金属材料学与热处理名词解释汇总
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1热处理
在生产中,通过加热、保温和冷却,使钢发生固态相变,借此改变其内部组织结构,从而达到 改善力学性能的目的的操作被称为热处理.
2正火
将工件加热至Ac3(Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度,一般是从727℃到912℃之间)或Acm(Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线 )以上30~50℃,保温一段时间后,从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺.
3淬火
将钢加热到Ac3或Ac1以上的某一温度,保温一定时间,然后取出进行水冷或油冷获得马氏体的热处理工艺.
4等温淬火
将奥氏体化的工件淬入温度稍高于Ms的熔盐中,等温保持足够时间,使过冷奥氏体恒温发生贝氏体转变,待转变结束后取出在空气中冷却的处理方法称为等温淬火.
5分级淬火
将奥氏体化的工件淬入温度稍高于或稍低于Ms的熔盐中,待工件内外温度均匀后,从熔盐中取出置于空气中冷却至室温,以获得马氏体组织,这种处理方法称为分级淬火.
6单液淬火
将奥氏体化的工件投入一种淬火介质中,直至转变结束.
7双液淬火
将奥氏体化的工件先放入一种冷却能力强的冷却介质冷却一定时间,当冷却至稍高于Ms后立 即将工件取出并放入另外一种冷却能力缓一些的冷却介质冷却,使之转变为马氏体的热处理工艺.
8回火
将淬火钢加热到低于临界点A1某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的一种热处理工艺.
9回火索氏体
淬火碳钢500~650℃回火时,得到粗粒状渗碳体和多边形铁素体所构成的复相组织.
10回火屈氏体
淬火碳钢350~500℃回火时,得到细粒状渗碳体和针状铁素体所构成的复相组织.
11回火马氏体
淬火碳钢在250℃以下回火时,得到的过饱和的α固溶体和弥散分布的碳化物组成的复相组织.
12退火
是将钢加热到临界点以上或以下的某一温度,保温一定时间后,随炉冷却的一种热处理工艺.它是热处理工艺中应用最广、种类最多的一种工艺,不同种类的退火目的也各不相同.
13等温退火
将亚共析钢工件加热到A3以上20?30°C,保温一定时间,然后在Arl以下珠光体转变区间的 某一温度进行等温,使之转变为珠光体后出炉空冷的一种热处理工艺.可有效缩短退火时间,提高生产效 率并能获得均匀的组织和性能.
14完全退火
将亚共析钢的铸、锻、焊件及热轧型材加热到A3以上20?30°C,保温一定时间,然后随炉 冷至500?600°C出炉空冷的热处理工艺.其目的是细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性能和消除内应力.
15球化退火
将过共析钢或合金工具钢的工件加热到Ad以上20?30°C,保温一定时间,然后随炉冷至500°C 左右出炉空冷(普通球化退火)或冷至Arl以下20°C等温一定时间后在冷至500°C左右出炉空冷(等温球化退火),获得粒状珠光体的一种退火工艺.其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削性能,为淬火作组织准备.
16扩散退火
对于含有枝晶偏析等化学成分不均匀的重要或合金钢铸锭或铸件,为达到化学成分的均匀化,可将其加热到心3或以上150?300°C,经长时间保温后随炉缓冷的一种退火工艺.由于扩散退火需要 在高温下长时间加热,因此奥氏体晶粒十分粗大,为此,必须再进行一次完全退火或正火来重新细化晶粒, 消除过热缺陷.
17再结晶退火
冷变形后的金属加热到再结晶温度以上,保持适当的时间,使变形晶粒重新转变为均匀 的等轴颗粒,这种热处理工艺称为再结晶退火.
18去应力退火
为消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力,以提高工件的尺寸稳定性,防止变形和开裂,将工件随炉缓慢加热至500?600°C,经一段时间保温后,随炉缓慢冷却至300?200°C以 下出炉的退火工艺.
19钢的表面热处理
使零件表面获得很高的硬度和耐磨性,而心部仍保持原来良好的韧性和塑性的一类热处理方法.
20渗碳
渗碳是使碳原子渗入工件表面层,提高表面层的碳量,一般为1=0. 8%~1.05%,渗碳后的工件经淬 火加低温回火处理,使表面达到高的硬度和高耐磨性,而中心具有足够的强度、初度,达到外硬内初的目的.
21氮化
是向钢件表面渗入氮的工艺.氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性,提高疲劳强度和抗蚀性.
