光学塑料材料

1、（塑料橡胶材料）光学塑料材料2020年5月多年的企业咨洵顾问屋侬,经过实战验证可以落地执i亍的卓越管理方窠，值得您下我拥有光学塑料材料辛企民 2004 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， 继续加热则随着化学反应燮硬使形状固定不再发生变化。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

2、丙 烯 酸 甲 脂（ Polymethylmethacrylate简 称PMMA ，也称 Acrylic ）摩尔量约为 50 万-100 万， （摩尔量对聚合物的性能有很大的影响)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a射线 和B射线，但是能吸收中子线。PMMA 密度为 1.19kg/m3 ，在 20*109Pa 时的平均吸水率为 2% ，在所有光学塑料中它的吸水率最高，弹性模量为3.16*

3、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 -5K-1比 K9 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来尺寸的性能要比玻璃好,它的折射率随温度的变化 dn/dt 为-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), 它的玻璃化温度为 105 ,熔化温度为 180 .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 Na

4、OH,KOH 所侵蚀 ,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 的透明度和色泽变化小 .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,还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 PMM

5、A 组合时可以成为对F 和 C 谱线进行校正的消色差透镜,二级光谱的校正一般比玻璃的消色差透镜还要更好一些 .它的透过率为88%, 它的双折射率较大,在阳光作用下聚苯乙烯容易变黄 .PS能自由着色，无嗅无味无毒，不致产生霉菌，吸漏性小吸只有 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减少内应力还可提高机械强度,无前因热变形温度,采用退火清晰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

6、真空中和在330-380 内将剧烈地热降解放出43% 的挥发物 ,41%为苯乙烯,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 ,受许多酮类,高级脂肪酯等侵蚀而软化,溶于芳烃,如苯 ,甲苯 , 乙苯及苯乙烯单体等.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,尺寸稳定的特点,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,在切浇口时应注意防止破裂,它还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还用于复制光栅组件 .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的透明度倡仍有发黄的趋势，nd=1.567,最高使用温 度75-90 C,热变形温度 82-105 C ,线形膨胀系数 (6.5 6.7)*10 -5K-1,密度为 1.06kg/m3-1.08kg/m3.3,聚碳酸脂(Polycarbonate 称 PC)综合性能优良的热塑性塑料，有良好的耐热性

8、，耐寒性，并 在较宽温度范围内(-135 C-+120 C)保持高的机械强 度，尺寸稳定性好，温度升高到105 c时材料的线性尺寸 增加0.07%,有很高的冲击强度，延展性好，具有均匀的成 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 色透明制品.nd=1.586,vd=34.0, 透过率为88%,PC的 机械特性是韧而刚，瓢缺口抗彳而擎弓负度在热塑性塑中 名列前茅，成型收缩率稳定在0.5%-0.7%.檄械性能性能黝直性能数值密度1.2kg/m3膨胀保数7.0*10 -5K-1吸水率

9、0.24%熟燮形温度135-143 C拉伸弓负度61.74MPa成晨期使用最高温110 C曲强度93.1MPa雷阻率108 Q*m缺口耐衡擎强127.4J/m擎穿重屋强度90mv/度m表面硬度M70耐重弧性120/s熟性能性能数值性能数值结晶熔黑占263 C可燃性自熄熔融温度220-230 C平均膨月囹系数(25-85 C )K-16.53*10 -5K-脆化温度-100 C玻璃化温度145-150 C载荷F燮形温度181.8986*10 4F日寺45.4746*10 4Pa日寺138 C1143 c1最高使用? 度i35 C比热容1172J/(kg.k)都醇率0.1975w/(m.k)PC在

10、室温下耐水，稀酸，氧化剂,还原剂，盐，油，脂肪烽的 侵蚀,不耐碱，胺，酮,芳香烽的侵蚀，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在水中正常吸漏性卷 0.15%,温水中肖水卷0.35%, 沸水中吸水卷0.58%,能耐60撮氏度的水温.由於PC的光擘常数典PS相似，所以可以和PMMA ffi 成消色差透it.光塑的折射率是波Hx师）的函数，可以用下列公式言十算：n2（入尸A0+A1 乃+A2 X2+A3 T4+A4 人-6+A5 於三樟塑彳系数如下：彳系数PMMAPSPCA02.1859362.4459842.

