浅谈数控机床的国产化 摘要:我国从1958年开始发展数控技术,到现在已经建立了一定的规模体系。到目前为止我国数控市场大多被国外数控系统占领,本文主要讨论的是国产低价位数控机床、高速高效数控机床和重型数控机床如何占领国内市场。 关键词:国产化数控机床;低价位、高速、重型数控机床;售后保障机制 我国自从1958年开始研究数控技术以来,到现在已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。数控产业化的最终成功将体现在数控机床的全国产业化和市场占有率上。到目前为止,我国数控市场大多被国外数控系统占领,例如日本FANUC系统、德国的SIEMENS系统等一些国外知名品牌在我国占有很大的市场,而国产系统由于各种原因受到冷落。 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固将直接影响到一个国家的经济发展和综合国力,关系到一个国家的战略地位。因此,必须在国内市场上快速收复失地,在国际市场上稳步进军,才能最终打赢国产数控机床市场翻身仗。下面仅就低价位数控机床、高速高效数控机床和重型数控机床的发展问题做一简单讨论。 一、大力发展低价位数控机床 低价位数控机床,就是功能满足用户小批量,多品种生产要求(无功能浪费)、技术指标适中、可靠性好、价格便宜,中、小型企业都能接受的普及型数控机床。这类机床已成为国际市场上数控机床的发展趋势之一,也是国内众多用户渴求的产品,比较适合中国国情,其市场前景相当广阔。然而,如果采用国外数控系统(包括伺服元件)按照传统思路来发展低价位机床,是很难将价格降至广大用户所能接受的水平。因此,采用本文提出的新型集成化国产数据系统来发展高性能的低价位数控机床,将是一条最有希望成功的道路。只要有一定批量,由此构成的国产普及型数控车床的售价完全可以控制在10万元以内,三坐标数控铣床可控制在l5万元左右,加工中心可控制在2O万元左右。此价位的国产数控机床将是具有较强竞争力。 二、加速开发高速数控机床 高速、高效是数控机床发展的另一大潮流。发展高速、高效数控机床的技术途径可有以下几条: ①通过提高切削速度和进给速度的方法,来满足成倍提高生产效率,有效提高零件的表面加工质量和加工精度的加工效果,并且此方法还能解决常规加工难以解决的某些特殊材料(如铝钛合金、模具钢、淬硬钢)和特殊形状零件(如复杂薄壁零件)的高效加工问题。 ②通过工艺复合的方法来减少工件的安装次数, 这样能有效地缩短搬运和装夹时间。例如,将五面五轴加工中心与立车复合构成万能加工中心,可实现一次装卡完成零件的大部分(或全部)加工任务。 ③采用高速、高精度圆周铣的方法,能够完成以螺旋轨迹插补实现不钻底孔的直接攻丝等新的加工方法,这种方法能够大幅度减少换刀次数,提高加工效率。 ④为数控机床开发智能寻位加工功能,消除对精密夹具和人工找正的依赖,有效缩短单件小批量加工的准备时间。 在我国现实条件下,如果沿用传统思路是难以实现上述途径的,因此必须立足国情、结合实际、勇于创新、大胆探索新的道路。考虑到常规数控机床在总体结构上基本上采用工件和刀具沿各自导轨共同运动的方案,一方面由于机床传动环节刚性不足和导轨中摩擦阻力较大,使运动部件难以获得高的进给速度;另一方面由于工件、夹具和工作台的总质量比较大,使之难以获得高的加速度。此外,传统机床结构是一种串联开链结构,组成环节多、结构复杂,并且由于存在悬臂部分,部件和环节间存在联接间隙,所以不容易获得高的总体刚度,因此难以适应高速高效加工的特殊要求。为此,开发国产高速高效数控机床时,可采用工件固定,以直线电机组成并联短链直接驱动主轴和刀具运动,将高速高精度传动与高刚度支撑合二为一的适合于高速高效加工中心的新型结构。采用该结构的高速高效数控机床不但速度高、刚度高,如果在传动与控制上处理得当,还可以达到比常规机床更高的加工精度和加工质量,而且具有机械结构简单,零部件通用化、标准化程度高,制造成本低,易于经济化批量生产等显著优点。