-62.2*10-5-3.9*10-5A21.45315*10-22.72989*102.87574*10A3-5.6315*10-43.0121*10-4-6-1.979*10-4-4A49.4903*10-58.8893*10-51.48359*10A5-3.9023*10-61.3865*10-6-1.7571*104, 苯乙烯和丙烯酸脂的共聚物, 簡稱:NAS 70 %的苯乙烯和 30%的丙烯酸脂的共聚物 , 它和各性能优于聚苯乙烯 . 透过率可达 90%

12、,折射率 nd 可达 1.5331.567 之间变化,vd=35, 可以被用来作样正色差的其次种材料 , 但它一般只用来作薄透镜 .5, 烯丙基二甘醇碳酸脂Allgl diglycol carbonate,简称 ADC或 CR-39它是目前在光学领域中最主要的一种热固性材料 , 因此这种材料通常用浇铸的方法成形, 澆注在玻璃模具中 , 一般在 140的溫度下用 17H的時間固化成型 .Nd=1.498,vd=53-57,白光透過率 92%,耐磨性 , 抗衝擊 , 化學腐蝕的才能強 , 能經受持續 100的高溫 , 短時間內能耐 150, 由於它的收縮率很大 在固化時收縮率達 鏡片.6. 新品種

13、14%因此它主要用於眼聚三環癸甲基丙烯酸脂 OZ1000及 1011,1012,1013 等系列 .是日本日立化工公司開發出一種新型脂環樹脂 .ARTON 由日本合成橡膠公司JSR 開發的 , 在熱塑性樹脂中它的比重最輕, 吸水率很小 , 優於 PMMA,有良好的透過 , 色差小 , 雙折射率 比 PC的小, 耐熱性好於 PMMA和 PC,拉伸強度優於 PMMA,彎曲彈 性模量優於 PC,因此它很適合作非球面透鏡 .環烯烴共聚物 , 簡稱 COC COC的主要性能nd1.535密度1.02kg/cm3 表面硬度M84-86vd56吸水率 24H 0.01%熱變形溫度75-170 透過率 厚 3

14、 92% 彈性模量 2.756-3.448 玻 璃 轉 化 溫 85-180 mm,400-700nm *10 3Pa 度光彈性係數 缺口耐衝 線膨脹係數 6-7 *10-5 / K*10 18cm2/N-2 至-7 擊強度 22-27室溫 J/m 環烯烴聚合物 Cyclo olefin polymer 簡稱 COP是日本瑞翁公司開發的另一種非晶型聚烯烴Zeonex480 等Zeonex480 與 PC,PMMA的性能比較性能單位Zeoner480PC光學級 PMMA光學級Nd-1.5251.5861.491Vd-55.83457.2光學彈性係數Cm2/N6.57.26.0*101825652

15、0雙折射nm密度Kg/m31.011.201.19飽和吸水率 %0.010.20.3玻璃轉化溫度140145105荷重彎曲溫度12312190-1 線膨脹係數 K7*10-57*10-58*10-5彎曲強度MPa10193115拉伸強度MPa64.36473透過率%929092鉛筆硬度-HB3H八種主要光學塑膠特性性能材料 聚甲丙 聚苯乙烯NASSAN聚 碳 甲基 聚烯烴 Arton 烯酸甲 PS酸脂戊烯脂F脂PCTPXZeonexPMMAN nd 1. 491 1. 5901.567-1.5711. 533-1.56 7 1. 589 1. 4671. 5301. 51589.3nm1. 4

16、88 1. 5851. 5581. 5631. 581 1. 4664 1. 527589nm Nc 1.4961.6041.5751.5781.5981.4731.537656.3nm Nf 486.1nmVd57.2 30.83534.055.8折射率溫度-8.5系數dn/dt-5 10變形溫8210099-104142122度921011101001461802/min1820220Pa 2/min450000Pa最 高 長 期 工作溫度 92829379-88124171171熱導率 0.21 0.1-0.138 0.120.190.167W/M.K混 濁 度 厚 2% 3%3%3%5

