淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-1508201119064700
中文論文名稱 抗沾黏膜層設計及其對模具材料與玻璃間界面化學反應之影響研究
英文論文名稱 Study on the Design of Protective Films and Its Influence on the Interfacial Reaction between Optical Glasses and Mold Materials
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系博士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 霍正邦
研究生英文姓名 Cheng-Bang Huo
電子信箱 896370037@s96.tku.edu.tw
學號 896370037
學位類別 博士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2011-06-16
論文頁數 176頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-左培倫
委員-劉道恕
委員-馬廣仁
委員-楊耀波
委員-趙崇禮
中文關鍵字 玻璃模造  保護膜層設計  界面反應  擴散  沾黏  網狀修飾劑  Pt/Ir薄膜 
英文關鍵字 Glass molding  Protective Coating Designs  Interfacial Reaction  Diffusion  Sticking Problems  Network Modifier  Pt/Ir Films 
學科別分類
中文摘要 熱壓模造非球面玻璃鏡片具有高產值、低量產成本與易於製作小尺寸鏡片等優點,但也同時須面對模仁與玻璃在高溫成形時可能發生的嚴重沾粘問題。玻璃模造必須在高溫下以模具對玻璃進行壓製成形,而模仁在反覆的熱及應力循環中極易與玻璃表面產生化學反應而造成玻璃沾黏、表面材質/粗糙度劣化及磨耗,進而大幅縮減了模仁的使用壽命。本研究以不同之Pt/Ir硬膜設計來展延模造模仁使用壽命;並探討多種光學玻璃與模仁材料及膜層設計,在高溫狀況之界面化學反應。結果顯示玻璃組成元素、模仁材料、保護膜層設計、保護氣氛及溫度皆對玻璃/模仁之沾黏狀況有很大的影響;而網狀修飾劑含量較多的光學玻璃在高溫的狀態下,較容易與模仁材料之元素相互擴散進而產生激烈之界面化學反應導致沾黏。此外,本研究發展之Pt/Ir膜層設計確實可有效抑制光學玻璃之界面擴散以及削減沾黏現象,但當光學玻璃中存有易於其反應之BaO、F等網狀修飾劑也會使抗沾粘膜的效果較為下降,而沾黏狀況也取決於其與Pt、Ir元素的化學親和力。經模造結果發現,膜層結構設計對於抗沾黏的效果具有相當大之影響,其組成、厚度與層數搭配不同模仁與光學玻璃所展現出來的成效不盡相同。而藉由本研究結果可尋求出較佳化的抗沾黏膜層設計與配合以降低因擴散所引起的沾黏。
英文摘要 The glass molding process (GMP) is considered to have a great potential for the mass production of aspheric glass lenses to higher precision and at a lower cost. However, during the GMP mold surfaces have to expose to the chemically active glass and also be subjected to mechanical and thermal cyclic operations. This may result in some serious problems like mold surface covered by residual glass, deteriorated surface conditions and shortened mold service life. This research aimed to extend mold service life by various protective coating designs and to investigate the interfacial reaction between various optical glass, mold materials and protective coatings at elevated temperature. It is found that glass composition, mold material, molding temperature, coating design and protective atmosphere all have profound effect on the consequence of GMP. The results show that there are strong links between high proportion of certain network modifiers and high tendency of inter-diffusion and sticking problems. Besides, intermediate like F also played an important role in triggering the interaction between glasses and protective coatings. It is also found that mold coated with Pt/Ir films can effectively reduce the interfacial reaction and thereby minimizing the potential for sticking. The arrangements of the coatings have profound effect on their achievable results, thicker coating not necessary better, increasing the number of layers does not guarantee better performance.