因此,沿此思路发展高速高效数控机床将是一条符合国情、易于取得成功的道路。 三、突破重型数控机床的设计制造技术 重型数控机床(特别是多坐标重型数控机床)是国民经济和国防生产中的重大关键设备,属于战略物资,真正先进的重型数控机床国外是不可能卖给我们的。因此,在我国下世纪数控产品的发展中必须依靠自己的力量进行解决。发展重型数控机床必须有过硬的基础,我们在数控机床国产化的进程中应不断总结经验,加强基础技术和关键技术研究,充分发挥我国产、学、研相结合的优势,各部门通力合作、共同努力,争取在短时期取得突破性进展。 四、建立起有力的售后保障机制 数控系统和数控机床做为典型的高技术产品,对用户的技术支持和服务是相当重要的,以前国产数控产品丧失信誉的原因,除可靠性问题外,另一大问题应是缺乏有力的技术支持和服务。用户花了很多钱买的数控机床或数控系统,一旦出现问题却叫天天不应,叫地地不灵,即便是厂家答应了,维修人员也不能及时到位,而且维修人员的技术水平也是参差不齐的,在这个讲究效率的时代,这样的售后服务是行不通的,长此下去谁还敢买我们的产品呢。因此,对用户的技术支持和服务应当成为我们重要的日常工作,使我们在市场上向纵深挺进的同时,有一个强大后方做保障。因此,为了取得数控产品市场竞争的全面胜利,必须建立一个以技术支持和服务为核心的强大的售后服务基础。
1)零件图工艺分析 该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。其中多个直径尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度等要求;球面Sφ50㎜的尺寸公差还兼有控制该球面形状(线轮廓)误差的作用。尺寸标注完整,轮廓描述清楚。零件材料为45钢,无热处理和硬度要求。 通过上述分析,可采用以下几点工艺措施。 ①对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸,因其公差数值较小,故编程时不必取平均值,而全部取其基本尺寸即可。 ②在轮廓曲线上,有三处为圆弧,其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线,因此在加工时应进行机械间隙补偿,以保证轮廓曲线的准确性。 ③为便于装夹,坯件左端应预先车出夹持部分(双点画线部分),右端面也应先粗车出并钻好中心孔。毛坯选φ60㎜棒料。 (2)选择设备 根据被加工零件的外形和材料等条件,选用TND360数控车床。 (3)确定零件的定位基准和装夹方式 ①定位基准 确定坯料轴线和左端大端面(设计基准)为定位基准。 ②装夹方法 左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧,右端采用活动顶尖支承的装夹方式。 (4)确定加工顺序及进给路线 加工顺序按由粗到精、由近到远(由右到左)的原则确定。即先从右到左进行粗车(留㎜精车余量),然后从右到左进行精车,最后车削螺纹。 TND360数控车床具有粗车循环和车螺纹循环功能,只要正确使用编程指令,机床数控系统就会自动确定其进给路线,因此,该零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人为确定其进给路线(但精车的进给路线需要人为确定)。该零件从右到左沿零件表面轮廓精车进给,如图2所示。 图2 精车轮廓进给路线 (5)刀具选择 ①选用φ5㎜中心钻钻削中心孔。 ②粗车及平端面选用900硬质合金右偏刀,为防止副后刀面与工件轮廓干涉(可用作图法检验),副偏角不宜太小,选κ=35 0。 ③精车选用900硬质合金右偏刀,车螺纹选用硬质合金600外螺纹车刀,刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径,取rε=~㎜。 