22热喷涂
是利用专用设备把某种固体材料加热熔化或软化并加速喷射到工件的表面,形成一种特制薄层,以提供机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的工艺技术.
23物理气相沉积(PVD法)
是利用物理的方法来产生沉积原子或离子,而室内没有化学反应发生的气相沉积法.
24化学气相沉积(CVD法)
是向充有任一压力的气相反应室中输入热能或辐射能,使气相进行一定的化学反应,结果在工件特定的表面上沉积形成一种固态薄膜的方法.
25金属离子注入
是将高能束流的离子打入金属材料的表面,用以形成极薄的近表面合金,从而改变基 体表面的物理、化学和机械性能的处理工艺.
26化学镀
把零件置于充满特殊成分化学剂的镀槽中^经过一定时间之后,因化学剂间发生电化学反应 而使工件表面获取一定厚度镀层的工艺方法称为化学镀.
27临界淬火直径
是指圆棒试样在某介质中萍火时,所能得到的最大淬透直径(即心部被萍成半马氏体的最大直径),用D0表示.
28等温转变
等温转变是指将奥氏体化的钢迅速冷却到A1以下的某个温度,使过冷奥氏体在保温过程中发生组织转变,待转变完成后在冷却到室温.
29连续冷却转变
即将奥氏体化后的钢件以一定的冷却速度从高温一直连续冷却至室温,在连续冷却过程 中完成的组织转变称为连续冷却转变.
30马氏体
是黑色金属材料的一种组织名称,是碳在a-Fe中的过饱和固溶体.
31片状马氏体(针状马氏体)
是在中、高碳钢及高镍的铁镍合金中形成的一种典型马氏体组织.片状马氏体的空间形 态呈凸透镜状,由于试样磨面与其相截,因此在光学显微镜下呈针状或竹叶状,故片状马氏体又称为针状或竹叶状马氏体.
32板条马氏体
是含碳量低的奥氏体形成的马氏体,是低碳钢、中碳钢、不锈钢中的一种典型马氏体组织.由于显微组织是由成群的板条组成,故称为板条马氏体.
33奥氏体的稳定化
在马氏体的转变温度内,如冷却中止于某一温度,停留一段时间后再继续冷却时, 马氏体转变并不立即开始,而是经过一段时间后转变才重新开始,并导致残余奥氏体量的相应增加,这一 现象被称为奥氏体的稳定化.由于是恒温停留引起的,称为热稳定化.
34过冷奥氏体
奥氏体冷却至临界温度以下,在热力学上处于不稳定状态,冷却时要发生分解转变.这种在临界转变温度以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体称为过冷奥氏体.
35贝氏体
当奥氏体过冷到低于珠光体转变温度和高于马氏体转变温度之间的温区时,将发生由切变相变与短程扩散相配合的转变,其转变产物叫贝氏体或贝茵体.即共析成分的奥氏体在"鼻子"温度至^点范围内等温停留时,将发生贝氏体转变,形成铁素体和碳化物两相组成的非层片状组织一贝氏体.
36钢的淬透性
钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力,其大小可用钢在一定条件下淬火获得淬透层的深度表示.淬透层越深,表明钢的淬透性越好.
37钢的淬硬性
淬硬性是指在理想的淬火条件下,以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度,也称可硬性.
38实际晶粒度
在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际晶粒度.实际晶粒度与起始晶粒度不同,起始晶粒度是奥氏体刚刚形成(即其晶粒边界刚刚接触)时的晶粒大小,而实际晶粒度所指的奥氏体已经经过了一定时间的保温.实际晶粒的直径比起始晶粒的直径大.
39回火脆性
回火脆性,是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象.淬火钢在回火时,随着回火温度的升高,硬度降低,韧性升高,但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷,一个在 200~400℃之间,另一个在450~650℃之间.随回火温度的升高,冲击韧性反而下降的现象,回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性.
40高温回火脆性
淬火钢在500~650℃温度范围内回火出现的脆性称为高温回火脆性,又叫第二类回火脆性.这类回火脆性主要出现在含Cr、Ni、 Mn、Si 等合金元素的钢中.
41低温回火脆性
淬火钢在250~400℃温度范围内回火出现的脆性称为低温回火脆性,也叫第一类回火脆性.几乎所有的淬火钢在300℃左右回火时都会出现这种脆性.