17、% 5% 1.5%1.7%3.2mm透 過 率 厚 92% 90%90%90%88% 90% 92%92%3.2mm吸 水 性 室 溫 高低中等中等低0.1低低232.00.70.40.4度浸泡一周線膨脹係數8.36.56.5-6.77.0710-5 K-1透 過 性 折射率高折射率範圍 穩定耐衝擊化 學 穩 透 光 範 熱穩定性優點好大定性好圍大好光學玻璃和光學塑膠的光學性能特性光學玻璃光學塑膠Nd1.44-1.951.49-1.61Vd20-9026-57折射率穩定性-4 +10+5*10-4折射率均勻性-5 105*10-4光壓常數 Pa -16*10-12-63.5*10-12-6應力

18、雙折射係數 Pa-13*10-124.0*10-12熱 光 學 常 數 dn/dt-10 - +10*10-100 - -160*10-1 K密度 kg/cm3-12.3-6.2-631.05-1.32-6彈性模量50-80*102-4*103硬度 N/mm23-7*103120-190熱膨脹係數5-10*1070-100*10熱穩定性910-1030360-420熱導率 W/m. K-10.5-1.40.14-0.23比熱容 J/kg. K0.3081.2-1.4光学塑料的优点 :1, 能进行大批量生产 , 降低制造成本 .2, 可以设计特别复杂的外形 .3, 重量轻 , 耐冲击 .4, 可

19、以同时压出光学面和定位面 5, 零件的质量一样 . 光学塑料的缺点 :. 削减系统装配成本 .1, 对温度和湿度等环境的变化更为灵敏经济危机学塑料的热膨胀系数比玻璃大出一个数量级, 光学塑料的折射率温度系数比玻璃要大 6 倍到 50 倍. 一般来讲塑料光学零件的最高连续工作温度不得高于80-120摄氏度 . 光学塑料的吸湿性也比玻璃大得多.2, 注射成型过程影响表面面形精度. 由于材料在成型过程中的流淌模式和冷却, 固化收缩,光学零件的面形精度 会受到影响；大多数光学塑料零件在成型时的收缩率一般是模具尺寸的0.1%0.6%,随材料和生产过程的不同而不同 .3, 由于聚合时分子的取向性和模压时产

20、生的内应力 , 模压成型光学塑料零件存在不同程度的双折射 .有关折射率的问题 ;1, 在光学塑料中由于它的品种少, 折射率的挑选受到限制 .2,dn/dt 称为折射率的温度系数, 它既影响了光学系统的焦距也转变了系统的像质 . dl/dt 称为线膨胀系数 , 透镜几何尺寸随温度的变化, 也直接影响到系统的焦距 .由于光学塑料折射率的温度系数为负值 降低, 所以导致焦距的增长 ., 折射率随温度上升而 dl/dt 的结果也是使焦距随温度的上升而加长 . 但折射率的 影响要大的多 . 对 PMMA来说, 折射率的影响几乎是线膨胀的四倍 , 就是说在焦距的变化中 , 有 80%是由于折射率变化所引起

21、的 .为了减小对焦距的影响 , 可以实行以下措施 :1, 设法使该系统不易受到温度的影响. 故很多光学系统都采纳光学塑料非球面零件和光学玻璃球面零件组成的混合系统 . 此时间学塑料非球面一般用来校正像差, 而系统的光焦度主要由玻璃球面零件来承担 一般为 70%-80%.2, 用相互抵消的设计方案 如用折射 - 衍射混合结构 .3, 采纳补偿机构补偿焦点的变动 .有关吸湿性的问题 : 吸湿引起的变化 , 一是外形 ; 二是折射率 , 机械强度以用表面状 态等物理性能 的变化 .消色差的问题 :由于光学塑料的折射率比较低, 差别也不大 , 阿贝数也仍有一些差别. 假如光学系统全部采纳光学塑料零件的

22、话 , 系统的色差能得到肯定的校正 , 但要同时校正场曲就很困难 . 因此大多数宽波段系统都采纳光学塑料 类光学玻璃的混合结构PMMA和 PS等火石类光学塑料或和火石 , 也可以采纳折射 - 衍射混合透镜来校正色差. 在单色光的情形下可以采纳全部是光学塑料零件的系统 .设计规格 :设计含光学塑料的光学系统时, 要遵守以下几条规章 :1, 为了减小塑料收缩引起的变形 , 光学零件的中心厚度与边缘厚度要尽可能接近 . 一般情形下 , 它们的厚度比值小于或等于2:1 时, 它们的成型质量比较简单得到保证. 因此, 为了减小中心厚度与边缘厚度的差别 , 应更多地采纳厚度比不大的弯月透镜而不是厚度比很大

