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光学玻璃强化工艺及机理研究

发表时间：2021/9/10 来源：《时代建筑》2021年8期4月下作者：项中科

[导读] 在汽车、舰船以及航空航天器等设备上，光学玻璃的应用日渐广泛，并且随着相关科学技术的发展，光学玻璃作为车辆等设备的结构件需要出现满足设备较高强度使用要求。在这种情况下，当前学术领域更加重视光学玻璃强化工艺的研究以及优化，这也是进一步扩展光学玻璃应用范围，促进国民经济发展的有效途径。

成都赛林斯科技实业有限公司 5130221977110*****5 项中科四川成都 610100

摘要:在汽车、舰船以及航空航天器等设备上，光学玻璃的应用日渐广泛，并且随着相关科学技术的发展，光学玻璃作为车辆等设备的结构件需要出现满足设备较高强度使用要求。在这种情况下，当前学术领域更加重视光学玻璃强化工艺的研究以及优化，这也是进一步扩展光学玻璃应用范围，促进国民经济发展的有效途径。本文针对光学玻璃的定义及其类型划分、技术发展分析进行了深刻的解读，并就目前常用的光学玻璃热处理、酸腐蚀等处理工艺进行了深刻分析。
关键词:光学玻璃；强化工艺；分类；机理分析
        以目前车辆等设备的使用要求发展看来，光学玻璃在强度方面需要进一步的提升，在这种情况下，各种光学玻璃的强化技术得以诞生并逐渐应用到生产实践中。最初针对光学玻璃的强化设计，是以一些膨胀系数相对较低的玻璃作为基础，通过在其表面进行压应力的预制来有效提高其强度。而在相关科学技术发展的影响下，光学玻璃的强化并非绝对需要玻璃表面不存在任何微裂纹，如若存在少量的微裂纹，则需要对微裂纹的受力扩展做出有效的抑制。故此，本文针对目前常用的热处理、酸腐蚀等光学玻璃强化处理方式进行了深刻分析研究，以便为今后的光学玻璃的强化处理技术应用以及发展提供相应的借鉴和参考。
        1、光学玻璃概述
        1.1光学玻璃定义
        能够改变光线的传播方向，以及紫外、可见以及红外光相对光谱分布的玻璃，便是光学玻璃[1]。光学玻璃的概念可以分为广义和狭义两种，广义层面上的光学玻璃，具体包括了有色光学玻璃，激光玻璃、石英光学玻璃等，而狭义的光学玻璃则是单指无色光学玻璃。光学玻璃目前主要是利用于光学仪器的透镜、棱镜等部位的制造过程中，由光学玻璃所组成的仪器构件，便是整个光学仪器中的关键性元件。
        1.2光学玻璃类型划分
        以目前光学玻璃相关制造工艺看来，光学玻璃具体可以分为如下几类：第一，无色光学玻璃。这类光学玻璃在光学常数上面有着特定的要求，具备可见区高、透过无选择、吸收着色等诸多特点，可以按照阿贝数值的大小相值分为冕类和火石类玻璃，同时也可以按照折射率的高低将之进行划分，多在望远镜、显微镜和照相机的透镜、棱镜、反射镜制造中应用。第二，防辐照光学玻璃，这类光学玻璃本身在吸收功能辐射等方面有着一定的优势，可以分为高铅玻璃盒Cao-B202系统玻璃，分别能够有效的防止X射线和伽马射线的辐照以及吸收慢中子和热中子，这类光学玻璃主要是在核工业和医学领域用做屏蔽和窥视窗口的制造材料[2]。