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1热处理
在生产中,通过加热、保温和冷却,使钢发生固态相变,借此改变其内部组织结构,从而达到 改善力学性能的目的的操作被称为热处理.
2正火
将工件加热至Ac3(Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度,一般是从727℃到912℃之间)或Acm(Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线 )以上30~50℃,保温一段时间后,从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺.
3淬火
将钢加热到Ac3或Ac1以上的某一温度,保温一定时间,然后取出进行水冷或油冷获得马氏体的热处理工艺.
4等温淬火
将奥氏体化的工件淬入温度稍高于Ms的熔盐中,等温保持足够时间,使过冷奥氏体恒温发生贝氏体转变,待转变结束后取出在空气中冷却的处理方法称为等温淬火.
5分级淬火
将奥氏体化的工件淬入温度稍高于或稍低于Ms的熔盐中,待工件内外温度均匀后,从熔盐中取出置于空气中冷却至室温,以获得马氏体组织,这种处理方法称为分级淬火.
6单液淬火
将奥氏体化的工件投入一种淬火介质中,直至转变结束.
7双液淬火
将奥氏体化的工件先放入一种冷却能力强的冷却介质冷却一定时间,当冷却至稍高于Ms后立 即将工件取出并放入另外一种冷却能力缓一些的冷却介质冷却,使之转变为马氏体的热处理工艺.
8回火
将淬火钢加热到低于临界点A1某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的一种热处理工艺.
9回火索氏体
淬火碳钢500~650℃回火时,得到粗粒状渗碳体和多边形铁素体所构成的复相组织.
10回火屈氏体
淬火碳钢350~500℃回火时,得到细粒状渗碳体和针状铁素体所构成的复相组织.
11回火马氏体
淬火碳钢在250℃以下回火时,得到的过饱和的α固溶体和弥散分布的碳化物组成的复相组织.
12退火
是将钢加热到临界点以上或以下的某一温度,保温一定时间后,随炉冷却的一种热处理工艺.它是热处理工艺中应用最广、种类最多的一种工艺,不同种类的退火目的也各不相同.
13等温退火
将亚共析钢工件加热到A3以上20?30°C,保温一定时间,然后在Arl以下珠光体转变区间的 某一温度进行等温,使之转变为珠光体后出炉空冷的一种热处理工艺.可有效缩短退火时间,提高生产效 率并能获得均匀的组织和性能.
14完全退火
将亚共析钢的铸、锻、焊件及热轧型材加热到A3以上20?30°C,保温一定时间,然后随炉 冷至500?600°C出炉空冷的热处理工艺.其目的是细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性能和消除内应力.
15球化退火
将过共析钢或合金工具钢的工件加热到Ad以上20?30°C,保温一定时间,然后随炉冷至500°C 左右出炉空冷(普通球化退火)或冷至Arl以下20°C等温一定时间后在冷至500°C左右出炉空冷(等温球化退火),获得粒状珠光体的一种退火工艺.其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削性能,为淬火作组织准备.
16扩散退火
对于含有枝晶偏析等化学成分不均匀的重要或合金钢铸锭或铸件,为达到化学成分的均匀化,可将其加热到心3或以上150?300°C,经长时间保温后随炉缓冷的一种退火工艺.由于扩散退火需要 在高温下长时间加热,因此奥氏体晶粒十分粗大,为此,必须再进行一次完全退火或正火来重新细化晶粒, 消除过热缺陷.
17再结晶退火
冷变形后的金属加热到再结晶温度以上,保持适当的时间,使变形晶粒重新转变为均匀 的等轴颗粒,这种热处理工艺称为再结晶退火.
18去应力退火
为消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力,以提高工件的尺寸稳定性,防止变形和开裂,将工件随炉缓慢加热至500?600°C,经一段时间保温后,随炉缓慢冷却至300?200°C以 下出炉的退火工艺.
19钢的表面热处理
使零件表面获得很高的硬度和耐磨性,而心部仍保持原来良好的韧性和塑性的一类热处理方法.
20渗碳
渗碳是使碳原子渗入工件表面层,提高表面层的碳量,一般为1=0. 8%~1.05%,渗碳后的工件经淬 火加低温回火处理,使表面达到高的硬度和高耐磨性,而中心具有足够的强度、初度,达到外硬内初的目的.
21氮化
是向钢件表面渗入氮的工艺.氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性,提高疲劳强度和抗蚀性.