将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中(见表1),以便编程和操作管理。 表1 数控加工刀具卡片 产品名称或代号 ××× 零件名称 典型轴 零件图号 ××× 序号 刀具号 刀具规格名称 数量 加工表面 备注 1 T01 φ5中心钻 1 钻φ5 mm中心孔 2 T02 硬质合金90 0 外圆车刀 1 车端面及粗车轮廓 右偏刀 2 T03 硬质合金90 0 外圆车刀 1 精车轮廓 右偏刀 3 T04 硬质合金60 0 外螺纹车刀 1 车螺纹 编制 ××× 审核 ××× 批准 ××× 共页 第页 (6)切削用量选择 ①背吃刀量的选择 轮廓粗车循环时选a p =3 ㎜,精车a p =㎜;螺纹粗车时选a p = ㎜,逐刀减少,精车a p =㎜。 ②主轴转速的选择 车直线和圆弧时,选粗车切削速度v c =90m/min、精车切削速度v c =120m/min,然后利用公式v c =πdn/1000计算主轴转速n(粗车直径D=60 ㎜,精车工件直径取平均值):粗车500r/min、精车1200 r/min。车螺纹时,参照式(5-1)计算主轴转速n =320 r/min. ③进给速度的选择 选择粗车、精车每转进给量,再根据加工的实际情况确定粗车每转进给量为㎜/r,精车每转进给量为㎜/r,最后根据公式v f = nf计算粗车、精车进给速度分别为200 ㎜ /min和180 ㎜/min。 综合前面分析的各项内容,并将其填入表2所示的数控加工工艺卡片。此表是编制加工程序的主要依据和操作人员配合数控程序进行数控加工的指导性文件。主要内容包括:工步顺序、工步内容、各工步所用的刀具及切削用量等。 表2 典型轴类零件数控加工工艺卡片 单位名称 ××× 产品名称或代号 零件名称 零件图号 ××× 典型轴 ××× 工序号 程序编号 夹具名称 使用设备 车间 001 ××× 三爪卡盘和活动顶尖 TND360数控车床 数控中心 工步号 工步内容 刀具号 刀具规格 / mm 主轴转速 / -1 进给速度 /mm. min -1 背吃刀量 / mm 备注 1 平端面 T02 25×25 500 手动 2 钻中心孔 T01 φ5 950 手动 3 粗车轮廓 T02 25×25 500 200
上面的是我发的 忘登陆了 觉得可以的话把分给我了
写你最初的构思想法,再开始制作的流程,然后途中存在的困难与解决方法,最后再来个总结。其实论文主要做到两点就稳过,第一,字数达标,最好超出一些。第二,格式合服要求,这点很重要,我以前就因为这个被打回了三次才过关。内容一般随意就好,网上找一些,自己再编一些口水话,字数凑够就行了。放心,没有哪个老师会有那时间来仔细看你内容,都是晃一眼就过
4 夹具设计 为了提高劳动生产率,保证加工质量,降低劳动强度,需要设计专用夹具。经过与指导老师协商,决定设计 孔的加工夹具、设计主视图 孔加工夹具、设计零件底面的加工夹具。 问题的提出利用这些夹具用来加工 孔、 孔和零件底面,这些都有很高的技术要求。但加工的部分都尚未加工,因此,在设计时,主要考虑如何提高劳动生产率,降低劳动强度,并且精度也是非常重要的。夹具设计 零件底面的加工夹具(1)定位基准的选择 由于工件的孔17和14都要以底面做为基准加工,故首先得做出底面的加工夹具。加工底面的时间为保证相对17的孔于A和B面的平行度我们就得要准确的设计出以导轨面和燕尾面为主要定位的夹具。还考虑到工件的圆度和圆柱度的误差小,我们设计的夹具就具有对孔17的夹具定位准确,和加工时的震动小,那就得在孔17的孔外圆找个定位夹紧点。 夹紧时主要是限制工件的在平面上的转动和翻滚,由于外表面基本上是不用加工的,所以在加工的时候采用两侧面作为夹紧。(2)夹紧力的选择在钻孔是夹紧力产生的力矩,必须满足 查资料[1]《机床夹具设计手册》其中 ——刨削的力,其值由切削原理的公式计算确定; ——刨削时,压板产生力。