基于胺基桥式聚倍半硅氧烷的防潮/减反射一体膜的制备及性能研究

In this project, the Bridged Polysilsesquioxane (BPSQ) precursor was prepared by using the amino group and the epoxy propyl group in silane according to the nucleophilic reaction, and then BPSQ and its corresponding films with different structures were obtained from hydrolysis and polycondensation of BPSQ precursors. Finally, we tried to composite the as-prepared BPSQ with SiO2 to prepare multifunctional single layer film with both moisture barrier performance and antireflective property. NMR and FTIR were used to study the reaction process and mechanism. The optical properties of the film were analyzed by using ultraviolet spectrophotometer and ellipsometer. Atomic force microscopy, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and contact angle meter were used to observe the surface morphology of films. N2 suction-desorption isotherm and thermal weight curves were used to analyze the physical-chemical properties of the gel. The application properties of the films were tested and analyzed by using the experiments of film damage and moisture control.

本课题采用溶胶凝胶法，利用氨基与硅烷中的环氧丙基发生亲核反应，使环氧基开环，制备直链二胺桥连的聚倍半硅烷前驱体，之后将前驱体水解缩聚得到聚倍半硅氧烷胶体与SiO2复配，通过调节直链胺的长度以及SiO2复合的比例来获得防潮效果与减反性能俱佳且满足KDP晶体使用要求的防潮/减反一体膜。实验中使用核磁共振、傅里叶变换红外来研究反应过程及机理；采用紫外分光光度计、反射式椭偏仪来分析薄膜的光学特性；原子力显微镜、透射电镜、扫描电镜和接触角仪用于观察薄膜的表面形貌；N2吸-脱附等温线和热重用于分析凝胶的物理化学性能；并利用薄膜损伤实验和防潮实验对所制备薄膜的应用性能进行测试分析。

目前，高功率激光器装置中的倍频晶体KDP晶体采用一层聚合物防潮膜加一层氧化硅减反射膜的双层膜搭配方法来满足其对防潮和减反射的双重需求。在实际应用中，双层膜体系的设计和维护较为复杂，因此非常必要研究一种兼具防潮和减反射性能的通用型功能薄膜，以满足KDP晶体对薄膜光学性能和防潮性能的共同需求。本研究致力于设计并制备出一种单层复合薄膜用于光学倍频晶体的防潮和减反需求，以简化晶体保护膜的制备和维护过程。基于胺基桥式聚倍半硅烷(ABPSQ)特殊的结构和良好的防潮性能，以及氧化硅(SiO2)介孔膜的优良减反射性能，本课通过将酸催化所得的ABPSQ与SiO2复合，成功制备出了一种既有防潮效果，又有减反射性能，且不影响晶体抗激光损伤阈值的保护/减反一体膜。结果显示，当ABPSQ与SiO2的摩尔比为1:5时，复合膜折射率低至1.22，镀有该薄膜的石英玻璃片在300nm -1200 nm范围内的平均透过率为97.21%，远高于石英裸片的透过率91.98%；同时，将镀有该薄膜的KDP晶体在湿度60%的环境中处理7个月后，其平均透过率降低值仅为2.54%，远低于KDP裸片的下降值10.45%和镀有SiO2薄膜的KDP晶体的下降值10.79%，说明这种复合膜既有较好的光学性能又能有效地阻隔水蒸气的渗透；此外，镀有复合膜的KDP晶体在1053nm和351nm激光辐照下的损伤阈值与KDP裸片相比，降低值分别为5.3%和3.7%，考虑到激光损伤阈值测试误差，该复合薄膜可以满足高功率激光器系统中倍频晶体的防潮和减反射需求。除此之外，该复合膜与不同基底均有较好的结合力，使其在无需任何预处理或后期处理条件下就有较好的抗摩擦性能，相比文献报道中同类需高温煅烧或改性实验以提高抗摩擦性能的介孔膜，该类薄膜的制备过程更为简化、环保。这说明ABPSQ的引入能有效提高介孔SiO2减反膜的防潮性能和机械性能，且该薄膜制备过程简单、环保，这为硅基多功能复合功能薄膜的设计和研究提供了一种思路和理论基础。