論文目次 目錄
致謝I
中文摘要III
英文摘要 V
目錄 VII
圖目錄 X
表目錄 XV
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2 研究背景 3
1-3 研究動機與目的 5
第二章 文獻回顧與理論基礎 7
2-1 精密光學玻璃熱壓模造技術 7
2-1-1 光學玻璃熱壓模造加工製程 8
2-1-2光學級模仁製作之要求與特性 10
2-2 真空鍍膜技術之方法與特性 16
2-2-1磁控濺鍍 18
2-2-2離子束輔助沉積 18
2-2-3離子束輔助磁控濺鍍 19
2-3抗沾黏膜層披覆之目的與特性 20
2-3-1貴金屬抗沾黏薄膜之研究 24
2-3-2金屬多層膜特性 27
2-3-3擴散阻礙層(Diffusion Barrier) 28
2-4 光學玻璃材料之特性 31
2-4-1 光學玻璃之光學性質 31
2-4-2光學玻璃之熱性質 33
2-4-3 光學玻璃之機械性質 34
2-4-4 光學玻璃材料之物理、化學性質 35
2-4-5 光學玻璃組成物對模造之影響 36
2-4-6 光學玻璃與基底材料擴散反應 39
第三章 研究方法與設備 43
3-1 實驗設計 43
3-2 實驗設備 43
3-2-1離子束輔助磁控濺鍍系統 44
3-2-2 高溫濕潤氣氛爐管 45
3-2-3 分析檢測儀器 47
3-2-4 材料表面清潔儀器 50
3-3實驗材料 50
3-4 鍍膜參數設計 51
3-5 實驗流程圖 54
3-6 實驗步驟 55
第四章 結果與討論 58
4-1 保護膜層設計之探討 58
4-1-1 Pt、Ir抗沾黏單層膜與光學玻璃之界面擴散反應之探討59
4-1-2 Pt/Ir合金膜層與多層結構對光學玻璃界面反應之探討 67
4-1-2-1 Pt/Ir 合金保護層對於光學玻璃界面反應之探討 67
4-1-2-2 Pt/Ir多層膜結構與光學玻璃之界面反應之探討 73
4-1-3多款膜層結構設計作為抗沾黏保護層之總結探討 79
4-2 光學玻璃組成及相關性質與膜層界面擴散之機制研究 81
4-2-1 光學玻璃組成對於其與抗沾黏膜層之界面擴散反應探討 81
4-2-2 光學玻璃高溫模造時霧化與產生氣泡現象之探討 87
4-2-3光學玻璃表面粗糙度、缺陷與膜層界面擴散之影響機制 93
4-2-4 光學玻璃組成與膜層界面擴散之機制研究總結 97
4-3 模仁材料與膜層設計之探討 99
4-4-1含鈷碳化鎢模仁披覆Pt/Ir多層膜對B270高溫界面反應 100
4-3-2 Pt/Ir多層膜與含鈷碳化鎢對光學玻璃高溫界面反應探討108
4-3-3 Pt/Ir合金膜與含鈷碳化鎢對光學玻璃高溫界面反應探討114
4-3-4 膜層設計應用於玻璃模造鏡片之成果分析探討 121
4-3-5模仁材料與膜層設計之探討小結 128
第五章 結論與未來展望 130
參考文獻 136
附錄 149

圖目錄
圖1.1 TOSHIBA GMP-3111VA【7】【10】 4
圖 2.1 非球面玻璃透鏡成品【12】 7
圖 2.2 SUMITA玻璃預形體【15】 9
圖 2.3 模造示意圖(a)加熱(b)加壓(c)退火(d)冷卻【16】 10
圖 2.4 超精密加工之模仁成品【23】 15
圖 2.5 磁控濺射示意圖【27】 18
圖 2.6 離子束輔助鍍膜系統【28】 19
圖 2.7擴散阻隔層示意圖【58】 28
圖 2.8 (a) Sacrificial Barrier(b) Passive Barrier(c) Stuffed Barrier(d) Amorphous Barrier【58】 29
圖 2.9折射示意圖【62】 31
圖 2.10 Schott公司光學玻璃之Abbe number分佈【12】 32
圖 2.11二氧化矽空間結構示意圖【72】 37
圖 2.12網狀修飾劑對光學玻璃之影響示意圖【72】 37
圖 2.13光學玻璃與基底材料之間擴散關係圖【73】 39