为了提高夹紧的速度,采用的加工夹具草图如图所示紧机构。图(3)定位误差定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位是的孔,该孔与该面有平行度有一定的要求为,以及位置度的要求为 主视图孔的加工夹具(1)定位基准的选择由零件图可知,的孔应对导轨面和燕尾面有平行度的及位置度的要求,而且本身有圆度和圆柱度的要求。为了使定位误差为零,应该采用互定位,但是由于其他的各面都未加工,因此这里只选用已加工的底面和75度斜面作为主要定位基准。由于孔17的精度要求高,和定位尺寸误差小,为保证孔的位置和加工准确性我们在加工底面的时间要求通过精加工后作为加工17的孔的基准。这样就可以更好的保证孔17的位置和加工精度!夹紧时主要是限制工件的在平面上的转动,由于外表面基本上是不用加工的,所以在加工的时候采用不加工的面作为夹紧。图(2)夹紧力的选择在钻孔是夹紧力产生的力矩,必须满足(查资料[1]《机床夹具设计手册》)其中 ——钻削时的扭矩,其值由切削原理的公式计算确定; ——钻削时的时,左边压紧件产生力矩; ——钻削时的时,右边压板产生力矩。为了提高夹紧的速度,而且工件较小,切削过程中的震动不太大。夹具图在后面画出。夹紧力 式() 式()(3)定位误差定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位是孔的两端面,该端面与孔的垂直度有一定的要求。 孔的加工夹具(1)定位基准的选择由零件图可知,加工孔14的夹具其实同样以底面和75度面作为基准,也就是在加工17的孔的上做一个45度斜角度。。夹紧时主要是限制工件的在平面上的转动,由于外表面基本上是不用工的,所以在加工的时候采用不加工面作为夹紧。由于考虑钻削力的作用,把夹具体做出的斜角。(2)夹紧力的选择在钻孔是夹紧力产生的力矩,必须满足 查资料[1]《机床夹具设计手册》其中 ——钻削扭矩,其值由切削原理的公式计算确定; ——钻削时,左边压紧件生力矩; ——钻削时,右边压板产生力矩。了解更多请进入
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夹具的设计,要求的是简单可靠(定位误差小)效率高。这个也根据生产量来确定的,如果小批量几百个的话,手动装夹也是可行的。几千个到上万个,一般做汽车配件压铸件转到CNC加工的时候,这时就要考虑装夹的效率和可靠程度。一般都采用液压装夹。这时就要考虑液压的管道怎么设计。夹具的制定一定要仔细分析零件的结构和定位方式,有时也要考虑加工工艺过程。一般设计夹具的人员都会考虑需要你提供:毛坯图纸 和零件图纸有时还需要你提供工艺过程,这样方便夹具的设计,不会出现定位难,定位不准,或者发生加工方面的干涉现象。有的零件是先压铸好的,所以这里必须考虑你的压铸零件的尺寸和精度。方便合理的选择定位基准和定位方式,这里也需要考虑你的加工工艺过程,避免夹具会与刀具有干涉现象。如果是多面加工,这时又要考虑二次装夹如何定位,这时更需要提供加工工艺和单面的尺寸精度范围。这样可以根据已加工表面来确定夹具的如何定位和装夹。夹具设计考虑的东西:装夹方式(手动还是液压) 定位方式(定位块还是定位针) 夹具材料 定位辅助弹簧等东西。夹具设计最先是从 你的毛坯 成品零件 加工工艺 等等入手分析的。可能每个人和每个人设计出来的都会有点不一样,但是记住结构越简单越可靠越好。同时也最好考虑一下如何提高操作工的装夹效率(要有点人性化呵呵)。
糖衣片:糖衣片是指在素片上包裹糖衣以增加片剂稳定性或者掩盖药物气味或者口味的一种剂型。糖衣片的好处,增加制剂稳定性,掩盖不良药味,片面光洁美观。糖衣片的劣势在于使用大量蔗糖和滑石粉,一般包衣材料和素片重量相当,使得包出来的片子体积较大;同时因为使用了蔗糖,不利于糖尿病人等的服用。而且糖衣片容易出现花斑、霉变等情况。薄膜衣片:薄膜衣片是相对糖衣片而言,采用符合包衣要求的高分子物料,以有机溶媒溶解,包于片剂表面,当溶媒蒸发后,片剂表面形成一层膜,所得片剂包衣层大大减薄,体积较小。薄膜衣片的缺点:由于衣层薄,片剂原来的颜色不易完全掩盖起来,故不如糖衣美观。