11、428386A18.0*10 -62.2*10 -5-3.9*10 -5A21.45315*10 -：22.72989*10 -22.87574*10 -2A3-5.6315*10 -43.0121*10 -4-1.979*10 -4A49.4903*10 -58.8893*10 -51.48359*10 -4A5-3.9023*10 -6-1.7571*10 -613865*10 -64,苯乙烯和丙烯酸脂的共聚物,MH：NAS70 %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%,折射率nd可达 1.533 1.567之间变化,vd=35,可以被用来作样正色

12、差的第二种材料，但它一般只用来作薄透镜.5,烯丙基二甘醇碳酸脂(Allgldiglycolcarbonate,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，洗注在玻璃模具中，一 股在140 C的温度下用17H的日寺冏固化成型.Nd=1.498,vd=53-57,白光透遇率92%,耐磨性，抗衡擎,化擘腐触的能力弓负，能受持 100 c的高温，短畤 内能耐150 C,由於它的收缩率很大（在固化畤收缩率逵 14%）因此它主要用於眼片.6.新品H聚三璟癸甲基丙烯酸脂 OZ1000 及 1011,1012,1013 等系列.是日本日立化工公

13、司H凌 出一槿新型脂璟榭脂. ARTON由日本合成橡公司（JSR）的，在熟塑性榭脂中它的 比重最馨，吸水率很小，便於PMMA,有良好的透遇，色差 小震折射率比PC的小，耐熟性好於PMMA和PC,拉伸 度度彳S於PMMA,模曲弹性模量便於PC,因此它很逋合 作非球面透H.璟烯烯共聚物，曾H COCCOC 的主要性能nd1.535密度1.02kg/cm3表面硬度M 84-86vd56吸水(24H里0.01%都燮形度漆5-170 C透遇率(厚3mm,400-700nm92%弹性模量2.756-3.448*10 3Pa；玻璃温度985-180 C光弹性彳系数*1018cm2/N室温-2 至-7缺口耐彳

14、弱擎弓金度J/m22-27膨限翳7*10-5/璟烯煌!聚合物（Cyclo olefinpolymer 倦? COP）是日本瑞翁公司H彝的另一槿非晶型聚烯燧（Zeonex480等）Zeonex480 典PC,PMMA 的性能比敕性能军位Zeoner480PC（光嚷级PMMA（二嚷级Nd-1.5251.5861.491Vd-55.83457.2光弹性彳系蹶*10 18Cm2/N6.57.26.0f!折射nm256520密度Kg/m31.011.201.19能和吸水平：%0.010.20.3玻璃醇化温度：C140145105荷重湾曲温度：C12312190膨胀保明LK-17*10-57*10-58*

15、10-5曲强度MPa10193115拉伸弓负度MPa64.36473透遇率%929092睾硬度-HB3H八樟主要光擘塑特性 材料 性能聚甲丙烯酸甲1(PMMA)聚苯乙烯IPSNASSAN聚4 酸脂 PC期基E 烯TPX棵烯 脂ZeonN nd(589.3nmNc(656.3nmNf(486.1nm1. 4911. 4881.4961. 5901. 5851.6041. 533-1.561. 5581.5757.567-1.5711. 5631.5781. 581. 5811.598)1. 4671 1. 4661.4731. 53041. 5271.537Vd57.230.83534.055.

16、8折射率温度系 数(dn/dt)10-5-8.5燮形温度c2/min1820000Pa2/min450000Pa(92101C8211010099-104100142146122180最高晨期工作温度c92829379-88124171都醇率W/M.K0.210.1-0.1380.120.190.16：，混才蜀度（J3.2mm昊2%3%3%3%5%5%1.5%透遇率（J3.2mm期2%90%90%90%88%90%92%吸水性室温（23度浸泡一周高2.0低0.7中等中等低0.40.1低膨胀彳系数10-5K-18.36.56.5-6.77.07侵黑占透遇性好折射率身折射率16大耐衡摩:化定性好麓

17、光靠大光擘玻璃和光擘塑的光擘性能特性光季玻璃光擘塑Nd1.44-1.951.49-1.61Vd20-9026-57折射率稳定性+10 -4+5*10 -4折射率均匀性10 -55*10 -4光屋常数Pa-16*10 -123.5*10 -12鹰力It折射彳系W3*10 -124.0*10 -12Pa-1熟光擘常号(dn/dt)K 1次-10-+10)*10-6(-100-160)*10密度kg/cm32.3-6.21.05-1.32弹性模量(50-80)*10 3(2-4)*10 3硬度N/mm2(3-7)*10 3120-190熟膨胀保数(5-10)*10 -6(70-100)*10 -6熟