圖 2.14光學玻璃濕潤角示意圖【75】 40
圖 2.15空位擴散示意圖【77】 40
圖 2.16 間隙擴散示意圖【77】 41
圖 2.17 擴散運動時能量變化示意圖【77】 41
圖 3.1離子束輔助磁控濺鍍系統 44
圖 3.2高溫氣氛爐管及示意圖 45
圖 3.3高溫爐管升降溫曲線圖 46
圖 3.4高溫濕潤實驗石英晶舟載台 46
圖 3.5光學顯微鏡(OM) 47
圖 3.6鍍金機 47
圖 3.7場發射電子顯微鏡FESEM 48
圖 3.8能量散布分析儀EDS 49
圖 3.9量測分析結果 49
圖 3.10 BRANSON 2510超音波清潔機 50
圖 3.11 Pt、Ir單層膜示意圖 51
圖 3.12 Ta+(Pt+Ir) 多層膜20、30、60層示意圖 51
圖 3.13 Pt/Ir混合合金膜層與加入TaN示意圖 51
圖 3.14單層膜Cross-Section SEM圖 52
圖 3.15多層膜Cross-Section SEM圖 52
圖 3.16 混合膜Cross-Section SEM圖 53
圖 3.17實驗流程圖 54
圖 4.1不同膜層設計【34】 59
圖 4.2膜層SEM cross-section 60
圖 4.3 Pt、Ir單層膜結構於擴散反應後膜層SEM圖 62
圖 4.4硼矽酸玻璃基板鍍上SiC而形成PtSi化合物示意圖【80】63
圖4.5 Pt單層膜與玻璃濕潤角和表面形貌分析圖 64
圖4.6 Ir單層膜與玻璃濕潤角和表面形貌分析圖 64
圖4.7 單層膜濕潤角分析 66
圖4.8 Pt/Ir合金膜層SEM cross-section 69
圖4.9膜層示意圖 69
圖4.10 Pt/Ir合金抗沾黏膜於擴散實驗後膜層表面SEM圖 70
圖4.11Pt/Ir合金膜與玻璃濕潤角與表面形貌分析圖 71
圖4.12 Pt/Ir合金膜、Pt單層膜與玻璃硝材接觸角 72
圖4.13 Pt/Ir多層膜SEM cross-section 73
圖4.14光學玻璃與多層膜結構經高溫濕潤實驗後表面SEM圖 74
圖4.15多層膜結構60層與30層之接觸角長條圖 75
圖4.16 Pt/Ir多層膜結構30層與玻璃濕潤角和表面形貌分析圖 76
圖4.17 Pt/Ir多層膜結構60層與玻璃濕潤角和表面形貌分析圖 76
圖4.18具有相反濃度梯度的相鄰兩界面層示意圖 77
圖4.19 Pt/Ir多層膜超晶格示意圖【84】 78
圖4.20多層膜與混合膜濕潤角比較圖 80
圖4.21 SiO2空間結構及網狀修飾劑對光學玻璃之影響示意圖 81
圖4.22玻璃沾黏機制示意圖 86
圖4.23 玻璃高溫擴散後霧化形貌 87
圖4.24 P-SF67與P-SF68 霧化CCD形貌分析圖 87
圖4.25 N-FK51A、N-PK52A 產生氣泡CCD圖 89
圖4.26 P-SF67表面粗糙度 93
圖4.27 N-FK51A 表面粗糙度 94
圖4.28 P-SF67與N-FK51A表面粗糙度比較圖 94
圖4.29 P-SF67表面粗糙度差異與膜層界面反應狀況 95
圖4.30 P-SF67、N-FK51A表面粗糙度差異與濕潤角比較圖 95
圖4.31 較差表粗光學玻璃與膜層接觸界面示意圖 96
圖4.32 球形預型體拋光時所產生的表面缺陷 98
圖4.33 B270玻璃板搭配含13%鈷量之碳化鎢模仁實驗後SEM103
圖4.34 B270玻璃板搭配含10%鈷量之碳化鎢模仁實驗後SEM圖.104
圖4.35 B270玻璃板搭配含5%鈷量之碳化鎢模仁實驗後SEM圖...105
圖4.36化學鋼化玻璃離子交換示意圖 106
圖4.37 K230鋼化與否和含鈷量10%碳化鎢擴散後模具表面 106
圖4.38 膜層表面隨碳化鎢模具含鈷量遞減與鋼化玻璃反應狀況..107
圖4.39 Pt/Ir多層膜SEM cross-section 109
圖4.40 Pt/Ir多層膜搭配不同含鈷量模仁於實驗後膜層SEM圖….110
