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玻璃模压成形缔造微纳尺度的技术分析

来源: 时间:2019-07-13 09:54:21 次数:

创新性的玻璃模压成形技术能够以较低的成本和较高的效率实现光学微结构阵列的超精密制造,目前基于该技术已经形成了全电机伺服驱动精密模压成形样机,对国内微纳光学器件制造具有重要的意义。


创新性的玻璃模压成形技术能够以较低的成本和较高的效率实现光学微结构阵列的超精密制造,目前基于该技术已经形成了全电机伺服驱动精密模压成形样机,对国内微纳光学器件制造具有重要的意义。

光为眼睛创造了一个缤纷而奇妙的世界。结合光的衍射、折射和反射等性质,以及人眼的视觉特性,研究人员可以实现多种光学功能。尤其是当具体到微纳尺度时,如果将一定数量微纳尺度的透镜和棱镜组合在一起形成某种阵列并进行特殊设计,由于单个微结构的尺度范围与光学波长接近,因此可以实现多种光学功能。

这种阵列被称为微结构光学元件,可以对任意波长光进行物理调控。根据上述原理制成的微透镜阵列背光组模能够使显示屏幕以较小的光源能量,获得较亮、较均匀的显示效果,广泛应用于手机、数码相机等电子设备的液晶显示屏幕的微透镜阵列背光组模。例如,微透镜阵列结构制作的导光板(LGP)可以将点光源或线光源转化为面光源,并减小照明系统的尺寸;手机背光系统中的棱镜膜可以汇聚导光板顶面出射的光,增加手机液晶屏(非主动发光器件)的亮度。此外,光学微结构阵列还适用于机械设计约束,可以实现新型的光学设计概念、集成光学和机械功能等。

然而在微纳尺度,任何一点微小的误差都可能导致无法实现所需的光学效果,如何才能以较低的成本和较高的效率实现光学微结构阵列的超精密制造呢?面对这一艰巨挑战,北京理工大学的研究团队提出了解决方案:采用玻璃模压成形技术制造光学微纳结构阵列。具体说来,研究团队建立了面向高性能微纳阵列模具制造的磷化镍(Ni-P)材料强化和超精密微切削理论,以及面向微光学元器件制造的玻璃微纳阵列高效超精密高温模压成形理论,为光学微纳阵列低成本批量生产奠定了科学理论基础。

概括来说,玻璃模压成形技术是指对玻璃和模具进行加温和加压,一次性地将光学玻璃模压成可满足特定要求的光学零件,涉及模具材料、玻璃材料和相关设备及工艺参数等诸多挑战。其中微纳阵列模具的超精密制造是实现超精密成形技术的首要基础。

纵观近年来的技术发展,单点金刚石切削是加工微纳结构阵列的更好方法,然而传统模具材料主要是碳化钨、碳化硅,会导致金刚石刀具产生严重磨损,在不允许换刀的前提下难以完成大面积微纳结构加工。磷化镍是一种理想选择:其材料硬度可以达到500~600HV(维氏硬度),可基本满足玻璃模压成形的硬度要求;具有相对良好的切削性能,更适合单点金刚石切削。确定该材料后,研究团队在模具端部进行化学镀磷化镍,实现了样件制备。在化学镀磷化镍镀层的基础上,通过向镀层中添加第三相,使之与磷化镍合金共沉积从而得到复合镀层,改善镀层的机械性能。石墨烯的杨氏模量高达1000千兆帕(GPa),内在强度高达130GPa,基于其优异的机械性能和独特的二维纳米结构,提出了制备石墨烯-磷化镍复合镀层的方法。采用表面活性剂先对石墨烯进行改性,然后采用对镀液施加循环间歇超声的方式进行化学复合镀。



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