18、稳定性910-1030360-420都醇率W/m. K-10.5-1.40.14-0.23比热容J/kg.K -10.3081.2-1.4光学塑料的优点：1,能进行大批量生产，降低制造成本.2,可以设计非常复杂的形状.3,重量轻，耐冲击.4,可以同时压出光学面和定位面.减少系统装配成本.5,零件的质量一致.光学塑料的缺点：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80120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

19、材料在成型过程中的流动模式和冷却， 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 , 折射率的选择受到限制.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改变了系统的像质.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,折射率随温度升高而降低,所以导致焦距的增长.dl/

20、dt 的结果也是使焦距随温度的升高而加长.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的 .为了减小对焦距的影响,可以采取以下措施: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用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.此时光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),用互相抵消的设计方案(如用折射-衍射混合结构).3),采用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,一是形状;二是折射率,机械强度以用表面状态等

21、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, 阿贝数也还有一些差别.假如光学系统全部采用光学塑料零件的话,系统的色差能得到一定的校正,但要同时校正场曲就很困难. 因此大多数宽波段系统都采用光学塑料PMMA和 PS 等火石类光学塑料或和火石类光学玻璃的混合结构 , 也可以采用折射- 衍射混合透镜来校正色差 . 在单色光的情况下可以采用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 ,要遵守以下几条规则 :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.一般情况下,它们的厚度比值小于或等于2:1时,它们的成型质量比较容易

22、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 用厚度比不大的弯月透镜而不是厚度比很大的双凸或 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，所以这个要求是容易实现的.另外，还应避免采用 平面.2）,对于长而薄的零件，设计人员必须考虑由此而产生的 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容易出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.

23、0)%面形（直径小于100mm）/光圈数(0.8 2)/cm面形不规则（直径小于100mm）/洸 圈数1(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中心厚度公差（直径小于25mm）/mm正负0.012直径或长度公差儿（直径小于100mm）/mmm正负0.025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，首先要考 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.这首先 是由于塑料的

24、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定性差，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35 C 45 c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 工作室有较高的洁净度.5) 光学塑料的热膨胀系数大,若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 ,严重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

25、昂脱脂, 也可以有和中性低腐蚀性的洗涤剂脱脂.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用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(烘干的同时还起到退火的作用 ).4) 在 真空镀膜前进行辉光放电处理或用低压离子辅助装置进行镀前的离子轰击.超声波清洗流程及参数清洗顺后以溶液成分清洗时间/min溶液温度/c手工超声波12%清洗剂,1%碱35602蒸储水236031%清洗剂,0.1%醋酸33604蒸储水22605蒸储水210606蒸储水2230离子辅助沉积

26、技术离子辅助沉积技术是近年来发展的技术.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.如果在沉积的 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提供额外的激活能，可望 改变膜层的微观结构，使其接近于大块材料的连续结 构，这样就会使膜层的聚集密度得到提高，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激励的分子（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物 ,能增加生

27、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,更好地控制薄膜的理想配比,并能有更高的沉积速率.离子辅助沉积中用的离子源要满足以下的要求:1) 具有反应气体的兼容性,特别是氧气和氮气.2) 有 足够的离子流密度.3) 为 了控制不同的真空腔条件(抽气速度,真空腔尺寸 ), 要 能 够 进 行 调 节 . 有 时 需 要 高 电 流 低 电 压 (100ev200ev), 或有时要求能量高达1000ev, 而电流则较低.4) 重复性要好,这对于大批量生产尤为重要.5) 清 洗和维护的周期较长.考夫曼 (Kaufman) 型热阴极离子源,这种离子

28、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均匀性差 ,对基片的轰击角不一致 ,灯丝的寿命会缩短 , 因此目前已广泛采用冷阴极离子源.20) 世纪 90 年代初 ,德国莱宝 (Leybole) 首先研发了一种大面积冷阴极等离子源,简称为APS 源 .APS 等离子辅助沉积原理如下 :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,产生辉光等离子体 .受磁场的作用 ,

29、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围和更高的运动速度.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.还由于等离子

30、体充满了整个真空室,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.离子辅助沉积的主要影响因素一,离子电流密度(IonCurrentDensity, 简称 ICD)在离子辅助沉积中 ,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 . 离子辅助沉积时的气体可以是惰性气体氩（Ar） 或反应气体氧（O2） 或两种气体的混合物 .离子电流密度与薄膜的折射率以及与膜层对湿气的稳定性有很大的关系.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,膜层对湿气的稳定性愈好 .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. 当氧气压力（流量 ）减小时,薄膜的折射率增大.膜层质量检测光学塑料表面镀膜的质量至今还没有一个公认的标准 , 除了要用分光光度计检测光学性