22热喷涂
是利用专用设备把某种固体材料加热熔化或软化并加速喷射到工件的表面,形成一种特制薄层,以提供机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的工艺技术.
23物理气相沉积(PVD法)
是利用物理的方法来产生沉积原子或离子,而室内没有化学反应发生的气相沉积法.
24化学气相沉积(CVD法)
是向充有任一压力的气相反应室中输入热能或辐射能,使气相进行一定的化学反应,结果在工件特定的表面上沉积形成一种固态薄膜的方法.
25金属离子注入
是将高能束流的离子打入金属材料的表面,用以形成极薄的近表面合金,从而改变基 体表面的物理、化学和机械性能的处理工艺.
26化学镀
把零件置于充满特殊成分化学剂的镀槽中^经过一定时间之后,因化学剂间发生电化学反应 而使工件表面获取一定厚度镀层的工艺方法称为化学镀.
27临界淬火直径
是指圆棒试样在某介质中萍火时,所能得到的最大淬透直径(即心部被萍成半马氏体的最大直径),用D0表示.
28等温转变
等温转变是指将奥氏体化的钢迅速冷却到A1以下的某个温度,使过冷奥氏体在保温过程中发生组织转变,待转变完成后在冷却到室温.
29连续冷却转变
即将奥氏体化后的钢件以一定的冷却速度从高温一直连续冷却至室温,在连续冷却过程 中完成的组织转变称为连续冷却转变.
30马氏体
是黑色金属材料的一种组织名称,是碳在a-Fe中的过饱和固溶体.
31片状马氏体(针状马氏体)
是在中、高碳钢及高镍的铁镍合金中形成的一种典型马氏体组织.片状马氏体的空间形 态呈凸透镜状,由于试样磨面与其相截,因此在光学显微镜下呈针状或竹叶状,故片状马氏体又称为针状或竹叶状马氏体.
32板条马氏体
是含碳量低的奥氏体形成的马氏体,是低碳钢、中碳钢、不锈钢中的一种典型马氏体组织.由于显微组织是由成群的板条组成,故称为板条马氏体.
33奥氏体的稳定化
在马氏体的转变温度内,如冷却中止于某一温度,停留一段时间后再继续冷却时, 马氏体转变并不立即开始,而是经过一段时间后转变才重新开始,并导致残余奥氏体量的相应增加,这一 现象被称为奥氏体的稳定化.由于是恒温停留引起的,称为热稳定化.
34过冷奥氏体
奥氏体冷却至临界温度以下,在热力学上处于不稳定状态,冷却时要发生分解转变.这种在临界转变温度以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体称为过冷奥氏体.
35贝氏体
当奥氏体过冷到低于珠光体转变温度和高于马氏体转变温度之间的温区时,将发生由切变相变与短程扩散相配合的转变,其转变产物叫贝氏体或贝茵体.即共析成分的奥氏体在"鼻子"温度至^点范围内等温停留时,将发生贝氏体转变,形成铁素体和碳化物两相组成的非层片状组织一贝氏体.
36钢的淬透性
钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力,其大小可用钢在一定条件下淬火获得淬透层的深度表示.淬透层越深,表明钢的淬透性越好.
37钢的淬硬性
淬硬性是指在理想的淬火条件下,以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度,也称可硬性.
38实际晶粒度
在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际晶粒度.实际晶粒度与起始晶粒度不同,起始晶粒度是奥氏体刚刚形成(即其晶粒边界刚刚接触)时的晶粒大小,而实际晶粒度所指的奥氏体已经经过了一定时间的保温.实际晶粒的直径比起始晶粒的直径大.
39回火脆性
回火脆性,是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象.淬火钢在回火时,随着回火温度的升高,硬度降低,韧性升高,但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷,一个在 200~400℃之间,另一个在450~650℃之间.随回火温度的升高,冲击韧性反而下降的现象,回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性.
40高温回火脆性
淬火钢在500~650℃温度范围内回火出现的脆性称为高温回火脆性,又叫第二类回火脆性.这类回火脆性主要出现在含Cr、Ni、 Mn、Si 等合金元素的钢中.
41低温回火脆性
淬火钢在250~400℃温度范围内回火出现的脆性称为低温回火脆性,也叫第一类回火脆性.几乎所有的淬火钢在300℃左右回火时都会出现这种脆性.
