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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:鄭智銘
研究生(外文):Chih-Ming Cheng
論文名稱:光學玻璃成型模具披覆多層薄膜之潤濕特性研究
論文名稱(外文):Wettability investigation of multilayered hard coatings on optical glass molds
指導教授:張銀祐
指導教授(外文):Yin-Yu Chang
學位類別:碩士
校院名稱:明道大學
系所名稱:材料科學與工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:134
中文關鍵詞:潤濕角硬質薄膜陰極電弧沉積玻璃模造
外文關鍵詞:wetting anglehard coatingscathodic arc evaporationglass molding
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玻璃模造技術被視為最有機會製造出高解析度、穩定性佳、具量產性的非球面玻璃透鏡。研究中採用陰極電弧沉積系統製備CrAlSiN/CrN、TiAlSiN/TiN與AlTiN/CrN奈米多層薄膜。鍍製在碳化鎢模具基材上,作為玻璃模造之表面改質。本研究使用住田光學K-PG325光學玻璃球進行潤濕特性分析,透過接觸角分析來探討不同操作溫度及薄膜組成對高溫潤濕沾黏特性之影響。
由X光繞射分析結果顯示薄膜皆為緻密之面心立方晶奈米多層結構。由奈米壓痕硬度分析結果得知,CrAlSiN/CrN薄膜擁有最大的硬度(36.8±2GPa),且於低氧分壓的氮氣環境中進行700°C高溫處理,其硬度值為37.5±1GPa,顯示CrAlSiN/CrN薄膜具優異之抗熱疲勞性。CrAlSiN/CrN多層薄膜在高溫氧化試驗中擁有最佳之抗氧化能力,其熱穩定可達1000°C。在高溫600°C以上玻璃與模仁鍍膜的潤濕角越小代表玻璃球與塗層發生激烈介面化學反應,產生嚴重的沾黏現象。在700°C下光學玻璃球與CrAlSiN/CrN薄膜擁有最大之接觸角(80°),顯示薄膜與玻璃較不易起化學變化。主要受薄膜抗氧化能力之影響,因氧化層容易與玻璃中的氧化物互相擴散結合造成沾黏。
本研究結果顯示CrAlSiN/CrN薄膜具備優異之抗熱疲勞性與抗高溫氧化能力,適合作為光學玻璃碳化鎢模具之保護性硬質薄膜。
Glass molding technology is considered to be the most likely candidate to successfully produce high resolution and stability aspherical glass lenses in vast volumes. This study reports upon the deposition of CrAlSiN/CrN, TiAlSiN/TiN and AlTiN/CrN multilayer nanofilms through the use of cathodic arc deposition. When using a tungsten carbide coated substrate mold, the mold modifies the surface of the glass. The high temperature wetting of a Sumita Optical Glass K-PG325 ball was studied by contact angle measurements. These measurements were used to explore the affect of operating temperature and film composition upon adhesion characteristics.
X-ray diffraction analysis showed that all multilayer nanofilms possessed a FCC crystal structure. Nanoindentation results showed that, CrAlSiN/CrN film has the greatest hardness (36.8 ± 2GPa). Furthermore, heat treatment under a pressurized nitrogen environment at 700 °C resulted in a measured hardness value of 37.5 ± 1GPa, indicating that CrAlSiN/CrN films possess excellent resistance against thermal fatigue. CrAlSiN/CrN multilayer films demonstrate the best antioxidant capacity in high-temperature oxidation tests, with thermal stability up to 1000 °C. The unusually low contact angle measured at temperatures above 600 °C revealed a possible interfacial reaction between the glass mold and the coating, resulting in severe adhesion effects. At 700 °C the contact angle between the CrAlSiN/CrN film and the glass ball was found to be largest (80 °), this indicated that the chemical reactivity between the film and glass was much lower. This was mainly due to the antioxidant effect of the deposited film; an oxidation layer in the film can diffusively exchange with the oxides in the glass, thus resulting in adhesion.
The results show that CrAlSiN/CrN films have excellent thermal fatigue resistance and resistance to high temperature oxidation, which makes them ideal as a protective coating for tungsten carbide-coated optical glass.
摘要................................I
Abstract..............................II
總目錄...............................III
圖目錄...............................V
表目錄..............................VIII
第一章 前言.............................1
第二章 文獻回顧...........................3
2.1 光學鏡片的材料.......................6
2.2 光學玻璃的種類與特性....................9
2.3 光學玻璃的結構和光學性質..................11
2.3.1 折射率........................13
2.3.2 阿貝數(Abbe Number)..................15
2.3.3 透明度........................16
2.4 潤濕反應之特性.......................17
2.5 非球面玻璃透鏡製造方式比較.................19
2.6 材料表面改質........................23
2.6.1 物理氣相沉積法....................24
2.6.2 物理氣相沉積鍍膜之結構模型成長機制..........24
2.6.3 陰極電弧沉積法....................27
2.6.4 陰極電弧沉積法的優缺點................31
2.6.4.1 陰極電弧沉積法的優點...............31
2.6.4.2 陰極電弧沉積法的缺點...............31
第三章 實驗設備及方法.......................32
3.1 實驗流程..........................32
3.2 高溫熱處理實驗規劃.....................33
3.3 試片準備與前處理......................34
3.4 薄膜製備與鍍膜系統.....................35
3.4.1 CrAlSiN/CrN薄膜之製備.................36
3.4.2 TiAlSiN/TiN薄膜之製備.................38
3.4.3 AlTiN/CrN薄膜之製備..................40
3.4.4 CrN薄膜之製備....................42
3.4.5 TiN薄膜之製備.....................43
3.5 光學玻璃球.........................44
3.6 高溫光學玻璃接觸角量測...................45
3.7 鍍膜成份結構分析......................47
3.7.1 場發射掃描式電子顯微鏡................47
3.7.2 原子力顯微鏡.....................48
3.7.3 表面輪廓儀......................49
3.7.4 能量散佈光譜儀....................49
3.7.5 X光繞射分析儀....................51
3.7.6 X光光電子能譜儀...................52
3.7.7 奈米壓痕試驗.....................54
3.7.8 壓痕試驗.......................57
3.7.9 磨耗試驗.......................58
第四章 結果與討論.........................60
4.1 薄膜微結構、成份分析及高溫氧化行為研究...........60
4.1.1 SEM表面型貌分析...................60
4.1.2 AFM表面型貌分析...................64
4.1.3 SEM截面型貌分析...................66
4.1.4 EDS成份分析.....................69
4.1.5 X光繞射結構分析...................71
4.1.6 ESCA表面鍵結分析...................82
4.2薄膜性質分析........................97
4.2.1 硬度分析.......................97
4.2.2壓痕試驗分析.....................101
4.2.3 磨耗性質分析.....................105
4.3 玻璃球與薄膜高溫介面反應..................114
4.3.1 潤濕性實驗........................114
4.3.1.1 實驗流程....................114
4.3.2 CrAlSiN/CrN薄膜與玻璃球高溫介面反應..........115
4.3.3 TiAlSiN/TiN薄膜與玻璃球高溫介面反應..........118
4.3.4 AlTiN/CrN薄膜與玻璃球高溫介面反應...........121
4.3.5 CrN薄膜與玻璃球高溫介面反應.............124
4.3.6 TiN薄膜與玻璃球高溫介面反應..............127
第五章 結論............................131
參考文獻..............................133
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