在制备薄膜包衣液式控释膜时,选择适当的溶剂至关重要,因为溶剂的性质将直接影响到制备过程以及最终产品的质量。在选择溶剂时,需要考虑以下几个方面:1. 溶解性:选择的溶剂应能充分溶解高分子聚合物和其他成分,以便形成均匀的薄膜。此外,溶剂应具有良好的溶解能力,以便快速制备溶液并避免加热或过度搅拌。2. 挥发性:溶剂挥发速度会影响薄膜的形成速度和结构。挥发速度适中的溶剂可以在包衣过程中形成均匀的薄膜,且易于控制。过快挥发的溶剂可能导致包衣不均匀,而过慢挥发的溶剂可能导致薄膜干燥时间过长。3. 与聚合物的相容性:溶剂应与聚合物具有良好的相容性,以确保薄膜的性能。不相容的溶剂可能导致薄膜的结构不稳定,影响其控释性能。4. 安全性和环保性:选择的溶剂应具有低毒性、低燃点和低环境影响。在可能的情况下,优先选择水性溶剂,以减少对环境和操作人员的影响。5. 经济性:在保证质量的前提下,应选择成本低、易于获取的溶剂。6. 对被包衣物质的影响:溶剂不应与被包衣物质发生反应或影响其稳定性。特别是在制备药物控释膜时,需要确保溶剂对药物活性成分无损害。综上所述,选择溶剂时需充分考虑溶解性、挥发性、相容性、安全性、环保性、经济性以及对被包衣物质的影响等因素,以确保制备出高质量的薄膜包衣液式控释膜。
吹塑薄膜与用扁平机头挤出的薄膜相比,有如下优点。(1) 设备简单,投资少,收效快。如生产幅宽为4m的薄膜,用吹塑法机头直径为500mm,用扁平机头需宽度为4200mm的模唇,尺寸庞大,机头设计、加工难度大,造价昂贵。(2) 挤出薄膜再经牵伸和吹胀,获得双向拉伸变形,使薄膜的力学强度有所提髙,薄膜的纵向和横向强度较均衡。(3) 机台的利用率高,即同一台设备可生产多种规格的产品,有些薄膜的幅度可达10m以上。(4) 挤出吹塑所得的薄膜呈圆筒形,用于制成包装袋时可道焊接线,使制袋容易。 (5) 生产过程中无废边料,无需切除边料,使成品率较高,降低了制品成本。 (6) 操作简单,工艺控制容易。因此,在塑料薄膜中,约80%是吹塑法生产的。但与挤出平膜、双向拉伸膜和压延膜相比,吹塑薄膜的主要缺点是薄膜厚度均匀性较差,挤出线速度低(因受冷却的限制,卷取线速度不快),使产量不够高。吹塑薄膜的一般规格为:厚,折径100 ~6000mm。
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光学薄膜行业市场参与者较多
使用“企查猫”企业大数据平台,以“光学薄膜”为关键词,通过查询企业名称、品牌、经营范围、企业简介中涵盖“光学薄膜”的企业,筛选注册资本在1万元以上的企业,得到以下数据。
根据企查猫查询数据显示,我国光学薄膜行业历年新注册企业数量呈现不断上升的趋势。截至2022年11月,中国光学薄膜行业注册企业共有3741家,其中2021年新注册企业数量创历史高峰,达449家。总体来看,中国光学薄膜行业企业参与者不多,但近年来热度较高,新进入企业数量快速提高。
代表性企业销量规模增长良好
2018-2021年,中国光学薄膜行业主要企业光学薄膜产品销量基本呈现良好的增长势头,销量规模持续扩大。其中,销量规模增速最快为东材科技,2019年其销量规模为万吨,2021年为万吨,三年间销量规模增长了3倍,主要系2021年公司收购山东胜通,新增4万吨光学膜产能,并借助良好的市场顺利实现销售。长阳科技、裕兴股份2019-2021年销量规模复合增速分别达到以及。
注:由于口径统计差异,双星新材2018-2019年以“聚酯薄膜”口径统计销量、长阳科技2018年以“反射膜及背板基膜”合并统计销量,与光学薄膜口径有差异,故不纳入相关数据。
2018-2021年,激智科技光学膜业务整体销量规模整体较为平稳,2021年达到亿平方米,同比增长;斯迪克从2019年的亿平方米增长至2021年的亿平方米,三年间销量规模复合增速达到。
