具有梯度指数结构的光学元件和生产这种元件的方法技术

本发明专利技术涉及具有材质分布梯度的光学元件的生产，所述材质分布梯度归因于埋于固体基质中的纳米级颗粒。该元件是通过如下步骤制成的，即，在可固化液态基质材料中分散纳米级颗粒，应用势差使颗粒在基质材料中迁移以形成分布梯度，然后固化基质材料，保留分布梯度。该方法适合用于，例如，生产具有折射指数梯度的光学透镜。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有梯度结构的光学元件，特别是具有由纳米级颗粒引起的材质梯度的光学元件，和用于生产这种光学元件的方法。颗粒在悬浮液中的电泳沉积是基于颗粒在电场中迁移的能力，而且，随着它们表面电荷的极性变化而沉积于一个电极上。在这种情况下，扩散分布态尤其取决于颗粒的尺寸和分布以及介质的粘度。若扩散过程发生在可随后硬化的基质中，就有可能“封冻”相应的扩散分布态，这样生成了梯度材料。按照本专利技术，现已发现非常概括地说，由任何种类的颗粒，特别是纳米级颗粒在合适粘度(即，(刚好)允许颗粒扩散的粘度)的液态(优选地为热和/或光化学)可固化基质中的电位差所引起的定向扩散(迁移)，可用于生产具有材质梯级结构的光学元件。如果，在形成了所需的纳米级颗粒的扩散分布态之后，可通过固化基质相将这种扩散分布态封冻。因此，本专利技术提供了具有梯度结构的光学元件，其中(可，例如带来折射能力梯度的)材质梯度是由埋于固体基质中的纳米级颗粒引起的。本专利技术还提供了一种用于生产这种光学元件的方法，其中，电位差被用于使分散于液态可固化基质相中的纳米级颗粒在基质相中发生迁移，因此导致了材质梯度的形成，随后基质相发生固化而保留了材质梯度。导致颗粒在基质中定向迁移(扩散)的主动力可，例如通过电场(如在电泳中)、化学(浓差)电势或界面势而产生。如果要通过电场产生电位差，那么可能的步骤为，例如，将分散其中的在两个电极(阳极和阴极)间传导表面电荷的纳米级颗粒引入液态可固化基质相中，然后使纳米级颗粒朝着具有与它们表面电荷相反的极性的电极方向迁移。纳米级颗粒上的表面电荷可，例如通过形成可引起基团在纳米级颗粒表面上离解(如COOH→COO，金属-OH金属-O-)的pH值而产生。当然，这种途径预先假定当电场作用时，基质的粘度可允许纳米级颗粒进行明显的扩散。在形成所需的扩散分布态之后，可以这么说，它通过固化基质形成固态结构而被封冻，由此，有可能生产出具有材质梯度结构的光学元件。化学浓差电势可，例如按照以下方式产生。对具有碳-碳重键、环氧环等的物质的局部(如热和/或光化学引发的)聚合来说，聚合反应导致了官能团在聚合反应发生区域中的贫化(这里所用的术语“聚合反应”意味着不仅包括加成聚合反应，而且还包括加聚和缩聚反应)。这导致具有仍未反应的官能团的物质向聚合反应已发生聚合(受热的或受照的)区域扩散以补偿化学势差异。在光聚合物的情况下，这种作用被称为Colbum-Haines效应。在受热或受照区域中，这种伴有随后聚合反应的定向扩散导致了密度的增加，并由此导致了折射能力的增加。然而，对于有机单体来说，这种变化不大，这是由于，密度上所产生的较小变化仅对摩尔折射率产生很小的影响。然而，这不适用于其表面带有能进行聚合反应的活性基团的纳米级颗粒。对此，折射能力梯度可在化学势的作用下，通过纳米级颗粒的扩散而得到显著提高；而且，如果在扩散之后，基质相发生固化，即，如果，例如整个体系经受由热和/或光化学引发的聚合反应，那么有可能得到梯度材料。在这种情况下，由于扩散的纳米级颗粒的固定(通过聚合反应)，材质梯度得以保留。当然，本专利技术方法的该具体例的一个重要前提同样是，液态基质相能够允许其表面已具有活性(可聚合的)基团的纳米级颗粒进行合适的扩散；换句话说，基质相的粘度不要太高。用于产生势差的另一途径是利用纳米级颗粒表面与液态基质相间的不相容性，其中，势差可使已被合适基团改性(在表面上)的纳米级颗粒在合适粘度的基质相中进行扩散以形成材质梯度。如果，纳米级颗粒，例如在其表面带有亲水基团如氟化(烷基)基团，而基质相具有亲水或较弱憎水特性，那么，液态亲水基质相与分散其中的憎水纳米级颗粒在基质上的涂覆，使得憎水颗粒迁移到表面层，这样可形成最低的系统能量。