第三，耐辐照光学玻璃。这类光学玻璃能够在一定数量的X射线和伽马射线的照射下，使得光线的透过率变化相对较少，其品种以及品牌和无色的光学玻璃基本相同，主要是用于高能辐照环境下的光学仪器的窥视窗口的制造。第四，有色光学玻璃。这类光学玻璃能够选择性地吸入和透过紫外、可见以及红外区域里的特定波长光线，以光谱特性作为出发点，可将之分为选择性吸收型、截止型和中性灰三三类，也为人们称之为滤光玻璃。
        2、光学玻璃的新技术发展分析
        随着光学玻璃制造相关技术的持续发展，以目前的技术状况来看，在光电数字技术和生命科学仪器发展需要的影响下，高透过光学玻璃的诞生、应用，能够在维持原有玻璃性质的同时，进一步提升近紫外区光线的透过率。高透光玻璃能够在有效更改蓝光透过区的前提下进行色彩还原，并且也能够降低光吸收降低透镜的热效应，持续改善图像的成像质量。而紫外线高透过玻璃能够在聚合紫外光敏胶上发挥一定程度作用，主要是用于3D电影的投影仪、数字相机等设备的制作中。
        除此之外，现如今的光学玻璃制造也可以借助精密模型挤压成型，其中的非球面透镜可以在简化光学系统的前提下，更好的消除各种测量误差，主要是用于数字投影仪、照相机等设施的制造过程中。以目前的精密模型厂家生产制造技术来看，熔石英、光学玻璃和硫系玻璃能够使用这种方式进行生产，其光谱的具体覆盖范围，从180nm到13μm不等。该种生产方式除了需要在生产之前对热压模具和玻璃温度分布进行模拟之外，也需要以玻璃膨胀系数和温度关系作为出发点，对透镜的收缩进行计算并给予合理的补偿。随后则需要以温度分布和降温速率，将折射率的空间分布进行合理的计算，以此来设计出较为完善的模具面形。在模具加工的过程中，可以使用超精密研磨方式，使其粗糙度可以达到几纳米，而在生产过程中，通过使用贵金属、碳化物等涂层，能够有效防止光学玻璃生产过程中所出现的模具氧化导致玻璃和模具粘连情况[3]。在光学玻璃生产制造之后，只需要对模压之后的产品与标准值的偏差进行合理的检测并进一步调整模具。
        3、光学玻璃强化工艺分析
        3.1热处理强化工艺
        3.1.1工艺原理分析
        在光学玻璃强化处理的工艺中，热处理工艺的主要原理就是升高温度到玻璃的软化温度附近，随后进行保温，从而使得玻璃表面出现轻微性质的粘滞性流动，如此一来，玻璃表面所存在的微裂纹的棱角将会得到钝化处理，甚至于被粘滞性流动的玻璃液所填充，从而在有效消除玻璃表面微裂纹的同时，持续强化光学玻璃的强度。但需要注意的是，在使用这种光学玻璃强化处理工艺的过程中，玻璃前后不能发生较大的形变，其具体的形变范围需要控制在实际应用允许形变的10μm范围内，在使用热处理进行光学玻璃强化之后，必须要使用千分尺对玻璃试样尺寸的变化进行测量，借此来合理地确定热处理工艺参数的实际范围，随后则需要使用金相显微镜对光学玻璃表面的划痕在处理前后的变化进行观察，从而选择合适的热处理工艺。为了有效的检验热处理工艺对于光学玻璃强度的影响，则需要测量玻璃的三点弯曲强度。