圖4.41 Pt/Ir多層膜搭配不同含鈷量模仁於實驗後光學玻璃OM圖.111
圖4.42 Pt/Ir多層膜搭配不同含鈷量模仁與玻璃濕潤角CCD分析.112
圖4.43 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁與玻璃濕潤角比較圖 113
圖4.44 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量模仁於實驗後膜層SEM圖....115
圖4.45 Pt/Ir混合膜搭配不同含鈷量模仁於實驗後光學玻璃OM圖.116
圖4.46 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量模仁與玻璃濕潤角分析圖 117
圖4.47 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量模仁與玻璃濕潤角比較圖 118
圖4.48合金膜與多層膜搭配不同含鈷量模仁與光學玻璃濕潤角 118
圖4.49 Binary phase diagram of Co-Pt【89】. 119
圖4.50 Pt/Ir多層膜披覆於含鈷13%WC與玻璃擴散後表面分析 120
圖4.51 Pt/Ir合金膜披覆於含鈷13%WC與玻璃擴散後表面分析 120
圖4.52模造機台及機台內部熱壓冷卻機構 121
圖4.53 Pt/Ir膜層SEM cross-section 121
圖4.54 Pt/Ir多層膜應用於碳化鎢模仁模造後模仁表面 122
圖4.55 Pt/Ir合金膜應用於碳化鎢模仁模造後模仁表面 123
圖4.56 Pt/Ir多層膜應用於碳化矽模仁模造後模仁表面 125
圖4.57碳化矽模仁模造後邊緣脆裂圖 126
圖5.1模造後模仁沾黏狀況(模仁) 130
圖5.2因沾黏而造成的鏡片缺陷(鏡片) 130

表目錄
表1- 1 光學玻璃與光學塑膠之特性比較【11】5
表2 1碳化鎢為模仁和模造後鈷沉積量和表粗狀況【20】 13
表2 2本研究所使用之碳化鎢材料特性【23】 15
表2-3真空鍍膜PVD之比較 【26】 17
表2 4光學玻璃網狀修飾物優劣比較【71】【72】 38
表3 1實驗參數表 55
表3 2各款玻璃成分表 56
表3 3 OHARA公司的L-NBH54光學玻璃成分表 57
表4-1 Pt與Ir抗粘黏膜層之實驗參數 60
表4-2合金膜層與光學玻璃模造500次後PV值和表粗狀況【34】 68
表4-3 N-FK5光學玻璃沾黏SEM、EDS 82
表4-4 N-PK51光學玻璃沾黏SEM、EDS 83
表4-5 P-SK57光學玻璃沾黏SEM、EDS 83
表4-6 P-LASF47光學玻璃沾黏SEM、EDS 83
表4-7 N-KZFS8光學玻璃沾黏SEM、EDS 84
表4-8 N-PSK58光學玻璃沾黏SEM、EDS 84
表4-9玻璃內原子解離能與單鍵鍵結強度【86】【87】85
表4-10 P-SF67光學玻璃霧化前後元素分析 88
表4-11 P-SF68光學玻璃霧化前後元素分析 88
表4-12 N-FK51A 光學玻璃成分分析SEM EDS(未與膜層接觸面) 90
表4-13 N-FK51A 光學玻璃成分分析SEM EDS(與膜層接觸面) 91
表4-14 N-PK52A 光學玻璃成分分析SEM EDS(未與膜層接觸面) 91
表4-15 N-PK52A 光學玻璃成分分析SEM EDS(與膜層接觸面) 92
表4 16 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁B270玻璃板實驗參數表100
表4 17 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁實驗參數表 108
表4-18 模造後之碳化矽模仁表面成分分析 126

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