針對超高吸光率鋁合金光學元件之 MAO/PEO/MPC 表面處理技術深度研究報告：原理、性能對比與應用分析

1. 摘要

隨著自動駕駛技術中光達 (LiDAR) 的普及以及航太光學酬載對雜散光 (Stray Light) 抑制要求的極限化，傳統的光學消光表面處理技術（如黑色陽極處理）已逐漸難以滿足現代光電系統的嚴苛需求。特別是在 905nm 與 1550nm 這兩個關鍵的雷射波長下，光學元件表面的吸光率（Absorptance）、熱穩定性以及真空逸氣（Outgassing）特性，直接決定了感測器的信噪比 (SNR) 與探測距離。

本報告旨在深入探討並比較 微弧氧化 (Micro-Arc Oxidation, MAO)、電漿電解氧化 (Plasma Electrolytic Oxidation, PEO) 以及 微孔陶瓷技術 (Micro-Layer Plasma Coating, MPC) 在超高吸光率（>95%）鋁合金光學元件上的應用優勢與劣勢。我們將引用來自 Fraunhofer 研究所、劍橋大學、NASA 及其它權威機構的科學數據，詳細剖析這些陶瓷化轉化膜技術如何透過微觀結構調控與原位摻雜（In-situ Doping）機制，在光學性能、機械強度與環境耐受性上超越傳統陽極處理與新興的超黑塗層（如 Vantablack、Acktar）。

研究發現，雖然奈米碳管類超黑塗層擁有極致的光學性能，但 MPC/PEO 技術 在提供大於 95% 吸光率的同時，具備了太空級的低逸氣特性與極高的機械耐磨性，使其成為量產型車用光達與高壽命航太組件的最佳工程折衷方案。

2. 光學消光塗層的技術演進與挑戰

在精密光學系統設計中，「黑」並不僅僅是一種顏色，而是一項嚴格的工程指標。對於主動式感測系統如 LiDAR，發射端輸出的高能量脈衝雷射若在鏡頭內部、鏡筒或遮光罩（Baffle）上產生非預期的反射，將導致「鬼影」訊號或提高背景雜訊，進而掩蓋遠距離低反射率目標的微弱回波 ¹。

Black Coatings to Reduce Stray Light

Boosting LiDAR performance through better stray light control using Vantablack coatings

A close-up photograph of a anti-light reflective matte black, machined metal optical housing with intricate internal light baffles, resting on a metal lab bench with electronic test equipment in the blurred background. — This detailed view shows a custom-machined optical component, likely a lens housing or light trap, featuring complex internal baffles designed to minimize stray light reflections.

鋁合金（特別是 6061 與 7075 系列）因其高強度重量比與優異的熱導率，是光學結構件的首選材料。然而，未經處理的鋁合金在可見光至紅外波段的反射率高達 90% 以上。傳統的解決方案是 黑色陽極處理 (Black Anodizing)

雖然黑色陽極處理在可見光下表現尚可，但其依賴有機染料進行著色的機制在近紅外 (NIR) 波段存在致命缺陷。許多有機黑色染料在超過 700nm 的波長下會變得透明，導致底層的鋁基材反射紅外光。這意味著在 905nm 或 1550nm 的 LiDAR 感測器眼中，一個肉眼看起來「全黑」的陽極處理零件，可能呈現為高反射的亮灰色，嚴重干擾探測 ¹。

此外，隨著太空探索與車載環境的嚴苛化，傳統陽極處理層在高低溫循環下的熱裂（Crazing）、在真空環境下的逸氣問題，以及有機染料的紫外線 (UV) 退色問題，都促使產學界轉向更高階的陶瓷化表面處理技術——即 MAO、PEO 與 MPC ³。

3. MAO/PEO/MPC 技術原理深度解析

為了深入探討這些技術的優缺點，首先必須釐清術語並理解其背後的物理化學機制。科學文獻指出，MAO (微弧氧化) 與 PEO (電漿電解氧化) 實質上指代同一種電化學表面處理製程，而 MPC (微孔陶瓷) 在此領域通常指代經過特定製程優化、具有特殊微孔結構以增強光學陷阱效應的高階 PEO 變體 ⁵。

電漿微弧放電機制 (Plasma Micro-Discharge Mechanism)

不同於陽極處理在低電壓 (<100V) 下依賴離子遷移生長氧化膜，PEO/MAO 製程在鋁合金工件上施加超過介電崩潰電壓的高電位（通常 >200V 至 600V）。