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        3.1.2热处理温度分析
        从光学玻璃热处理功率的原理出发，只有在温度提升到玻璃的软化温度附近的情况下，其表面才会出现轻微的粘滞性流动，以此来钝化玻璃表面所存在的各种微裂纹和棱角，甚至于是被粘质流动的玻璃液逐步填充直到完全消失。但需要注意的是，如果热处理工艺的温度过高，则玻璃就会产生相对较大的形变，但过低的温度却无法达到热处理应有的强化光学玻璃的效果。在使用热处理强化光学玻璃的过程中，需要对膨胀软化温度和转变温度进行合理的控制。在光学玻璃的温度处于膨胀软化温度范围之上的情况下，因为此时玻璃所受到温度水平较高，光学玻璃的粘度水平相对较低，内部的质点处于一种快速运动的状态下，整个光学玻璃结构能够随着温度的变化及时做出改变，故此整个光学玻璃能够维持一种相对较好的平衡状态，在这个温度范围之内的变化，不会对玻璃结构和性能水平产生较大的影响。而一旦热处理的温度处于光学玻璃的转化温度之下，玻璃基本已经成为一种固态物体，从而具备了较为显著的脆性和弹性特征，这种温度环境下的变化也不会对玻璃的结构和性能产生一定程度的影响，但其内部结构却始终存在着一定的永久位移能力。这一阶段实施的热处理强化操作，能够在一定程度上消除之前所产生的内容以及内部结构的不均匀状态。如此一来，在光学玻璃的热处理温度处于其膨胀软化温度和转变温度之间范围的情况下，玻璃的粘度变处于上面的两种情况之间，内部的质点能够稍微进行移动，也能以较快的速度达成结构的平衡状态，在这个温度范围之内，温度越高达成玻璃结构平衡状态所需要的时间也会越短。
        3.2酸腐蚀强化处理工艺
        在光学玻璃强化处理的过程中，对其表面为裂痕的受力扩张做出有效抑制的前提条件便是其表面所存在的微裂痕的长度小于引起强度破坏性衰减的裂纹尺寸，而一旦玻璃表面的微裂纹尺寸超过了这一尺寸数值，便可以使用酸腐蚀的方法，确保将光学表面的微裂痕进行变浅、变细的处理，更好的将尖端部位的应力进行集中[4]。
        针对光学玻璃的酸腐蚀强化处理，便是利用各种酸溶液与玻璃进行化学反应。在这种情况下，化学反应的影响因素都能够对酸腐蚀的具体处理效果产生一定程度的影响。根据相关的实验结果表明，随着酸腐蚀溶液含量以及反应温度的提高，其速率也会有所提高，但速率的提高却有一个范围的限定，一旦氢氟酸溶液的含量超过25%，且温度缓解超过25℃的情况下，则酸腐蚀容易对光学玻璃的表面带来损害，甚至于产生全新的缺陷。如此一来，在使用氢氟酸进行酸腐蚀光学玻璃强化处理的过程中，内部的氢氟酸含量需要小于25%且温度需要低于25℃。除此之外，能够对酸腐蚀处理之后的光学玻璃强度产生直接影响的另一个因素就是腐蚀层的厚度。在进行酸腐蚀处理的过程中，腐蚀层的深度必须要高于光学玻璃表面微裂纹的深度。
        需要注意的是，经过酸腐蚀处理之后的光学玻璃，因其表面很容易出现划伤现象，并继而产生裂纹，如此经过酸腐蚀处理而提升的光学玻璃强度并会瞬间丧失。在这种情况下，酸腐蚀方面的研究除了需要着眼于酸腐蚀提升光学玻璃强度的方法之外，更加需要研究如何将这一提升的强度进行有效保留。
        3.3化学离子交换处理工艺
        3.3.1处理工艺原理
        光学玻璃的化学离子交换处理工艺，便是借助离子交换的方式将玻璃表面的组成进行改变，简单而言，便是在高温熔盐环境中将光学玻璃置于其中，如此玻璃中离子半径相对较小的碱金属离子和熔盐中所存在的半径较大的碱金属离子会发生置换，从而产生挤塞现象，最终在玻璃表面形成一个完善的离子交换层，进一步强化光学玻璃的强度[5]。
        3.3.2处理因素的合理控制
        在使用化学离子交换方式提升光学玻璃强度的过程中，单纯考虑表层玻璃的扩散深度和浓度分布是远远不够的。因为玻璃本身是一种非晶体结构，在温度过高的情况下会出现应力松弛，交换处理方式的温度和视野增加也会进一步加快玻璃的应力松弛现象，从而直接影响到离子化学交换处理的效果。在使用化学离子交换处理的过程中，玻璃表面的应力是由表面的应力松弛、扩散深度和离子浓度三方面进行综合作用的，简单而言，在处于一定温度范围内的情况下强度最大值总有一个与之相对应的最佳交换时间。在进行强化的初期，离子交换层的厚度与时间的延长时间，呈现出一种显著的正相关关系。在这种情况下，熔岩和玻璃表面的固相和液相之间的浓度相对较大，扩展比较容易进行。在使用离子交换化进行光学玻璃强化处理的过程中，需要选择合适的处理时间以及温度。除此之外，在光学玻璃强化处理的过程中，熔盐的浓度和纯度也会直接影响到最终的强化处理结果。熔盐在长时间使用的情况下，就会使得从玻璃中置换出来的离子数量逐渐增加，如此用于置换的离子数量也会有所降低，直接影响到整体的交换处理效果。此外，如果溶液中含有离子半径比玻璃的离子半径还小的离子，会更加影响到光学玻璃处理之后的强度。在进行长时间化学交换处理的过程中，需要对熔盐的程度和浓度进行合理控制，对其及时进行更换。
        4、总结
        光学玻璃经过上世纪末在产能和技术方面的大发展，本世纪初，尤其是近 10 年，转向高质量发展。应用对象从光学转向光子学，从光学产业转向光电产业和光学信息产业。国外传统光学玻璃制造商，日本的 Hoya、Sumita 和 Ohara 产品扩展到电子玻璃、光纤、微晶玻璃、石英玻璃，形成多品种发展。历史悠久的 Schott 已实现产品转型，这些都值得借鉴。
参考文献
[1]王金金,李志刚,杨海峰,刘富.光学玻璃材料动态冲击试验与鸟撞研究[J].振动与冲击,2021,40(07):216-221.
[2]申振东. 3D玻璃热弯机模压成型的有限元分析及实验研究[D].哈尔滨理工大学,2020.
[3]解加庆. 玻璃微结构阵列模压成形及界面微摩擦研究[D].北京理工大学,2018.
[4]李平. 脆性光学材料高效精密低损伤磨削加工机理、工艺及工程应用研究[D].湖南大学,2017.
[5]兰敬高,杨觉明,韩美康.热处理与化学强化对K9光学玻璃强度的影响[J].西安工业大学学报,2015,35(02):142-146+151.