23、的双凸或双凹透镜. 实际上由于非球面只承担很少一部分系统的光焦度, 所以这个要求是简单实现的. 另外 ,仍应防止采纳平面 .2, 对于长而薄的零件 , 设计人员必需考虑由此而产生的影响和 由于重力造成的变形 .3, 零件的实际直径应大于有效孔径, 以便减小光学零件边缘出现的热性能的差异对光学性能的影响 .4, 制造大而厚的光学零件是困难的. 厚度超过 12mm的塑料光学零件在注塑中简单显现流痕和凹坑等缺陷 .注塑成型塑料光学零件的精度技术指标 能达到的精度焦距 正负0.5 1.0%曲率半径 正负0.5 1.0%面形 直径小于 100mm/光圈数 0.8 2/cm面形不规章 直径小于 100mm

24、/光圈数 0.4-0.8/cm表面疵病 美国军标 划痕/ 麻点 40/20偏心差 / 正负 1正负 0.012中心厚度公差 直径小于 25mm/mm直径或长度公差儿 直径小于 100mm/mm 正负 0.025m重复精度 0.3 0.5%光学塑料零件的镀膜技术光学塑料的镀膜特性1 在光学塑料零件表面上进行真空镀膜时 , 第一要考虑的是这些材料在抽气和沉积过程中的放气特性 . 在抽真空时 , 材 料会不断地放气 , 从而使真空度急剧降低 , 同时也使膜层的 质量下降 .2 光学塑料表面和所镀薄膜之间的附着力差 . 这第一是由于塑料的表面能一般都比较低, 表面极性差 . 其次是塑料零件软而且化学稳

25、固性差 , 它的清洗受到限制 , 不易得到真正清 洁的表面 .3 光学塑料的耐热性差, 不能像玻璃一样将基底加热到较高的温度 , 因此光学塑料一般在 3545的温度下进行镀 膜.4 光学塑料易带静电 , 表面易吸附灰尘 . 因此要求镀膜工作室 有较高的干净度 .5 光学塑料的热膨胀系数大, 如基底与膜层膨胀系数的差异太大时 , 使膜层产生应力 , 从而会引起变形甚至膜层开裂 .6 光学塑料零件在成型中易产生内应力, 不仅产生双折射 , 而且会给镀在其上面的膜层造成一些缺陷 , 严峻时会使膜层产生裂纹 .光学塑料零件镀膜前的清洗方法:1 用碱性水溶液或氟利昂脱脂 洗涤剂脱脂 ., 也可以有和中性

26、低腐蚀性的2 用干燥的空气流或氮气吹除表面污物 .3 在大批量生产时最好采纳超声波进行短时间的清洗 . 其工艺流程见下表 . 零件经蒸馏水冲洗后 , 最好用以过过滤的压 缩空气吹干 . 经吹干的零件再放入烘箱中烘干 , 以除去冷凝 在零件表面的水分 烘干的同时仍起到退火的作用 .4 在真空镀膜前进行辉光放电处理或用低压离子帮助装置进 行镀前的离子轰击 .超声波清洗流程及参数清洗次序溶液成分清洗时间 /min溶液温度 / 12%清洗剂 ,1%碱手工超声波60352蒸馏水236031%清洗剂 ,0.1%醋酸33604蒸馏水22605蒸馏水210606蒸馏水2230离子帮助沉积技术离子帮助沉积技术是

27、近年来进展的技术. 通过电子显微镜对一般热蒸发的薄膜进行分析 , 可以看到这时薄膜的微观结构不同于大块材料 , 是一种 柱状加空穴 的结构形式 . 一般认为这是由于沉积中沉积的原子或分子在基板表面的有限迁移力所造成的 . 假如在沉积的过程中用离子源发出的离子束对生长的膜层进行离子轰击, 对沉积的原子或分子供应额外的激活能, 可望转变膜层的微观结构 , 使其接近于大块材料的连续结构, 这样就会使膜层的集合密度得到提高 , 从而使膜层得到稳定而接近于固体的折射率 .离子源 离子源通常产生带能离子和被电鼓励的分子 自由基 . 带能 离子起到机械作用 , 能清洗基板表面 , 清除大部分水分和碳氢 化合