注:斯迪克统计口径为“功能性薄膜材料及电子级胶粘材料销量”。
光学薄膜市场规模扩张较快
结合双星新材公告及tbTEAM数据,2019年,中国光学薄膜行业市场规模约354亿元。光学薄膜下游行业主要是消费电子产品,目前中国电脑出货量约是全球出货量的2/3,而根据Counterpoint公布的2021年度全球手机产量数据,中国贡献了全球手机产量的67%,中国已成为全球消费电子制造大国,因此中国光学薄膜行业市场规模增速应高于全球增速的增速。结合中国光学薄膜行业代表性企业营收规模增长情况,初步测算,2021年中国光学薄膜行业市场规模约为425亿元。
行业投融资热度较高
光学薄膜行业属于新材料行业中的膜材料行业,由于统计口径限制,在烯牛数据中筛选膜材料行业进行搜索,可见2017-2022年,我国膜材料行业投融资规模处于波动增长的状态。总体来看,投融资事件数量较多,行业的投融资热度较高。截至2022年12月13日,本年度投融资事件共36起,本年度投融资数量水平维持高位。
注:2022年数据截至2022年12月13日。
未来市场规模复合增速超10%
目前,中国已经成为全球最大的消费电子产品生产国、出口国和消费国,随着中国人均收入水平的不断提高,消费者对液晶电视、手机、电脑等消费类电子产品品质要求不断提升,更新换代频率加快,长远看需求依然强劲。而伴随着5G技术、物联网技术的发展,穿戴式产品、家庭居住等新型智能硬件产品迅猛发展,光学薄膜产品下游产品范围不断延伸,新型应用场景的不断丰富,也将带动显示光学薄膜的下游市场需求增长。此外,随着国内产品国产替代的步伐加快,预计2022-2027年,中国光学薄膜行业市场规模增速仍高于全球平均水平,复合增速约,2027中国光学薄膜行业市场规模约769亿元。
—— 更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国光学薄膜行业发展前景与投资战略规划分析报告》
1. 制备技术:目前,光学薄膜制备技术主要包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溅射技术、分子束外延(MBE)等。各种技术在制备过程中具有各自的特点与优势,如溅射技术在高温与低温薄膜制备中具有较好的应用前景。2. 发展前景:(1)新材料的开发:随着科学技术的不断发展,新型光学薄膜材料的研究将不断推进,包括低损耗、高抗损伤、高抗腐蚀性等具有优越性能的材料。(2)制备工艺的创新:为满足不同应用场景的需求,制备工艺将更加多样化,包括原子层沉积(ALD)、纳米材料沉积等新型制备技术。(3)应用领域的拓展:光学薄膜在光学仪器、通信技术、激光技术、光伏技术等领域具有广泛的应用前景。随着技术的发展,光学薄膜将在更多领域得到应用,如生物医学、航空航天等。(4)绿色制造:随着环保意识的增强,光学薄膜制备过程中的环保问题将受到越来越多的关注。绿色制造技术将成为光学薄膜制备领域的一个重要发展趋势。
光学薄膜技术是一门交叉性很强的学科,它涉及到光电技术、真空技术、材料科学、精密机械制造、计算机技术、自动控制技术等领域。光学薄膜是一类重要的光学元件,它广泛地应用于现代光学光电子学、光学工程以及其他相关的科 学技术领域。它不仅能改善系统性能(如减反、滤波),而且是满足设计目标的必要手段。光学薄膜可分光透射,分光反射,分光吸收以及改变光的偏振状态或相位,用作各种反射膜,增透膜和干涉滤光片,它们赋予光学元件各种使用性能,对光学仪器的质量起着重要或决定性的作用。
科学家曾经预言21世纪是光子世纪。21世纪初光电子技术迅速发展,光学薄膜器件的应用向着性能要求和技术难度更高、应用范围和知识领域更广、器件种类和需求数量更多的方向迅猛发展。光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用,光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。