介電崩潰 (Dielectric Breakdown)： 當電壓超過氧化膜的耐受極限時，工件表面薄弱點會發生擊穿。電場強度可達 10^6至 10^7 V/m，引發電子雪崩效應 ⁵。
微電弧產生 (Micro-Arc Generation)： 擊穿點形成微電漿通道 (Plasma Channel)。在這個微小的放電通道內，瞬時溫度可達 3,000 K 至 10,000 K，壓力可達 100 MPa ⁵。
陶瓷相變與燒結 (Phase Transformation & Sintering)： 在如此極端的高溫高壓下，鋁基材與電解液中的矽酸鹽、磷酸鹽等元素發生電漿化學反應。原本無定形的氧化鋁被熔融並轉化為高溫穩定的結晶相陶瓷（主要是 alpha-Al_2O_3 剛玉相與 gamma-Al_2O_3 ）。熔融的陶瓷被噴射出通道，隨即被周圍的冷電解液急冷凝固 ⁸

MPC (微孔陶瓷) 的光學結構優化

標準的 PEO 製程可能會產生粗糙、孔隙大小不一的表面（$R_a$ 可能達到 5-10 $\mu m$），這對於精密光學件來說可能造成過度的光散射或組裝公差問題。MPC 技術 則代表了對放電參數（如雙極性脈衝頻率、佔空比）的精細控制，旨在生成緻密且孔徑均勻的 微孔結 (Micro-Porous Structure)

光陷阱效應 (Light Trapping Effect)： MPC 表面的微孔（通常直徑 1-10 $\mu m$）充當了光子陷阱。當入射光進入微孔時，會在孔壁內進行多次反射。假設材料本身的單次反射率為 5%，經過微孔內的 3 次反射後，剩餘的反射光僅為 $0.05^3 = 0.000125$，即幾乎完全吸收。這種幾何結構對於提升近紅外波段的吸光率至關重要 ¹。
原位著色 (In-situ Coloring)： 為了實現極致黑，MPC/PEO 電解液中會添加過渡金屬鹽類（如釩酸鹽、鎢酸鹽或銅鹽）。這些金屬離子在電漿反應中被氧化並進入陶瓷晶格，形成具有深能級缺陷的黑色氧化物，從而實現材料本質上的全光譜吸收，而非僅僅依靠表面染料 ¹²。

Formation of Black Coatings on AA7075 and AA6061 by Low-Voltage Plasma Electrolytic Oxidation for Use as Flat Solar Absorbers in the Aerospace

4. 超高吸光率光學元件的性能深度對比

針對吸光率 >95% 的需求，我們將 MAO/PEO/MPC 與業界主流的黑色陽極處理 (Black Anodizing) 以及高端的超黑塗層 (Super-Black Coatings，如 Acktar, Vantablack) 進行全方位的數據對比。

光學吸光率 (Solar & IR Absorptance)

光學元件的核心指標是太陽吸光率 ($\alpha_s$) 與特定波長（905nm, 1550nm）的反射率。

性能指標	黑色陽極處理 (Black Anodizing)	MAO / PEO / MPC (黑色陶瓷)	Acktar / Vantablack (超黑塗層)
可見光吸光率 ($\alpha_{vis}$)	90% – 94%	93% – 96% ¹²	> 99% ¹³
NIR 吸光率 (905 nm)	差 (取決於染料，常有高反射)	優 (> 92-95%) (可調控)	極優 (> 99%)
SWIR 吸光率 (1550 nm)	極差 (通常呈現金屬反射特性)	優 (> 90%) (需特殊摻雜)	極優 (> 99%)
熱發射率 ($\varepsilon_{IR}$)	0.80 – 0.88	0.85 – 0.92 ¹¹	> 0.90 ¹⁶
抗 UV 退色能力	弱 (有機染料會分解)	強 (無機金屬氧化物，不退色)	強

Formation of Black Coatings on AA7075 and AA6061 by Low-Voltage Plasma Electrolytic Oxidation for Use as Flat Solar Absorbers in the Aerospace

Vantablack vs. Acktar Black – what is the difference?