28、物 , 能增加生长膜层的密度和去除膜层生长过程中的结 合力弱的分子 . 自由基起到化学作用 , 增加反应气体的反应能力, 更好地掌握薄膜的抱负配比, 并能有更高的沉积速率 .离子帮助沉积中用的离子源要满意以下的要求 :1 具有反应气体的兼容性 , 特殊是氧气和氮气 .2 有足够的离子流密度 .3 为了掌握不同的真空腔条件 抽气速度 , 真空腔尺寸 , 要能够进行调剂 . 有时需要高电流低电压 100ev200ev, 或有 时要求能量高达 1000ev, 而电流就较低 .4 重复性要好 , 这对于大批量生产尤为重要 .5 清洗和保护的周期较长 .考夫曼 Kaufman 型热阴极离子源 , 这种离

29、子源的离子束出口 半径小 , 离子束流具有方向性 , 到达轰击表面的离子束流匀称性差 , 对基片的轰击角不一样 已广泛采纳冷阴极离子源 ., 灯丝的寿命会缩短 , 因此目前20 世纪 90 岁月初 , 德国莱宝 Leybole 第一研发了一种大面 积冷阴极等离子源 , 简称为 APS源.APS等离子帮助沉积原理如下 :APS等离子源位于真空室的中心位置, 主要由一个大面积的硼化镧 LaB6 阴极, 圆柱形阳极和磁性线圈所组成 . 硼化镧阴极经间接加热后 , 发射热电子 . 充入的工作气体 通常为惰性 气体, 在 0.01Pa 的低压下 , 在阴极与阳极之间的直流电压作 用下被电离 , 产生辉光

30、等离子体 . 受磁场的作用 , 等离子源产 生的电子被抽出 , 其中径向运动的电子被抑制 , 而轴向运动的 电子数量会增加 , 并沿磁力线的方向旋转飞出 , 向基片架和真 空室壁运动 . 在等离子体内 , 电子比正离子有更大的活动范畴 和更高的运动速度 . 等离子体外围电子云与基片或真空室壁 相接触 , 又由于等离子源与真空室壁相绝缘 , 这样就使基片 , 工作架 , 真空室壁相对于等离子源获得了一个负压 . 这一负偏压具有自偏压的性质. 经阴极与阳极之间放电而失去电子的工作气体正离子 , 在自偏压电场的作用下没电力线方向加速 轰击基片表面 . 由于等离子体中的正离子将较大的动能传递给到达基片

31、的膜料粒子, 正在生长膜的沉积粒子的迁移性得到提高 , 从而改善了膜层的致密性 . 仍由于等离子体布满了整 个真空室 , 蒸发粒子在运动过程中受到正离子的轰击碰撞 , 受 到激活和离化 .离子帮助沉积的主要影响因素 一, 离子电流密度 Ion Current Density, 简称 ICD 在离子帮助沉积中 , 镀膜的密度和质量与离子电流密度有 直接的关系 .ICD 与驱动电压有关 , 驱动电压又和离子源中用 的气体种类 , 压力以及系统的抽气速度有关 . 离子帮助沉积时的气体可以是惰性气体氩 的混合物 .Ar 或反应气体氧 O2或两种气体离子电流密度与薄膜的折射率以及与膜层对湿气的稳固性有很大的关系 . 离子电流密度增大时 , 薄膜的折射率也增大 . 离子电流密度越大 , 膜层对湿气的稳固性愈好 .二, 抽气速率抽气速率不同时 , 驱动电流和驱动电压有不同的函数关系 , 而这种关系随起始气压不同而不同 薄膜的折射率增大 . . 当氧气压力 流量 减小时 ,膜层质量检测 光学塑料表面镀膜的质量至今仍没有一个公认的标准 , 除了要用分光光度计检测光学性能以外 久性能的检测 :, 一般要进行以下几