光学镀膜技术
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光学薄膜在我们的生活中无处不在,从精密及光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜应用;比方说,平时戴的眼镜、数码相机、各式家电用品,或者是钞票上的防伪技术,皆能被称之为光学薄膜技术应用之延伸.倘若没有光学薄膜技术作为发展基础,近代光电、通讯或是镭射技术将无法有所进展,这也显示出光学薄膜技术研究发展的重要性.今天为大家带来的是光学镀膜的应用原理.
一、光学薄膜的定义
光学薄膜的定义是:涉及光在传播路径过程中,附着在光学器件表面的厚度薄而均匀的介质膜层,通过分层介质膜层时的反射、透(折)射和偏振等特性,以达到我们想要的在某一或是多个波段范围内的光的全部透过或光的全部反射或偏振分离等各特殊形态的光.
光学薄膜系指在光学元件或独立基板上,制镀上或涂布一层或多层介电质膜或金属膜或这两类膜的组合,以改变光波之传递特性,包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变.故经由适当设计可以调变不同波段元件表面之穿透率及反射率,亦可以使不同偏振平面的光具有不同的特性.
一般来说,光学薄膜的生产方式主要分为干法和湿法的生产工艺.所谓的干式就是没有液体出现在整个加工过程中,例如真空蒸镀是在一真空环境中,以电能加热固体原物料,经升华成气体后附着在一个固体基材的表面上,完成涂布加工.日常生活中所看到装饰用的金色、银色或具金属质感的包装膜,就是以干式涂布方式制造的产品.但是在实际量产的考虑下,干式涂布运用的范围小于湿式涂布.湿式涂布一般的做法是把具有各种功能的成分混合成液态涂料,以不同的加工方式涂布在基材上,然后使液态涂料干燥固化做成产品.
二、薄膜干涉原理
1、光的波动性
19世纪60年代,美国物理学家麦克斯韦发展了电磁理论,指出光是一种电磁波,使波动说发展到了相当完美的地步.
由光的波粒二象性可知,光同无线电波、X射线、一样都是电磁波,只是它们的频率不同.电磁波的波长λ、频率u和传播速率V三者之间的关系为:
V=λu
由于各种频率的电磁波在真空中的传播速度相等,所以频率不同的电磁波,它们的波长也就不同.频率高的波长短,频率低的波长长.为了便于比较,可以按照无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线等的波长(或频率)的大小,把它们依次排成一个谱,这个谱叫电磁波谱.
在电磁波谱中,波长最长的是无线电波,无线电波又因波长的不同而分为长波、中波、短波、超短波和微波等.其次是红外线、可见光和紫外线,这三部分合称光辐射.在所有的电磁波中,只有可见光可以被人眼所看到.可见光的波长约在0.76微米到0.40微米之间,仅占电磁波谱中很小的一部分.再次是X射线.波长最短的电磁波是y射线.
光既然是一种电磁波,所以在传播过程中,应该表现出所具有的特征---干涉、衍射、偏振等现象.
2、薄膜干涉
薄膜可以是透明固体、液体或由两块玻璃所夹的气体薄层.入射光经薄膜上表面反射后的第一束光,折射光经薄膜下表面反射,又经上表面折射后得第二束光,这两束光在薄膜的同侧,由同一入射振动分出,是相干光,属分振幅干涉.若光源为扩展光源(面光源),则只能在两相干光束的特定重叠区才能观察到干涉,故属定域干涉.对两表面互相平行的平面薄膜,干涉条纹定域在无穷远,通常借助于会聚透镜在其像方焦面内观察;对楔形薄膜,干涉条纹定域在薄膜附近.
实验和理论都证明,只有两列光波具有一定关系时,才能产生干涉条纹,这些关系称为相干条件.薄膜的相干条件包括三点:两束光波的频率相同;束光波的震动方向相同;两束光波的相位差保持恒定.
薄膜干涉两相干光的光程差公式为:
Δ=ntcos(α)±λ/2
式中n为薄膜的折射率;t为入射点的薄膜厚度;α为薄膜内的折射角;λ/2是由于两束相干光在性质不同的两个界面(一个是光疏介质到光密介质,另一个是光密介质到光疏介质)上反射而引起的附加光程差.薄膜干涉原理广泛应用于光学表面的检验、微小的角度或线度的精密测量、减反射膜和干涉滤光片的制备等.