VANTABLACK S-IR

陽極處理的紅外失效： 傳統黑色陽極處理在 905nm 和 1550nm 處往往表現出「光譜洩漏」。這是因為常用的有機黑色染料在紅外波段是透明的，光線穿透染料層後被底層鋁金屬反射回來。這對於依賴這些波長的 LiDAR 系統來說是災難性的，會造成嚴重的雜散光干擾 ¹。
MPC 的寬頻吸收： 研究顯示，透過在 PEO 電解液中添加 10 g/L 的 $NaVO_3$，可以在 AA7075 鋁合金上製備出太陽吸光率高達 3% 的黑色陶瓷層。由於過渡金屬氧化物的電子躍遷能階豐富，加上微孔結構的幾何陷光效應，MPC 能在寬廣的頻譜範圍內維持低反射率 ¹²。
超黑塗層的極限： 雖然 Acktar 和 Vantablack 能提供接近9% 的物理極限吸光率，但其成本高昂且製程受限（需真空腔體或 CVD 生長），且通常不具備結構承載能力，這限制了它們在外部暴露組件上的應用 ²。

機械性能與耐環境性 (Mechanical & Environmental Durability)

光學組件不僅要黑，還必須在震動、摩擦和腐蝕環境中生存。這正是 MPC/MAO/PEO 技術相較於超黑塗層的最大優勢。

硬度與耐磨性：
- PEO/MPC: 由於形成的是結晶態氧化鋁（剛玉），其硬度可達 1200 – 2000 HV，遠高於硬陽處理的 400-500 HV。這使得 PEO 塗層非常耐磨，適合用於暴露在外的 LiDAR 視窗邊框或易受塵沙侵蝕的無人機光學雲台 ⁵。
- Vantablack: 奈米碳管結構極其脆弱，物理接觸（如擦拭）即可破壞其結構並導致光學性能喪失 ¹³。
- Acktar: 雖然是無機塗層，但其厚度極薄 (3-10 $\mu m$)，耐磨性不如厚實的陶瓷層 (PEO 通常 10-50 $\mu m$) ¹⁶。
抗熱衝擊 (Thermal Shock Resistance)：
- 鋁合金的熱膨脹係數 (CTE) 高 (~23 ppm/K)，而氧化鋁陶瓷低 (~8 ppm/K)。這種差異導致傳統陽極處理層在超過 100°C 時容易產生龜裂 (Crazing)。
- PEO/MPC 塗層具有獨特的微觀結構，其多孔的外層和過渡層能夠釋放熱應力。實驗證明，PEO 塗層能承受從 -196°C (液氮) 到 +400°C 的劇烈熱循環而不發生剝離或龜裂，這對於太空環境（向陽面/背陰面溫差）及車用 LiDAR（引擎熱、日曬）至關重要 ¹²。
耐腐蝕性 (Corrosion Resistance)：
- PEO/MPC 塗層的內層是緻密的阻擋層 (Barrier Layer)，能有效阻擋腐蝕介質。在鹽霧測試中，優化的 PEO 塗層可耐受超過 2000 小時，而標準陽極處理通常在 336 小時左右出現腐蝕點。這對於海上巡邏機光學系統或沿海地區使用的自動駕駛車輛是關鍵優勢 ⁴。

5. 特殊功能性探討：真空逸氣與太空應用

對於航太光學組件（衛星、太空望遠鏡）以及密封的高功率雷射模組，材料的真空逸氣 (Outgassing) 特性是決定生死的關鍵。逸出的揮發性分子會凝結在冷的光學鏡片或感測器上，造成汙染並降低穿透率。

ASTM E595 規範與 PEO 優勢

NASA 與 ESA 採用的標準 ASTM E595 規定，合格的太空材料必須滿足總質量損失 (TML) < 1.0% 且收集揮發性可凝結物 (CVCM) < 0.10% ²⁰。

陽極處理的風險： 染色陽極處理層由於其多孔結構易吸附水氣，且有機染料和封孔劑（如乙酸鎳）在真空中不穩定，往往導致 TML 和 CVCM 超標。為了通過測試，陽極處理件通常需要進行長時間的真空烘烤 (Vacuum Bake-out)，增加了製造成本與時間 ²²。
PEO/MPC 的本質優勢： PEO 陶瓷是在 >3000 K 的電漿高溫下合成的無機物。其晶格結構中不含揮發性有機成分。
- Keronite 案例： 英國 Keronite 公司的 PEO 塗層已被證實具有「幾乎為零」的逸氣率，並成功應用於 ESA 的 BepiColombo 水星探測任務 中，用於保護太陽能陣列轉移機構與熱遮罩。在水星軌道的極端高溫與強紫外線輻射下，PEO 展現了比傳統太空級黑漆更優異的穩定性 ¹⁹。
- 數據支持： 無機陶瓷塗層的 CVCM 值通常可低至01% 甚至更低，遠優於 ASTM 標準，確保了光學系統的長期潔淨度 ¹⁶。