一、光学薄膜的制造技术
光学薄膜可以采用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和化学液相沉积(CLD)三种技术来制备。
1、物理气相沉积(PVD)
PVD需要使用真空镀膜机,制造成本高,但膜层厚度可以精确控制,膜层强度好,目前已被广泛采用。在PVD法中,根据膜料气化方式的不同,又分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。其中,光学薄膜主要采用热蒸发及离子辅助镀技术制造,溅射及离子镀技术用于光学薄膜制造的工艺是近几年才开始的。
热蒸发
光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造,此方法简单、经济、操作方便。尽管光学薄膜制备技术得到长足发展,但是真空热蒸发依然是最主要的沉积手段,当然热蒸发技术本身也随着科学技术的发展与时俱进。 在真空室中,加热蒸发容器中待形成膜的原材料,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸汽流,入射到固体(称为衬底或基片)表面,凝结形成固态薄膜的方法。
热蒸发的三种基本过程:由凝聚相转变为气相的相变过程;气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输,即这些粒子在环境气氛中的飞行过程;蒸发原子或分子在基片表面的沉积过程。
溅射
溅射指用高速正离子轰击膜料表面,通过动量传递,使其分子或原子获得足
够的动能而从靶表面逸出(溅射),在被镀件表面凝聚成膜。
与蒸发镀膜相比,其优点是:膜层在基片上的附着力强,膜层纯度高,可同时溅射不同成分的合金膜或化合物;缺点是:需制备专用膜料靶,靶利用率低。
溅射的方式有三种:二级溅射、三级/四级溅射、射频溅射。
离子镀
离子镀兼有热蒸发的高成膜速率和溅射高能离子轰击获得致密膜层的双优效果,离子镀膜层附着力强、致密。离子镀常见类型:蒸发源和离化方式。
特点:
a、膜附着力强。这是由注入和溅射所致。
b、绕镀性好。原理上,电力线所到之处皆可镀上膜层,有利于面形复杂零件膜层的镀制。
c、膜层致密。溅射破坏了膜层柱状结构的形成。
d、成膜速率高。与热蒸发的成膜速率相当。
e、可在任何材料的工作上镀膜。绝缘体可施加高频电场。
粒子辅助镀
在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器—离子源,产生离子束,在热蒸发进行的同时,用离子束轰击正在生长的膜层,形成致密均匀结构(聚集密度接近于1),使膜层的稳定性提高,达到改善膜层光学和机械性能。
离子辅助镀技术与离子镀技术相比,薄膜的光学性能更佳,膜层的吸收减少,波长漂移极小,牢固度好,该技术适合室温基底和二氧化锆、二氧化钛等高熔点氧化物薄膜的镀制,也适合变密度薄膜、优质分光镜和高性能滤光片的镀制。
2、化学气相沉积(CVD)
化学气相沉积就是利用气态先驱反应物,通过原子、分子间化学反应的途径来生成固态薄膜的技术。
CVD一般需要较高的沉积温度,而且在薄膜制备前需要特定的先驱反应物,在薄膜制备过程中也会产生可燃、有毒等一些副产物。但CVD技术制备薄膜的沉积速率一般较高。
3、化学液相沉积(CLD)
CLD工艺简单,制造成本低,但膜层厚度不能精确控制,膜层强度差,较难获得多层膜,还存在废水废气造成的污染问题,已很少使用。
二、光学薄膜的种类
用光学功能薄膜制成的种类繁多的光学薄膜器件,已成为光学系统、光学仪器中不可缺少的重要部件。其应用已从传统的光学仪器发展到天文物理、航天、激光、电工、通信、材料、建筑、生物医学、红外物理、农业等诸多技术领域。
分为 : 基本光学薄膜、控光薄膜、光学薄膜材料