光是由光源中原子或分子的运动状态发生变化辐射出来的,每个原子或分子每一次发出的光波,只有短短的一列,持续时间约为10亿秒对于两个独立的光源来说,产生干涉的三个条件,特别是相位相同或相位差恒定不变这个条件,很不容易满足,所以两个独立的一般光源是不能构成相干光源的.不仅如此,即使是同一个光源上不同部分发出的光,由于它们是不同的原子或分子所发出的,一般也不会干涉.
三、光学薄膜特点分类
主要的光学薄膜器件包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等,它们在国民经济和国防建设中得到广泛的应用,获得了科学技术工作者的日益重视.例如采用减反射膜后可使复杂的光学镜头的光通量损失成十倍的减小;采用高反射膜比的反射镜可使激光器的输出功率成倍提高;利用光学薄膜可提高硅电池的效率和稳定性.
最简单的光学薄膜模型是表面光滑、各向同性的均匀介质膜层.在这种情况下,可以用光的干涉理论来研究光学薄膜的光学性质.当一束单色光平面波入射到光学薄膜上时,在它的两个表面上发生多次反射和折射,反射光和折射光的方向有反射定律和折射定律给出,反射光和折射光的振幅大小则由菲涅尔公式确定.
光学薄膜根据其用途分类、特性与应用可分为:反射膜、增透膜/减反射膜、滤光片、偏光片/偏光膜、补偿膜/相位差板、配向膜、扩散膜/片、增亮膜/棱镜片/聚光片、遮光膜/黑白胶等.相关衍生的种类有光学级保护膜、窗膜等.
光学薄膜的特点是:表面光滑,膜层之间的界面呈几何分割;膜层的折射率在界面上可以发生跃变,但在膜层内是连续的;可以是透明介质,也可以是吸收介质;可以是法向均匀的,也可以是法向不均匀的.实际应用的薄膜要比理想薄膜复杂得多.这是因为:制备时,薄膜的光学性质和物理性质偏离大块材料,起表面和界面是粗糙的,从而导致光束的漫反射;膜层之间的相互渗透形成扩散界面;由于膜层的生长、结构、应力等原因,形成了薄膜的各种向异性;膜层具有复杂的时间效应.
反射膜一般可分为两类,一类是金属反射膜,一类是全电介质反射膜.此外,还有将两者结合的金属电介质反射膜,功能是增加光学表面的反射率.
一般金属都具有较大的消光系数.当光束由空气入射到金属表面时,进入金属内的光振幅迅速衰减,使得进入金属内部的光能相应减少,而反射光能增加.消光系数越大,光振幅衰减越迅速,进入金属内部的光能越少,反射率越高.人们总是选择消光系数较大,光学性质较稳定的金属作为金属膜材料.在紫外区常用的金属膜材料是铝,在可见光区常用铝和银,在红外区常用金、银和铜,此外,铬和铂也常作一些特种薄膜的膜料.由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能,所以必须用电介质膜加以保护.常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等.
金属反射膜的优点是制备工艺简单,工作的波长范围宽;缺点是光损大,反射率不可能很高.为了使金属反射膜的反射率进一步提高,可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层,组成金属电介质反射膜.需要指出的是,金属电介质射膜增加了某一波长(或者某一波区)的反射率,却破坏了金属膜中性反射的特点.
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光学薄膜在我们的生活中无处不在,从精密及光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜应用;比方说,平时戴的眼镜、数码相机、各式家电用品,或者是钞票上的防伪技术,皆能被称之为光学薄膜技术应用之延伸.倘若没有光学薄膜技术作为发展基础,近代光电、通讯或是镭射技术将无法有所进展,这也显示出光学薄膜技术研究发展的重要性.今天为大家带来的是光学镀膜的应用原理.
一、光学薄膜的定义
光学薄膜的定义是:涉及光在传播路径过程中,附着在光学器件表面的厚度薄而均匀的介质膜层,通过分层介质膜层时的反射、透(折)射和偏振等特性,以达到我们想要的在某一或是多个波段范围内的光的全部透过或光的全部反射或偏振分离等各特殊形态的光.
光学薄膜系指在光学元件或独立基板上,制镀上或涂布一层或多层介电质膜或金属膜或这两类膜的组合,以改变光波之传递特性,包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变.故经由适当设计可以调变不同波段元件表面之穿透率及反射率,亦可以使不同偏振平面的光具有不同的特性.