6. 產業應用現狀與材質適配性

電動車激光雷達 (LiDAR)

目前 LiDAR 產業正面臨 905nm 與 1550nm 的技術路線之爭，而 MPC/PEO 技術在兩者中均扮演重要角色。

905nm 系統（矽基偵測器）： 受限於人眼安全規範，發射功率受限，因此接收端對雜訊極度敏感。光機內部的遮光罩與鏡筒必須具備極高的吸光率以消除雜散光。MPC 技術能以較低的成本（相較於 Vantablack）提供量產級的高吸光率與高良率，且能處理複雜形狀的壓鑄鋁殼體 ²⁵。
1550nm 系統（InGaAs 偵測器）： 允許更高的雷射功率。這帶來了熱管理問題。MPC 黑色塗層具有高熱發射率 ($\varepsilon > 0.85$)，能協助將內部產生的熱量以輻射形式散發出去，起到被動散熱的作用。同時，針對 1550nm 優化的 MPC 孔徑結構能有效抑制高能量脈衝的反射，防止探測器過曝 ¹⁵。

A close-up photograph of a matte black, machined metal optical housing with intricate internal light baffles, resting on a metal lab bench with electronic test equipment in the blurred background. — A complex matte black lidar optical component, likely for light control, sits on a lab bench with Lidar electronic equipment in the background.

不同材質的適用性分析

雖然本報告聚焦於鋁合金，但 MPC/PEO 技術是少數能跨材質通用的表面處理。

鋁合金 (Aluminum Alloys)： 應用最廣。對於含矽量高的壓鑄鋁（如 A380, ADC12），傳統陽極處理會產生灰黑色的劣質外觀且耐蝕性差。PEO/MPC 技術不受矽元素干擾，能在壓鑄鋁上生成均勻、緻密的黑色陶瓷層，這對於降低 LiDAR 量產成本（使用壓鑄件替代 CNC 件）至關重要 ⁶。
鎂合金 (Magnesium Alloys)： 用於極致輕量化（如無人機載具）。鎂化學性質活潑，極難進行高品質陽極處理。PEO 是目前鎂合金表面處理的最佳方案，能同時提供防腐蝕與光學消光功能 ²⁸。
鈦合金 (Titanium Alloys)： 用於高強度航太結構。鈦合金的 PEO 處理通常生成白色或灰色的二氧化鈦。要獲得黑色吸光層，必須在電解液中加入特殊的鐵、鈷或鎳添加劑，透過反應生成黑色的鈦酸鹽複合物 ²⁹。

7. 結論與建議

綜合科學文獻與產業數據，針對超高吸光率（>95%）鋁合金光學元件的表面處理技術，我們得出以下結論：

性能超越： MAO/PEO/MPC 技術透過「原位陶瓷化」與「微孔光陷阱」的雙重機制，成功解決了傳統黑色陽極處理在近紅外波段（905nm/1550nm）反射率過高的物理缺陷。其吸光率可穩定達到 95% 以上，且具備全無機、耐高溫、低逸氣的特性。
應用定位：
- 對於極致光學性能但不計成本與機械強度的應用（如密封儀器內部的校正黑體），Acktar 或 Vantablack 仍是首選。
- 對於需要兼顧高吸光率、結構強度、耐候性與量產成本的應用（如車載 LiDAR 外殼、衛星外部結構件、手持式光學儀器），MPC / PEO 是目前最佳的工程解決方案。
未來趨勢： 隨著「MPC」技術對微孔結構的奈米級調控能力提升，未來有望在不犧牲機械強度的前提下，進一步將吸光率推升至 98% 以上，逐漸取代部分昂貴的真空沉積黑膜市場。

參數表 (Technical Recommendation Matrix)

應用場景	推薦技術	關鍵考量	預期性能
LiDAR 內部遮光罩 (905/1550nm)	MPC / Black PEO	抑制 NIR 雜散光、低逸氣、耐雷射損傷	$\alpha_{NIR} > 92\%$, CVCM < 0.01%
衛星外部熱控表面	PEO (Keronite)	抗 UV 輻射、耐熱衝擊、防冷焊	$\alpha/\varepsilon$ 可調, 壽命 > 15年
無人機/手持光學鎂鋁件	MAO / PEO	耐腐蝕 (鹽霧)、耐磨損、輕量化	硬度 > 1000 HV, 鹽霧 > 1000hr
實驗室級校正黑體	Vantablack / Acktar	極致吸光率，無機械接觸	$\alpha > 99.9\%$