一般来说，该层是与空气接触的界面，这样，憎水的或憎水性包覆的颗粒聚集在覆盖层表面并在与基质接触的界面上变得浓度不够；在覆盖层固化之后，这可在层与基质间产生良好的粘附力，以及一种易清洗的低能量表面。为了抑制(亲水的)基质相和憎水纳米级颗粒甚至在涂于基质前的分离作用，对本专利技术方法的该具体例来说，可能的措施为，例如，向基质相中加入配伍剂，其中，配伍剂可在组合物涂于基质后被去除(例如，通过蒸发)，或随着基质相的固化而稳定地加入基质相中。在下文中，将更加详细地描述可用于本专利技术方法的物质。可用于本专利技术方法的纳米级颗粒的直径优选地不大于100nm，尤其不大于50nm，和特别优选地不大于20nm。就低限而论，没有特别的限定，尽管由于实际原因，该低限一般为0.5nm，尤其是1nm，更常为2nm。纳米级颗粒包括，例如，氧化物，如ZnO、CdO、SiO2、TiO2、ZrO2、CeO2、SnO2、Al2O3、In2O3、La2O3、Fe2O3、Cu2O、V2O5、MoO3或WO3；硫属化物，其例子为硫化物如CdS、ZnS、PbS或Ag2S；硒化物，如GaSe、CdSe或ZnSe；和碲化物，如ZnTe或CdTe；卤化物，如AgCl、AgBr、AgI、CuCl、CuBr、CdI2或PbI2；碳化物，如CdC2或SiC；砷化物，如AlAs、GaAs或GeAs；锑化物，如InSb；氮化物，如BN、AlN、Si3N4或Ti3N4；磷化物，如GaP、InP、Zn3P2或Cd3P2；磷酸盐；硅酸盐；锆酸盐；铝酸盐；锡酸盐；和相应的混合氧化物，例如具有钙钛型矿结构(provskite structure)的混合氧化物，如BaTiO3或PbTiO3。这些纳米级颗粒可通过常规方法制备例如，通过火焰热解、等离子体法、胶体技术、溶胶-凝胶工艺(sol-gel process)、受控的成核-生长方法、MOCVD法和乳液法。这些方法在文献中有详细描述。从文献中还可知道，用合适的官能团(如，可聚合的或憎水的基团)可对纳米级颗粒表面进行改性。纳米级颗粒还可在液态基质相(或其部分)的存在下，通过溶胶-凝胶工艺就地制备。在包含纳米级颗粒和已固化基质相的材质梯度复合成品中，纳米级颗粒的比例一般是在0.5-80重量％，更常见为1-50重量％，优选地为5-30重量％的范围内。一般来说，纳米级颗粒分散其中的液态基质相可包括任何所需物质，这种物质在其原始状态下可形成一种适合纳米级颗粒扩散的粘度，而且，在形成所需的扩散分布态后，它可转化成固态以保留该扩散分布态。优选，基质相由热和/或光化学固化。因此，基质相优选地包括可聚合的有机单体、低聚物和/或预聚物和/或能够进行水解缩聚且可能已被有机改性的无机化合物。在本文中，术语“可聚合的”意味着，不仅包括可通过(自由基或离子)加成聚合反应转化成聚合物的物质，而且还包括通过加聚或缩聚反应生成聚合物的那些物质。已固化基质相中的聚合物可包括任何所需的已知塑料，其例子为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚酰胺、聚亚酰胺、聚乙烯基化合物如聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚醋酸乙烯酯和相应的共聚物如聚(乙烯-醋酸乙烯酯)；聚酯，其例子为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚苯二甲酸二烯丙基酯、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯；聚醚，如聚氧化亚甲基、聚氧化乙烯和聚苯氧；聚醚酮；聚砜；聚环氧化物；氟聚合物，如聚四氟乙烯和有机聚硅氧烷。所涉及的聚合物优选地为透明的。对上述有机本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有梯度结构的光学元件，其中存在一种由埋于固体基质中的纳米级颗粒引起的材质梯度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：赫尔穆特施米特，赫伯特克鲁格，彼得W奥利维拉，斯蒂芬塞佩沃尔，
申请(专利权)人：新材料公共服务公司研究所，
类型：发明
国别省市：DE[德国]