一般来说,光学薄膜的生产方式主要分为干法和湿法的生产工艺.所谓的干式就是没有液体出现在整个加工过程中,例如真空蒸镀是在一真空环境中,以电能加热固体原物料,经升华成气体后附着在一个固体基材的表面上,完成涂布加工.日常生活中所看到装饰用的金色、银色或具金属质感的包装膜,就是以干式涂布方式制造的产品.但是在实际量产的考虑下,干式涂布运用的范围小于湿式涂布.湿式涂布一般的做法是把具有各种功能的成分混合成液态涂料,以不同的加工方式涂布在基材上,然后使液态涂料干燥固化做成产品.
二、薄膜干涉原理
1、光的波动性
19世纪60年代,美国物理学家麦克斯韦发展了电磁理论,指出光是一种电磁波,使波动说发展到了相当完美的地步.
由光的波粒二象性可知,光同无线电波、X射线、一样都是电磁波,只是它们的频率不同.电磁波的波长λ、频率u和传播速率V三者之间的关系为:
V=λu
由于各种频率的电磁波在真空中的传播速度相等,所以频率不同的电磁波,它们的波长也就不同.频率高的波长短,频率低的波长长.为了便于比较,可以按照无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线等的波长(或频率)的大小,把它们依次排成一个谱,这个谱叫电磁波谱.
在电磁波谱中,波长最长的是无线电波,无线电波又因波长的不同而分为长波、中波、短波、超短波和微波等.其次是红外线、可见光和紫外线,这三部分合称光辐射.在所有的电磁波中,只有可见光可以被人眼所看到.可见光的波长约在0.76微米到0.40微米之间,仅占电磁波谱中很小的一部分.再次是X射线.波长最短的电磁波是y射线.
光既然是一种电磁波,所以在传播过程中,应该表现出所具有的特征---干涉、衍射、偏振等现象.
2、薄膜干涉
薄膜可以是透明固体、液体或由两块玻璃所夹的气体薄层.入射光经薄膜上表面反射后的第一束光,折射光经薄膜下表面反射,又经上表面折射后得第二束光,这两束光在薄膜的同侧,由同一入射振动分出,是相干光,属分振幅干涉.若光源为扩展光源(面光源),则只能在两相干光束的特定重叠区才能观察到干涉,故属定域干涉.对两表面互相平行的平面薄膜,干涉条纹定域在无穷远,通常借助于会聚透镜在其像方焦面内观察;对楔形薄膜,干涉条纹定域在薄膜附近.
实验和理论都证明,只有两列光波具有一定关系时,才能产生干涉条纹,这些关系称为相干条件.薄膜的相干条件包括三点:两束光波的频率相同;束光波的震动方向相同;两束光波的相位差保持恒定.
薄膜干涉两相干光的光程差公式为:
Δ=ntcos(α)±λ/2
式中n为薄膜的折射率;t为入射点的薄膜厚度;α为薄膜内的折射角;λ/2是由于两束相干光在性质不同的两个界面(一个是光疏介质到光密介质,另一个是光密介质到光疏介质)上反射而引起的附加光程差.薄膜干涉原理广泛应用于光学表面的检验、微小的角度或线度的精密测量、减反射膜和干涉滤光片的制备等.
光是由光源中原子或分子的运动状态发生变化辐射出来的,每个原子或分子每一次发出的光波,只有短短的一列,持续时间约为10亿秒对于两个独立的光源来说,产生干涉的三个条件,特别是相位相同或相位差恒定不变这个条件,很不容易满足,所以两个独立的一般光源是不能构成相干光源的.不仅如此,即使是同一个光源上不同部分发出的光,由于它们是不同的原子或分子所发出的,一般也不会干涉.
三、光学薄膜特点分类
主要的光学薄膜器件包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等,它们在国民经济和国防建设中得到广泛的应用,获得了科学技术工作者的日益重视.例如采用减反射膜后可使复杂的光学镜头的光通量损失成十倍的减小;采用高反射膜比的反射镜可使激光器的输出功率成倍提高;利用光学薄膜可提高硅电池的效率和稳定性.
最简单的光学薄膜模型是表面光滑、各向同性的均匀介质膜层.在这种情况下,可以用光的干涉理论来研究光学薄膜的光学性质.当一束单色光平面波入射到光学薄膜上时,在它的两个表面上发生多次反射和折射,反射光和折射光的方向有反射定律和折射定律给出,反射光和折射光的振幅大小则由菲涅尔公式确定.