1、基本光学薄膜
基本光学薄膜是指能够实现分光透射、分光反射、分光吸收和改变光的偏振状态或相位,可用于各种反射膜、增透膜和干涉滤波片的薄膜,它赋予光学元件各种使用性能,对保证光学仪器的质量起到决定性的作。
减反膜(增透膜)
减反膜是用来减少光学元件表面反射损失的一种功能薄膜。它可以有单层和多层膜系构成。单层膜能使某一波长的反射率为零,多层膜在某一波段具有实际为零的反射率。在应用中,由于条件和应用对象不同,其所用的减反膜的类型与诸多因素有关,例如基片材料、波长领域、所需特征及成本等。
a、单层减反膜
为减少光的反射消耗,增大光线的透射率,常在玻璃的表面上沉积一层减反膜。其原理是光的干涉现象。只要膜的折射率小于玻璃基片的折射率,就能都实现光的减反射作用。
b、多层减反膜
多层减反膜主要是为了改进单层减反膜的不足,进一步提高减反膜的效果,因而采用增加膜层层数的措施。
反射膜
反射膜的作用与减反膜相反,它是要求把大部分或几乎是全部入射光反射回去。如光学仪器、激光器、波导管、 汽车 、灯具的反射镜,都需要沉积镀制反射薄膜。反射膜有金属膜和介质膜两种
a、金属反射膜
金属反射膜具有很高的反射率和一定的吸收能力。金属高反射膜仅用于对膜的吸收损耗没有特殊要求的场合。
b、介质反射膜
金属高反射膜的吸收损失较大,在某些应用中,如多光束干涉仪、高质量激光器的反射膜,就要求沉积低吸收、高反射的全介质高反射膜。
2、控光薄膜
控光薄膜分为阳光控制膜、低辐射率膜、光学性能可变换膜三种 。
、阳光控制膜
在玻璃上镀上一层光学薄膜,使玻璃对太阳光中的可见光部分有较高的透射率,而对太阳光中的红外部分有较高的反射率,并对太阳光中的紫外线部分有很高的吸收率。将它制成阳光镀膜幕墙玻璃,就能保证白天建筑物内有足够的亮度等等
、低辐射率膜
在玻璃的表面镀制一层低辐射系数的薄膜,称为低辐射率膜,俗称隔热膜,它对红外线有较高的反射率。
、光学性能可变换膜
光学性能可变换膜是指物质在外界环境影响下产生一种对光反应的改变,在一定外界条件(热、光、电)下,使它改变颜色并能复原,这种变色膜是一类有广阔应用前景的光学功能材料。
3、光学薄膜材料
、金属和合金
金属和合金是较为广泛的薄膜,具有反射率高、截止带宽、中性好、偏振效应小以及吸收可以改变等特点,在一些特殊用途的膜系中,它们有特别重要的作用。
、化合物(电介质)
化合物是有重要用途并广泛应用的光学薄膜,主要有:卤化物、氧化物、硫化物和硒化物。
、半导体
半导体材料在近红外和远红外区透明,是一类重要的光学薄膜材料。在光学薄膜中使用最普遍的半导体材料是硅和锗。
三、光学薄膜研究的趋势
综合国内外光学及光学薄膜的研究现状,光学薄膜的研究呈现以下几个发展趋势:
1、继续重视对传统光学仪器中光学薄膜应用的研究和开发,提高薄膜的光学质量,研究大面积镀膜技术及其应用;
2、开发与新型精密光学仪器及光电子器件要求相适应的光学薄膜及其材料的制备方法,以满足现代光学、空间技术、 军事技术和全光网络技术日益迫切的需要;
3、开发极端光谱条件下的光学薄膜,如超窄带密集型波分复用滤波片,软X射线膜,高功率激光膜等的制备技术;
4、开发与环境保护息息相关的“绿色光学薄膜”,实现光能与人类 健康 需要的相互协调;
5、研究光学薄膜的材料物理、成膜过程的原位观察,实现镀膜过程的自动控制和超快速低温镀膜。
时至今日,光学薄膜已获得很大的发展,光学薄膜的生产已逐步走向系列化、 程序化和专业化,但是,在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决, 光学薄膜现有的水平还需要进一步提高。科学家曾预言21世纪是光子世纪,而光学薄膜作为传输光子并实现其各种功能的重要载体,必然会在光学、光电子学及光子学获得突破性发展的同时,得到进一步的繁荣和发展。
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