光学薄膜根据其用途分类、特性与应用可分为:反射膜、增透膜/减反射膜、滤光片、偏光片/偏光膜、补偿膜/相位差板、配向膜、扩散膜/片、增亮膜/棱镜片/聚光片、遮光膜/黑白胶等.相关衍生的种类有光学级保护膜、窗膜等.
光学薄膜的特点是:表面光滑,膜层之间的界面呈几何分割;膜层的折射率在界面上可以发生跃变,但在膜层内是连续的;可以是透明介质,也可以是吸收介质;可以是法向均匀的,也可以是法向不均匀的.实际应用的薄膜要比理想薄膜复杂得多.这是因为:制备时,薄膜的光学性质和物理性质偏离大块材料,起表面和界面是粗糙的,从而导致光束的漫反射;膜层之间的相互渗透形成扩散界面;由于膜层的生长、结构、应力等原因,形成了薄膜的各种向异性;膜层具有复杂的时间效应.
反射膜一般可分为两类,一类是金属反射膜,一类是全电介质反射膜.此外,还有将两者结合的金属电介质反射膜,功能是增加光学表面的反射率.
一般金属都具有较大的消光系数.当光束由空气入射到金属表面时,进入金属内的光振幅迅速衰减,使得进入金属内部的光能相应减少,而反射光能增加.消光系数越大,光振幅衰减越迅速,进入金属内部的光能越少,反射率越高.人们总是选择消光系数较大,光学性质较稳定的金属作为金属膜材料.在紫外区常用的金属膜材料是铝,在可见光区常用铝和银,在红外区常用金、银和铜,此外,铬和铂也常作一些特种薄膜的膜料.由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能,所以必须用电介质膜加以保护.常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等.
金属反射膜的优点是制备工艺简单,工作的波长范围宽;缺点是光损大,反射率不可能很高.为了使金属反射膜的反射率进一步提高,可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层,组成金属电介质反射膜.需要指出的是,金属电介质射膜增加了某一波长(或者某一波区)的反射率,却破坏了金属膜中性反射的特点.
电弧离子镀技术中脉冲偏压的作用
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1) 灭弧速度快.在主弧轰击时采用20%的占空比,使工件上所施加的高偏压可以自动 "过零".切断对已经形成电弧的供电,使电弧自动熄灭,不会形成连续的大弧光烧伤工件.
2) 工件温升低.由脉冲偏压是间断供电,工件只是在"占空"的时段内受到吸引过来的离子轰击,在不导通的时段内工件不受离子轰击,能减少总的平均能量输入,因此工件温度比采用直流电源时连续受到离子轰击的温度低.
在高速钢等500℃左右回火的工模具上沉积氮化钛等硬质涂层时,为了提高金属的离化率和提高硬质涂层的致密度,通常将占空比调到80%左右.而对于低温回火的工模具和锌铝合金件则需要将占空比调低,以降低沉积温度、图1.3-96为脉冲和直流 偏压下基体温度的对比.适当控制占空比可以扩大电弧离子镀的应用范围.图1.3-97为不周偏压幅值下脉冲占空比对基体温度的影响.
3) 大熔滴减少,膜层组织更加致密.由表面形貌照片.由照片可知,采用脉冲偏压电源后膜层组织中大深滴明显减少或细小化.结于减少大熔滴的原因有不同解释进一步的研究表明,脉冲偏压对小尺寸的大颗粒净化效果比较明显,对那些尺寸较大,以及从阴极蒸发带有原始动量直接喷射到基片的大颗粒是无能为力的,虽然脉冲偏压不能彻底清除大颗粒,但其优势在于无需额外的附属过滤设备,也不明显降低沉积效率膜层应力小,可以获得较厚的硬质涂层,由于采用脉冲偏压电源,工件上的膜层在连续生长过程中间断接受离子轰击,可以松弛膜层生长过程中的应力,从而获得与基体结合良好的厚涂层.目前可以沉积出4~7um的硬质涂层,显着提高工模具的寿命.
由以上分析可知电弧离子镀技术中,脉冲偏压的作用是很大的,必须根据不同工件和不同工艺要求,合理调整偏压幅值和占空比.
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1) 灭弧速度快.在主弧轰击时采用20%的占空比,使工件上所施加的高偏压可以自动 "过零".切断对已经形成电弧的供电,使电弧自动熄灭,不会形成连续的大弧光烧伤工件.
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